Техническая документация на фотоинтерраптор LTH-872-N55H - Щелевой тип - Габариты 4.0мм - Напряжение 5В

1. Обзор продукта

LTH-872-N55H представляет собой щелевой фотоинтерраптор — базовый оптоэлектронный компонент, используемый для бесконтактного детектирования и коммутации. Он объединяет инфракрасный светодиод (ИК-светодиод) и фототранзистор в одном корпусе, разделённых физическим зазором (щелью). Принцип работы прост: когда объект проходит через эту щель, он прерывает инфракрасный луч, идущий от излучателя к детектору, вызывая соответствующее изменение выходного состояния фототранзистора. Этот простой, но надёжный механизм делает его идеальным решением для определения наличия, отсутствия, положения или скорости объектов без физического контакта.

Устройство предназначено для непосредственного монтажа на печатную плату (ПП) или установки в стандартную DIP-панель, что обеспечивает гибкость при сборке и прототипировании. Его основные преимущества включают высокую надёжность, быструю скорость переключения и длительный срок службы благодаря отсутствию механических контактов, подверженных износу. Типичные области применения охватывают широкий спектр офисной автоматики и промышленного оборудования, включая, но не ограничиваясь, принтеры, копировальные аппараты, сканеры, факсимильные аппараты и различные автоматизированные системы, где требуется точное обнаружение объектов.

1.1 Ключевые особенности

• Бесконтактное переключение:Исключает механический износ, обеспечивая высокую надёжность и длительный срок службы.
• Универсальный монтаж:Совместимо с непосредственной пайкой на ПП или стандартными DIP-панелями, что облегчает интеграцию в различные схемотехнические решения.
• Быстрое время отклика:Позволяет детектировать высокоскоростные события, подходит для применений, требующих быстрого срабатывания, таких как обнаружение подачи бумаги в принтерах или системы оптических энкодеров.

2. Технические параметры: Подробное объективное описание

В документации приведены критические параметры, определяющие пределы работы и характеристики устройства в стандартных условиях. Понимание этих параметров необходимо для правильного проектирования схемы и обеспечения долгосрочной надёжности.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не являются условиями для нормальной работы.

• Входной светодиод:
  • Рассеиваемая мощность (P_D):максимум 75 мВт. Это общая мощность, которую светодиод может безопасно рассеивать в виде тепла.
  • Постоянный прямой ток (I_F):максимум 50 мА. Светодиод не должен запитываться постоянным током, превышающим это значение.
  • Обратное напряжение (V_R):максимум 5 В. Приложение обратного напряжения выше этого значения может привести к пробою светодиодного перехода.
• Выходной фототранзистор:
  • Рассеиваемая мощность (P_D):максимум 100 мВт для фототранзистора.
  • Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO):максимум 30 В. Это максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером при разомкнутой базе (отсутствии света).
  • Напряжение эмиттер-коллектор (V_ECO):максимум 5 В, что является номинальным обратным напряжением для перехода коллектор-эмиттер.
  • Коллекторный ток (I_C):максимум 20 мА. Ток нагрузки через фототранзистор должен оставаться ниже этого предела.
• Окружающая среда:
  • Диапазон рабочих температур (T_A):от -25°C до +85°C. Гарантируется работа устройства в пределах спецификаций в этом диапазоне температур окружающей среды.
  • Диапазон температур хранения (T_stg):от -40°C до +100°C.
  • Температура пайки выводов:260°C максимум в течение 5 секунд, указано для корпуса с формой выводов 1.6мм (0.063 дюйма). Это критически важно для процессов групповой пайки (волной припоя или оплавлением).

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры определяют характеристики устройства в типичных рабочих условиях при температуре окружающей среды (T_A) 25°C.

