Техническая документация на фотоэлектрический датчик LTH-309-08

1. Обзор продукта

LTH-309-08 — это отражательный фотоэлектрический датчик, тип оптоэлектронного сенсора, который объединяет инфракрасный светодиод (LED) и фототранзистор в одном компактном корпусе. Его основная функция — бесконтактное обнаружение наличия или отсутствия объекта путем регистрации прерывания отраженного от поверхности инфракрасного луча. Устройство предназначено для непосредственного монтажа на печатную плату (PCB) или установки в стандартную DIP-панель, что делает его универсальным для автоматизированных процессов сборки.

Ключевое преимущество этого датчика заключается в его бесконтактном принципе работы, который исключает механический износ, обеспечивая высокую надежность и длительный срок службы. Он особенно подходит для применений, требующих быстрого времени отклика и точного обнаружения объектов в ограниченном пространстве. Типичные целевые рынки включают офисную технику (принтеры, копиры), промышленную автоматизацию (счетчики на конвейерных лентах, датчики положения), потребительскую электронику и различные измерительные приборы, где критически важна надежная детекция объектов.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные значения

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

• Входной светодиод:Постоянный прямой ток не должен превышать 50 мА, при этом пиковый прямой ток до 1 А допускается в импульсном режиме (300 Гц, длительность импульса 10 мкс). Максимальная рассеиваемая мощность для светодиода составляет 75 мВт. Необходимо избегать обратного напряжения более 5 В.
• Выходной фототранзистор:Ток коллектора ограничен значением 20 мА. Напряжение коллектор-эмиттер может достигать 30 В, в то время как напряжение эмиттер-коллектор ограничено 5 В. Рассеиваемая мощность фототранзистора не должна превышать 100 мВт.
• Ограничения по окружающей среде:Устройство рассчитано на работу в диапазоне температур окружающей среды от -25°C до +85°C. Хранение возможно от -55°C до +100°C. При пайке выводы могут выдерживать 260°C в течение 5 секунд при измерении на расстоянии 1,6 мм от корпуса.

2.2 Электрические и оптические характеристики

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

• Прямое напряжение светодиода (V_F):Обычно составляет от 1,2В до 1,6В при прямом токе (I_F) 20 мА. Этот параметр имеет решающее значение для проектирования токоограничивающего резистора в цепи управления.
• Темновой ток фототранзистора (I_CEO):Ток утечки при отсутствии света на датчике, указан как максимум 100 нА при V_CE=10В. Низкий темновой ток важен для хорошего отношения сигнал/шум, особенно в условиях низкой освещенности или в приложениях с высоким усилением.
• Ток коллектора в открытом состоянии (I_C(ON)):Минимальный ток коллектора составляет 0,5 мА, когда светодиод питается током I_F=20мА и V_CE=5В. Этот параметр указывает на чувствительность фототранзистора.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):Падение напряжения на фототранзисторе, когда он полностью "открыт", обычно 0,4В при I_C=0,25мА и I_F=20мА. Низкое напряжение насыщения желательно для сопряжения с низковольтными логическими схемами.
• Время отклика:Скорость переключения датчика характеризуется временем нарастания (T_R) и временем спада (T_F). Типичные значения составляют 3-15 мкс для времени нарастания и 4-20 мкс для времени спада при условиях испытаний V_CE=5В, I_C=2мА и R_L=100Ом. Такое быстрое переключение позволяет обнаруживать быстро движущиеся объекты.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типичные кривые электрических/оптических характеристик. Хотя конкретные графики не предоставлены в тексте, можно объяснить их общее назначение и предоставляемую информацию.

Эти кривые обычно отображают ключевые параметры в зависимости от переменных, таких как температура или ток управления. Например, кривая, показывающая зависимость I_C(ON)от I_F(прямой ток светодиода), поможет разработчику понять взаимосвязь между входной мощностью и силой выходного сигнала, позволяя оптимизировать управление светодиодом для достижения желаемой чувствительности и энергопотребления. Другая распространенная кривая — зависимость I_C(ON)от температуры окружающей среды, что критически важно для понимания того, как производительность датчика ухудшается или изменяется при экстремальных температурах, обеспечивая надежную работу в указанном диапазоне от -25°C до +85°C. Эти графики необходимы для надежного проектирования систем, выходящего за рамки номинальных спецификаций для 25°C.

4. Механическая и упаковочная информация

LTH-309-08 разработан для компактной интеграции. Габаритные размеры корпуса приведены в техническом описании, все измерения указаны в миллиметрах (и дюймах в скобках). Ключевые механические примечания включают:

• Общий допуск составляет ±0,25 мм (±0,010"), если не указано иное.
• Расстояние между выводами измеряется в точке выхода выводов из пластикового корпуса, что критически важно для проектирования посадочного места на печатной плате.
• Корпус является стандартным для сквозного монтажа, что облегчает как ручную, так и волновую пайку.

