Техническая документация LTH-301-07P5 - Щелевой оптический датчик (Фотоинтерраптор)

1. Обзор продукта

LTH-301-07P5 представляет собой фотоинтерраптор — оптоэлектронный компонент, предназначенный для бесконтактных коммутационных применений. Он объединяет инфракрасный светодиод (ИК-светодиод) и фототранзистор в одном компактном корпусе со щелью. Основной принцип работы заключается в прерывании инфракрасного луча между излучателем и детектором внешним объектом, что вызывает соответствующее изменение выходного сигнала фототранзистора. Такая конструкция обеспечивает надежный и точный метод обнаружения наличия, отсутствия или положения объектов без физического контакта.

Ключевое преимущество данного устройства — его бесконтактный принцип действия, который исключает механический износ, обеспечивая высокую надежность и длительный срок службы. Он отличается высоким быстродействием, что делает его подходящим для применений, требующих быстрого обнаружения. Компонент предназначен для непосредственного монтажа на печатную плату (ПП) или использования с цанговой панелью, обеспечивая гибкость в проектировании и сборке системы.

Типичные целевые рынки и области применения включают, но не ограничиваются, оборудованием для офисной автоматизации, таким как факсимильные аппараты, копировальные аппараты, принтеры и сканеры. Он также широко используется в различных системах промышленной автоматизации, бытовой электроники и измерительных приборах, где требуется точное обнаружение объектов.

2. Подробная интерпретация технических параметров

2.1 Предельно допустимые параметры

Предельно допустимые параметры определяют граничные условия, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Эти параметры указаны для температуры окружающей среды (T_A) 25°C и ни при каких нормальных условиях эксплуатации не должны превышаться, даже кратковременно.

Входной светодиод:Непрерывный прямой ток ограничен значением 50 мА, при этом импульсный прямой ток может достигать 1 А (300 импульсов в секунду, длительность импульса 10 мкс). Максимальная рассеиваемая мощность для светодиода составляет 80 мВт. Допустимое обратное напряжение — 5 В, что является критическим параметром для защиты светодиода от случайного обратного смещения.

Выходной фототранзистор:Напряжение коллектор-эмиттер (V_CE) составляет 30 В, а напряжение эмиттер-коллектор (V_EC) — 5 В. Максимальный ток коллектора — 20 мА, а предельная рассеиваемая мощность — 100 мВт. Соблюдение этих ограничений крайне важно для обеспечения долговечности и стабильной работы фототранзистора.

Эксплуатационные ограничения:Диапазон рабочих температур устройства составляет от -25°C до +85°C. Диапазон температур хранения шире: от -40°C до +100°C. Температура пайки выводов указана как 260°C в течение 5 секунд, измеренная на расстоянии 1,6 мм от корпуса, что является важной информацией для процессов сборки.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти характеристики определяют ожидаемую производительность устройства в нормальных рабочих условиях при 25°C. Они предоставляют ключевые параметры для проектирования схемы.

Характеристики входного светодиода:Типичное прямое напряжение (V_F) составляет 1,2 В при прямом токе (I_F) 20 мА, максимальное — 1,6 В. Этот параметр важен для расчета токоограничивающего резистора в цепи управления светодиодом. Обратный ток (I_R) составляет максимум 100 мкА при обратном напряжении (V_R) 5 В, что указывает на ток утечки светодиода в выключенном состоянии.

Характеристики выходного фототранзистора:Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO) составляет максимум 100 нА при V_CE=10 В, что представляет собой ток утечки на выходе, когда светодиод выключен (нет света). Напряжения пробоя (BV_CEO и BV_ECO) подтверждают предельные параметры.

Характеристики оптопары (системы):Эти параметры описывают совокупную производительность светодиода и фототранзистора. Ток коллектора в открытом состоянии (I_C(ON)) гарантированно составляет не менее 0,6 мА, когда светодиод питается током I_F=20 мА и V_CE=5 В. Это ключевой уровень выходного сигнала, когда щель не перекрыта. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)) составляет максимум 0,4 В при тех же условиях и I_C=0,2 мА, что указывает на хорошую характеристику "открытого" состояния. Времена отклика, с типичным временем нарастания (T_r) 3 мкс и временем спада (T_f) 4 мкс (при определенных условиях испытаний), определяют быстродействие устройства.

