Техническая документация LTH-301-27P1 - Оптопрерыватель - Бесконтактное переключение

1. Обзор продукта

LTH-301-27P1 — это отражательный оптопрерыватель, тип оптоэлектронного датчика. Его основная функция — бесконтактное обнаружение наличия или отсутствия объекта. Это достигается за счёт объединения инфракрасного светоизлучающего диода (ИК-светодиода) и фототранзистора в одном компактном корпусе. Когда объект попадает в зазор между излучателем и приёмником, он прерывает инфракрасный луч, вызывая изменение выходного состояния фототранзистора. Это делает его идеальным для применений, требующих надёжного, немеханического детектирования, такого как определение положения, концевые выключатели и подсчёт объектов.

Устройство предназначено для непосредственного монтажа на печатные платы (ПП) или в стандартные DIP-панели, что облегчает интеграцию в электронные узлы. Его основные преимущества включают отсутствие дребезга контактов, длительный срок службы из-за отсутствия движущихся частей и высокую скорость переключения, подходящую для высокоскоростного подсчёта или тайминг-приложений.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

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

• Постоянный прямой ток ИК-диода (I_F):50 мА. Это максимальный установившийся ток, который можно подать на инфракрасный светодиод.
• Обратное напряжение ИК-диода (V_R):5 В. Превышение этого обратного напряжения на светодиоде может вызвать пробой.
• Ток коллектора фототранзистора (I_C):40 мА. Максимальный ток, который может выдержать коллектор фототранзистора.
• Напряжение коллектор-эмиттер фототранзистора (V_CEO):30 В. Максимальное напряжение, которое можно приложить между коллектором и эмиттером фототранзистора.
• Диапазон рабочих температур:от -35°C до +65°C. Диапазон температуры окружающей среды для надёжной работы.
• Температура пайки выводов:260°C в течение 5 секунд на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Это критически важно для процессов волновой или конвекционной пайки для предотвращения теплового повреждения.

Примечание по снижению мощности:Мощность рассеяния транзистора (100 мВт) и мощность рассеяния диода (75 мВт) должны снижаться линейно со скоростью 1,33 мВт/°C для температур окружающей среды выше 25°C. Это означает, что допустимая мощность уменьшается с ростом температуры для предотвращения перегрева.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры измерены при 25°C и определяют типичные характеристики устройства в указанных условиях испытаний.

2.2.1 Характеристики входного ИК-светодиода

• Прямое напряжение (V_F):Обычно 1,6 В (макс. 1,6 В) при прямом токе (I_F) 20 мА. Используется для расчёта значения токоограничивающего резистора: R = (V_{питания} - V_F) / I_F.
• Обратный ток (I_R):Максимум 100 мкА при обратном напряжении (V_R) 5 В. Это указывает на ток утечки светодиода при обратном смещении.

2.2.2 Характеристики выходного фототранзистора

• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V_(BR)CEO):Минимум 30 В. Это напряжение, при котором происходит пробой фототранзистора при разомкнутой базе.
• Ток коллектор-эмиттер в темноте (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE=10 В. Это ток утечки, когда фототранзистор находится в "выключенном" состоянии (нет падающего света). Низкое значение желательно для хорошего отношения сигнал/шум.

2.2.3 Характеристики оптопары (системы)

Эти параметры описывают работу пары светодиод-фототранзистор в целом.

• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):Максимум 0,4 В, когда фототранзистор переводится в насыщение (I_C=0,25 мА, I_F=20 мА). Низкое напряжение насыщения является ключевым для сопряжения с логическими схемами.
• Ток коллектора во включённом состоянии (I_C(ON)):Минимум 1,5 мА при освещении фототранзистора (V_CE=5 В, I_F=20 мА). Это генерируемый фототок, который определяет чувствительность датчика. Фактический ток может быть выше в зависимости от отражательной способности прерывающего объекта и юстировки.

3. Механическая информация и упаковка

LTH-301-27P1 выполнен в стандартном 4-выводном DIP-корпусе. Точные размеры приведены на чертеже корпуса в техническом описании. Ключевые механические примечания включают:

• Все размеры указаны в миллиметрах, стандартный допуск составляет ±0,25 мм, если не указано иное.
• Корпус имеет щель или зазор между ИК-излучателем и фотоприёмником. Обнаруживаемый объект проходит через этот зазор.
• Полярность чётко обозначена. Определены выводы анода и катода ИК-светодиода, а также коллектора и эмиттера фототранзистора. Правильная ориентация при монтаже на ПП имеет важное значение.
• Устройство подходит как для монтажа на ПП, так и для установки в панель, что обеспечивает гибкость сборки и возможность замены в полевых условиях.

