Техническая документация на фотоинтерраптор LTH-301-05 - Бесконтактное переключение

1. Обзор продукта

LTH-301-05 представляет собой отражающий фотоинтерраптор — оптоэлектронный компонент, объединяющий инфракрасный светодиод (ИК-светодиод) и фототранзистор в одном компактном корпусе. Его основная функция — обнаружение наличия или отсутствия объекта без физического контакта, что делает его бесконтактным выключателем. Ключевое преимущество данного устройства заключается в его надежности и долговечности, поскольку оно исключает механический износ, характерный для традиционных переключателей. Оно предназначено для непосредственного монтажа на печатную плату (ПП) или использования с цанговой панелью, обеспечивая гибкость сборки. Высокая скорость переключения делает его подходящим для применений, требующих быстрого обнаружения, таких как принтеры, копировальные аппараты, торговые автоматы и промышленное оборудование автоматизации, где необходимо определение положения, подсчет объектов или детектирование кромки.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельно допустимые параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для непрерывной работы. Ключевые параметры включают:

• Постоянный прямой ток ИК-диода (I_F)): 60 мА. Это максимальный ток, который может протекать через светодиод в установившемся режиме.
• Пиковый прямой ток ИК-диода: 1 А (для импульсов длительностью 10 мкс с частотой 300 импульсов в секунду). Это позволяет использовать кратковременные импульсы высокой интенсивности для улучшения обнаружения сигнала.
• Ток коллектора фототранзистора (I_C)): 20 мА. Максимальный ток, который может выдержать выходной транзистор.
• Напряжение коллектор-эмиттер фототранзистора (V_CEO)): 30 В. Максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером фототранзистора.
• 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 сборки, чтобы предотвратить тепловое повреждение.

2.2 Электрические и оптические характеристики

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

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. Это падение напряжения на светодиоде при его включении.
• Обратный ток (I_R)): Максимум 100 мкА при обратном напряжении (V_R) 5 В. Указывает на небольшой ток утечки при обратном смещении светодиода.

2.2.2 Характеристики выходного элемента (фототранзистор)

• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V_(BR)CEO)): Минимум 30 В. Напряжение, при котором происходит пробой транзистора при разомкнутой базе.
• Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO)): Максимум 100 нА при V_CE=10 В. Это ток утечки фототранзистора при отсутствии падающего света (т.е. ток в состоянии "выключено"). Низкое значение желательно для хорошего контраста между состояниями "включено" и "выключено".

2.2.3 Характеристики оптопары (совместные)

Эти параметры описывают совместную работу светодиода и фототранзистора.

• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT))): Максимум 0,4 В, когда фототранзистор полностью открыт (I_C=0,25 мА, I_F=20 мА). Низкое напряжение насыщения удобно для сопряжения с цифровой логикой.
• Ток коллектора в открытом состоянии (I_C(ON))): Минимум 0,5 мА при включенном светодиоде (I_F=20 мА) и V_CE=5 В. Это генерируемый фототок, который определяет силу выходного сигнала.
• Время отклика: Определяет, насколько быстро выход реагирует на изменение входного света.
  • Время нарастания (t_r)): Обычно 3 мкс, максимум 15 мкс. Время, за которое выходной ток возрастает с 10% до 90% от конечного значения при включении светодиода.
  • Время спада (t_f)): Обычно 4 мкс, максимум 20 мкс. Время, за которое выходной ток падает с 90% до 10% от начального значения при выключении светодиода.

3. Механическая информация и данные о корпусе

3.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство имеет стандартный корпус для сквозного монтажа с четырьмя выводами. Точные размеры приведены на чертежах в документации. Ключевые замечания включают:

• Все размеры указаны в миллиметрах, дюймы приведены в скобках.
• Стандартный допуск составляет ±0,25 мм (±0,010"), если не указано иное.
• Конструкция корпуса обеспечивает стабильность во время групповой или ручной пайки.

3.2 Определение полярности выводов

Правильная ориентация критически важна. На схеме в документации четко указаны анод и катод для ИК-светодиода, а также коллектор и эмиттер для фототранзистора. Неправильный монтаж устройства может привести к его неработоспособности или необратимому повреждению.

4. Рекомендации по пайке и монтажу

Правильное обращение обеспечивает надежность и долговечность устройства.