Правильная идентификация полярности подразумевается стандартной распиновкой для таких устройств: анод и катод светодиода находятся с одной стороны, а коллектор и эмиттер фототранзистора — с другой. Разработчики должны обращаться к чертежу размеров, чтобы подтвердить точное расположение выводов и ориентацию для правильной разводки печатной платы.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

В техническом описании указано предельное значение температуры пайки выводов 260°C в течение 5 секунд, измеренное на расстоянии 1,6 мм (0,063 дюйма) от корпуса. Это критический параметр для контроля процесса при волновой или ручной пайке.

• Пайка оплавлением:Хотя это в основном устройство для сквозного монтажа, при использовании на плате со смешанными технологиями во время оплавления необходимо соблюдать особую осторожность. Пластиковый корпус имеет более низкую термостойкость, чем компоненты для поверхностного монтажа. Как правило, не рекомендуется использовать стандартные профили инфракрасного или конвекционного оплавления, если это специально не квалифицировано.
• Ручная пайка:Используйте паяльник с регулировкой температуры. Быстро и эффективно нагревайте место соединения вывода и контактной площадки, чтобы минимизировать передачу тепла к чувствительному полупроводниковому кристаллу внутри корпуса. Не наносите припой непосредственно на жало паяльника на вывод компонента в течение длительного времени.
• Очистка:Используйте чистящие растворители, совместимые с пластиком корпуса, чтобы избежать растрескивания или деградации.
• Условия хранения:Храните в сухой антистатической среде в указанном диапазоне температур от -55°C до +100°C, чтобы предотвратить поглощение влаги (что может вызвать "вспучивание" при пайке) и повреждение от электростатического разряда.

6. Рекомендации по применению

6.1 Типовые сценарии применения

• Обнаружение бумаги в принтерах/копирах:Обнаружение замятия бумаги, пустого лотка или наличия бумаги в определенных точках тракта подачи бумаги.
• Подсчет объектов на конвейерах:Подсчет продуктов, бутылок или компонентов при их прохождении фиксированной точки.
• Определение положения:Обнаружение исходного положения движущейся каретки (как в сканере или плоттере) или состояния открытия/закрытия двери или крышки.
• Считывание диска оптического энкодера:Используется вместе со щелевым диском для создания оптического энкодера низкого разрешения для обратной связи по скорости или положению.

6.2 Особенности проектирования

• Управление током светодиода:Используйте источник постоянного тока или токоограничивающий резистор, включенный последовательно со светодиодом, для поддержания стабильного I_F, обычно около 20 мА согласно условиям испытаний, для стабильного выходного сигнала. Импульсная подача тока на светодиод с более высоким значением может увеличить расстояние обнаружения, но должна оставаться в пределах абсолютных максимальных значений.
• Смещение фототранзистора:Подтягивающий резистор (R_L) подключен между коллектором и напряжением питания (V_CC). Значение R_Lвлияет как на размах выходного напряжения, так и на время отклика. Меньшее значение R_Lдает более быстрый отклик, но меньшее изменение выходного напряжения. Эмиттер обычно подключен к земле.
• Выходной интерфейс:Выход фототранзистора может быть подан непосредственно на вход триггера Шмитта микроконтроллера для цифрового обнаружения или на аналоговый вход для измерения интенсивности отраженного света. Для зашумленных сред добавление небольшого конденсатора между коллектором и эмиттером фототранзистора может помочь отфильтровать высокочастотные помехи.
• Поверхность цели:Работа отражательного датчика сильно зависит от отражательной способности, цвета и расстояния до цели. Для стабильной работы откалибруйте порог обнаружения на основе конкретного материала цели. Зазор обнаружения должен быть минимизирован для наилучшей силы сигнала.
• Защита от фонового освещения:Поскольку датчик использует инфракрасный свет, он в некоторой степени защищен от видимого фонового освещения. Однако сильные источники инфракрасного света (например, солнечный свет или лампы накаливания) могут вызывать ложные срабатывания. Использование модулированного сигнала светодиода и синхронного детектирования в приемной цепи может значительно повысить устойчивость к фоновому освещению.

