Техническая документация LTH-872-T55T1 - Щелевой оптический датчик (фотоинтерраптор)

1. Обзор продукта

LTH-872-T55T1 — это щелевой фотоинтерраптор, базовый оптоэлектронный компонент, предназначенный для бесконтактных датчиков. Он объединяет инфракрасный светодиод (ИК-светодиод) и фототранзистор в одном корпусе, разделённых физическим зазором (щелью). Основной принцип работы заключается в прерывании инфракрасного луча, идущего от излучателя к приёмнику. Когда непрозрачный объект проходит через эту щель, он блокирует свет, вызывая значительное изменение выходного тока фототранзистора. Это изменение фиксируется электронным способом, обеспечивая надёжный цифровой сигнал переключения. Фотоинтеррапторы ценятся за высокую надёжность, точность и невосприимчивость к таким факторам окружающей среды, как пыль или загрязнение поверхности, по сравнению с механическими переключателями.

Ключевые преимущества:Основные преимущества этого устройства включают истинно бесконтактное переключение, что исключает механический износ и обеспечивает длительный срок службы. Он обеспечивает высокое быстродействие, позволяя детектировать высокоскоростные события. Конструкция подходит для непосредственного монтажа на печатную плату или использования с DIP-сокетом, обеспечивая гибкость сборки. Его конструкция обеспечивает естественную защиту от помех от окружающего освещения.

Целевой рынок и области применения:Этот компонент широко используется в различном офисном оборудовании и бытовой электронике. Типичные сценарии применения включают обнаружение бумаги в факсимильных аппаратах, принтерах и копировальных аппаратах, где он определяет наличие или отсутствие бумаги, её замятие или положение печатающих головок и кареток. Он также встречается в сканерах, торговых автоматах, промышленной автоматике для определения положения и в любых устройствах, требующих точного и надёжного обнаружения объектов без физического контакта.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа на этих пределах или за их пределами не гарантируется.

• Входной светодиод:
  • Рассеиваемая мощность (P_D):75 мВт. Это максимальная мощность, которую кристалл светодиода может рассеять в виде тепла при температуре окружающей среды (T_A) 25°C. Превышение этого значения может привести к тепловому разгону и выходу из строя.
  • Постоянный прямой ток (I_F):50 мА. Максимальный постоянный ток, который можно непрерывно пропускать через светодиод.
  • Пиковый прямой ток:1 А (длительность импульса = 10 мкс, 300 имп/с). Этот параметр допускает кратковременные импульсы высокого тока, что полезно для управления светодиодом с более высокой мгновенной оптической мощностью без превышения средней номинальной мощности.
  • Обратное напряжение (V_R):5 В. Максимальное обратное напряжение смещения, которое можно приложить к светодиоду. Превышение этого значения может вызвать пробой p-n перехода.
• Выходной фототранзистор:
  • Рассеиваемая мощность (P_D):100 мВт.
  • Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO):30 В. Максимальное напряжение, которое можно приложить между коллектором и эмиттером при разомкнутой базе (отсутствии света).
  • Ток коллектора (I_C):20 мА. Максимальный ток, который может протекать по пути коллектор-эмиттер.
• Тепловые ограничения:
  • Диапазон рабочих температур:от -25°C до +85°C. Диапазон температур окружающей среды, в котором устройство должно корректно работать.
  • Диапазон температур хранения:от -55°C до +100°C.
  • Температура пайки выводов:260°C в течение 5 секунд (на расстоянии 1,6 мм от корпуса). Это определяет ограничения профиля пайки оплавлением для предотвращения повреждения пластикового корпуса и внутренних проводных соединений.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры измерены в стандартных условиях испытаний (T_A=25°C) и определяют типичные характеристики устройства.

