Техническая документация LTH-209-01 - Рефлекторный оптический датчик

1. Обзор продукта

LTH-209-01 — это рефлекторный модуль фотоинтерраптера, предназначенный для бесконтактных коммутационных применений. Это оптоэлектронное устройство объединяет инфракрасный (ИК) излучающий диод и фототранзистор в одном компактном корпусе. Его основная функция — обнаружение наличия или отсутствия отражающего объекта в его зоне чувствительности. Модуль разработан для непосредственного монтажа на печатные платы (ПП) или использования с DIP-сокетами, что обеспечивает гибкость интеграции в систему. Его ключевые преимущества включают бесконтактную работу, исключающую механический износ и обеспечивающую долгосрочную надежность, а также высокую скорость переключения, подходящую для различных задач детектирования и подсчета. Целевой рынок включает оборудование для автоматизации, бытовую электронику, системы безопасности и промышленные системы управления, где требуется точное и надежное обнаружение объектов.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Работа устройства за пределами этих значений может привести к необратимому повреждению. Ключевые параметры включают:

• Постоянный прямой ток ИК-диода (I_F):максимум 50 мА. Это определяет верхний предел постоянного тока, который можно непрерывно пропускать через ИК-светодиод.
• Обратное напряжение ИК-диода (V_R):максимум 5 В. Превышение этого обратного напряжения смещения может повредить p-n-переход светодиода.
• Ток коллектора фототранзистора (I_C):максимум 20 мА. Это максимальный постоянный ток, который выходной транзистор может пропускать.
• Напряжение коллектор-эмиттер фототранзистора (V_CEO):максимум 30 В. Это максимальное напряжение, которое можно приложить между выводами коллектора и эмиттера фототранзистора.
• Диапазон рабочих температур:от -35°C до +65°C. Гарантируется работа устройства в пределах спецификаций в этом диапазоне температуры окружающей среды.
• Температура пайки выводов:260°C в течение 5 секунд на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Это критически важно для процессов волновой или групповой пайки.

Примечание по снижению мощности:Максимальная рассеиваемая мощность как для ИК-диода (75 мВт), так и для фототранзистора (100 мВт) должна линейно снижаться со скоростью 1,33 мВт/°C при температуре окружающей среды выше 25°C. Это важно для управления температурным режимом и долгосрочной надежности.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры указаны при температуре окружающей среды (T_A) 25°C и определяют типичную производительность устройства.

2.2.1 Характеристики входного ИК-диода

• Прямое напряжение (V_F):Обычно от 1,2В до 1,6В при прямом токе (I_F) 20 мА. Этот параметр важен для проектирования схемы ограничения тока для светодиода.
• Обратный ток (I_R):Максимум 100 мкА при обратном напряжении (V_R) 5В. Низкий обратный ток указывает на хорошее качество p-n-перехода.

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 подтяжки в выходной цепи.
• Ток коллектор-эмиттер в темноте (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE=10В. Это ток утечки, когда ИК-диод выключен (нет освещения). Низкий темновой ток важен для хорошего отношения сигнал/шум, особенно в приложениях с низкой освещенностью или высоким усилением.

2.2.3 Характеристики оптопары (системы)

Эти параметры описывают производительность всей сенсорной системы (ИК-светодиод + фототранзистор).

• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):Максимум 0,4В при I_C=0,08мА и I_F=20мА. Это низкое напряжение насыщения указывает, что фототранзистор может работать как эффективный ключ, опуская выход почти до земли при активации.
• Ток коллектора в открытом состоянии (I_C(ON)):Минимум 0,16 мА при V_CE=5В и I_F=20мА.Условия испытаний:Этот критический параметр измеряется со стандартной отражающей поверхностью (белая бумага с 90% диффузным отражением), расположенной на расстоянии 3,81 мм (0,15 дюйма) от лицевой стороны датчика. Это стандартизированное расстояние и поверхность определяют "зону чувствительности" и "минимальную обнаруживаемую отражательную способность" для указанной производительности устройства.

3. Механическая информация и данные о корпусе

3.1 Габариты корпуса

LTH-209-01 поставляется в стандартном 4-выводном DIP-корпусе (Dual In-line Package). Все размеры указаны в миллиметрах с допуском по умолчанию ±0,25 мм, если не указано иное на чертеже. Корпус предназначен для монтажа в отверстия печатной платы. Точный чертеж с размерами, включая длину, ширину, высоту корпуса, расстояние между выводами и их диаметр, необходим для проектирования посадочного места на ПП и механической интеграции в корпус конечного изделия.

3.2 Распиновка и идентификация полярности

Устройство имеет четыре вывода. Как правило, два вывода предназначены для анода и катода ИК-излучающего диода, а два других — для коллектора и эмиттера NPN-фототранзистора. Правильная идентификация жизненно важна для предотвращения повреждений. Необходимо обращаться к схеме распиновки в техническом описании. На корпусе часто имеется выемка, точка или скошенный край для обозначения вывода 1. ИК-диод чувствителен к полярности, а коллектор и эмиттер фототранзистора должны быть подключены правильно для корректной работы переключения.

