Техническая документация на фотоинтерраптор LTH-1650-01 - Фокусное расстояние 3 мм - Тип с ИК-фильтром

1. Обзор продукта

LTH-1650-01 — это компактный модуль фотоинтерраптора проходного типа. Его основная функция — детектирование прерывания инфракрасного луча между встроенным инфракрасным светодиодом (LED) и кремниевым фототранзистором. Ключевым конструктивным преимуществом является встроенное фокусное расстояние 3 мм, которое оптимизирует чувствительность для обнаружения объектов именно на этом зазоре. Будучи устройством типа с ИК-фильтром, оно спроектировано для минимизации влияния окружающего видимого света, повышая надежность в различных сенсорных приложениях. Основные целевые рынки включают оборудование для офисной автоматизации, системы промышленной автоматики и потребительскую электронику, требующие бесконтактного определения положения или наличия объекта.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для нормальной работы.

• Рассеиваемая мощность светодиода (P_D):Максимум 75 мВт. Это ограничивает совокупную тепловую нагрузку от прямого тока и падения напряжения.
• Пиковый прямой ток светодиода (I_CP):1 А в импульсном режиме (300 Гц, длительность импульса 10 мкс). Это позволяет использовать кратковременные импульсы высокой интенсивности для улучшения обнаружения сигнала.
• Постоянный прямой ток светодиода (I_F):Максимум 60 мА постоянного тока. Это безопасный предел для непрерывной работы.
• Обратное напряжение светодиода (V_R):5 В. Превышение этого значения может повредить p-n-переход светодиода.
• Рассеиваемая мощность фототранзистора (P_C):Максимум 100 мВт, определяется током коллектора и напряжением коллектор-эмиттер.
• Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO):Максимум 30 В для фототранзистора.
• Ток коллектора (I_C):Максимум 20 мА для выходного транзистора.
• Рабочая температура (T_opr):от -25°C до +85°C. Устройство подходит для широкого спектра промышленных и коммерческих сред.
• Температура пайки выводов (T_S):260°C максимум в течение 5 секунд, указано для выводов на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Это критически важно для процессов волновой пайки или пайки оплавлением.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры указаны при температуре окружающей среды (T_A) 25°C и определяют производительность устройства в нормальных рабочих условиях.

• Прямое напряжение светодиода (V_F):Обычно от 1,2В до 1,6В при I_F= 20 мА. Используется для расчета необходимого номинала токоограничивающего резистора.
• Обратный ток светодиода (I_R):Максимум 100 мкА при V_R=5В, указывает на ток утечки при обратном смещении светодиода.
• Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE=10В без светового воздействия. Это ток утечки фототранзистора, влияющий на уровень сигнала в "выключенном" состоянии.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):Обычно 0,4В при I_C=0,05мА и I_F=20мА. Это напряжение на транзисторе, когда он полностью "открыт", важно для сопряжения с логическими уровнями.

3. Объяснение системы бининга

Устройство имеет систему бининга производительности на основе тока коллектора во включенном состоянии (I_C(ON)), который измеряется в стандартизированных условиях (V_CE=5В, I_F=20мА, зазор d=3,0мм). Этот ток напрямую коррелирует с чувствительностью оптопары.

• БИН A: I_C(ON) в диапазоне от 100 мкА до 300 мкА. Это стандартный класс чувствительности.
• БИН B: I_C(ON) в диапазоне от 260 мкА до 650 мкА. Этот бин предлагает более высокую чувствительность.
• БИН C: I_C(ON) в диапазоне от 400 мкА до 1200 мкА. Это наивысший доступный класс чувствительности.

Эта система бининга позволяет разработчикам выбирать устройство с согласованной чувствительностью для своего приложения, обеспечивая надежные пороги срабатывания между производственными партиями.

4. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типовые характеристические кривые, которые графически показывают поведение устройства в различных условиях. Хотя конкретные графики в тексте не детализированы, стандартные кривые для такого устройства обычно включают:

• Прямой ток vs. Прямое напряжение (I_F-V_F):Показывает нелинейную зависимость для инфракрасного светодиода, что критически важно для проектирования схемы управления.
• Ток коллектора vs. Напряжение коллектор-эмиттер (I_C-V_CE):Семейство кривых с прямым током светодиода (I_F) в качестве параметра, иллюстрирующее выходные характеристики фототранзистора.
• Ток коллектора во включенном состоянии vs. Прямой ток (I_C(ON)-I_F):Демонстрирует передаточную характеристику и линейность оптической связи.
• Ток коллектора во включенном состоянии vs. Температура окружающей среды (I_C(ON)-T_A):Показывает, как чувствительность снижается с ростом температуры, что является критическим фактором для теплового менеджмента в проектах.
• Характеристики времени отклика:В техническом описании указано Время нарастания (T_R) 3-15 мкс и Время спада (T_F) 4-20 мкс в условиях испытаний (V_CE=5В, I_C=2мА, R_L=100Ом). Эти значения определяют максимальную скорость переключения датчика.