• Пайка: Выводы можно паять при максимальной температуре 260°C, но нагрев следует применять не более 5 секунд. Критически важно выдерживать указанное расстояние (1,6 мм / 0,063") от пластикового корпуса, чтобы предотвратить его плавление или деформацию.
• Очистка: Используйте подходящие растворители, совместимые с материалом пластикового корпуса. Избегайте ультразвуковой очистки на частотах, которые могут вызвать внутренние напряжения или растрескивание.
• Условия хранения: Для сохранения характеристик храните устройства в среде с температурным диапазоном от -40°C до +100°C и низкой влажностью, предпочтительно в антистатической упаковке для предотвращения повреждения электростатическим разрядом (ЭСР).

5. Рекомендации по применению

5.1 Типовые сценарии применения

• Обнаружение бумаги в принтерах/копировальных аппаратах: Обнаружение замятия бумаги, окончания бумаги или подачи нескольких листов.
• Подсчет объектов: Подсчет предметов на конвейерной ленте или в желобе.
• Определение положения/скорости: Обнаружение прорезей в кодирующем диске для определения углового положения или скорости вращения двигателя.
• Торговые автоматы: Подтверждение прохождения монеты или выдачи товара.
• Системы безопасности: В качестве части датчика прерывания луча для обнаружения вторжения.

5.2 Особенности проектирования

• Ограничение тока светодиода: Всегда используйте последовательный резистор с ИК-светодиодом, чтобы ограничить прямой ток (I_F) до безопасного значения, обычно от 10 мА до 20 мА для баланса между силой выходного сигнала и сроком службы устройства. Номинал резистора можно рассчитать по формуле R = (V_CC- V_F) / I_F.
• Смещение фототранзистора: Подтягивающий резистор обычно подключается между коллектором фототранзистора и положительным напряжением питания (V_CC). Эмиттер подключается к земле. Номинал этого резистора (часто от 1 кОм до 10 кОм) и напряжение питания определяют размах выходного напряжения и скорость отклика. Меньший резистор обеспечивает более быстрый отклик, но меньший размах выходного напряжения (и большее энергопотребление во включенном состоянии).
• Защита от фоновой засветки: Поскольку устройство использует инфракрасный свет, оно в некоторой степени защищено от видимого фонового освещения. Однако сильные источники ИК-излучения (например, солнечный свет или лампы накаливания) могут вызывать ложные срабатывания. Использование модулированного ИК-сигнала и демодулирующей схемы может значительно повысить помехоустойчивость.
• Зазор и отражательная способность: Дистанция обнаружения и сила сигнала зависят от отражательной способности целевого объекта и ширины зазора между датчиком и объектом. Темные, неотражающие объекты будут давать более слабый сигнал.

6. Принцип работы

LTH-301-05 работает по простому оптическому принципу. Внутренний ИК-светодиод излучает пучок инфракрасного света. Напротив светодиода расположен фототранзистор. В "непрерванном" состоянии этот световой пучок проходит через небольшой зазор и попадает на фототранзистор, заставляя его проводить ток (включаться). Когда объект вставляется в этот зазор, он блокирует инфракрасный свет. При отсутствии света, падающего на фототранзистор, он перестает проводить ток (выключается). Это изменение электрического состояния фототранзистора (с проводящего на непроводящее или наоборот) обнаруживается внешней схемой, регистрируя наличие объекта. Фототранзистор, по сути, действует как источник тока, управляемый интенсивностью света.

7. Анализ характеристических кривых

В документации приведены типичные характеристические кривые, которые неоценимы для детального анализа при проектировании. Хотя конкретные графики не воспроизводятся в тексте, они обычно иллюстрируют следующие зависимости:

• Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (I_F-V_F) для светодиода: Показывает нелинейную зависимость, помогая определить точное падение напряжения при различных рабочих токах.
• Ток коллектора в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (I_C-V_CE) для фототранзистора: При различных уровнях падающего света (или различных токах возбуждения светодиода) эти кривые показывают выходные характеристики транзистора, аналогичные выходным кривым биполярного транзистора.
• Ток коллектора в зависимости от прямого тока (I_C-I_F): Эта передаточная характеристическая кривая имеет решающее значение. Она показывает, как выходной фототок (I_C) изменяется в зависимости от входного тока светодиода (I_F). Она определяет коэффициент передачи тока (CTR), который является ключевым параметром эффективности оптопары.
• Температурная зависимость: Кривые часто показывают, как такие параметры, как прямое напряжение (V_F), темновой ток (I_CEO) и ток в открытом состоянии (I_C(ON)), изменяются в зависимости от температуры окружающей среды. Это критически важно для проектирования систем, работающих в широком температурном диапазоне.

