ITR20403 Оптопрерыватель - Техническая документация - Корпус 4.0x3.0x2.0мм - Прямое напряжение 1.6В - Рассеиваемая мощность 75мВт - Инфракрасный 940нм

1. Обзор продукта

ITR20403 — это компактный модуль оптопрерывателя, предназначенный для применений в бесконтактном детектировании. Он объединяет инфракрасный излучающий диод (IRED) и кремниевый фототранзистор в едином корпусе из черной термопластичной смолы малого форм-фактора. Основная функция устройства — детектирование прерывания инфракрасного светового луча между его излучающим и приемным компонентами.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Устройство предлагает несколько ключевых преимуществ, делающих его подходящим для прецизионных применений. Его быстрое время отклика и высокая чувствительность обеспечивают надежное детектирование быстрых движений объектов. Тонкий и малый корпус облегчает интеграцию в конструкции с ограниченным пространством, типичные для потребительской электроники и офисной автоматики. Важной технической особенностью является конструкция корпуса, которая позволяет фототранзистору принимать излучение в основном от встроенного ИК-светодиода, тем самым минимизируя помехи и шумы от внешних источников света. Основные целевые рынки включают устройства формирования изображений, системы обработки документов и различные средства автоматического управления, требующие точного определения положения или наличия объекта.

2. Подробный анализ технических параметров

В этом разделе представлена детальная, объективная интерпретация электрических, оптических и тепловых характеристик устройства, определенных в техническом описании.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Абсолютные максимальные параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Это не рекомендуемые рабочие условия.

• Рассеиваемая мощность на входе (IRED) (Pd):Максимум 75 мВт при температуре свободного воздуха 25°C или ниже. Превышение этого предела грозит тепловым повреждением кристалла светодиода.
• Обратное напряжение на входе (VR):Максимум 5 В. Приложение более высокого обратного напряжения может вызвать пробой p-n перехода.
• Постоянный прямой ток (IF):Максимум 50 мА. Это максимальный постоянный ток, который может выдержать ИК-светодиод.
• Рассеиваемая мощность на выходе (Фототранзистор) (Pd):Максимум 75 мВт при температуре 25°C или ниже.
• Ток коллектора (IC):Максимум 20 мА для выхода фототранзистора.
• Напряжение коллектор-эмиттер (BV_CEO):Максимум 30 В. Это напряжение пробоя при разомкнутой базе.
• Рабочая температура (T_opr):от -25°C до +80°C. Гарантируется функционирование устройства в этом диапазоне температур окружающей среды.
• Температура хранения (T_stg):от -40°C до +85°C.
• Температура пайки выводов (T_sol):Максимум 260°C в течение 5 секунд, измеренная на расстоянии 3 мм от корпуса. Это критически важно для контроля процесса сборки.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измерены в стандартных условиях испытаний (Ta=25°C) и представляют типичные характеристики устройства.

• Прямое напряжение (V_F):Типично 1.23В, максимум 1.6В при I_F=20мА. Этот параметр важен для проектирования схемы ограничения тока для ИК-светодиода.
• Пиковая длина волны (λ_P):940 нм. Это номинальная длина волны излучаемого инфракрасного света, которая соответствует пику чувствительности приемного фототранзистора.
• Темновой ток коллектора (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE=20В и нулевой освещенности. Этот ток утечки определяет уровень собственных шумов датчика в "выключенном" состоянии.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat)):Максимум 0.4В при I_C=2мА и облученности (E_e) 1 мВт/см². Низкое напряжение насыщения желательно для цифровых переключающих применений.
• Ток коллектора в открытом состоянии (I_C(on)):Диапазон от минимум 0.2 мА до максимум 5.0 мА в условиях испытаний V_CE=5В и I_F=20мА. Такой широкий диапазон указывает на вариацию коэффициента передачи тока (CTR) между устройствами, что необходимо учитывать при проектировании схемы.
• Время нарастания/спада (t_r, t_f):Типично по 15 мксек каждый при заданных условиях переключения. Это определяет максимально достижимую частоту переключения для устройства.

3. Анализ характеристических кривых

Техническое описание включает типичные характеристические кривые, которые дают представление о поведении устройства в различных условиях.

3.1 Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая иллюстрирует необходимое снижение номинального прямого тока ИК-светодиода с ростом температуры окружающей среды. Чтобы предотвратить превышение максимальной температуры перехода и обеспечить долгосрочную надежность, рабочий ток должен быть уменьшен при использовании устройства в высокотемпературных средах. Конструкторы должны обращаться к этому графику для определения безопасного рабочего тока для максимальной температуры окружающей среды в их конкретном применении.

