Техническая документация на фотоинтерраптор LTH-306-01

1. Обзор продукта

LTH-306-01 — это компактный бесконтактный оптический выключатель, предназначенный для надежного обнаружения объектов и определения положения. Его основная функция основана на инфракрасном (ИК) светоизлучающем диоде (LED), спаренном с фототранзистором в едином корпусе. Когда объект проходит через зазор между излучателем и детектором, он прерывает ИК-луч, вызывая изменение выходного состояния фототранзистора. Этот принцип обеспечивает точное, бесконтактное переключение без механического износа.

Устройство предназначено для непосредственного монтажа на печатные платы (PCB) или в стандартные DIP-панели, что обеспечивает значительную гибкость проектирования. Его основные преимущества включают высокую скорость переключения, критически важную для высокоскоростного подсчета и синхронизации, а также бесконтактный принцип работы, исключающий механический износ и гарантирующий долгосрочную надежность. Типичные области применения включают промышленную автоматизацию, бытовую электронику (например, принтеры, копировальные аппараты), системы безопасности и торговые автоматы, где требуется обнаружение объектов, контроль замятия бумаги или датчики прорезей.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Эти характеристики определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется. Ключевые ограничения включают:

• Постоянный прямой ток ИК-диода (I_F): 60 мА. Это максимальный постоянный ток, который можно непрерывно подавать на светодиод.
• Пиковый прямой ток ИК-диода: 1 А при длительности импульса 10 мкс и частоте 300 импульсов в секунду. Это позволяет использовать кратковременные импульсы высокой интенсивности для улучшения обнаружения сигнала.
• Напряжение коллектор-эмиттер фототранзистора (V_CEO): 30 В. Максимальное напряжение, которое можно приложить между выводами коллектора и эмиттера.
• Диапазон рабочих температур: от -25°C до +85°C. Определяет диапазон температуры окружающей среды для надежной работы.
• Температура пайки выводов: 260°C в течение 5 секунд на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Это критически важно для процессов сборки печатных плат.

2.2 Электрические и оптические характеристики

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

2.2.1 Характеристики входного элемента (ИК-светодиод)

• Прямое напряжение (V_F): Обычно от 1,2 В до 1,6 В при прямом токе (I_F) 20 мА. Используется для расчета значения токоограничивающего резистора в цепи управления светодиодом.
• Обратный ток (I_R): Максимум 100 мкА при обратном напряжении (V_R) 5 В. Указывает на ток утечки светодиода при обратном смещении.

2.2.2 Характеристики выходного элемента (фототранзистор)

• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V_(BR)CEO): Минимум 30 В. Гарантирует, что транзистор выдерживает указанное напряжение коллектор-эмиттер.
• Ток коллектор-эмиттер в темноте (I_CEO): Максимум 100 нА при V_CE=10 В. Это ток утечки, когда светодиод выключен (нет света), что влияет на уровень сигнала в "выключенном" состоянии.

2.2.3 Характеристики оптопары (совокупные)

• Коллекторный ток во включенном состоянии (I_C(ON)): Минимум 5,0 мА при V_CE=5 В и I_F=20 мА. Это выходной ток фототранзистора, когда светодиод полностью освещен и луч не прерывается, что указывает на его чувствительность.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)): Максимум 0,4 В при I_C=2,5 мА и I_F=20 мА. Низкое напряжение насыщения желательно, когда фототранзистор используется как ключ в режиме насыщения, минимизируя падение напряжения.
• Время отклика: Время нарастания (t_r) обычно составляет 3-15 мкс, а время спада (t_f) обычно 4-20 мкс при указанных условиях испытаний (V_CE=5 В, I_C=2 мА, R_L=100 Ом). Эти параметры определяют скорость переключения и полосу пропускания устройства, что критично для обнаружения быстро движущихся объектов.

3. Анализ характеристических кривых

В спецификации приведены типичные электрические/оптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не предоставлены в тексте, стандартные кривые для таких устройств обычно включают:

• Зависимость прямого тока от прямого напряжения (I_F-V_F) для ИК-светодиода: Показывает нелинейную зависимость, помогая определить рабочую точку.
• Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер (I_C-V_CE) для фототранзистора: При различных уровнях облученности (ток светодиода) показывает поведение выходного транзистора, аналогичное выходным характеристикам биполярного транзистора.
• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока: CTR — это отношение коллекторного тока фототранзистора (I_C) к прямому току светодиода (I_F). Эта кривая показывает, как эффективность изменяется с током управления.
• Температурная зависимость темнового тока (I_CEO) и тока во включенном состоянии (I_C(ON)): Иллюстрирует, как характеристики ухудшаются или изменяются с изменением температуры окружающей среды, что жизненно важно для проектирования стабильных систем в указанном рабочем диапазоне.