5. Механическая информация и данные о корпусе

Корпус — стандартный для монтажа в отверстия. Ключевые размерные примечания из технического описания включают:

• Все размеры указаны в миллиметрах, дюймы приведены в скобках.
• Допуск по умолчанию составляет ±0,25 мм (±0,010"), если для конкретного элемента не указано иное.
• Фокусное расстояние (оптимальный зазор между окнами излучателя и детектора для максимальной чувствительности) указано как 3 мм.
• Корпус включает формованные пазы или элементы, способствующие точному монтажу и выравниванию на печатной плате.
• Полярность четко обозначена на корпусе, обычно точкой или скошенным углом рядом с выводом анода светодиода (или коллектора фототранзистора). Правильная ориентация необходима для функционирования схемы.

6. Рекомендации по пайке и монтажу

Требуется правильное обращение для сохранения целостности устройства.

• Пайка:Предельное значение температуры пайки выводов составляет 260°C в течение 5 секунд, измеренное на расстоянии 1,6 мм (0,063") от пластикового корпуса. Это руководство помогает предотвратить термическое повреждение внутренних соединений кристалла и пластиковой оболочки во время волновой или ручной пайки.
• Очистка:Используйте стандартные растворители для очистки печатных плат, совместимые с пластиковым материалом устройства. Избегайте ультразвуковой очистки с чрезмерной мощностью или длительным воздействием.
• Хранение:Устройства должны храниться в условиях в пределах диапазона температур хранения (T_stg) от -40°C до +100°C и в среде с низкой влажностью, антистатической среде для предотвращения поглощения влаги и повреждения электростатическим разрядом (ESD).

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

Как указано в техническом описании, основные области применения включают:

• Принтеры и факсимильные аппараты:Для обнаружения отсутствия бумаги, датчиков замятия бумаги, обнаружения открытой крышки и определения положения каретки.
• Оптоэлектронные переключатели:Используются в торговых автоматах, промышленной автоматике для подсчета, концевых выключателей и считывания дисков ротационных энкодеров.
• Потребительская электроника:Щелевые датчики в дисководах, магнитофонах или других системах обработки носителей.

7.2 Вопросы проектирования

• Токоограничивающий резистор (для светодиода):Должен быть рассчитан на основе напряжения питания (V_CC), прямого напряжения светодиода (V_F~1,4В тип.) и желаемого прямого тока (I_F). Не превышайте номинальный постоянный ток I_F в 60 мА. Типичная рабочая точка — 20 мА.
• Нагрузочный резистор (для фототранзистора):Значение подтягивающего резистора (R_L), подключенного к коллектору, определяет размах выходного напряжения и влияет на скорость переключения. Меньшее значение R_L дает меньшее время спада, но уменьшает амплитуду выходного напряжения. В условиях испытаний используется R_L=100Ом.
• Устойчивость к электрическим помехам:Для длинных проводов или зашумленных сред рассмотрите возможность добавления небольшого блокировочного конденсатора (например, 0,1 мкФ) на выводах питания рядом с устройством и использования экранированных кабелей.
• Оптические соображения:Держите оптический путь (зазор 3 мм) свободным от пыли, грязи или конденсата. Инфракрасный фильтр помогает, но сильные источники окружающего инфракрасного излучения (например, солнечный свет или лампы накаливания) вблизи датчика могут вызывать ложные срабатывания.

8. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению с базовыми фототранзисторами или фотодиодами, этот интегрированный фотоинтерраптор предлагает ключевые преимущества:

• Совмещенная оптика:Излучатель и детектор предварительно совмещены в фиксированном жестком корпусе, что устраняет необходимость точной механической юстировки во время сборки, что является значительным преимуществом по сравнению с дискретными компонентами.
• Оптимизированный зазор:Фокусное расстояние 3 мм установлено на заводе для пиковой чувствительности именно на этом воздушном зазоре.
• Подавление фонового света:Инфракрасный фильтр над фототранзистором значительно снижает чувствительность к видимому свету, улучшая соотношение сигнал/шум в типичных условиях внутреннего освещения.
• Компактный форм-фактор:Предоставляет готовое решение оптического переключателя в одном небольшом корпусе.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Для чего нужны разные бины (A, B, C)?