• Характеристики входного светодиода:
  • Прямое напряжение (V_F):Обычно 1,2 В, максимум 1,6 В при I_F= 20 мА. Этот параметр критически важен для проектирования токоограничивающего резистора в цепи управления светодиодом. Типичный расчёт предполагает I_F=20 мА, используя V_F~1,2 В.
  • Обратный ток (I_R):Максимум 100 мкА при V_R= 5 В. Это указывает на качество p-n перехода светодиода при обратном смещении.
• Характеристики выходного фототранзистора:
  • Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V_(BR)CEO):Минимум 30 В при I_C=1 мА. Это обеспечивает хороший запас прочности для типичных логических схем на 5 В или 12 В.
  • Ток коллектор-эмиттер в темноте (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE=10 В. Это ток утечки, когда светодиод выключен (нет света). Низкое значение крайне важно для чёткого состояния "ВЫКЛ", особенно в схемах с высоким коэффициентом усиления.
• Характеристики оптопары (системы):
  • Ток коллектора в открытом состоянии (I_C(ON)):Минимум 0,5 мА при V_CE= 5 В и I_F= 20 мА. Это ключевой параметр чувствительности. Он определяет минимальный выходной ток, когда щель не перекрыта. Конструкторы должны выбрать нагрузочный резистор (R_L) так, чтобы этот ток создавал полезный перепад напряжения.
  • Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):Максимум 0,4 В при I_C= 0,25 мА и I_F= 20 мА. Это низкое напряжение насыщения указывает на хорошие характеристики, когда фототранзистор переводится в насыщение (полностью открыт), позволяя ему подтягивать линию почти до уровня земли.
  • Время отклика:
    • Время нарастания (T_r):Обычно 3 мкс, максимум 15 мкс.
    • Время спада (T_f):Обычно 4 мкс, максимум 20 мкс.
    Измерено при V_CC=5 В, I_C=2 мА, R_L=100 Ом. Эти времена ограничивают максимальную частоту переключения. Асимметрия времён характерна для фототранзисторов. Для консервативного проектирования следует предполагать максимальную частоту 1/(T_r+T_f) ~ 1/40 мкс = 25 кГц.

3. Анализ графиков работы

В технической документации приведены типичные графики работы. Хотя конкретные графики не предоставлены в тексте, их стандартная интерпретация следующая:

• Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (I_F-V_F):Эта кривая показывает экспоненциальную зависимость, типичную для диода. Она помогает понять изменение V_Fв зависимости от температуры и тока.
• Ток коллектора в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (I_C-V_CE):Для заданного тока светодиода (I_F) этот график показывает выходные характеристики фототранзистора, аналогичные выходным кривым биполярного транзистора. Он иллюстрирует переход из активной области в насыщение.
• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока:CTR — это отношение I_C/ I_F(часто выражается в процентах). Это критически важный параметр эффективности оптопары. Кривая обычно показывает, что CTR достигает пика при определённом I_Fи снижается при более высоких токах из-за нагрева или других эффектов.
• Температурные характеристики:Кривые, показывающие, как такие параметры, как I_C(ON), V_Fи CTR, изменяются в рабочем диапазоне температур (от -25°C до +85°C). Коэффициент усиления фототранзистора обычно уменьшается с ростом температуры, что необходимо учитывать в конструкциях, требующих стабильной работы в широком температурном диапазоне.

4. Механическая информация и упаковка

4.1 Габаритные размеры

Устройство имеет стандартный выводной корпус с формованным пластиковым корпусом, содержащим щель. Ключевые размерные примечания из документации:

• Все размеры указаны в миллиметрах (мм).
• Допуск по умолчанию для неуказанных размеров составляет ±0,25 мм.
• Конкретная ширина щели, высота корпуса и расстояние между выводами определены на чертеже размеров (не полностью детализировано в тексте). Эта информация критически важна для механической интеграции, обеспечения прохождения детектируемого объекта через щель и для проектирования посадочного места на печатной плате.

4.2 Идентификация полярности и распиновка

Для правильной работы крайне важна корректная идентификация выводов. Корпус использует стандартное расположение выводов для щелевых фотоинтеррапторов: одна пара выводов для инфракрасного светодиода (анод и катод) и другая пара для фототранзистора (коллектор и эмиттер). Чертёж в документации указывает номера выводов. Обычно, если смотреть на устройство сверху (со стороны щели), выводы нумеруются против часовой стрелки. Конструктор должен обратиться к чертежу, чтобы правильно подключить анод, катод, коллектор и эмиттер.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Соблюдение этих рекомендаций необходимо для предотвращения повреждений в процессе производства.

