Техническая документация на фотоинтерраптер LTH-301-23P1 - Габариты 7.62мм - Напряжение 1.6В - Мощность 60мВт

1. Обзор изделия

LTH-301-23P1 представляет собой компактный фотоинтерраптерный модуль для монтажа в отверстия печатной платы. Он функционирует как бесконтактный оптический выключатель, используя инфракрасный светодиод (ИК-светодиод), спаренный с фототранзистором. Основной принцип заключается в том, что ИК-светодиод излучает свет, который детектируется фототранзистором. Когда объект прерывает световой путь между излучателем и детектором, выходное состояние фототранзистора изменяется, что позволяет осуществлять точное определение положения, обнаружение объектов или концевые выключатели без физического контакта. Его основные преимущества включают высокую скорость переключения, надежную бесконтактную работу и конструкцию, подходящую для прямого монтажа на печатную плату или установки в DIP-сокет, что делает его идеальным для применения в принтерах, копировальных аппаратах, торговых автоматах и промышленной автоматизации, где требуются долговечность и точность.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Эти характеристики определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Не рекомендуется непрерывно эксплуатировать устройство на этих пределах или вблизи них.

• Постоянный прямой ток ИК-диода (I_F):50 мА. Это максимальный ток в установившемся режиме, который может протекать через инфракрасный светодиод.
• Обратное напряжение ИК-диода (V_R):5 В. Превышение этого обратного напряжения смещения на светодиоде может вызвать пробой.
• Ток коллектора транзистора (I_C):20 мА. Максимальный постоянный ток, который может выдержать коллектор фототранзистора.
• Рассеиваемая мощность транзистора (P_D):75 мВт при 25°C, с линейным снижением на 1.33 мВт/°C выше 25°C. Это ограничивает тепло, выделяемое в фототранзисторе.
• Пиковый прямой ток ИК-диода:1 А (длительность импульса = 10 мкс, 300 имп/с). Позволяет использовать кратковременные импульсы высокого тока для приложений, требующих высокого мгновенного оптического выхода.
• Рассеиваемая мощность диода (P_D):60 мВт при 25°C, также снижается на 1.33 мВт/°C. Это определяет тепловые пределы ИК-светодиода.
• Напряжение коллектор-эмиттер фототранзистора (V_CEO):30 В. Максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером, когда транзистор закрыт.
• Напряжение эмиттер-коллектор фототранзистора (V_ECO):5 В. Максимальное обратное напряжение на переходе коллектор-эмиттер.
• Диапазон рабочих температур:от -25°C до +85°C. Диапазон температуры окружающей среды для надежной работы устройства.
• Диапазон температур хранения:от -55°C до +100°C. Диапазон температур для хранения в нерабочем состоянии.
• Температура пайки выводов:260°C в течение 5 секунд на расстоянии 1.6 мм от корпуса. Определяет профиль оплавления или ручной пайки для предотвращения повреждения корпуса.

2.2 Электрические и оптические характеристики

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

2.2.1 Характеристики входного светодиода

• Прямое напряжение (V_F):Обычно от 1.2В до 1.6В при I_F= 20 мА. Это падение напряжения на ИК-светодиоде при питании стандартным испытательным током. На основе этого значения и напряжения питания необходимо рассчитать токоограничивающий резистор.
• Обратный ток (I_R):Максимум 100 мкА при V_R= 5В. Это небольшой ток утечки при обратном смещении светодиода.

2.2.2 Характеристики выходного фототранзистора

• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V_(BR)CEO):Минимум 30В при I_C= 1мА. Это высокое напряжение пробоя позволяет использовать более высокие напряжения питания в цепи коллектора.
• Напряжение пробоя эмиттер-коллектор (V_(BR)ECO):Минимум 5В при I_E= 100мкА.
• Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE= 10В. Это ток утечки, когда фототранзистор находится в полной темноте (без ИК-света). Низкое значение критически важно для хорошего отношения сигнал/шум в приложениях датчиков.

2.2.3 Характеристики оптопары (полного устройства)

• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):Максимум 0.4В при I_C= 0.2мА и I_F= 20мА. Это напряжение на фототранзисторе, когда он полностью "открыт" (в насыщении). Чем ниже это значение, тем лучше, так как оно минимизирует потери мощности.
• Коллекторный ток в открытом состоянии (I_C(ON)):Минимум 0.4 мА при V_CE= 5В и I_F= 20мА. Этот параметр определяет минимальный фототок, генерируемый при включенном ИК-светодиоде и незаблокированном световом пути. Этот параметр напрямую связан с чувствительностью устройства.
• Время нарастания (T_r):Типично 25 мкс в условиях испытаний (I_C=2мА, R_L=1кОм, V_CE=5В). Это время, за которое выход фототранзистора переходит от 10% до 90% своего конечного значения при включении ИК-светодиода.
• Время спада (T_f):Типично 26 мкс в тех же условиях. Это время перехода при выключении ИК-светодиода. Эти времена переключения определяют максимальную частоту, на которой устройство может надежно работать.