3.2 Спектральная чувствительность

Представлены отдельные кривые спектральной чувствительности как для ИК-излучателя, так и для фототранзистора. Кривая ИК-светодиода показывает относительную излучаемую интенсивность в зависимости от длины волны с пиком на 940 нм. Кривая фототранзистора показывает его относительный отклик в зависимости от длины волны падающего света, с пиком, спроектированным для совпадения с излучением эмиттера. Узкий, согласованный отклик минимизирует чувствительность к видимому окружающему свету, что является ключевой особенностью для стабильной работы в различных условиях освещения.

3.3 Прямой ток в зависимости от прямого напряжения

Эта ВАХ для ИК-светодиода показывает нелинейную зависимость между прямым напряжением и током. Это критически важно для выбора подходящей схемы ограничения тока (например, резистор, источник постоянного тока) для обеспечения стабильного ИК-излучения в рабочем диапазоне температур и с учетом производственных вариаций.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство размещено в компактном корпусе. Ключевые размеры включают ширину корпуса приблизительно 4.0 мм, глубину 3.0 мм и высоту 2.0 мм. Шаг выводов составляет 2.54 мм (0.1 дюйма), что является стандартным шагом для монтажа в отверстия печатной платы. Все допуски на размеры составляют ±0.25 мм, если не указано иное. Выводы измеряются в месте их выхода из корпуса.

4.2 Идентификация полярности и монтаж

Компонент имеет четыре вывода. Стандартное соглашение для таких оптопрерывателей заключается в том, что два вывода с одной стороны принадлежат инфракрасному излучателю (анод и катод), а два на противоположной стороне — фототранзистору (эмиттер и коллектор). Точная распиновка должна быть проверена по диаграмме корпуса. При монтаже отверстия на печатной плате должны быть точно выровнены с позициями выводов, чтобы избежать механического напряжения на эпоксидный корпус во время установки, что может ухудшить производительность или вызвать отказ.

5. Рекомендации по пайке и сборке

Правильное обращение критически важно для сохранения целостности и производительности устройства.

5.1 Формовка выводов

Если требуется изгиб выводов, он должен быть выполнендопайки. Изгиб должен быть выполнен на расстоянии более 3 мм от нижней части эпоксидного корпуса. Выводная рамка должна быть надежно зафиксирована во время изгиба, чтобы предотвратить передачу напряжения на хрупкий эпоксидный корпус, что может вызвать растрескивание или внутреннее повреждение. Обрезка выводов должна производиться при комнатной температуре.

5.2 Процесс пайки

Минимальное расстояние 3 мм должно соблюдаться между паяным соединением и эпоксидным корпусом. Рекомендуемые условия:

• Ручная пайка:Максимальная температура жала паяльника 300°C (для паяльника 30Вт), время пайки максимум 3 секунды на вывод.
• Волновая/погружная пайка:Максимальная температура предварительного нагрева 100°C до 60 секунд. Максимальная температура ванны припоя 260°C с временем погружения максимум 5 секунд.

Избегайте приложения любого механического напряжения к выводам, пока устройство находится при повышенной температуре. Погружную или ручную пайку не следует выполнять более одного раза. После пайки устройство должно быть защищено от механических ударов или вибрации до возвращения к комнатной температуре. Процессы быстрого охлаждения не рекомендуются.

5.3 Очистка и хранение

Ультразвуковая очистка запрещена, так как высокочастотные вибрации могут повредить внутренние компоненты или эпоксидное уплотнение. Для хранения устройства должны храниться при 10-30°C и влажности 70% или менее до 3 месяцев после отгрузки. Для более длительного хранения (до одного года) рекомендуется герметичный контейнер с азотной атмосферой при 10-25°C и влажности 20-60%. После вскрытия влагозащитной упаковки устройства должны быть использованы в течение 24 часов или как можно скорее, а оставшиеся компоненты должны быть немедленно запечатаны.

6. Упаковка и информация для заказа

Стандартная спецификация упаковки: 120 штук в трубке, 96 трубок в коробке и 2 коробки в картонной коробке. Этикетка на упаковке включает поля для номера детали заказчика (CPN), номера детали производителя (P/N), количества упаковки (QTY), ссылки (REF) и номера партии (LOT No.).