• Пайка оплавлением:Абсолютный максимальный параметр указывает пайку выводов при 260°C в течение 5 секунд, измеряемую на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Это соответствует стандартному профилю пайки оплавлением для выводных компонентов. Пластиковый корпус имеет ограниченную теплоёмкость, поэтому следует избегать длительного воздействия высоких температур, чтобы предотвратить растрескивание или внутренние повреждения.
• Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, используйте паяльник с регулировкой температуры. Нагревайте вывод, а не пластиковый корпус, и завершайте соединение в течение 3-5 секунд на каждый вывод.
• Очистка:Используйте чистящие растворители, совместимые с пластиковым материалом устройства, чтобы избежать коррозионного растрескивания или деградации.
• Условия хранения:Храните в среде в пределах указанного диапазона температур хранения (от -55°C до +100°C) и при низкой влажности. Компоненты, чувствительные к влаге, должны храниться в герметичной сухой упаковке до использования.

6. Соображения по проектированию приложений

6.1 Типовая схема включения

Стандартная интерфейсная схема включает две основные части:

1. Драйвер светодиода:Токоограничивающий резистор (R_LIMIT) включён последовательно со светодиодом. Его значение рассчитывается как R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F. Для питания 5 В, V_F=1,2 В и I_F=20 мА, R_LIMIT= (5 - 1,2) / 0,02 = 190 Ом. Подойдёт резистор на 180 Ом или 200 Ом.
2. Выход фототранзистора:Фототранзистор обычно включён как ключ с общим эмиттером. Резистор подтяжки (R_L) подключён между коллектором и положительным питанием (V_CC). Эмиттер подключён к земле. Когда свет падает на транзистор (щель не перекрыта), он открывается, опуская напряжение на коллекторе до низкого уровня (близко к V_CE(SAT)). Когда свет блокируется, транзистор закрывается, и напряжение на коллекторе подтягивается к высокому уровню через R_L. Значение R_Lопределяет размах выходного напряжения и скорость. Меньшее значение R_Lобеспечивает более быстрый отклик, но потребляет больший ток. В качестве отправной точки часто используется условие испытаний R_L=100 Ом.

6.2 Проблемы проектирования и решения

• Защита от окружающего света:Хотя щелевая конструкция обеспечивает некоторую защиту, сильный окружающий свет (особенно инфракрасный) может влиять на фототранзистор. Использование модулированного сигнала управления светодиодом и синхронного детектирования в приёмной схеме может значительно повысить помехозащищённость. Альтернативно, обеспечение экранирования щели может помочь.
• Температурная компенсация:Поскольку коэффициент усиления фототранзистора уменьшается с температурой, I_C(ON)будет падать. Для критически важных приложений спроектируйте схему с достаточным запасом при максимальной рабочей температуре или используйте компаратор с регулируемым порогом вместо простого интерфейса с резистором подтяжки.
• Характеристики объекта:Объект, прерывающий луч, должен быть непрозрачным для излучаемой инфракрасной длины волны (~940 нм). Тонкие или полупрозрачные материалы могут не детектироваться надёжно. Размер объекта должен быть достаточным для полного перекрытия луча в пределах щели.

7. Техническое сравнение и отличия

По сравнению с другими технологиями датчиков:

• по сравнению с механическими микропереключателями:Фотоинтеррапторы предлагают превосходную надёжность (нет движущихся частей, которые изнашиваются), более высокое быстродействие и бесшумную работу. Они не подвержены дребезгу контактов.
• по сравнению с отражательными оптическими датчиками:Щелевые типы, как правило, более надёжны для детектирования кромок или точного определения положения, поскольку они менее подвержены изменениям отражательной способности или цвета целевого объекта. Луч либо полностью блокируется, либо нет.
• по сравнению с датчиками Холла:Датчики Холла детектируют магнитные поля, а не прерывание света. Они используются для других физических явлений (например, обнаружения магнита). Фотоинтеррапторы предназначены для обнаружения любого непрозрачного объекта.
• Среди фотоинтеррапторов:Конкретное отличие LTH-872-T55T1 заключается в сочетании его электрических параметров (например, V_CEO=30 В, I_C(ON)мин=0,5 мА), габаритных размеров и экономической эффективности для массовых применений в офисной автоматике.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