8. Часто задаваемые вопросы на основе технических параметров

1. В: Какое типичное расстояние обнаружения?О: Расстояние обнаружения не является фиксированным значением в документации. Оно зависит от конкретной механической конструкции щели, тока возбуждения светодиода (I_F), чувствительности приемной схемы и отражательной способности прерывающего объекта. Конструктор должен определить его на основе параметра I_C(ON) и конфигурации применения.
2. В: Могу ли я управлять светодиодом напрямую с вывода микроконтроллера?О: Возможно, но вы должны проверить две вещи: а) Максимальная способность вывода микроконтроллера выдавать ток должна быть больше желаемого I_F(например, 20 мА). б) Вы ОБЯЗАТЕЛЬНО должны включить последовательный токоограничивающий резистор, как описано в особенностях проектирования. Никогда не подключайте светодиод напрямую к источнику напряжения.
3. В: Как сопрячь выход с цифровым входом?О: Самый простой метод — использовать подтягивающий резистор на коллекторе. Когда световой путь свободен, фототранзистор открыт, притягивая напряжение коллектора к низкому уровню (близко к V_CE(SAT)). Когда свет заблокирован, транзистор закрыт, и подтягивающий резистор поднимает напряжение коллектора до высокого уровня (до V_CC). Это обеспечивает четкий сигнал логического уровня.
4. В: Почему важно время отклика?О: Быстрое время отклика (микросекунды) позволяет датчику обнаруживать очень быстро движущиеся объекты или быстрые последовательные события без пропуска счетов. Это важно в высокоскоростных машинах, энкодерных приложениях или системах связи, использующих импульсный свет.
5. В: Что произойдет, если я превышу предельно допустимые параметры?О: Превышение этих пределов, даже кратковременное, может вызвать немедленное или скрытое повреждение устройства. Это может включать деградацию светового потока светодиода, увеличение темнового тока фототранзистора или полный отказ (обрыв или короткое замыкание). Всегда проектируйте с запасом прочности.

9. Практический пример проектирования и использования

Пример: Измерение оборотов в минуту (RPM) малого двигателя постоянного тока

Конструктору необходимо измерить скорость вращения вала двигателя. К валу крепится небольшой дисковый затвор с прорезями. LTH-301-05 устанавливается так, чтобы диск вращался в его чувствительном зазоре. Каждый раз, когда прорезь проходит через зазор, свет попадает на фототранзистор, вызывая импульс на выходе. Светодиод питается постоянным током 15 мА через резистор. Коллектор фототранзистора подключен к источнику питания 5 В через подтягивающий резистор 4,7 кОм, а также к входному выводу микроконтроллера с поддержкой прерываний.

Прошивка микроконтроллера запрограммирована на подсчет количества импульсов (фронтов нарастания или спада), полученных в течение фиксированного временного окна (например, одна секунда). Поскольку диск имеет, например, 20 прорезей, количество импульсов в секунду, деленное на 20, дает количество оборотов в секунду, которое легко преобразуется в обороты в минуту (RPM). Быстрое время нарастания и спада датчика гарантирует, что даже при высоких скоростях двигателя импульсы четкие и точно подсчитываются, без пропуска фронтов из-за медленного отклика датчика.

10. Тенденции развития

Фотоинтеррапторы, такие как LTH-301-05, представляют собой зрелую и надежную технологию. Текущие тенденции в более широкой области оптоэлектронных датчиков сосредоточены на:

• Миниатюризация: Разработка еще более компактных корпусов для поверхностного монтажа (SMD) для экономии места на плате в современной электронике.
• Интеграция:
  • Внутренняя интеграция токоограничивающего резистора для светодиода.
  • Включение в корпус триггера Шмитта или компаратора для непосредственного получения чистого цифрового выхода, упрощая схемы сопряжения.
  • Добавление на кристалл схем подавления фоновой засветки или логики модуляции/демодуляции для превосходной помехоустойчивости.
• Повышение производительности: Улучшение коэффициента передачи тока (CTR) для снижения энергопотребления или увеличения дистанции обнаружения, а также дальнейшее сокращение времени отклика для сверхвысокоскоростных применений.
• Специализация: Создание вариантов с очень узкими зазорами для точного детектирования кромок или с разными длинами волн для обнаружения специфических материалов (например, прозрачных пленок).

Несмотря на эти достижения, базовый отражающий фотоинтерраптор остается экономически эффективным и надежным решением для огромного множества применений бесконтактного обнаружения, и понимание его детальных параметров, изложенных в данной документации, является первым шагом к успешному проектированию.