Техническая документация LTH-301-19 - Фотоинтерруптор для бесконтактной коммутации

1. Обзор изделия

LTH-301-19 — это компактное устройство для бесконтактной коммутации, предназначенное для приложений, требующих надежного обнаружения объектов или определения положения. Оно работает по принципу инфракрасного светодиода (ИК-светодиода), соединенного с фототранзистором. Когда объект прерывает инфракрасный луч между излучателем и детектором, выходное состояние фототранзистора изменяется, обеспечивая сигнал переключения. Это устройство подходит для непосредственного монтажа на печатную плату или использования с DIP-разъемами, предлагая быстрое и надежное решение для различных промышленных и бытовых электронных приложений.

2. Глубокий анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. ИК-диод может выдерживать постоянный прямой ток 60 мА и обратное напряжение 5 В. Коллекторный ток фототранзистора ограничен 20 мА при рассеиваемой мощности 100 мВт. Для ИК-диода допустим пиковый прямой ток 1 А в импульсном режиме (длительность импульса 10 мкс, частота 300 Гц). Диапазон рабочих температур устройства составляет от -25°C до +85°C, диапазон хранения — от -40°C до +100°C. Температура пайки выводов не должна превышать 260°C в течение 5 секунд при измерении на расстоянии 1,6 мм от корпуса.

2.2 Электрические и оптические характеристики

В этом разделе подробно описаны характеристики устройства в типичных рабочих условиях при температуре окружающей среды 25°C.

2.2.1 Характеристики входного светодиода

Прямое напряжение (VF) ИК-светодиода обычно составляет 1,6 В при прямом токе (IF) 20 мА, максимальное значение — 1,6 В. Обратный ток (IR) составляет максимум 100 мкА при обратном напряжении (VR) 5 В.

2.2.2 Характеристики выходного фототранзистора

Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V(BR)CEO) — минимум 30 В. Напряжение пробоя эмиттер-коллектор (V(BR)ECO) — минимум 5 В. Темновой ток коллектор-эмиттер (ICEO) составляет максимум 100 нА при VCE=10 В, что указывает на ток утечки при выключенном светодиоде.

2.2.3 Характеристики оптопары

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (VCE(SAT)) составляет максимум 0,4 В, когда фототранзистор переводится в насыщение (IC=70 мкА, IF=1,4 мА). Ток коллектора в открытом состоянии (IC(ON)) обычно составляет 70 мкА при VCE=3,3 В и IF=1,4 мА и может достигать 10 мА при VCE=5 В и IF=20 мА, что демонстрирует чувствительность и выходную способность устройства при различных условиях управления.

2.2.4 Время отклика

Скорость переключения характеризуется временем нарастания (tr) и временем спада (tf). Типичное время нарастания составляет 3 мкс (макс. 15 мкс), а типичное время спада — 4 мкс (макс. 20 мкс), измеренные при определенных условиях испытаний (VCE=5 В, Ic=2 мА, RL=100 Ом). Это определяет способность устройства к высокоскоростному обнаружению.

3. Механическая и упаковочная информация

3.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство имеет стандартный корпус для сквозного монтажа. Все размеры указаны в миллиметрах с допуском по умолчанию ±0,25 мм, если не указано иное. В техническом описании приведен точный чертеж с указанием размеров корпуса, расстояния между выводами и общего посадочного места для разводки печатной платы.

3.2 Определение полярности

Правильная ориентация имеет решающее значение. В техническом описании содержится диаграмма, четко обозначающая анод и катод ИК-светодиода, а также коллектор и эмиттер фототранзистора. Неправильная установка устройства может привести к неисправности или повреждению.

4. Анализ характеристических кривых

Техническое описание включает типичные кривые электрических и оптических характеристик, построенные при температуре окружающей среды 25°C, если не указано иное. Эти графики необходимы для понимания поведения устройства за пределами табличных минимальных, типичных и максимальных значений.

4.1 Передаточные характеристики

Кривые, вероятно, показывают зависимость между прямым током входного светодиода (IF) и коллекторным током выходного фототранзистора (IC) при различных напряжениях коллектор-эмиттер (VCE). Это иллюстрирует коэффициент передачи тока (CTR), ключевой параметр для усиления.

4.2 Характеристики насыщения на выходе

Графики, изображающие зависимость VCE(SAT) от IC для различных уровней IF, помогают разработчикам понять уровни выходного напряжения, когда фототранзистор полностью открыт, что важно для сопряжения с логическими схемами.

4.3 Зависимость от температуры

Хотя основные данные приведены при 25°C, характеристические кривые могут показывать, как такие параметры, как темновой ток (ICEO) и выходной ток, изменяются в зависимости от температуры, что крайне важно для проектирования стабильных систем в указанном рабочем диапазоне.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

5.1 Параметры пайки

Абсолютный максимальный параметр указывает, что выводы можно паять при температуре 260°C не более 5 секунд, при этом температура измеряется на расстоянии 1,6 мм (0,063") от пластикового корпуса. Это критически важно для предотвращения термического повреждения внутренних компонентов и пластикового корпуса.

5.2 Обращение и хранение

Устройство должно храниться в указанном температурном диапазоне от -40°C до +100°C. Во время обращения и сборки следует соблюдать стандартные меры предосторожности от электростатического разряда (ESD), чтобы предотвратить повреждение полупроводниковых переходов.

6. Рекомендации по применению

6.1 Типовые сценарии применения

LTH-301-19 идеально подходит для бесконтактного обнаружения в принтерах (обнаружение замятия бумаги, уровень тонера), копировальных аппаратах, торговых автоматах (обнаружение монет/предметов), промышленной автоматизации (определение положения, концевые выключатели) и бытовой электронике. Его высокая скорость переключения делает его пригодным для приложений подсчета или измерения скорости.