• В: Какой типичный рабочий ток для светодиода?О: Стандартное условие испытаний и обычная рабочая точка — I_F= 20 мА. Это обеспечивает хороший баланс между оптической мощностью, потреблением энергии и долговечностью.
• В: Могу ли я управлять светодиодом напрямую с вывода микроконтроллера?О: Большинство выводов GPIO микроконтроллеров не могут выдавать или принимать 20 мА непрерывно. Рекомендуется использовать простую схему драйвера на транзисторе или MOSFET, либо специализированную микросхему драйвера светодиода для обеспечения необходимого тока.
• В: Как подключить выход к цифровому входу?О: Коллектор фототранзистора (с резистором подтяжки) можно подключить непосредственно к стандартному входу CMOS или TTL логики. Когда щель свободна, вход будет читаться как НИЗКИЙ уровень. Когда перекрыта — как ВЫСОКИЙ. Убедитесь, что напряжение подтяжки совместимо с семейством логики (например, 5 В для 5-вольтовой логики, 3,3 В для 3,3-вольтовой).
• В: Почему мой выход не переключается полностью до уровня питания, когда он заблокирован?О: Вероятно, это связано с темновым током (I_CEO), протекающим через резистор подтяжки. При очень большом резисторе подтяжки (например, 100 кОм) даже 100 нА утечки могут создать значительное падение напряжения. Используйте резистор подтяжки меньшего номинала (например, от 1 кОм до 10 кОм), чтобы обеспечить стабильный ВЫСОКИЙ уровень, балансируя потребление тока и скорость.
• В: Каковы рекомендуемые правила разводки печатной платы?О: Держите дорожки драйвера светодиода и выходные дорожки фототранзистора раздельно, чтобы минимизировать связь помех. Размещайте токоограничивающий резистор и резистор подтяжки как можно ближе к устройству. Убедитесь, что область щели на печатной плате свободна от паяльной маски или компонентов, которые могут препятствовать прохождению инфракрасного луча.

9. Принцип работы

Фотоинтерраптор работает по принципу прямого оптического соединения, прерываемого физическим объектом. Инфракрасный светодиод излучает свет с длиной волны, обычно около 940 нм, невидимой для человеческого глаза. Напротив расположен кремниевый фототранзистор, чувствительный к этой длине волны. В неперекрытом состоянии инфракрасный свет попадает в базовую область фототранзистора, генерируя электронно-дырочные пары. Этот фототок действует как ток базы, заставляя транзистор открываться и пропускать значительно больший ток коллектора (I_C(ON)). Когда непрозрачный объект попадает в щель, он полностью блокирует световой путь. Фототок прекращается, эффективный ток базы падает до нуля, и фототранзистор закрывается, позволяя протекать лишь крошечному току утечки (I_CEO). Этот резкий контраст между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ обеспечивает чистый, надёжный цифровой сигнал, указывающий на наличие или отсутствие объекта.

10. Тенденции отрасли

Фотоинтерраптор остаётся зрелой и широко используемой технологией благодаря своей простоте, надёжности и низкой стоимости. Современные тенденции в отрасли сосредоточены в нескольких областях:

• Миниатюризация:Разработка корпусов меньшего размера (например, SMD-компоненты с очень узкими щелями) для размещения во всё более компактной бытовой электронике и мобильных устройствах.
• Повышение производительности:Улучшение таких параметров, как более высокая скорость для более быстрого оборудования, более низкое энергопотребление для устройств с батарейным питанием и лучшая температурная стабильность.
• Интеграция:Включение дополнительных схем в корпус, таких как триггеры Шмитта для гистерезиса, усилители для слабых сигналов или даже цифровые интерфейсы (I2C), создавая "интеллектуальные датчики", которые упрощают проектирование системы.
• Развитие материалов:Использование современных пластиков и конструкций линз для улучшения коллимации света, повышения эффективности связи и усиления устойчивости к таким факторам окружающей среды, как высокая температура и влажность.

Несмотря на появление новых технологий, таких как датчики времени пролёта (ToF) или системы машинного зрения, базовый щелевой фотоинтерраптор продолжает оставаться оптимальным решением для бесчисленных простых, надёжных и чувствительных к стоимости приложений обнаружения присутствия.