3. Механическая информация и данные о корпусе

3.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство размещено в стандартном 4-выводном DIP-корпусе. Ключевые размерные примечания из документации включают:

• Все размеры указаны в миллиметрах, дюймы указаны в скобках.
• Стандартный допуск составляет ±0.25мм (±0.010"), если не указано иное в примечании к конкретному элементу.
• Ширина корпуса составляет приблизительно 7.62 мм, а расстояние между выводами соответствует стандартной сетке 0.1 дюйма (2.54 мм) для монтажа в отверстия печатной платы.

Корпус предназначен для пайки волной или ручной пайки. Чертеж размеров в документации предоставляет критические измерения для проектирования посадочного места на печатной плате, включая диаметр выводов, расстояние между выводами (между рядами и столбцами), длину и ширину корпуса, а также ширину щели, которая определяет апертуру датчика.

3.2 Распиновка и идентификация полярности

Устройство имеет четыре вывода. Как правило, два вывода предназначены для анода и катода ИК-светодиода, а два других — для коллектора и эмиттера фототранзистора. Чертеж в документации указывает вывод 1, что критически важно для правильной ориентации. ИК-светодиод — это устройство с анодным управлением, а фототранзистор — NPN-типа, где коллектор должен быть подключен к положительному источнику питания через нагрузочный резистор, а эмиттер — к земле. Неправильное подключение полярности к светодиоду не позволит ему излучать свет, а неправильное подключение к фототранзистору приведет к отсутствию выходного сигнала.

4. Рекомендации по пайке и сборке

В документации указан критический параметр пайки: выводы могут подвергаться температуре 260°C не более 5 секунд, измеренной на расстоянии 1.6 мм (0.063") от пластикового корпуса. Это руководство крайне важно для предотвращения термического повреждения внутреннего полупроводникового кристалла и материала пластикового корпуса во время пайки волной или ручной пайки. Для пайки оплавлением следует использовать стандартный профиль с пиковой температурой, не превышающей 260°C, и контролируемым временем выше ликвидуса (TAL). Рекомендуется следовать стандартам JEDEC или IPC для пайки компонентов в отверстия.

5. Рекомендации по применению

5.1 Типовые схемы включения

Наиболее распространенная конфигурация схемы включает управление ИК-светодиодом с помощью источника постоянного тока или, проще, источника напряжения, включенного последовательно с токоограничивающим резистором (R_limit). R_limit= (V_CC- V_F) / I_F. Для источника питания 5В и желаемого I_F= 20мА, при V_F= 1.4В, R_limit= (5 - 1.4) / 0.02 = 180 Ом. Выход фототранзистора обычно подключается как ключ: коллектор подключен к V_CCчерез подтягивающий резистор (R_load), а эмиттер подключен к земле. Выходной сигнал снимается с узла коллектора. Когда свет падает на транзистор, он открывается, опуская напряжение коллектора до низкого уровня (близко к V_CE(SAT)). Когда световой путь заблокирован, транзистор закрывается, и напряжение коллектора подтягивается до высокого уровня V_CCчерез R_load. Значение R_loadвлияет на скорость переключения и потребление тока; меньший резистор обеспечивает более быстрое переключение, но более высокое рассеивание мощности в "открытом" состоянии.

5.2 Особенности проектирования

• Устойчивость к фоновой засветке:Поскольку устройство использует инфракрасный свет, оно в некоторой степени устойчиво к видимому фоновому свету. Однако сильные источники ИК-излучения (например, солнечный свет, лампы накаливания) могут вызывать ложные срабатывания. Использование модулированного ИК-сигнала и синхронного детектирования может значительно повысить помехоустойчивость.
• Юстировка:Точная механическая юстировка между щелями излучателя и детектора имеет решающее значение для максимальной силы сигнала. Посадочное место на печатной плате и монтаж должны обеспечивать эту юстировку.
• Характеристики объекта:Объект, прерывающий луч, должен быть непрозрачным для используемой длины волны ИК-излучения. Отражающие или полупрозрачные материалы могут не обеспечивать надежного срабатывания датчика.
• Требования к скорости:Время нарастания и спада (~25 мкс) ограничивает максимальную частоту переключения примерно до 1/(Tr+Tf) ≈ 20 кГц для прямоугольного сигнала, хотя практические пределы ниже, чтобы обеспечить полный переход.

6. Анализ характеристических кривых

В документации есть раздел "Типичные электрические / оптические характеристические кривые". Эти графики, обычно включаемые в такие документы, предоставляют визуальное представление о том, как ключевые параметры изменяются в зависимости от условий. Ожидаемые кривые включают:

• Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (I_F-V_F):Показывает экспоненциальную зависимость для ИК-светодиода, помогая определить V_Fпри токах, отличных от испытательных условий.
• Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (I_C-V_CE):Семейство кривых для фототранзистора с интенсивностью падающего света (или током управления светодиодом) в качестве параметра, показывающее области насыщения и активной работы.
• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока:CTR = (I_C/ I_F) * 100%. Этот график показывает эффективность оптической связи, которая обычно снижается при очень высоких значениях I_F.
• Коллекторный ток в открытом состоянии в зависимости от температуры (I_C(ON)-T_A):Иллюстрирует, как чувствительность фототранзистора изменяется с температурой окружающей среды, обычно показывая снижение при более высоких температурах.
• Темновой ток в зависимости от температуры (I_CEO-T_A):Показывает экспоненциальное увеличение тока утечки с температурой, что критически важно для работы при высоких температурах.

