Техническая документация на фотоинтерраптор LTH-872-N55T1

1. Обзор продукта

LTH-872-N55T1 — это отражающий фотоинтерраптор, тип оптоэлектронного компонента, который объединяет инфракрасный светодиод (LED) и фототранзистор в одном компактном корпусе. Его основная функция — обнаруживать наличие или отсутствие объекта без физического контакта, определяя прерывание светового луча, отраженного от объекта обратно на датчик. Это устройство предназначено для применений, требующих надежного, быстрого и бесконтактного обнаружения объектов или определения положения.

1.1 Ключевые преимущества

Ключевые преимущества этого фотоинтерраптора проистекают из его основного принципа работы и конструкции.Бесконтактное переключениеустраняет механический износ, значительно увеличивая срок службы и надежность по сравнению с механическими переключателями. Это критически важно в приложениях с высоким числом циклов. Кроме того, он обеспечиваетвысокую скорость переключения, с типичным временем нарастания и спада в микросекундном диапазоне, что позволяет обнаруживать быстро движущиеся объекты или высокочастотные события. Интегрированный корпус обеспечивает точное взаимное расположение излучателя и детектора, упрощая сборку и повышая стабильность характеристик.

1.2 Целевой рынок и применение

Основными целевыми рынками для этого компонента являются офисная автоматизация и прецизионные приборы. Его основное задокументированное применение — всканерах и принтерах. В этих устройствах фотоинтеррапторы обычно используются для таких функций, как обнаружение наличия бумаги (например, определение переднего края листа), обнаружение замятия бумаги, определение положения каретки или печатающей головки, а также определение исходного положения движущихся механизмов. Быстрое время отклика необходимо для поддержания высокой производительности современного сканирующего и печатающего оборудования.

2. Подробный анализ технических параметров

Понимание электрических и оптических характеристик критически важно для правильного проектирования схемы и обеспечения надежной работы в пределах заданных ограничений устройства.

2.1 Предельно допустимые параметры

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

• Входной светодиод:
  • Рассеиваемая мощность (P_D): максимум 75 мВт.
  • Постоянный прямой ток (I_F): максимум 50 мА. Это абсолютно максимальный ток, который может протекать через светодиод.
  • Обратное напряжение (V_R): максимум 5 В. Превышение этого значения может привести к пробою светодиодного перехода.
• Выходной фототранзистор:
  • Рассеиваемая мощность (P_C): максимум 100 мВт.
  • Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO): максимум 30 В. Это максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером фототранзистора при разомкнутой базе (в темноте).
  • Напряжение эмиттер-коллектор (V_ECO): максимум 5 В (допустимое обратное напряжение).
  • Коллекторный ток (I_C): максимум 20 мА.
• Окружающая среда:
  • Рабочая температура (T_opr): от -25°C до +85°C.
  • Температура хранения (T_stg): от -55°C до +100°C.
  • Температура пайки выводов (T_sol): 260°C не более 5 секунд (для выводов 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 производительность устройства в нормальных рабочих условиях.

• Характеристики входного светодиода:
  • Прямое напряжение (V_F): обычно от 1.2В до 1.6В 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) 5В. Это небольшой ток утечки при обратном смещении светодиода.
• Характеристики выходного фототранзистора:
  • Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO): максимум 100 нА при V_CE=10В. Это ток утечки, когда фототранзистор находится в полной темноте (нет света от светодиода). Низкое значение желательно для хорошего отношения сигнал/шум.
  • Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)): максимум 0.4В при I_C=0.25мА и I_F=20мА. Это напряжение на транзисторе, когда он полностью "открыт" (в насыщении). Низкое напряжение насыщения минимизирует потери мощности в переключающем элементе.
  • Коллекторный ток в открытом состоянии (I_C(ON)): минимум 0.5 мА при V_CE=5В и I_F=20мА. Этот параметр определяет минимальный выходной ток, когда светодиод включен и объект не прерывает луч (предполагается отражающий режим).
• Время отклика пары (системы):
  • Время нарастания (T_R): 3 мкс (тип.) до 15 мкс (макс.). Это время, за которое выход фототранзистора возрастает от 10% до 90% от конечного значения при включении светодиода.
  • Время спада (T_F): 4 мкс (тип.) до 20 мкс (макс.). Это время, за которое выход падает от 90% до 10% при выключении светодиода. Эти быстрые времена критически важны для заявленной функции "высокой скорости переключения".
  • Условия тестирования: V_CE=5В, I_C=2мА, R_L=100 Ом.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены ссылки на типичные электрические/оптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не предоставлены в тексте, их цель — проиллюстрировать взаимосвязь ключевых параметров в различных условиях, что необходимо для надежного проектирования.