Эти кривые необходимы разработчикам для оптимизации рабочей точки, обеспечения целостности сигнала в зависимости от температуры и понимания ограничений устройства.

4. Механическая информация и данные о корпусе

LTH-306-01 предназначен для монтажа на печатную плату или в панель. Габаритные размеры корпуса приведены в спецификации, все измерения указаны в миллиметрах (и дюймах). Ключевые механические примечания включают:

• Стандартный допуск ±0,25 мм (±0,010") применяется, если на чертеже с размерами не указано иное.
• Корпус имеет литую конструкцию с точным зазором между ИК-излучателем и фототранзистором. Точные размеры этого зазора, общая высота, ширина, длина и шаг выводов критически важны для механической интеграции в конечное изделие.
• Выводы обычно изготавливаются из припаиваемого материала и сформированы для монтажа в отверстия.

Идентификация полярности имеет решающее значение. На устройстве будут маркировки (например, точка, выемка или разная длина выводов) для идентификации анода и катода ИК-светодиода, а также коллектора и эмиттера фототранзистора. Неправильное подключение полярности может повредить компоненты.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

В предельных эксплуатационных характеристиках указана температура пайки выводов 260°C в течение максимум 5 секунд, измеренная на расстоянии 1,6 мм (0,063") от пластикового корпуса. Это критический параметр для процессов волновой или ручной пайки.

Рекомендации:

6. Рекомендации по применению

6.1 Типовые схемы включения

Базовая схема применения включает:

1. Схема управления светодиодом: Токоограничивающий резистор, включенный последовательно с ИК-светодиодом. Значение резистора (R_limit) рассчитывается как (Напряжение питания - V_F) / I_F. Для питания 5 В и I_F=20 мА, при V_F~1,4 В, R_limit≈ (5-1,4)/0,02 = 180 Ом.
2. Выходная схема фототранзистора: Фототранзистор можно использовать в двух распространенных конфигурациях:
   • Ключевой режим (насыщение): Подключите подтягивающий резистор от коллектора к положительному питанию (например, 5 В). Эмиттер подключен к земле. Когда свет попадает на транзистор, он сильно открывается (насыщается), опуская напряжение коллектора до низкого уровня (близко к V_CE(SAT)). Когда свет блокируется, транзистор закрывается, и напряжение коллектора подтягивается резистором к высокому уровню. Выход представляет собой цифровой сигнал.
   • Линейный режим: Используйте фототранзистор в схеме усилителя с общим эмиттером с коллекторным резистором. Выходное напряжение изменяется линейно с интенсивностью принимаемого света, что полезно для аналогового измерения.

6.2 Вопросы проектирования

• Устойчивость к фоновой засветке: Устройство использует модулированный ИК-свет, но сильные фоновые ИК-источники (солнечный свет, лампы накаливания) могут вызывать ложные срабатывания. Использование импульсного управления светодиодом и синхронного детектирования или добавление оптического фильтра может повысить помехоустойчивость.
• Характеристики объекта: Надежность обнаружения зависит от непрозрачности объекта для ИК-волны. Очень тонкие или полупрозрачные материалы могут не полностью прерывать луч.
• Юстировка: Для стабильной работы необходима точная механическая юстировка траектории объекта относительно зазора датчика.
• Скорость: Убедитесь, что скорость объекта и требуемое время отклика системы совместимы с временами нарастания/спада устройства (диапазон микросекунд).
• Электрические помехи: В условиях сильных помех делайте сигнальные дорожки короткими, используйте блокировочные конденсаторы рядом с устройством и рассмотрите возможность экранирования.

7. Техническое сравнение и отличительные особенности

По сравнению с механическими микровыключателями, LTH-306-01 предлагает явные преимущества: отсутствие дребезга контактов, отсутствие механического износа, более высокая скорость переключения и повышенная надежность в течение миллионов циклов. По сравнению с другими оптическими датчиками, такими как отражательные датчики, проходные фотоинтеррапторы (щелевые оптопары), как правило, менее чувствительны к вариациям отражательной способности и цвета поверхности объекта, обеспечивая более стабильный сигнал включения/выключения, основанный исключительно на прерывании луча.

Его ключевыми отличительными особенностями в категории фотоинтеррапторов являются конкретный размер корпуса (позволяющий компактные конструкции), его электрические характеристики (чувствительность, определяемая I_C(ON), скорость, определяемая t_r/t_f), а также надежные спецификации по пайке и рабочей температуре.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Каков типичный срок службы этого устройства?

