Техническая документация на фотоинтерраптор LTH-306-09S - Замена механических переключателей

1. Обзор продукта

LTH-306-09S представляет собой фотоинтерраптор — оптоэлектронное устройство, предназначенное для обнаружения прерывания светового луча. Он служит прямой твердотельной заменой традиционным механическим переключателям в различных сенсорных приложениях. Ключевое преимущество заключается в бесконтактном принципе работы, который устраняет проблемы, связанные с механическим износом, дребезгом контактов и физической деградацией со временем. Это делает его высоконадежным для применений, требующих частого срабатывания или работы в условиях, где пыль, влага или вибрация могут повредить механические контакты. Устройство подходит для широкого рынка, включая промышленную автоматизацию (датчики положения, концевые выключатели), бытовую электронику (обнаружение бумаги в принтерах, датчики лотка дисков) и системы безопасности (датчики блокировки дверей).

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные значения

Эти значения определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Входной светодиод:
  • Рассеиваемая мощность:75 мВт. Это максимальная непрерывная мощность, которую светодиод может выдержать при указанной температуре окружающей среды.
  • Пиковый прямой ток:1 А (при импульсных условиях: 300 имп/с, длительность импульса 10 мкс). Этот параметр критически важен для управления светодиодом короткими импульсами высокой интенсивности.
  • Непрерывный прямой ток:50 мА. Максимальный постоянный ток для надежной долгосрочной работы.
  • Обратное напряжение:5 В. Превышение этого значения может повредить светодиодный переход.
• Выходной фототранзистор:
  • Рассеиваемая мощность:100 мВт.
  • Напряжение коллектор-эмиттер (V_CE):30 В. Максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером.
  • Напряжение эмиттер-коллектор:5 В.
  • Коллекторный ток:20 мА. Максимальный ток, который может пропускать выход фототранзистора.
• Окружающая среда:
  • Диапазон рабочих температур:от -25°C до +85°C. Диапазон температуры окружающей среды для нормальной работы устройства.
  • Диапазон температур хранения:от -40°C до +100°C.
  • Температура пайки выводов:260°C в течение 5 секунд (для выводов на расстоянии 1,6 мм от корпуса). Это определяет ограничение профиля пайки оплавлением.

2.2 Электрические и оптические характеристики

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

• Характеристики входного светодиода:
  • Прямое напряжение (V_F):Обычно от 1,2В до 1,6В при прямом токе (I_F) 20 мА. Используется для расчета необходимого значения токоограничивающего резистора: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • Обратный ток (I_R):Максимум 100 мкА при обратном напряжении 5В.
• Характеристики выходного фототранзистора:
  • Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE=10В. Это ток утечки, когда светодиод выключен (нет света). Низкое значение желательно для хорошего отношения сигнал/шум.
  • Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):Обычно 0,4В при I_C=0,25мА и I_F=20мА. Это падение напряжения на фототранзисторе, когда он полностью "открыт".
  • Ток коллектора в открытом состоянии (I_C(ON)):Минимум 0,5 мА при V_CE=5В и I_F=20мА. Этот параметр определяет минимальный выходной ток, когда световой путь не заблокирован.
• Характеристика оптопары:
  • Угол срабатывания:от 8° до 14°. Это критический параметр, определяющий угловое перемещение прерывающего объекта (например, рычага), необходимое для надежного переключения выходного состояния. Меньший угол указывает на более высокую чувствительность к движению.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типичные электрические/оптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не предоставлены в тексте, их стандартное назначение анализируется ниже.

• Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (кривая I_F-V_F):Этот график показывает нелинейную зависимость между током и напряжением светодиода. Он помогает разработчикам понять динамическое сопротивление светодиода и обеспечить стабильное токовое управление.
• Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (кривые I_C-V_CE):Эти кривые, построенные для разных токов управления светодиодом (I_F), иллюстрируют выходные характеристики фототранзистора. Они показывают область насыщения (где I_Cотносительно постоянен) и линейную/активную область, что важно для аналоговых сенсорных приложений.
• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока:CTR — это отношение коллекторного тока фототранзистора (I_C) к прямому току светодиода (I_F), обычно выражается в процентах. Эта кривая показывает, как эффективность изменяется с током управления, и является ключевой для оптимизации схемы управления для получения желаемого выходного сигнала.
• Кривые температурной зависимости:Графики, показывающие, как такие параметры, как V_F, I_C(ON)и темновой ток, изменяются с температурой окружающей среды, необходимы для проектирования надежных систем, работающих в указанном температурном диапазоне.