4. Рекомендации по пайке и сборке

Правильное обращение имеет решающее значение для надёжности.

• Пайка:Выводы могут выдерживать температуру 260°C максимум в течение 5 секунд, измеренную на расстоянии 1,6 мм от пластикового корпуса. Это руководство критически важно для процессов волновой пайки. Для конвекционной пайки рекомендуется стандартный профиль с пиковой температурой ниже 260°C.
• Очистка:Используйте мягкие чистящие средства, совместимые с пластиковым корпусом. Избегайте ультразвуковой очистки с чрезмерной мощностью, так как это может повредить внутренние компоненты.
• Хранение:Храните в среде в пределах указанного диапазона температур хранения от -40°C до +100°C, предпочтительно в условиях низкой влажности для предотвращения поглощения влаги.
• Меры предосторожности от ЭСР:Хотя явно не указано как чувствительное, во время сборки следует соблюдать стандартные процедуры обращения с полупроводниковыми приборами для защиты от электростатического разряда (ЭСР).

5. Рекомендации по применению

5.1 Типовые схемы включения

Наиболее распространённая конфигурация — подключение ИК-светодиода последовательно с токоограничивающим резистором к источнику напряжения (например, 5 В). Фототранзистор обычно включён по схеме с общим эмиттером: коллектор подтянут к напряжению питания (например, 5 В) через нагрузочный резистор (R_L), а эмиттер подключён к земле. Выходной сигнал снимается с узла коллектора.

• Когда луч не заблокирован, свет падает на фототранзистор, заставляя его проводить ток и опуская напряжение коллектора до низкого уровня (близко к V_CE(SAT)).
• Когда объект блокирует луч, фототранзистор выключается, и напряжение коллектора подтягивается до высокого уровня нагрузочным резистором.
• Значение нагрузочного резистора (R_L) определяет скорость переключения и потребление тока. Меньшее значение R_Lпозволяет быстрее переключаться, но потребляет больше тока, когда транзистор включён.

5.2 Особенности проектирования

• Юстировка:Точная механическая юстировка пути объекта с зазором датчика критически важна для надёжной работы.
• Фоновое освещение:Поскольку датчик использует инфракрасный свет, он может быть подвержен помехам от сильных фоновых ИК-источников (например, солнечный свет, лампы накаливания). Использование модулированного ИК-сигнала и синхронизированной схемы детектора может значительно повысить помехоустойчивость.
• Характеристики объекта:Эффективность датчика зависит от способности объекта отражать или поглощать ИК-луч. Тёмные, неотражающие объекты могут обнаруживаться менее надёжно, чем светлые. Рекомендуется тестирование с фактическим целевым материалом.
• Подавление дребезга:Хотя сам датчик не имеет дребезга контактов, электрический выходной сигнал всё равно может иметь шум. Для получения чистых цифровых сигналов может потребоваться программная или аппаратная защита от дребезга (например, простой RC-фильтр или вход с триггером Шмитта).

6. Принцип работы

Оптопрерыватель работает по принципу прерывания оптического луча. Внутри инфракрасный светодиод излучает свет с длиной волны, обычно около 940 нм, невидимой для человеческого глаза. Напротив расположен кремниевый фототранзистор, предназначенный для приёма этого света. Фототранзистор действует как светоуправляемый переключатель. Когда фотоны от ИК-светодиода попадают в его базовую область, они генерируют электронно-дырочные пары, которые, в свою очередь, позволяют протекать гораздо большему току коллектора — это фотоэлектрический эффект. Величина этого тока коллектора пропорциональна интенсивности падающего света. Когда непрозрачный объект попадает в зазор между светодиодом и фототранзистором, световой путь блокируется. Интенсивность света на фототранзисторе резко падает, вызывая снижение его тока коллектора до очень низкого значения (по сути, тока в темноте). Это резкое изменение тока (или соответствующее изменение напряжения на нагрузочном резисторе) обнаруживается внешней схемой и интерпретируется как событие переключения.

7. Графики характеристик и анализ

Техническое описание включает типичные характеристические кривые, которые дают ценную информацию помимо табличных значений мин./тип./макс.