7. Техническое сравнение и отличия

По сравнению с механическими концевыми выключателями, LTH-309-08 предлагает явные преимущества: отсутствие движущихся частей, более высокая надежность, более быстрый отклик и бесшумная работа. В категории фотоэлектрических датчиков его ключевые отличия вытекают из указанных параметров. Высокая скорость переключения (время нарастания 3-15 мкс) делает его пригодным для более высокоскоростных применений по сравнению с более медленными фототранзисторами. Относительно низкое напряжение насыщения (0,4В) обеспечивает лучшую совместимость с современными логическими системами на 3,3В по сравнению с устройствами с более высоким V_CE(SAT). Стандартный DIP-корпус для сквозного монтажа обеспечивает надежность и удобство прототипирования, хотя он занимает больше места на плате, чем альтернативы для поверхностного монтажа. Разработчики выберут эту деталь для применений, требующих баланса скорости, чувствительности и проверенной надежности в стандартном формате корпуса.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

• В: Могу ли я управлять светодиодом от логики 3,3В?О: Да, но необходимо тщательно рассчитать последовательный резистор. При типичном V_F1,6В при 20мА, значение резистора будет (3,3В - 1,6В) / 0,02А = 85Ом. Для безопасного проектирования используйте максимальное значение V_Fиз технического описания.
• В: Какое максимальное расстояние обнаружения?О: В техническом описании расстояние не указано. Это зависит от тока управления светодиодом, отражательной способности цели и требуемого I_C(ON). Лучше всего определить его экспериментально для вашей конкретной цели. Как правило, отражательные датчики лучше всего работают на коротких расстояниях (несколько миллиметров).
• В: Как защитить фототранзистор от скачков напряжения?О: Хотя он имеет V_(BR)CEO30В, для надежности в индуктивных средах можно добавить небольшой диод-ограничитель переходных напряжений (TVS) или обычный диод, включенный в обратном направлении между коллектором и эмиттером.
• В: Могу ли я использовать его в пыльной среде?О: Скопление пыли на линзе ослабит световой луч, снизит чувствительность и может вызвать отказы. Устройство не герметизировано. Для суровых условий рассмотрите устройство с герметизированной щелью или обеспечьте внешнюю защиту.

9. Практический пример применения

Сценарий: Датчик отсутствия бумаги в настольном принтере.LTH-309-08 установлен на основной печатной плате рядом с лотком подачи бумаги. Белый пластиковый флажок, прикрепленный к механизму лотка, перемещается в зазор обнаружения датчика, когда стопка бумаги заканчивается. В состоянии "бумага есть" флажок находится вне зазора, позволяя инфракрасному свету от светодиода отражаться от фиксированной поверхности внутри принтера обратно на фототранзистор, генерируя высокий I_C(ON)и логический низкий уровень на коллекторе (с подтягивающим резистором). Когда бумага заканчивается, флажок перемещается в зазор, блокируя световой путь. Фототранзистор закрывается, в результате чего напряжение на коллекторе подтягивается к высокому уровню через резистор. Микроконтроллер принтера обнаруживает этот высокий сигнал и запускает предупреждение "Нет бумаги" на дисплее. Быстрое время отклика обеспечивает немедленное обнаружение, а бесконтактный характер гарантирует, что датчик не износится в течение всего срока службы принтера.

10. Введение в принцип работы

Фотоэлектрический датчик работает по принципу детектирования модулированного света. Внутренний инфракрасный светодиод излучает свет при прямом смещении. Напротив светодиода находится фототранзистор. В отражательном типе, таком как LTH-309-08, оба элемента направлены в одну сторону. Излучаемый свет выходит из корпуса, попадает на поверхность цели, и некоторая часть отражается обратно в корпус, где падает на фототранзистор. Фототранзистор действует как светоуправляемый переключатель. Когда фотоны попадают в его базовую область, они генерируют электрон-дырочные пары, эффективно обеспечивая базовый ток. Это заставляет транзистор "открываться", позволяя току коллектора (I_C) течь пропорционально интенсивности принимаемого света. Когда световой путь блокируется (например, объектом), фототранзистор "закрывается", и течет только небольшой темновой ток. Это изменение тока коллектора (вкл/выкл) используется для генерации цифрового сигнала, указывающего на наличие или отсутствие объекта, прерывающего световой путь.

11. Тенденции развития технологий

Тенденция в оптоэлектронных датчиках, таких как фотоэлектрические прерыватели, направлена на миниатюризацию, более высокую интеграцию и расширенную функциональность. Корпуса для поверхностного монтажа (SMD) становятся нормой для экономии места на печатной плате и обеспечения автоматизированной сборки. Также наблюдается тенденция к интеграции датчика со схемами обработки сигналов (усилители, триггеры Шмитта, логические выходы) на одном кристалле, создавая датчики с цифровым выходом, которые легче напрямую сопрягать с микроконтроллерами. Кроме того, достижения в области улучшения подавления фонового освещения достигаются за счет оптической фильтрации и более совершенных методов модуляции. Хотя фундаментальный принцип остается неизменным, эти тенденции направлены на то, чтобы сделать датчики меньше, умнее, надежнее и проще в реализации в современных электронных конструкциях.