• Характеристики входного светодиода:
  • Прямое напряжение (V_F):типично 1.2В, максимум 1.6В при прямом токе (I_F) 20 мА. Этот параметр используется для расчёта значения токоограничивающего резистора в цепи управления светодиодом: R = (V_CC- V_F) / I_F.
  • Обратный ток (I_R):максимум 100 мкА при обратном напряжении (V_R) 5В, что указывает на ток утечки светодиода при обратном смещении.
• Характеристики выходного фототранзистора:
  • Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO):максимум 100 нА при V_CE= 10В. Это ток утечки, когда светодиод выключен (на фототранзистор не падает свет). Низкий темновой ток желателен для хорошего отношения сигнал/шум, особенно в приложениях с низкой освещённостью или высоким усилением.
• Характеристики оптопары (системы):
  • Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):максимум 0.4В, когда фототранзистор полностью открыт (I_C= 0.25 мА, I_F= 20 мА). Низкое напряжение насыщения критически важно, когда выход используется для управления логическими входами или другими низковольтными схемами, так как оно определяет логический уровень \"НИЗКИЙ\".
  • Коллекторный ток во включённом состоянии (I_C(ON)):минимум 2.0 мА при V_CE= 5В и I_F= 20 мА. Это гарантированный минимальный выходной ток, когда светодиод запитан типичным током и луч не преграждён. Этот параметр, часто называемый \"коэффициентом передачи тока\" (КТП, CTR), когда выражен как отношение I_C/I_F, определяет чувствительность оптопары. Здесь минимальный КТП составляет (2.0 мА / 20 мА) = 0.1 или 10%.
  • Время отклика:
    • Время нарастания (T_r):типично 3 мкс, максимум 15 мкс. Это время перехода выхода от 10% до 90% от конечного значения при включении входного светодиода.
    • Время спада (T_f):типично 4 мкс, максимум 20 мкс. Это время перехода выхода от 90% до 10% от конечного значения при выключении входного светодиода. Эти высокие скорости переключения позволяют детектировать быстро движущиеся объекты.

3. Механическая информация и данные о корпусе

LTH-872-N55H имеет стандартный корпус для монтажа в отверстия, предназначенный для лёгкой интеграции на печатную плату.

3.1 Габаритные размеры

В документации приведён подробный механический чертёж. Ключевые размеры включают общую ширину щели, которая определяет размер обнаруживаемого объекта, и расстояние между выводами для разводки платы. Все размеры указаны в миллиметрах (мм) со стандартным допуском ±0.25 мм, если не оговорено иное. На чертеже обычно показаны вид сверху, вид сбоку и идентификация выводов (анод излучателя, катод излучателя, коллектор, эмиттер).

3.2 Идентификация полярности и распиновка

Правильная полярность необходима для работы устройства. На корпусе имеется маркировка или особая форма одного из выводов (часто плоская сторона или выемка) для идентификации вывода 1. Стандартная распиновка для 4-выводного фотоинтерраптора: Вывод 1 — Анод ИК-светодиода, Вывод 2 — Катод ИК-светодиода, Вывод 3 — Эмиттер фототранзистора, Вывод 4 — Коллектор фототранзистора. Всегда сверяйтесь со схемой в документации, чтобы подтвердить точное назначение выводов для LTH-872-N55H перед проектированием посадочного места на плате.

4. Рекомендации по пайке и сборке

4.1 Процесс пайки

Для устройства установлено максимальное значение температуры пайки выводов 260°C в течение 5 секунд. Эта спецификация критически важна для процессов волновой пайки или оплавления. Превышение этой температуры или времени может повредить внутренние полупроводниковые переходы или пластиковый корпус. Рекомендуется следовать стандартным рекомендациям IPC для пайки компонентов в отверстия.

4.2 Обращение и хранение

Хотя в предоставленном отрывке это явно не детализировано, применяются общие лучшие практики: храните компоненты в сухой, антистатической среде в пределах указанного диапазона температур хранения (от -40°C до +100°C). Избегайте воздействия на устройство чрезмерной влажности перед пайкой, чтобы предотвратить \"вспучивание\" (popcorning) во время оплавления, хотя это более критично для компонентов поверхностного монтажа.

5. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

5.1 Типовые схемы включения

Наиболее распространённая конфигурация — использование фотоинтерраптора в качестве цифрового ключа. Простая схема включает:
1. Управление светодиодом:Подключите токоограничивающий резистор последовательно с инфракрасным светодиодом к источнику напряжения (например, 5В). Установите номинал резистора для достижения желаемого I_FПоскольку устройство использует инфракрасный свет, оно в некоторой степени защищено от видимого окружающего света. Однако сильные источники ИК-излучения (солнечный свет, некоторые лампы) могут вызывать помехи. Использование модулированного сигнала светодиода и соответствующей демодулирующей схемы может значительно повысить помехоустойчивость._limit= (5В - 1.2В) / 0.02А = 190Ом (используйте стандартный резистор 200Ом).
2. Выход фототранзистора:Подключите подтягивающий резистор (R_L) от коллектора фототранзистора к источнику напряжения (например, 5В). Эмиттер подключён к земле. Когда световой путь свободен, фототранзистор открыт, притягивая напряжение на коллекторе (выход) к низкому уровню. Когда луч перекрыт, фототранзистор закрывается, и подтягивающий резистор поднимает выход до высокого уровня. Значение R_Lвлияет на скорость переключения и потребление тока; меньшее значение даёт более высокую скорость, но большее рассеивание мощности. В тестовых условиях в документации используется R_L= 100Ом.

5.2 Соображения при проектировании

• Устойчивость к засветке:Since the device uses infrared light, it is somewhat immune to visible ambient light. However, strong infrared sources (sunlight, some lamps) can cause interference. Using a modulated LED signal and a corresponding demodulating circuit can greatly enhance noise immunity.
• Юстировка:Излучатель и детектор должны быть точно соосны относительно щели. Механический корпус обеспечивает эту юстировку, но конструкция печатной платы должна правильно размещать компонент.
• Характеристики объекта:Объект, прерывающий луч, должен быть непрозрачным для инфракрасного света. Прозрачные или сильно отражающие материалы могут не обнаруживаться надёжно.
• Дребезг:В механических системах (например, при обнаружении прерывающего диска) выходной сигнал может дребезжать при входе или выходе объекта из щели. Для получения чистого цифрового сигнала следует применять программные или аппаратные методы устранения дребезга.

6. Анализ характеристических кривых

В документации упоминаются \"Типичные электрические/оптические характеристические кривые\". Хотя конкретные кривые в отрывке не приведены, типичные графики для таких устройств включают:

• Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (I_F-V_F):Показывает нелинейную зависимость для ИК-светодиода, важную для проектирования драйвера.
• Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (I_C-V_CE):Семейство кривых с интенсивностью падающего света (или I_F) в качестве параметра, аналогично выходным характеристикам транзистора.
• Коэффициент передачи тока (КТП) в зависимости от прямого тока (I_F):Показывает, как чувствительность изменяется с током управления светодиодом.
• Коэффициент передачи тока (КТП) в зависимости от температуры окружающей среды:Критически важная кривая, показывающая, что КТП обычно уменьшается с ростом температуры. Конструкторы должны обеспечить достаточный запас при максимальной рабочей температуре, чтобы гарантировать минимально требуемый I_C(ON).
• Время отклика в зависимости от сопротивления нагрузки (R_L):Иллюстрирует компромисс между скоростью переключения и потребляемой мощностью.

7. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению с механическими микровыключателями, LTH-872-N55H предлагает превосходный срок службы и надёжность благодаря бесконтактной работе. Он не подвержен дребезгу контактов. По сравнению с отражательными датчиками, щелевые фотоинтеррапторы обеспечивают более точное и стабильное обнаружение, так как они менее чувствительны к цвету, текстуре или отражательной способности целевого объекта; они просто детектируют физическое прерывание луча. Ключевыми отличиями среди самих фотоинтеррапторов часто являются размеры щели, чувствительность (КТП), скорость отклика и тип корпуса (выводной или для поверхностного монтажа).

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Что произойдёт, если я буду питать светодиод током более 50 мА?
О: Превышение абсолютного максимального параметра для постоянного прямого тока может вызвать чрезмерный нагрев, приводящий к ускоренной деградации светового потока светодиода или катастрофическому отказу. Всегда используйте токоограничивающий резистор.

В: Мой выходной сигнал зашумлён. В чём может быть причина?
О: Возможные причины включают электрические помехи на линиях питания, помехи от окружающего света (особенно люминесцентных ламп, работающих на 50/60 Гц) или слишком высокое значение нагрузочного резистора, делающее узел высокоомным и восприимчивым к шуму. Обеспечьте стабильное питание, рассмотрите возможность экранирования, используйте резистор с меньшим номиналом для подтяжки или реализуйте модуляцию/демодуляцию сигнала.