3. Механическая и упаковочная информация

3.1 Габаритные размеры

LTH-301-07P5 имеет стандартный корпус для монтажа в отверстия. Подробный механический чертеж приведен в спецификации. Все размеры указаны в миллиметрах. Стандартный допуск для неуказанных размеров составляет ±0,25 мм. Ключевые размеры включают общую длину, ширину и высоту корпуса, ширину и глубину щели (которая определяет зазор для прохождения прерывающего объекта), а также шаг и диаметр выводов. Компонент предназначен для пайки волной припоя или ручной пайки.

Идентификация полярности:Устройство имеет определенную распиновку. Как правило, более длинный вывод или специальная маркировка на корпусе указывают на анод светодиода. Крайне важно обратиться к чертежу размеров для точной идентификации выводов (например, вывод 1 часто является анодом светодиода, вывод 2 — катодом светодиода, вывод 3 — эмиттером фототранзистора, а вывод 4 — коллектором), чтобы обеспечить правильную ориентацию при сборке на ПП. Неправильная полярность приведет к неработоспособности устройства.

4. Рекомендации по пайке и монтажу

Правильное обращение во время пайки крайне важно для предотвращения повреждения пластикового корпуса и внутреннего полупроводникового кристалла.

Общие меры предосторожности:Корпус не должен погружаться в припой. Не следует прикладывать внешнее усилие к выводной рамке, пока изделие находится при высокой температуре во время пайки, так как это может вызвать внутренние трещины или смещение.

Ручная пайка выводов:Для ручной пайки рекомендуемая максимальная температура жала паяльника составляет 350°C. Время пайки на один вывод не должно превышать 3 секунд, и эту операцию следует выполнять только один раз на вывод. Точка пайки должна находиться не ближе 2 мм от основания корпуса компонента, чтобы предотвратить тепловое повреждение.

Пайка волной припоя:Для автоматизированной пайки волной рекомендуется определенный профиль. Температура предварительного нагрева не должна превышать 100°C, время предварительного нагрева — до 60 секунд. Температура волны припоя должна быть не более 260°C, время контакта — не более 5 секунд. Положение погружения должно быть не ниже 2 мм от основания корпуса. Соблюдение этого профиля предотвращает тепловой удар и обеспечивает надежные паяные соединения без ущерба для целостности пластикового корпуса.

5. Условия хранения и меры предосторожности

Для сохранения паяемости и предотвращения ухудшения характеристик необходимо соблюдать определенные условия хранения.

Идеальная среда хранения — температура ниже 30°C и относительная влажность ниже 70%. Компоненты должны быть смонтированы в течение 3 месяцев с даты поставки. Для продления срока хранения, пока детали находятся в оригинальной влагозащитной упаковке, их следует хранить в герметичном контейнере с соответствующим осушителем или в эксикаторе, продуваемом азотом. Однако хранение в таких контролируемых условиях не должно превышать одного года.

После вскрытия оригинальной герметичной упаковки компоненты должны быть использованы в течение 3 месяцев и храниться в контролируемой среде с температурой <25°C и относительной влажностью <60%. Следует избегать резких перепадов температуры окружающей среды, особенно в условиях высокой влажности, чтобы предотвратить конденсацию, которая может привести к окислению выводов компонента. Если условия хранения не соответствуют указанным критериям, паяемость выводов может быть нарушена. В таких случаях перед использованием в производстве необходимо провести оценку паяемости и возможную пересортировку компонентов.

6. Рекомендации по применению

6.1 Типовые сценарии применения

LTH-301-07P5 универсален и находит применение во многих областях:

• Обнаружение бумаги в принтерах/копирах/сканерах:Обнаружение наличия бумаги, замятия бумаги или конца бумажного рулона.
• Определение положения:Обнаружение исходного положения или предела хода в движущихся механизмах (например, каретках принтера, манипуляторах).
• Вращательное кодирование:Используется со щелевым диском для измерения скорости или положения вращающегося вала.
• Подсчет объектов:Подсчет предметов на конвейерной ленте при их прохождении через щель.
• Системы безопасности:В качестве части датчика прерывания луча для обнаружения вторжения.