• Передаточные характеристики (I_C от I_F):Эта кривая показывает, как выходной ток фототранзистора (I_C) изменяется в зависимости от входного тока светодиода (I_F) при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер. Она демонстрирует линейную зависимость между входным воздействием и выходным откликом в определённых условиях, помогая оптимизировать ток светодиода для желаемой чувствительности.
• Выходные характеристики (I_C от V_CE):Эти кривые, построенные для разных уровней падающего света (или разных I_F), показывают, как фототранзистор ведёт себя подобно источнику тока. Ток коллектора остаётся относительно постоянным в диапазоне V_CE до достижения насыщения.
• Температурная зависимость:Кривые, показывающие изменение таких параметров, как прямое напряжение (V_F) или ток коллектора в темноте (I_CEO), в зависимости от температуры, имеют решающее значение для проектирования систем, работающих во всём указанном диапазоне температур. Например, V_F обычно уменьшается с повышением температуры, что может незначительно повлиять на световой выход светодиода при питании от источника постоянного напряжения.

8. Часто задаваемые вопросы

В: Какое типичное время отклика у этого датчика?

О: Хотя в предоставленных данных явно не указано, у подобных оптопрерывателей время отклика обычно находится в микросекундном диапазоне, что делает их пригодными для высокоскоростного подсчёта. Фактическая скорость ограничена временем нарастания/спада фототранзистора и постоянной времени RC внешней цепи.

В: Могу ли я использовать этот датчик на улице?

О: С осторожностью. Прямой солнечный свет содержит сильные инфракрасные компоненты, которые могут насытить фототранзистор, вызывая ложные срабатывания. Для надёжной работы на улице необходим физический экран или корпус для блокировки фонового света, а также методы оптической фильтрации или модуляции сигнала.

В: Как выбрать значение токоограничивающего резистора для светодиода?

О: Используйте формулу: R = (V_CC - V_F) / I_F. Например, при питании 5 В (V_CC), типичном V_F 1,6 В и желаемом I_F 20 мА: R = (5 - 1,6) / 0,02 = 170 Ом. Подойдёт стандартный резистор 180 Ом, что даст I_F ≈ 18,9 мА.

В: Для чего нужна характеристика напряжения пробоя эмиттер-коллектор (V_(BR)ECO)?

О: Эта характеристика (5 В) актуальна, если фототранзистор включён в инвертированной конфигурации (эмиттер под более высоким потенциалом, чем коллектор), что встречается редко. Она гарантирует, что устройство может выдержать небольшое обратное напряжение на переходе К-Э без повреждения.

9. Пример практического применения

Применение: Обнаружение бумаги в принтере

LTH-301-27P1 можно использовать для обнаружения переднего края бумаги в принтере или копировальном аппарате. Датчик устанавливается так, чтобы бумага проходила через его зазор. Отражающий флажок или сама бумага прерывают луч. Когда луч не заблокирован (нет бумаги), фототранзистор включён, выдавая низкое напряжение. Когда бумага попадает в зазор, луч блокируется, фототранзистор выключается, и выходное напряжение становится высоким. Этот фронт нарастания сигнала может быть подан на микроконтроллер для инициирования последовательности печати, подтверждения наличия бумаги или подсчёта страниц. Бесконтактный характер обеспечивает отсутствие износа бумаги или датчика, а быстрый отклик позволяет обнаруживать даже при высоких скоростях подачи бумаги. Особенности проектирования включают обеспечение точного совмещения пути бумаги с зазором датчика и выбор нагрузочного резистора, обеспечивающего чистый, быстрый перепад напряжения для входного вывода микроконтроллера.

10. Тенденции развития технологии

Оптопрерыватели остаются фундаментальной технологией датчиков благодаря своей простоте, надёжности и низкой стоимости. Современные тенденции сосредоточены на миниатюризации, что приводит к корпусам для поверхностного монтажа (SMD), экономящим место на плате в современной электронике. Также происходит интеграция дополнительных схем, таких как встроенные триггеры Шмитта для гистерезиса и чистого цифрового выхода, или даже полностью интегрированные решения с модулированным ИК-драйвером и синхронизированной ИС детектора на одном кристалле для превосходного подавления фонового света. Кроме того, достижения в области материалов и упаковки расширяют диапазоны рабочих температур и повышают долгосрочную надёжность для автомобильных и промышленных применений. В то время как новые технологии, такие как датчики времени пролёта (ToF), предлагают измерение расстояния, роль базового оптопрерывателя для простого, бинарного обнаружения присутствия в чувствительных к стоимости приложениях остаётся прочно устоявшейся.