3.1 Информация о типовых кривых

Основываясь на стандартной практике для таких компонентов, типичные кривые, вероятно, включают:

• Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (I_F-V_F):Эта кривая показывает нелинейную зависимость между током через светодиод и напряжением на нем. Она помогает определить необходимое значение последовательного резистора для достижения требуемого тока накачки при заданном напряжении питания.
• Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (I_C-V_CE):Для фототранзистора это семейство кривых строится для различных уровней падающего света (или различных токов накачки светодиода, I_F). Оно определяет рабочие области транзистора (отсечка, активный режим, насыщение) в условиях освещения.
• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока:CTR — это отношение выходного коллекторного тока фототранзистора (I_C) к входному прямому току светодиода (I_F), обычно выражается в процентах. Эта кривая показывает, как эффективность изменяется с током накачки, и имеет решающее значение для проектирования интерфейсной схемы, чтобы обеспечить достаточный размах выходного сигнала.
• Зависимость от температуры:Кривые, показывающие, как такие параметры, как прямое напряжение (V_F), темновой ток (I_CEO) и CTR, изменяются в зависимости от температуры окружающей среды. Это жизненно важно для обеспечения стабильной работы во всем указанном диапазоне температур (от -25°C до +85°C).

4. Механическая информация и корпус

Габаритные размеры корпуса указаны, но не детализированы в предоставленном тексте. В примечаниях указано, что все размеры указаны в миллиметрах (с дюймами в скобках), а общий допуск составляет ±0.25 мм, если не указано иное. Номер детали LTH-872-N55T1 предполагает определенный стиль корпуса, характерный для отражающих фотоинтеррапторов, который обычно представляет собой литой пластиковый корпус со щелью. Излучатель и детектор направлены в одну сторону через эту щель, что позволяет им обнаруживать объект, отражающий излучаемый свет обратно.

4.1 Идентификация полярности и распиновка

Хотя точная распиновка не указана, стандартные корпуса фотоинтеррапторов имеют 4 вывода: два для анода и катода инфракрасного светодиода и два для коллектора и эмиттера NPN фототранзистора. Техническое описание обычно включает диаграмму, показывающую вид сверху и нумерацию выводов (например, 1: Анод, 2: Катод, 3: Коллектор, 4: Эмиттер). Правильное подключение полярности для светодиода обязательно для предотвращения повреждений.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Техническое описание предоставляет критический параметр для монтажа: максимальную температуру пайки выводов. Для выводов, расположенных на расстоянии 1.6 мм (0.063 дюйма) от пластикового корпуса, температура не должна превышать260°C в течение 5 секунд. Это стандартный параметр для волновой или ручной пайки. Для пайки оплавлением компонент должен быть совместим с используемым конкретным профилем оплавления, который обычно имеет пиковую температуру около 240-250°C. Превышение этих термических пределов может вызвать внутреннее повреждение полупроводниковых переходов или деформацию пластикового корпуса, влияя на оптическое выравнивание и производительность.

6. Рекомендации по применению и соображения по проектированию

6.1 Типовая схема включения

Базовая интерфейсная схема включает две основные части:

1. Драйвер светодиода:Токоограничивающий резистор включен последовательно со светодиодом. Значение резистора (R_series) рассчитывается как: R_series= (V_CC- V_F) / I_F. Используя типичное V_F1.4В и желаемый I_F20мА при питании 5В, получаем R_series= (5 - 1.4) / 0.02 = 180 Ом. Подойдет стандартный резистор 180 Ом или 220 Ом. Питание светодиода постоянным током, а не постоянным напряжением, обеспечивает более стабильный световой поток.
2. Выход фототранзистора:Фототранзистор обычно используется в схеме с общим эмиттером. Нагрузочный резистор (R_L) подключен между коллектором и положительным питанием (V_CC). Эмиттер подключен к земле. Когда свет падает на транзистор, он открывается, понижая напряжение на коллекторе (до V_CE(SAT)). В темноте транзистор закрыт, и напряжение на коллекторе подтягивается резистором R_CCдо высокого уровня V_L. Значение R_Lопределяет размах выходного напряжения и скорость; меньшее R_Lдает более быстрый отклик, но меньший размах. В техническом описании тестирование проводится с R_L=100 Ом.

6.2 Соображения по проектированию

• Устойчивость к засветке:Как отражающий датчик, он может быть подвержен влиянию окружающего света (особенно солнечного света или яркого внутреннего освещения, содержащего инфракрасное излучение). Использование модулированного сигнала накачки светодиода и синхронного детектирования в приемной схеме может значительно повысить устойчивость к таким помехам.
• Коэффициент отражения объекта:Эффективная дистанция обнаружения и сила сигнала сильно зависят от коэффициента отражения целевого объекта. Наилучшие результаты достигаются с высокоотражающими поверхностями (например, белая бумага), в то время как темные или матовые поверхности могут отражать недостаточно света.
• Выравнивание и зазор:Оптимальное расстояние обнаружения (зазор между датчиком и отражающим объектом) обычно указывается в полном техническом описании. Механическая конструкция должна обеспечивать постоянное поддержание этого зазора.
• Электрические помехи:Для длинных кабельных трасс или зашумленных сред может потребоваться надлежащее экранирование и фильтрация выходного сигнала, поскольку выход фототранзистора является высокоимпедансным узлом в закрытом состоянии и может быть чувствителен к наводкам.