7. Рекомендации по применению

7.1 Типичные сценарии применения

• Детектирование бумаги в принтерах/копирах/сканерах:Определение наличия бумаги, замятия бумаги или переднего/заднего края документа.
• Детектирование положения крышки объектива или фильтра в камерах:Определение, надета ли крышка объектива или находится ли фильтровое колесо в правильном положении.
• Бесконтактное определение конечного положения:Используется в сканерах, плоттерах или автоматизированных столиках для определения исходного или предельного положения без физического контакта.
• Подсчет или сортировка объектов:Детектирование объектов на конвейерной ленте при прерывании ими инфракрасного луча.
• Детектирование диска инкрементального энкодера:Считывание прорезей во вращающемся диске для измерения скорости или положения (хотя специализированные модули энкодера часто более подходят для задач с высоким разрешением).

7.2 Особенности проектирования и интерфейс схемы

При проектировании с использованием ITR20403 необходимо учитывать несколько факторов:

1. Ограничение тока для ИК-светодиода:Последовательный резистор должен быть рассчитан на основе напряжения питания (V_CC), желаемого прямого тока (I_F, обычно 20мА для номинального выхода) и падения прямого напряжения (V_F~1.23В). R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. Выходная интерфейсная схема:Фототранзистор может использоваться в двух распространенных конфигурациях:
   • Режим переключателя:Подключите подтягивающий резистор (например, 1кОм до 10кОм) от коллектора к V_CC. Эмиттер подключен к земле. Выход на коллекторе будет низким (близко к V_CE(sat)), когда луч не заблокирован (транзистор ВКЛЮЧЕН), и высоким (V_CC), когда луч заблокирован (транзистор ВЫКЛЮЧЕН).
   • Аналоговый режим:Фототранзистор может использоваться в схеме с общим эмиттером с резистором в коллекторе для создания напряжения, пропорционального интенсивности света. Однако нелинейный отклик и температурная зависимость делают его менее идеальным для точных аналоговых измерений по сравнению с фотодиодами со схемами на операционных усилителях.
3. Помехоустойчивость:Хотя устройство устойчиво к окружающему свету, схема все еще может улавливать электрические помехи. Рекомендуются блокировочные конденсаторы (0.1 мкФ) рядом с выводами питания устройства и тщательная разводка печатной платы. Для длинных кабельных трасс или зашумленных сред экранирование или использование выхода для управления входом триггера Шмитта может повысить надежность.
4. Конструкция апертуры и щели:Объект, прерывающий луч, должен быть непрозрачным для инфракрасного излучения. Разрешение и повторяемость детектирования зависят от ширины объекта относительно ширины щели в корпусе устройства. Для детектирования края заслонка или флажок с острым краем обеспечивают наиболее точное определение момента времени.

8. Техническое сравнение и дифференциация

ITR20403 отличается в первую очередь своим компактным, тонким форм-фактором, что является преимуществом в миниатюрной потребительской электронике. Его быстрое время отклика 15 мкс подходит для детектирования событий со средней скоростью. Интегрированный корпус, спектрально согласованный с излучателем и приемником, обеспечивает встроенное подавление окружающего света, что упрощает проектирование по сравнению с использованием дискретных компонентов. По сравнению с отражательными датчиками объектов, прерыватели обеспечивают более высокую позиционную точность и менее чувствительны к цвету или отражательной способности целевого объекта. По сравнению с щелевыми оптическими выключателями с более широкими зазорами, узкий зазор этого устройства позволяет детектировать более мелкие объекты или обеспечивать более точное детектирование края.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

9.1 Какой типичный рабочий ток для ИК-светодиода?

Электрооптические характеристики тестируются при I_F= 20 мА, что является распространенной и рекомендуемой рабочей точкой для достижения указанного тока коллектора в открытом состоянии. Схема должна быть спроектирована так, чтобы не превышать абсолютный максимальный параметр в 50 мА.

9.2 Почему такой широкий диапазон (0.2мА до 5.0мА) для тока коллектора в открытом состоянии?

Этот диапазон представляет собой вариацию коэффициента передачи тока (CTR) от устройства к устройству, который представляет собой отношение выходного тока фототранзистора (I_C) к входному току ИК-светодиода (I_F). Эта вариация присуща производственному процессу оптопар и прерывателей. Схема должна быть спроектирована для корректной работы с минимально указанным I_C(on)(0.2мА), чтобы обеспечить надежность для всех производственных единиц.

9.3 Можно ли использовать этот датчик на улице?