Анализ этих кривых позволяет разработчикам оптимизировать рабочие точки, понимать компромиссы в производительности в зависимости от температуры и прогнозировать поведение в нестандартных условиях.

7. Техническое сравнение и отличия

По сравнению с механическими микровыключателями, LTH-301-23P1 предлагает явные преимущества: отсутствие дребезга контактов, гораздо более длительный срок службы (миллионы против тысяч циклов), устойчивость к загрязнению пылью или маслами (поскольку это герметичный корпус) и более высокая скорость переключения. По сравнению с отражательными оптическими датчиками, проходные фотоинтерраптеры, подобные этому, обеспечивают более стабильное и надежное обнаружение, поскольку они менее чувствительны к цвету или отражательной способности целевого объекта; они просто обнаруживают наличие или отсутствие объекта в щели. Ключевым отличием этой конкретной детали является ее баланс стандартной DIP-упаковки, надежных электрических характеристик (30В V_CEO, 50мА I_F) и указанной скорости переключения, что делает ее универсальным выбором общего назначения.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Каково типичное расстояние обнаружения или ширина щели?

О: "Расстояние" обнаружения фактически равно ширине щели в корпусе. Объекты должны проходить через этот физический зазор, чтобы прервать луч. Чертеж размеров в документации предоставляет точную ширину щели.

В: Могу ли я управлять ИК-светодиодом напрямую с вывода микроконтроллера?

О: Возможно, но вы должны проверить способность вывода обеспечивать ток. Типичный вывод МК может обеспечивать 20-25 мА, что соответствует условиям испытаний. Однако вы ОБЯЗАТЕЛЬНО должны включить последовательный токоограничивающий резистор, рассчитанный в примечаниях по применению. Управление светодиодом без резистора, скорее всего, уничтожит как светодиод, так и вывод МК.

В: Как подключить выход фототранзистора к микроконтроллеру?

О: Самый простой способ — использовать фототранзистор в качестве цифрового входа. Подключите коллектор к цифровому входу/выходу МК (который обычно имеет внутренний подтягивающий резистор, который можно включить), а также к V_CCчерез внешний подтягивающий резистор (например, 10 кОм). Эмиттер подключается к земле. Когда луч не прерван, транзистор открыт, и вывод подтягивается к НИЗКОМУ уровню. Когда луч прерван, вывод подтягивается к ВЫСОКОМУ уровню. Убедитесь, что уровни входного напряжения МК совместимы с V_CC used.

В: Что влияет на скорость переключения?

О: Основным ограничением являются собственные времена нарастания/спада фототранзистора (~25 мкс). Однако факторы схемы могут еще больше замедлить его. Большой нагрузочный резистор (R_L) увеличивает постоянную времени RC для заряда/разряда любой паразитной емкости, замедляя время нарастания. Аналогично, управление ИК-светодиодом чрезмерным током может вызвать более медленное выключение из-за эффектов накопления носителей. Для максимальной скорости используйте рекомендуемый I_Fи умеренно небольшой R_L.

9. Принцип работы

Фотоинтерраптер — это проходное оптоэлектронное устройство. Он содержит два отдельных компонента в одном корпусе: источник инфракрасного света (ИК-светодиод) и детектор света (фототранзистор), расположенные друг напротив друга через небольшой воздушный зазор или щель. ИК-светодиод смещен в прямом направлении подходящим током, что заставляет его излучать инфракрасные фотоны. Эти фотоны проходят через зазор и попадают в базовую область NPN-фототранзистора. Энергия фотонов генерирует электрон-дырочные пары в базе, эффективно создавая базовый ток. Этот фотоиндуцированный базовый ток усиливается коэффициентом усиления транзистора, что приводит к гораздо большему коллекторному току, который может протекать от коллектора к эмиттеру, "открывая" транзистор. Когда непрозрачный объект вставляется в щель, он блокирует световой путь. Фотогенерация базового тока прекращается, транзистор перестает быть смещенным в открытом состоянии, и коллекторный ток падает до очень низкого значения (темновой ток), "закрывая" транзистор. Это действие "включено/выключено" обеспечивает четкий цифровой сигнал, соответствующий наличию или отсутствию объекта.

10. Упаковка и информация для заказа

Номер детали — LTH-301-23P1. В документации не указаны детали упаковки оптом (например, лента и катушка, количество в тубе). Для производства следует обратиться к упаковочным спецификациям производителя или дистрибьютора. "Спецификация №" DS-55-96-0025 и код документа BNS-OD-C131/A4 являются внутренними ссылками на саму документацию. Дата вступления в силу данной редакции документа — 08.03.2000.