4. Механические данные и информация о корпусе

Техническое описание включает чертеж размеров корпуса (не воспроизведен здесь). Ключевые механические соображения включают:

• Размеры щели:Критический зазор, через который проходит прерывающий объект. Его ширина и глубина определяют совместимость с целевым объектом.
• Шаг и форма выводов:Расположение выводов (вероятно, стандартная 4-выводная конфигурация: анод, катод для светодиода; коллектор, эмиттер для фототранзистора) и их шаг имеют жизненно важное значение для проектирования посадочного места на печатной плате.
• Общий размер корпуса:Внешняя длина, ширина и высота ограничивают размещение устройства в сборке.
• Идентификация полярности:На корпусе будут маркировки (например, точка или скошенный край) для идентификации вывода 1, который должен быть правильно совмещен с посадочным местом на печатной плате.
• Пользовательские рычаги:Отмеченной особенностью является возможность проектирования пользовательских рычагов, которые крепятся к прерывающему объекту, позволяя адаптировать датчик для конкретных механических движений и повышая гибкость его применения.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Правильное обращение имеет решающее значение для надежности.

• Пайка оплавлением:Указанный предел — 260°C в течение 5 секунд, измеренный на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Это соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением. Разработчики должны убедиться, что тепловой профиль их печи оплавления не превышает этот предел, чтобы предотвратить повреждение внутренней эпоксидной смолы или полупроводниковых переходов.
• Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, следует использовать паяльник с регулировкой температуры, а время пайки каждого вывода должно быть минимизировано (обычно < 3 секунд).
• Очистка:Используйте соответствующие неагрессивные чистящие средства, совместимые с пластиковым корпусом устройства.
• Условия хранения:Храните в сухой антистатической среде в указанном диапазоне от -40°C до +100°C, чтобы предотвратить поглощение влаги (что может вызвать "вспучивание" при пайке оплавлением) и повреждение от электростатического разряда (ESD).

6. Рекомендации по применению и соображения по проектированию

6.1 Типовые схемы включения

Наиболее распространенная конфигурация — цифровой переключатель. Светодиод управляется постоянным током (например, 20 мА через последовательный резистор). Коллектор фототранзистора подключен к подтягивающему резистору (R_pull-up) к напряжению питания логики (например, 5В), а эмиттер заземлен. Выходной сигнал снимается с узла коллектора.

• Непрерывный луч (объект отсутствует):Свет падает на базу фототранзистора, заставляя его проводить. Напряжение на коллекторе опускается до низкого уровня (близко к V_CE(SAT)).
• Прерванный луч (объект присутствует):Фототранзистор закрывается. Подтягивающий резистор поднимает напряжение на коллекторе до высокого уровня (до напряжения питания).

Значение R_pull-upявляется компромиссом: меньшее значение обеспечивает более быстрые времена нарастания и лучшую помехоустойчивость, но потребляет больший ток, когда выход находится в низком состоянии. Его следует выбирать исходя из требуемой скорости переключения и входных характеристик следующего логического каскада.

6.2 Соображения по проектированию

• Выбор тока светодиода:Работа при типичных 20 мА обеспечивает хороший выходной ток. Более низкие токи экономят энергию, но уменьшают I_C(ON)и запас по помехоустойчивости. Не превышайте номинальный непрерывный прямой ток.
• Устойчивость к засветке:Устройство чувствительно к определенной длине волны своего внутреннего светодиода. Однако в средах с сильным окружающим светом (особенно солнечным светом, содержащим ИК-излучение) модулированный (импульсный) сигнал управления светодиодом с синхронным детектированием в приемной цепи может значительно улучшить помехоустойчивость.
• Время отклика:Скорость переключения (время нарастания/спада) ограничена емкостью фототранзистора и значением подтягивающего резистора. Для высокоскоростных приложений обратитесь к конкретным графикам динамических характеристик, если они доступны.
• Характеристики объекта:Непрозрачность, толщина и цвет прерывающего объекта влияют на количество блокируемого света. Для надежной работы объект должен быть достаточно непрозрачным, чтобы уменьшить ток фототранзистора ниже порога для состояния "выключено".
• Юстировка:Точная механическая юстировка объекта в щели датчика необходима для стабильной работы, особенно с учетом определенного угла срабатывания.

7. Техническое сравнение и преимущества

По сравнению с механическими микропереключателями, фотоинтерраптор LTH-306-09S предлагает несколько ключевых преимуществ:

• Долговечность и надежность:Нет подвижных контактов, которые могут изнашиваться, искрить или окисляться. Срок службы обычно на порядки больше.
• Высокоскоростная работа:Может переключаться намного быстрее, чем механические переключатели, которые ограничены дребезгом контактов и механической инерцией.
• Стабильные характеристики:Сопротивление контактов не является фактором. Выходные характеристики остаются стабильными с течением времени.
• Защита от окружающей среды:Пластиковый корпус можно легче герметизировать от пыли и влаги по сравнению с механическим переключателем с внешним приводом.
• Бесшумная работа:Полностью бесшумная, в отличие от слышимого щелчка механического переключателя.