Хотя корпус обеспечивает хорошее подавление окружающего света, прямой солнечный свет содержит значительное инфракрасное излучение, которое может насытить датчик. Для использования на улице для надежной работы потребуются дополнительные оптические фильтры, экранирование или импульсный режим работы с синхронным детектированием. Рабочий диапазон температур (-25°C до +80°C) также ограничивает применение в экстремальных условиях.

9.4 Насколько близко должен находиться объект, чтобы прервать луч?

Устройство имеет узкий, сфокусированный зазор. Объект должен физически пройти через щель между излучателем и детектором. Нет возможности "приближенного" детектирования; луч должен быть полностью перекрыт для надежного изменения выходного состояния.

10. Пример проектирования и использования

Сценарий: Датчик отсутствия бумаги в настольном принтере.

Реализация:ITR20403 установлен на пути подачи бумаги в принтере. Рычаг или флажок, прикрепленный к пружине, находится в щели датчика, когда бумага отсутствует. Когда лист бумаги подается, он выталкивает флажок из щели, позволяя инфракрасному лучу проходить и включая фототранзистор.

Проектирование схемы:ИК-светодиод питается током 20мА через токоограничивающий резистор от источника питания логики принтера 5В. Коллектор фототранзистора подключен к входному выводу микроконтроллера 3.3В через подтягивающий резистор 4.7кОм. Эмиттер заземлен.

Программная логика:Вывод микроконтроллера настроен как цифровой вход. НИЗКИЙ уровень указывает, что луч не заблокирован (флажок выдвинут, бумага присутствует). ВЫСОКИЙ уровень указывает, что луч заблокирован (флажок вставлен, бумаги нет), что вызывает предупреждение "Бумага отсутствует" для пользователя. Добавлена логика устранения дребезга (например, в программном обеспечении), чтобы игнорировать механические вибрации флажка.

Ключевые соображения для этого случая:Механизм флажка должен быть спроектирован так, чтобы надежно и полностью входить в щель датчика. Пружина должна обеспечивать достаточное усилие для положительного возврата, но не настолько, чтобы повредить бумагу или вызвать износ датчика. Положение датчика должно быть надежно зафиксировано для сохранения выравнивания.

11. Принцип работы

ITR20403 работает по принципу модулированной передачи и детектирования света. Инфракрасный светоизлучающий диод (IRED) смещен в прямом направлении постоянным током, что заставляет его излучать фотоны на пиковой длине волны 940 нм. Напротив, в том же корпусе находится кремниевый NPN фототранзистор. Когда инфракрасный луч беспрепятственно проходит через зазор, он попадает в базовую область фототранзистора. Поглощенные фотоны генерируют электрон-дырочные пары, которые действуют как базовый ток, включая транзистор и позволяя току коллектора (I_C) течь пропорционально интенсивности света. Когда непрозрачный объект попадает в зазор, он блокирует луч, фотоиндуцированный базовый ток прекращается, и транзистор выключается. Выходная схема преобразует это изменение состояния ВКЛ/ВЫКЛ в полезный электрический сигнал. Черный термопластичный корпус служит для ограничения светового пути, предотвращения оптических перекрестных помех и блокировки большей части окружающего видимого света, фотоны которого обычно не имеют достаточной энергии для поглощения запрещенной зоной кремниевого фототранзистора, обеспечивая тем самым встроенную оптическую фильтрацию.

12. Технологические тренды

Оптопрерыватели, такие как ITR20403, представляют собой зрелую и надежную технологию. Современные тренды в этой области сосредоточены на нескольких направлениях: дальнейшая миниатюризация для интеграции во все более мелкие портативные и носимые устройства; разработка версий для поверхностного монтажа (SMD) с улучшенной совместимостью с пайкой оплавлением для автоматизированной сборки; увеличение скорости переключения для поддержки более высоких скоростей передачи данных в применениях энкодеров или более быстрых механизмов; и повышение устойчивости к факторам окружающей среды, таким как более высокая температура, влажность и загрязнение. Также наблюдается тенденция к интеграции дополнительных функций, таких как встроенные триггеры Шмитта на выходе для гистерезиса или даже цифровые интерфейсы (I2C, SPI) для более интеллектуальных, адресуемых сенсорных модулей. Однако базовая конструкция с выводным монтажом и дискретными компонентами, как в ITR20403, остается высокоэффективной по стоимости и широко используется в применениях, где ее производительность и форм-фактор достаточны.