4. Рекомендации по пайке и сборке

Ручная пайка:Используйте паяльник с регулировкой температуры. Согласно абсолютным максимальным параметрам, выводы могут подвергаться воздействию 260°C в течение 5 секунд при измерении на расстоянии 1,6 мм от пластикового корпуса. Рекомендуется использовать минимально возможную температуру и время для создания надежного паяного соединения, чтобы минимизировать термическую нагрузку на внутренние компоненты и пластиковый корпус.

Волновая пайка:Возможна, но необходимо строго соблюдать тот же профиль температуры/времени (260°C в течение 5 секунд на расстоянии 1,6 мм от корпуса). Рекомендуется предварительный нагрев для снижения термического удара.

Очистка:Если очистка необходима после пайки, используйте методы и растворители, совместимые с пластиковым материалом устройства, чтобы избежать растрескивания или помутнения оптического окна.

Условия хранения:Храните в среде в пределах указанного диапазона температур хранения от -40°C до +100°C. Желательно хранить устройства в оригинальных влагозащитных пакетах до использования, чтобы предотвратить загрязнение оптических поверхностей.

5. Рекомендации по применению

5.1 Типовые схемы применения

Наиболее распространенная конфигурация схемы использует LTH-209-01 в качестве цифрового ключа. ИК-диод управляется источником постоянного тока или токоограничивающим резистором от источника напряжения (например, 5В). Типичный I_F20 мА используется в соответствии с условиями испытаний. Фототранзистор включен по схеме с общим эмиттером: коллектор подключен к напряжению питания (V_CC, до 30В) через резистор подтяжки (R_L), а эмиттер подключен к земле. Выходной сигнал снимается с узла коллектора. Когда отражающий объект отсутствует, фототранзистор закрыт (высокий уровень на выходе). Когда отражающий объект попадает в зону чувствительности, отраженный ИК-свет активирует фототранзистор, опуская выход до низкого уровня.

5.2 Соображения по проектированию и лучшие практики

• Выбор резистора подтяжки (R_L):Значение R_Lопределяет выходной ток и размах напряжения. Его необходимо выбирать исходя из требуемого I_C(ON)и входных характеристик нагрузки (например, GPIO микроконтроллера). Меньшее значение R_Lобеспечивает более быстрое переключение и лучшую помехоустойчивость, но потребляет больше энергии. Убедитесь, что I_Cне превышает 20 мА: R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20 мА.
• Минимизация электрических помех:Разместите блокировочный конденсатор (например, 0,1 мкФ) рядом с выводами питания устройства. Держите сигнальные дорожки короткими, особенно линию выхода фототранзистора, чтобы снизить восприимчивость к электромагнитным помехам (ЭМП).
• Оптические соображения:Чувствительность зависит от отражательной способности, цвета и расстояния до целевого объекта. Указанный I_C(ON)приведен для белой поверхности с 90% отражением на расстоянии 3,81 мм. Более темные или удаленные объекты будут давать меньший выходной сигнал. Для стабильной работы соответствующим образом проектируйте порог обнаружения системы (например, опорное напряжение компаратора). Избегайте попадания прямого света от внешних источников (особенно солнечного света или ламп накаливания, богатых ИК-излучением) в апертуру датчика, так как это может вызвать ложные срабатывания. Модулированный ИК-сигнал и синхронное детектирование могут использоваться в условиях высокой внешней освещенности.
• Механическое выравнивание:Убедитесь, что путь целевого объекта постоянен и проходит в пределах оптимальной зоны чувствительности (около указанных 3,81 мм) для надежного обнаружения.

6. Техническое сравнение и отличия

LTH-209-01, как рефлекторный фотоинтерраптер, отличается от других типов оптодатчиков:

• по сравнению с проходными фотоинтерраптерами (щелевыми оптопарами):Проходные типы имеют физический зазор между излучателем и детектором; объект обнаруживается, когда он прерывает световой путь. Рефлекторные типы, такие как LTH-209-01, обнаруживают объект, когда он отражает свет обратно. Рефлекторные датчики часто проще монтировать, так как они требуют доступа только с одной стороны, но их производительность в большей степени зависит от свойств поверхности объекта.
• по сравнению с фотологическими датчиками:Некоторые фотоинтерраптеры включают встроенную логическую схему (триггер Шмитта, усилитель) для обеспечения чистого цифрового выхода. LTH-209-01 обеспечивает простой аналоговый выход фототранзистора, предлагая большую гибкость, но требующий внешней схемы (например, компаратора) для создания надежного цифрового сигнала в зашумленных условиях.
• Ключевые преимущества данной модели:Сочетание относительно высокого напряжения пробоя коллектор-эмиттер (30В), низкого напряжения насыщения и стандартизированных условий испытаний для чувствительности обеспечивает хороший баланс для универсальных применений рефлекторного детектирования.

7. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Какое оптимальное расстояние для обнаружения объекта?