6.2 Особенности проектирования

При проектировании схемы с данным фотоинтерраптором необходимо учитывать несколько факторов:

• Ток управления светодиодом:Рекомендуемый рабочий ток составляет 20 мА. Последовательный резистор должен быть рассчитан на основе напряжения питания (V_CC) и прямого напряжения светодиода (V_F) с использованием закона Ома: R = (V_CC - V_F) / I_F. Используя типичное V_F=1,2 В и питание 5 В, резистор будет примерно (5В - 1,2В) / 0,02А = 190 Ом. Подойдет стандартный резистор на 200 Ом.
• Смещение фототранзистора:Выход фототранзистора может использоваться в схеме с общим эмиттером (эмиттер заземлен, коллектор подключен к V_CC через нагрузочный резистор, R_L) или в качестве ключа. Значение R_L влияет на размах выходного напряжения и быстродействие. Меньшее значение R_L обеспечивает более быстрый отклик, но меньшее изменение выходного напряжения. В условиях испытаний в спецификации используется R_L=100 Ом.
• Обработка сигнала:Выход представляет собой аналоговый ток, изменяющийся в зависимости от интенсивности света. Для цифровых коммутационных применений после нагрузочного резистора может потребоваться компаратор или схема триггера Шмитта для получения чистого цифрового сигнала, особенно если прерывающий объект не полностью блокирует световой луч.
• Защита от фоновой засветки:Поскольку устройство использует инфракрасный свет, оно в некоторой степени защищено от видимого фонового света. Однако сильные источники инфракрасного излучения (например, солнечный свет, лампы накаливания) могут повлиять на работу. Использование модулированного сигнала управления светодиодом и синхронного детектирования может значительно повысить помехозащищенность от фоновой засветки.
• Механическое выравнивание:Прерывающий объект должен надежно проходить через щель и полностью прерывать луч для стабильной работы. Необходимо тщательно учитывать размеры щели, а также размер и траекторию объекта.

7. Техническое сравнение и отличия

Фотоинтеррапторы, такие как LTH-301-07P5, конкурируют с другими технологиями датчиков, такими как механические микропереключатели, датчики Холла и отражательные оптические датчики.

По сравнению с механическими переключателями:Основное преимущество — полное отсутствие физического контакта, что приводит к практически неограниченному механическому ресурсу, отсутствию дребезга контактов, бесшумной работе и более высокой надежности в загрязненных или пыльных средах. Недостатком может быть несколько более высокая стоимость и необходимость в электронной схеме управления.

По сравнению с отражательными оптическими датчиками:Щелевые фотоинтеррапторы обеспечивают более высокую точность и стабильность определения положения, поскольку излучатель и детектор точно выровнены в фиксированной геометрии. Они менее подвержены влиянию изменений отражательной способности целевого объекта. Отражательные датчики лучше подходят для обнаружения объектов на расстоянии или там, где физическая щель нецелесообразна.

По сравнению с датчиками Холла:Датчики Холла обнаруживают магнитные поля, а не прерывание света. Они используются для определения положения магнитов. Выбор полностью зависит от применения: обнаружение любого непрозрачного объекта (фотоинтерраптор) против обнаружения магнитного поля (датчик Холла).

Конкретное отличие LTH-301-07P5 заключается в его сбалансированном наборе электрических характеристик (прямое напряжение, выходной ток, скорость), его надежном механическом корпусе, подходящем для пайки волной, и четко определенных требованиях к хранению и обращению, что делает его надежным выбором для серийного производства.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Какова цель параметра "Импульсный прямой ток" для светодиода?

А: Этот параметр (1 А при 300 имп/с, 10 мкс) позволяет подавать на светодиод импульсы с гораздо большим током, чем его непрерывный номинальный ток (50 мА), в течение коротких промежутков времени. Это можно использовать для получения более яркого оптического импульса, что может улучшить соотношение сигнал/шум или позволить использовать меньший коэффициент заполнения, снижая среднее энергопотребление и тепловыделение.

В: I_C(ON) указан как минимум 0,6 мА. Что это означает для моей схемы?

А: Это гарантированный нижний предел. При стандартных условиях испытаний (I_F=20 мА, V_CE=5 В) фототранзистор будет пропускать как минимум 0,6 мА, когда щель свободна. Фактический ток в вашем применении может быть выше. Вы должны спроектировать свой нагрузочный резистор (R_L) и любые последующие логические элементы так, чтобы они распознавали уровень напряжения, соответствующий этому минимальному току. Например, при R_L=1 кОм выходное напряжение упадет максимум до V_CE = 5В - (0,6 мА * 1 кОм) = 4,4 В, когда луч не заблокирован.

В: Почему условия хранения настолько строгие, особенно после вскрытия упаковки?