Компромиссом является необходимость вспомогательной электроники (источник тока для светодиода и подтягивающий резистор) и потенциальная чувствительность к экстремальному окружающему свету или загрязнению оптического пути.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

• В: Могу ли я управлять светодиодом напрямую с вывода микроконтроллера на 5В?О: Нет. Вы должны использовать токоограничивающий резистор. Например, при V_CC=5В, V_F~1,4В и желаемом I_F=20мА: R = (5В - 1,4В) / 0,02А = 180 Ом. Типичными являются резисторы 180 Ом или 220 Ом.
• В: Что означает "Угол срабатывания" 8-14 градусов для моего проекта?О: Это означает, что физический рычаг или флажок, прерывающий луч, должен повернуться или переместиться как минимум на 8 градусов (и обычно до 14 градусов) при прохождении через щель, чтобы гарантировать надежное переключение из состояния "включено" в состояние "выключено". Ваша механическая конструкция должна обеспечивать это угловое перемещение.
• В: Выходной коллекторный ток (I_C(ON)) составляет всего 0,5 мА мин. Достаточно ли этого для управления логическим входом?О: Да, для стандартных входов КМОП или ТТЛ логики, которые имеют очень высокое входное сопротивление (требуют только микроамперы), возможности стока 0,5 мА более чем достаточно. Критическим параметром является уровень напряжения (низкий = ~0,4В).
• В: Как защитить устройство от скачков напряжения на линиях питания?О: Используйте стандартные развязывающие конденсаторы на уровне платы (например, керамические 100 нФ) рядом с устройством. Для жестких условий эксплуатации можно рассмотреть дополнительные диоды подавления переходных напряжений (TVS) на шине питания.

9. Практические примеры применения

• Обнаружение бумаги в принтере:Флажок, прикрепленный к рычагу лотка для бумаги, вращается через щель фотоинтерраптора. Когда бумага присутствует, флажок находится в одном положении (луч не прерывается); когда лоток пуст, он перемещается в другое положение (луч прерывается), сигнализируя системе управления.
• Подсчет объектов на промышленном конвейере:Объекты на конвейере проходят через ворота, оборудованные фотоинтерраптором. Каждый объект прерывает луч, генерируя импульс, который подсчитывается ПЛК или микроконтроллером.
• Блокировка защитной двери:Фотоинтерраптор устанавливается на дверной коробке, а язычок — на двери. Когда дверь правильно закрыта, язычок входит в щель, позволяя лучу проходить и сигнализируя о "безопасном" состоянии. Если дверь открыта, луч блокируется, сигнализируя о "небезопасном" состоянии, которое может отключить оборудование.
• Считывание диска инкрементального энкодера:Перфорированный диск, прикрепленный к валу двигателя, вращается между излучателем и детектором. Серия световых импульсов, генерируемых при прохождении прорезей, используется для определения скорости и положения.

10. Принцип работы

Фотоинтерраптор — это оптопара с физическим зазором между излучателем и детектором. Он состоит из инфракрасного светоизлучающего диода (LED) с одной стороны и кремниевого фототранзистора с противоположной стороны, расположенных напротив друг друга через открытую щель. Когда электрический ток подается на светодиод, он излучает инфракрасный свет. Этот свет проходит через зазор и попадает в базовую область фототранзистора. Фотоны генерируют электрон-дырочные пары в базе, эффективно действуя как базовый ток. Этот фотоиндуцированный ток затем усиливается коэффициентом усиления транзистора, позволяя протекать гораздо большему коллекторному току. Когда непрозрачный объект попадает в щель, он блокирует световой путь. Фотоиндуцированный базовый ток прекращается, выключая фототранзистор и останавливая коллекторный ток. Таким образом, наличие или отсутствие объекта в щели цифровым образом управляет проводимостью выходного фототранзистора.

11. Тенденции развития технологии

Фундаментальная технология фотоинтеррапторов является зрелой. Современные тенденции сосредоточены на интеграции и миниатюризации. Устройства становятся меньше по размеру корпуса (SMD-типы), сохраняя или улучшая производительность. Также наблюдается тенденция к интеграции дополнительных схем на кристалле, таких как триггеры Шмитта для гистерезиса (для обеспечения чистого цифрового переключения без внешних компонентов), усилители для аналогового выхода или даже полноценные цифровые интерфейсы (I2C). Это уменьшает количество внешних компонентов и упрощает проектирование. Кроме того, устройства с более высокой чувствительностью позволяют работать с более низкими токами светодиода, снижая общее энергопотребление системы, что критически важно для приложений с батарейным питанием. Разработка материалов для оптического пути (линзы, фильтры) также продолжает улучшать подавление засветки и точность измерения.