О: Как твердотельное устройство без движущихся частей, его срок службы в основном определяется постепенной деградацией выходной мощности светодиода. При работе в пределах спецификаций он, как правило, значительно превышает срок службы механических переключателей, часто рассчитанных на сотни тысяч или миллионы операций.

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

О: Нет. Светодиод должен питаться от источника с ограничением тока. Прямое подключение к источнику напряжения, превышающему его прямое напряжение, вызовет чрезмерный ток и может его разрушить. Всегда используйте последовательный токоограничивающий резистор или драйвер постоянного тока.

В: Как интерпретировать минимальное значение "Коллекторного тока во включенном состоянии" (I_C(ON))?

О: Это гарантированный минимальный выходной ток при указанных условиях испытаний (V_CE=5 В, I_F=20 мА). В вашей конструкции вы должны убедиться, что ваша схема (например, значение подтягивающего резистора) может надежно работать с этим минимальным током, чтобы создавать допустимое низкое логическое напряжение, когда луч не заблокирован.

В: Время отклика указано в микросекундах. Достаточно ли это быстро для моего применения?

О: Для большинства применений, таких как подсчет объектов, определение положения и обнаружение бумаги, микросекундный отклик более чем достаточен. Например, для обнаружения объекта, движущегося со скоростью 1 м/с через зазор 1 мм, время прерывания составляет 1 мс (1000 мкс), что намного больше времени переключения устройства. Для чрезвычайно высокоскоростных применений проверьте требуемые временные параметры.

9. Практический пример использования

Сценарий: Обнаружение замятия бумаги в принтере

LTH-306-01 может быть установлен вдоль тракта подачи бумаги. Лист бумаги, проходящий через зазор, позволяет ИК-лучу достигать фототранзистора, поддерживая его выход в одном состоянии (например, низком). Если происходит замятие, бумага останавливается в зазоре, блокируя луч и изменяя выходное состояние (например, на высокое). Этот сигнал подается на микроконтроллер принтера, который затем может остановить работу и предупредить пользователя. Бесконтактное измерение гарантирует отсутствие износа бумаги или датчика, а быстрое время отклика позволяет обнаруживать замятие даже при быстром движении бумаги.

10. Принцип работы

LTH-306-01 — это проходной оптический датчик. Он содержит два основных компонента в противоположных плечах U-образного корпуса: инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) и кремниевый NPN фототранзистор. ИК-светодиод излучает невидимый инфракрасный свет при прямом смещении соответствующим током. Фототранзистор чувствителен к этой конкретной длине волны ИК-излучения. Когда в зазоре между ними нет объекта, ИК-свет падает непосредственно на базовую область фототранзистора. Этот падающий свет генерирует электрон-дырочные пары, которые действуют как базовый ток, открывая транзистор и позволяя значительному коллекторному току (I_C) протекать. Когда непрозрачный объект попадает в зазор, он блокирует световой путь. Фототранзистор не получает (или получает сильно ослабленный) свет, эффективный базовый ток падает почти до нуля, и транзистор закрывается, уменьшая коллекторный ток до очень низкого уровня утечки (I_CEO). Это изменение выходного тока/напряжения обнаруживается внешней схемой для регистрации события "объект присутствует".

11. Тенденции развития технологии

Область оптоэлектронных компонентов, таких как фотоинтеррапторы, продолжает развиваться. Общие тенденции, наблюдаемые в отрасли, включают:

• Миниатюризация: Разработка еще меньших корпусов и более низкого профиля для размещения во все более компактных потребительских и промышленных устройствах.
• Повышенная интеграция: Включение дополнительных схем на кристалле, таких как триггеры Шмитта для гистерезиса, встроенные токоограничивающие резисторы или даже цифровые интерфейсы (I2C), упрощающие внешнее проектирование.
• Улучшение характеристик: Повышенная чувствительность (позволяющая использовать более низкие токи управления светодиодом для экономии энергии), более быстрое время отклика для высокоскоростной автоматизации и лучшая температурная стабильность.
• Фокус на энергоэффективность: Конструкции, позволяющие импульсную работу с очень низким коэффициентом заполнения для минимизации среднего энергопотребления, что критически важно для устройств с батарейным питанием.
• Повышенная надежность: Улучшенная устойчивость к воздействию окружающей среды, такой как пыль, влажность и механические удары.

Эти тенденции направлены на то, чтобы сделать оптические сенсорные решения более надежными, простыми в реализации и подходящими для более широкого спектра применений.