В: Устройство работает при комнатной температуре, но выходит из строя при нагреве системы. Почему?
О: Чувствительность фототранзистора (КТП) уменьшается с ростом температуры. Возможно, вы работаете с минимальным запасом при 25°C. Пересмотрите свою конструкцию, используя минимальную спецификацию I_C(ON)и учитывая типичную кривую КТП от температуры. Возможно, вам потребуется увеличить ток управления светодиодом (в пределах допустимого) или использовать фототранзистор с гарантированно более высоким КТП при повышенных температурах.

В: Могу ли я использовать это для обнаружения прозрачного объекта?
О: Как правило, нет. Стандартные инфракрасные фотоинтеррапторы требуют, чтобы объект был непрозрачным для излучаемой инфракрасной длины волны (обычно около 940 нм). Прозрачные пластики или стекло могут пропускать достаточно ИК-света, препятствуя надёжному обнаружению. Для прозрачных материалов требуются специальные датчики с другими длинами волн или принципами обнаружения.

9. Пример практического применения

Применение:Обнаружение замятия бумаги в настольном принтере.
Реализация:LTH-872-N55H устанавливается вдоль тракта подачи бумаги так, чтобы бумага проходила через его щель. Вывод GPIO микроконтроллера управляет светодиодом через токоограничивающий резистор. Другой вывод GPIO, сконфигурированный с внутренним подтягивающим резистором, считывает состояние коллектора фототранзистора. При нормальной работе бумага прерывает луч, и выход находится в одном логическом состоянии (например, ВЫСОКОМ). Если происходит замятие бумаги, бумага либо остаётся застрявшей (удерживая луч прерванным), либо не доходит до датчика (оставляя луч непрерывным), что приводит к неожиданному состоянию выхода в течение слишком долгого времени. Прошивка микроконтроллера отслеживает этот сигнал и запускает сообщение об ошибке \"Замятие бумаги\", если нарушается ожидаемая временная последовательность. Быстрое время отклика датчика гарантирует, что даже небольшие промежутки между листами бумаги могут быть обнаружены для точного контроля подачи.

10. Введение в принцип работы

Фотоинтерраптор работает по принципу оптоэлектронного преобразования и прерывания. Внутри он содержит два отдельных компонента, расположенных соосно: инфракрасный светодиод (ИК-светодиод) и кремниевый фототранзистор. ИК-светодиод служит источником света. При прямом смещении внешним током он излучает невидимые инфракрасные фотоны. Фототранзистор служит детектором света. Его базовая область чувствительна к свету. Когда фотоны от светодиода попадают на базу, они генерируют электрон-дырочные пары, которые действуют как базовый ток, открывая транзистор и позволяя протекать значительно большему коллекторному току. Этот коллекторный ток пропорционален интенсивности падающего света. Щель физически разделяет эти два элемента. Объект, помещённый в щель, блокирует световой путь, резко уменьшая свет, падающий на фототранзистор, что, в свою очередь, закрывает его (или уменьшает его ток). Это изменение выходного тока/напряжения детектируется внешней схемой для регистрации \"прерывания\".

11. Отраслевые тренды и развитие

Тренд в оптоэлектронных датчиках, включая фотоинтеррапторы, направлен на миниатюризацию, более высокую степень интеграции и корпуса для поверхностного монтажа (SMD) для соответствия более компактным и плотным конструкциям печатных плат. Также наблюдается переход к датчикам с цифровым выходом и встроенной обработкой сигнала, которые обеспечивают чистый, буферизованный выход логического уровня, упрощая интерфейс с микроконтроллерами. Некоторые продвинутые версии включают триггеры Шмитта для гистерезиса, чтобы улучшить помехоустойчивость. Кроме того, спрос на более высокую точность и скорость в автоматизации стимулирует разработку устройств с более узкими щелями, более быстрым временем отклика и улучшенной температурной стабильностью. Фундаментальный щелевой фотоинтерраптор, представленный моделью LTH-872-N55H, остаётся экономически эффективным и высоконадёжным решением для огромного множества стандартных задач обнаружения, где его простота и надёжность являются ключевыми преимуществами.