6.2 Особенности проектирования

Токоограничивающий резистор:Внешний резистор должен использоваться последовательно с ИК-светодиодом для ограничения его прямого тока (IF) до безопасного значения, обычно между испытательным условием 1,4 мА и абсолютным максимумом 60 мА, балансируя яркость и долговечность.
Нагрузочный резистор:Значение нагрузочного резистора (RL), подключенного к коллектору фототранзистора, влияет как на размах выходного напряжения, так и на время отклика. Меньшее значение RL обеспечивает более быстрое переключение, но меньший размах выходного напряжения.
Фоновое освещение:Как инфракрасное устройство, оно менее подвержено помехам от видимого фонового света. Однако для критически важных приложений можно использовать механическое экранирование или методы модуляции/демодуляции для повышения помехоустойчивости.
Юстировка:Для оптимальной производительности и максимальной дистанции обнаружения необходима точная механическая юстировка между пазами излучателя и детектора.

7. Техническое сравнение и отличия

По сравнению с механическими переключателями, LTH-301-19 предлагает ключевое преимущество бесконтактной работы, что приводит к отсутствию износа, более длительному сроку службы, бесшумной работе и более высокой потенциальной скорости переключения. По сравнению с другими оптическими датчиками, его интегрированный корпус со щелью обеспечивает встроенный оптический путь, упрощая механическую конструкцию и повышая надежность юстировки по сравнению с отдельными компонентами излучателя и детектора. Указанное напряжение насыщения (VCE(SAT)<0,4 В) обеспечивает хорошую совместимость с низковольтными логическими схемами.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Какова цель параметра темнового тока (ICEO)?
О: Темновой ток — это небольшой ток утечки, протекающий через фототранзистор, когда на него не падает свет от ИК-светодиода (т.е. луч заблокирован или светодиод выключен). Низкий темновой ток (макс. 100 нА) желателен, так как он минимизирует ток в "выключенном состоянии", что приводит к более четкому различию между включенным и выключенным состояниями переключателя.

В: Как выбрать значение токоограничивающего резистора для светодиода?
О: Используйте закон Ома: R = (Vcc - VF) / IF. Vcc — напряжение питания, VF — прямое напряжение светодиода (используйте 1,6 В для запаса по проекту), а IF — желаемый рабочий ток (например, 20 мА для полной выходной мощности). Убедитесь, что расчетная рассеиваемая мощность на резисторе находится в пределах его номинала.

В: Можно ли использовать этот датчик на улице?
О: Рабочий температурный диапазон составляет от -25°C до +85°C, что охватывает многие среды. Однако прямой солнечный свет содержит сильное инфракрасное излучение, которое может насытить датчик. Защита от пыли и влаги не входит в спецификацию корпуса и должна рассматриваться отдельно.

В: Что влияет на дистанцию или зазор обнаружения?
О: Зазор обнаружения зависит от тока управления светодиодом (IF), чувствительности фототранзистора, юстировки и непрозрачности объекта, прерывающего луч. В техническом описании не указан максимальный зазор; его необходимо определять эмпирически для конкретного объекта и требуемого запаса по сигналу.

9. Практический пример использования

Пример: Обнаружение бумаги в настольном принтере.LTH-301-19 можно установить так, чтобы путь бумаги проходил через его щель. Вывод GPIO микроконтроллера, настроенный с подтягивающим резистором, отслеживает коллектор фототранзистора. Когда бумага отсутствует, ИК-луч достигает детектора, открывая фототранзистор и опуская напряжение коллектора до низкого уровня (близко к VCE(SAT)). Когда бумага попадает в щель, она блокирует луч, выключая фототранзистор, что позволяет подтягивающему резистору поднять напряжение коллектора до высокого уровня Vcc. Микроконтроллер обнаруживает это изменение напряжения, чтобы подтвердить наличие бумаги или активировать сигнал "бумага закончилась". Быстрое время отклика обеспечивает обнаружение даже для быстро движущейся бумаги.

10. Введение в принцип работы

LTH-301-19 — это оптический датчик проходного типа в U-образном пластиковом корпусе. С одной стороны инфракрасный светодиод (ИК-светодиод) излучает свет с длиной волны, обычно около 940 нм. Напротив, на другой стороне щели, в качестве приемника выступает кремниевый NPN фототранзистор. Фототранзистор устроен так, что падающий на его базовую область свет генерирует электрон-дырочные пары, которые действуют как базовый ток, тем самым управляя гораздо большим током коллектор-эмиттер. Когда в щели нет объекта, свет от ИК-светодиода попадает на фототранзистор, заставляя его проводить ток (состояние ВКЛ). Когда объект попадает в щель, он перекрывает световой путь, резко уменьшая свет на фототранзисторе, заставляя его прекратить проводить ток (состояние ВЫКЛ). Это изменение выходного тока/напряжения используется в качестве сигнала переключения.

11. Тенденции в технологии

Фотоинтеррупторы, такие как LTH-301-19, представляют собой зрелую и надежную технологию. Текущие тенденции в этой области включают миниатюризацию корпусов для монтажа на печатные платы с более высокой плотностью, разработку версий для поверхностного монтажа (SMD) для облегчения автоматизированной сборки, а также интеграцию дополнительных схем, таких как триггеры Шмитта или усилители, в корпус для обеспечения чистого цифрового выходного сигнала и повышения помехоустойчивости. Также уделяется внимание снижению энергопотребления, особенно для приложений с питанием от батарей, путем оптимизации эффективности светодиода и чувствительности фототранзистора. Кроме того, некоторые продвинутые варианты включают несколько излучателей или детекторов в одном корпусе для кодированного определения положения или обеспечения резервирования.