О1: В техническом описании указан ток в открытом состоянии (I_C(ON)) при расстоянии до цели 3,81 мм (0,15"). Это стандартизированное испытательное расстояние. Фактическое оптимальное расстояние зависит от отражательной способности цели. Для высокоотражающей цели обнаружение может работать на несколько больших расстояниях. Для надежного проектирования используйте 3,81 мм в качестве номинальной рабочей точки.

В2: Могу ли я питать ИК-светодиод напрямую от источника напряжения?

О2: Нет. ИК-светодиод, как и все диоды, должен управляться током. Прямое подключение к источнику напряжения вызовет чрезмерный ток, что может разрушить устройство. Всегда используйте последовательный токоограничивающий резистор. Рассчитайте его значение как R = (V_{питания}- V_F) / I_F. Для питания 5В, V_F=1,4В и I_F=20мА: R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ом.

В3: Почему мой выходной сигнал нестабилен или зашумлен?

О3: Распространенные причины включают: 1) Недостаточное значение резистора подтяжки, приводящее к медленному времени нарастания, 2) Наводки электрических помех на длинных выходных дорожках (используйте блокировочный конденсатор и более короткие трассы), 3) Помехи от внешнего ИК-света (экранируйте датчик или используйте модуляцию), 4) Целевой объект имеет переменную отражательную способность или находится на непостоянном расстоянии.

В4: Что означает примечание "Снижение мощности линейно 1,33 мВт/°C"?

О4: Это правило теплового снижения мощности. Максимально допустимая рассеиваемая мощность (75 мВт для диода, 100 мВт для транзистора) указана при 25°C. За каждый градус Цельсия повышения температуры окружающей среды выше 25°C вы должны уменьшать максимально допустимую мощность на 1,33 мВт. Например, при 65°C (на 40°C выше 25°C) сниженная максимальная мощность для транзистора составляет 100 мВт - (40 * 1,33 мВт) = 100 - 53,2 = 46,8 мВт.

8. Практический пример применения

Сценарий: Обнаружение бумаги в принтере.

LTH-209-01 можно использовать для обнаружения переднего края бумаги при ее подаче через механизм принтера. Датчик устанавливается на основной плате так, чтобы его чувствительная сторона была обращена к пути движения бумаги. Отражающая полоса или сама бумага (если она достаточно отражает) служат целью. Когда бумага отсутствует, выходной сигнал высокий. Когда край бумаги проходит под датчиком, отраженный ИК-свет активирует фототранзистор, опуская выход до низкого уровня. Этот цифровой сигнал информирует микроконтроллер принтера о положении бумаги, позволяя точно контролировать время печати. Ключевые моменты проектирования здесь включают выбор резистора подтяжки для чистого интерфейса с логикой МК на 3,3В или 5В, обеспечение механической стабильности пути бумаги для поддержания правильной зоны чувствительности и, возможно, добавление простого RC-фильтра на выходе для устранения дребезга, вызванного текстурой бумаги.

9. Принцип работы

LTH-209-01 работает по принципу модулированного отражения света и фотоэлектрического преобразования. Внутри инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) излучает свет с длиной волны, обычно около 940 нм, невидимой для человеческого глаза. Этот свет проецируется из передней части устройства. Когда подходящий отражающий объект попадает в поле зрения и находится в пределах эффективного диапазона, часть излученного ИК-излучения отражается от поверхности объекта и возвращается к устройству. Кремниевый NPN-фототранзистор, расположенный рядом с ИК-светодиодом внутри того же корпуса, принимает этот отраженный свет. Фотоны, падающие на область базы фототранзистора, генерируют электрон-дырочные пары, эффективно создавая базовый ток. Этот фотоиндуцированный базовый ток усиливается коэффициентом усиления транзистора, что приводит к гораздо большему току коллектора, который можно измерить внешне. Это изменение тока коллектора (от очень низкого темнового тока до указанного I_C(ON)) является основным механизмом обнаружения. Таким образом, устройство преобразует оптическое событие (наличие отражающего объекта) в электрический сигнал.

10. Тенденции и контекст отрасли

Рефлекторные фотоинтерраптеры, такие как LTH-209-01, представляют собой зрелую и надежную технологию в рамках более широкого рынка оптоэлектронных датчиков. Общая тенденция в этой области — миниатюризация, увеличение степени интеграции и расширение функциональности. Новые устройства могут иметь корпуса для поверхностного монтажа (SMD) для автоматизированной сборки, более низкое энергопотребление и встроенные микросхемы обработки сигналов, обеспечивающие цифровые выходы (I2C, ШИМ) или аналоговые выходы с улучшенной линейностью. Также наблюдается переход к использованию определенных длин волн или включению оптических фильтров для повышения устойчивости к внешнему освещению. Кроме того, развитие материалов и технологий корпусирования продолжает улучшать температурный диапазон, устойчивость к влажности и долгосрочную стабильность этих компонентов. Хотя существуют более продвинутые альтернативы, выводной рефлекторный датчик с дискретным фототранзисторным выходом остается экономически эффективным и универсальным решением для бесчисленных применений бесконтактного обнаружения, где простота, надежность и проверенная производительность имеют первостепенное значение.