А: Выводы компонента подвержены окислению при воздействии влажного воздуха. Окисленные выводы имеют плохую паяемость, что приводит к слабым или отсутствующим паяным соединениям ("отслаивание припоя"). Влагозащитная упаковка и строгие правила хранения являются стандартной отраслевой практикой (соответствующей стандартам IPC/JEDEC), обеспечивающей высокий выход годных изделий при сборке и долгосрочную надежность.

В: Могу ли я использовать этот датчик на улице?

А: Диапазон рабочих температур от -25°C до +85°C охватывает многие уличные условия. Однако прямое воздействие солнечного света (мощного источника инфракрасного излучения) может насытить фототранзистор, вызывая ложные срабатывания. Устройство также не герметизировано от проникновения воды или пыли. Для использования на открытом воздухе потребуется тщательная оптическая защита от фонового света и защита от окружающей среды, или может быть более уместна другая технология датчика.

9. Введение в принцип работы

Фотоинтерраптор работает по простому оптоэлектронному принципу. Он содержит два основных компонента, расположенных друг напротив друга через физический зазор (щель):

1. Инфракрасный излучатель (светодиод):Это полупроводниковый диод, который излучает инфракрасный свет (невидимый для человеческого глаза) при прямом смещении соответствующим током (например, 20 мА).
2. Фототранзистор:Это светочувствительный транзистор. Когда фотоны от инфракрасного излучателя попадают в его базовую область, они генерируют электрон-дырочные пары, которые действуют как базовый ток. Этот светоиндуцированный базовый ток усиливается коэффициентом усиления транзистора, в результате чего возникает значительно больший ток коллектора, протекающий от коллектора к эмиттеру.

Режимы работы:

- Непрерывный луч (луч присутствует):Инфракрасный свет от излучателя падает непосредственно на фототранзистор. Фототранзистор открывается, позволяя протекать значительному току коллектора (I_C(ON)). В схеме с общим эмиттером и подтягивающим резистором выходное напряжение на коллекторе опускается до низкого уровня (близко к V_CE(SAT)).

- Прерванный луч (луч заблокирован):Непрозрачный объект, помещенный в щель, блокирует инфракрасный свет. Свет не достигает базы фототранзистора, поэтому он закрывается. Протекает только небольшой ток утечки (I_CEO, темновой ток). Выходное напряжение на коллекторе повышается почти до напряжения питания (V_CC).

Этот переход между высоким выходным напряжением (луч заблокирован) и низким выходным напряжением (луч свободен) обеспечивает чистый цифровой сигнал для логики обнаружения.

10. Тенденции развития

Область оптоэлектронных датчиков, включая фотоинтеррапторы, продолжает развиваться. Объективные тенденции, наблюдаемые в отрасли, включают:

• Миниатюризация:Постоянное стремление к уменьшению размеров корпусов (например, компоненты для поверхностного монтажа с меньшей площадью и высотой) для создания более компактных конечных продуктов и более плотного монтажа на ПП.
• Повышение производительности:Улучшения в полупроводниковых материалах и корпусах направлены на обеспечение более высокой чувствительности (что позволяет использовать меньшие токи управления светодиодом для снижения энергопотребления), более быстрого времени отклика для высокоскоростных применений и лучшей температурной стабильности параметров.
• Интеграция и интеллектуальные функции:Некоторые современные фотоинтеррапторы интегрируют схему управления светодиодом и обработки сигнала (усилитель, компаратор, триггер Шмитт) для выхода фототранзистора в один корпус. Это упрощает проектирование внешних схем и может обеспечить прямой выход на уровне логических сигналов. Также наблюдается тенденция к интеграции нескольких чувствительных элементов.
• Фокус на надежности и технологичности производства:Конструкции все больше ориентированы на надежность для автоматизированных процессов сборки, таких как установка компонентов и пайка оплавлением. Материалы выбираются для лучшей устойчивости к термическим напряжениям и факторам окружающей среды.
• Специализированные варианты:Продолжается разработка датчиков, адаптированных к конкретным рыночным потребностям, таких как сверхтонкие датчики для обработки бумаги в портативных устройствах или датчики с очень узкой щелью для высокоточного обнаружения кромок.

LTH-301-07P5 представляет собой зрелую и надежную технологию, отвечающую основным требованиям для широкого спектра стандартных применений, в то время как эти более широкие тенденции формируют развитие устройств следующего поколения.