О: Бины классифицируют устройства по их чувствительности (I_C(ON)). Выбирайте более высокий бин (B или C) для приложений, требующих обнаружения объектов с низкой контрастностью, более длительного срока службы (поскольку выходная мощность светодиода со временем снижается) или работы при повышенном уровне запыленности. Бина A достаточно для стандартных применений.

В: Могу ли я питать светодиод напрямую от источника напряжения?

О: Нет. Светодиод — это устройство с токовым управлением. Вы должны использовать последовательный токоограничивающий резистор для установки прямого тока (I_F) на безопасное и стабильное значение, как показано во всех схемах применения.

В: Как подключить выход к микроконтроллеру?

О: Фототранзистор действует как переключатель. Подключите его эмиттер к земле, коллектор — к цифровому входному выводу через подтягивающий резистор (например, 10 кОм). Когда луч не прерывается, транзистор открыт, притягивая вывод к низкому уровню. При прерывании транзистор закрыт, и подтягивающий резистор притягивает вывод к высокому уровню. Убедитесь, что логические уровни входа микроконтроллера совместимы с размахом выходного напряжения (около 0В для "вкл.", около V_CC для "выкл.").

В: Что влияет на время отклика?

О: Собственная скорость фототранзистора, значение нагрузочного резистора (R_L) и емкость печатных проводников. Для более быстрого переключения используйте меньшее значение R_L, насколько это позволяет требуемый выходной ток и уровни напряжения.

10. Практический пример использования

Сценарий: Датчик отсутствия бумаги в настольном принтере.

Фотоинтерраптор установлен на раме принтера так, что стопка бумаги в лотке находится в пределах 3-мм оптического зазора, блокируя инфракрасный луч. Может использоваться рычаг или флажок, прикрепленный к толкателю лотка для бумаги. При наличии бумаги луч заблокирован, фототранзистор закрыт, и его выход имеет высокий уровень. Когда подается последний лист бумаги, толкатель перемещается, разблокируя луч. Фототранзистор открывается, притягивая выход к низкому уровню. Этот логический переход обнаруживается главным контроллером принтера, который затем активирует предупреждение "Нет бумаги" в пользовательском интерфейсе. Инфракрасный фильтр предотвращает ложные срабатывания от внутреннего освещения принтера или комнатного света.

11. Принцип работы

Устройство работает по принципу модулированной оптической связи. Встроенный инфракрасный светодиод излучает свет при прямом смещении соответствующим током. Напротив, в том же корпусе находится кремниевый NPN фототранзистор. Область базы фототранзистора подвергается воздействию света. Когда инфракрасные фотоны от светодиода попадают на переход база-коллектор, они генерируют электрон-дырочные пары. Этот фототок действует как ток базы, заставляя транзистор проводить значительно больший ток коллектора (I_C), пропорциональный интенсивности света. Объект, проходящий через 3-мм щель между ними, прерывает этот световой луч, заставляя фототранзистор закрыться. Это обеспечивает четкий, гальванически развязанный сигнал переключения на основе физического события.

12. Технологические тренды

Фотоинтеррапторы остаются фундаментальными компонентами в определении положения. Текущие тенденции в этой области включают:

• Миниатюризация:Разработка еще более компактных корпусов для поверхностного монтажа (SMD) для экономии места на печатной плате в компактной потребительской электронике.
• Интеграция:Включение дополнительных схем на кристалл, таких как триггеры Шмитта для гистерезиса, усилители для слабых сигналов или даже цифровые интерфейсы (I2C) для предоставления чистого, обработанного цифрового выхода, упрощающего сопряжение с микроконтроллером.
• Повышенная производительность:Улучшение эффективности светодиодов и чувствительности фотодетекторов позволяет работать при более низких токах, снижая энергопотребление и тепловыделение.
• Специализированные варианты:Устройства со щелевыми дисками для ротационного кодирования или отражательные типы, где излучатель и детектор направлены в одну сторону для считывания отражающих меток.

Базовый принцип оптического прерывания остается надежным благодаря своей бесконтактной природе, надежности и простоте, что обеспечивает его постоянную актуальность в проектировании мехатронных систем.