7. Техническое сравнение и отличия

По сравнению с другими технологиями обнаружения, этот фотоинтерраптор предлагает определенные преимущества:

• по сравнению с механическими переключателями:Отсутствие дребезга контактов, значительно больший срок службы (миллионы против тысяч циклов), более быстрый отклик и бесшумная работа.
• по сравнению с проходными фотоинтеррапторами (щелевыми оптопарами):Отражающие типы, такие как LTH-872-N55T1, не требуют, чтобы объект проходил через щель; они могут обнаруживать объекты на расстоянии. Это упрощает механическую конструкцию для таких применений, как обнаружение бумаги, где бумага движется вдоль поверхности.
• по сравнению с современными датчиками (например, датчиками Холла, ультразвуковыми):Фотоинтеррапторы, как правило, проще и дешевле для базового обнаружения наличия/отсутствия. Они не требуют магнитов (как датчики Холла) и менее сложны, чем ультразвуковые датчики, хотя могут быть менее эффективны на неотражающих объектах.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Какова цель указания темнового тока (I_CEO)?

О: Темновой ток — это небольшой ток утечки, протекающий через фототранзистор, когда он находится в полной темноте (нет света от светодиода и окружающего света). В "закрытом" состоянии этот ток, протекающий через нагрузочный резистор (R_L), создает небольшое падение напряжения. Высокий темновой ток может привести к тому, что выходное напряжение не будет полностью на "высоком" логическом уровне, что потенциально может вызвать неправильную интерпретацию последующей схемой. Указанный максимум 100 нА очень низок, что обеспечивает чистый сигнал в закрытом состоянии.

В: Как выбрать правильный ток накачки светодиода (I_F)?

О: Ток накачки влияет на световой поток, что напрямую влияет на выходной ток фототранзистора (I_C(ON)) и чувствительность устройства. Работа при типичных условиях тестирования 20 мА является хорошей отправной точкой. Вы можете уменьшить ток для экономии энергии, если в приложении используется высокоотражающая поверхность и короткое расстояние. Увеличение тока может улучшить силу сигнала для сложных целей, но увеличит рассеиваемую мощность и должно оставаться ниже абсолютного максимума 50 мА. Для руководства обратитесь к типичной кривой CTR в зависимости от I_F.

В: Могу ли я использовать этот датчик на улице?

О: Рабочий диапазон температур (от -25°C до +85°C) позволяет использовать его во многих средах. Однако прямой солнечный свет содержит сильное инфракрасное излучение, которое может насытить фототранзистор, вызывая постоянное обнаружение "включено". Для использования на открытом воздухе настоятельно рекомендуется использовать оптические фильтры (ИК-пропускающий фильтр, блокирующий видимый свет, но пропускающий длину волны светодиода) и/или методы модуляции сигнала для подавления окружающего ИК-света.

9. Принцип работы

LTH-872-N55T1 работает по принципу модуляции внутреннего отражения. Инфракрасный светодиод излучает свет. При отсутствии отражающей цели в зоне обнаружения большая часть этого света рассеивается. Когда подходящий отражающий объект попадает в зону, часть излучаемого света отражается обратно к устройству. Интегрированный фототранзистор, чувствительный к той же инфракрасной длине волны, обнаруживает этот отраженный свет. Падающие фотоны генерируют электрон-дырочные пары в базовой области фототранзистора, эффективно обеспечивая базовый ток. Это заставляет транзистор открываться, позволяя протекать коллекторному току (I_C), пропорциональному интенсивности отраженного света. Это изменение выходного тока/напряжения затем используется внешней схемой для сигнализации о наличии объекта.

10. Тенденции отрасли

Хотя фундаментальная технология фотоинтеррапторов является зрелой, тенденции сосредоточены на миниатюризации, интеграции и расширенной функциональности. Новые устройства могут иметь следующие особенности:

- Корпуса для поверхностного монтажа (SMD):Меньшие размеры для сборки печатных плат высокой плотности.

- Интегрированные микросхемы:Некоторые современные фотоинтеррапторы включают в себя усилитель, триггеры Шмитта для гистерезиса и даже цифровой выход (например, I2C) на кристалле, упрощая проектирование интерфейса.

- Более высокая скорость:Продолжается разработка для еще более быстрого времени отклика, чтобы идти в ногу с растущими скоростями машин.

- Улучшенное подавление засветки:Применяются передовые оптические конструкции и схемы модуляции, чтобы сделать датчики более устойчивыми в сложных условиях освещения. Основной принцип отражающего обнаружения, воплощенный в таких компонентах, как LTH-872-N55T1, остается надежным и экономически эффективным решением для широкого спектра задач бесконтактного обнаружения.