Техническая документация на отражающий оптический датчик ITR8307/F43 - Инфракрасный светодиод и фототранзистор

1. Обзор продукта

ITR8307/F43 — это компактный отражающий оптический датчик для поверхностного монтажа, предназначенный для обнаружения объектов на коротких расстояниях. Он объединяет инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) и высокочувствительный кремниевый NPN фототранзистор в одном пластиковом корпусе. Основная функция — обнаружение наличия или отсутствия объекта путем излучения инфракрасного света от светодиода и измерения количества света, отраженного обратно на фототранзистор.

Ключевые преимущества устройства включают быстрое время отклика, высокую чувствительность к инфракрасному свету и способность отсеивать помехи от видимого света, обеспечивая надежную работу. Его тонкий и компактный форм-фактор делает его подходящим для применений с ограниченным пространством в потребительской электронике и оборудовании, управляемом микроконтроллерами.

Устройство производится без содержания свинца (Pb-free), соответствует регламенту ЕС REACH и соответствует стандартам, исключающим использование галогенов (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). Оно также спроектировано для соответствия спецификациям директивы RoHS.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Рассеиваемая мощность на входе (ИК-светодиод) (Pd):75 мВт при температуре окружающего воздуха 25°C или ниже. Превышение этого значения может привести к перегреву p-n перехода светодиода.
• Обратное напряжение светодиода (VR):5 В. Приложение более высокого обратного напряжения может вызвать пробой.
• Прямой ток светодиода (IF):50 мА постоянный. Пиковый прямой ток (IFP) составляет 1 А для импульсов длительностью 100 мкс с периодом 10 мс.
• Рассеиваемая мощность на выходе (фототранзистор) коллектора (PC):75 мВт.
• Коллекторный ток (IC):Максимум 50 мА.
• Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO):30 В. Это максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером при разомкнутой базе.
• Рабочая температура (T_opr):от -25°C до +85°C. Устройство функционирует в этом диапазоне температур окружающей среды.
• Температура хранения (T_stg):от -30°C до +100°C.
• Температура пайки выводов (T_sol):260°C максимум в течение 5 секунд. Это критически важно для процессов волновой пайки или пайки оплавлением.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измерены при Ta=25°C и определяют типичные характеристики устройства.

• Прямое напряжение светодиода (V_F):Обычно 1.2 В, максимум 1.6 В при прямом токе (I_F) 20 мА. Это важно для проектирования схемы драйвера с ограничением тока.
• Пиковая длина волны светодиода (λ_P):940 нм. Это длина волны, на которой ИК-светодиод излучает максимальную оптическую мощность, что соответствует пику чувствительности кремниевого фототранзистора.
• Темновой ток фототранзистора (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE=10В без освещения (E_e=0). Это ток утечки, когда датчик "выключен", и его следует минимизировать для хорошего отношения сигнал/шум.
• Коллекторный ток (I_C(ON)):Минимум 0.1 мА в условиях испытаний: V_CE=5В и I_F=20мА. Это фототок, генерируемый при активном светодиоде и наличии объекта в зоне обнаружения.
• Время нарастания/спада (t_r, t_f):Обычно по 20 мкс каждое. Это определяет скорость переключения фототранзистора, что критично для обнаружения быстро движущихся объектов или для высокоскоростной передачи данных в некоторых приложениях.

3. Анализ характеристических кривых

Техническая документация включает несколько характеристических кривых, которые обеспечивают более глубокое понимание поведения устройства в различных условиях. Хотя конкретные графики здесь не воспроизводятся, объясняются их типичные значения.

3.1 Характеристики ИК-светодиода

Кривые для инфракрасного излучателя обычно показывают зависимость прямого напряжения от прямого тока (Вольт-амперная характеристика), которая является нелинейной. Они также иллюстрируют относительную излучаемую интенсивность в зависимости от прямого тока, показывая, как оптическая выходная мощность увеличивается с увеличением тока накачки, и влияние температуры окружающей среды на эту выходную мощность, которая обычно уменьшается с повышением температуры.

3.2 Характеристики фототранзистора

Кривые для приемника обычно изображают коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер для различных уровней облученности (оптической входной мощности). Это семейство кривых аналогично выходным характеристикам биполярного транзистора, где облученность действует как ток базы. Другие кривые могут показывать коллекторный ток в зависимости от расстояния до отражающей поверхности или от тока накачки светодиода, определяя передаточную функцию датчика.

3.3 Характеристики комбинированного датчика

Эти кривые представляют производительность всего сенсорного узла. Ключевой график — это зависимость коллекторного тока от расстояния до стандартной отражающей поверхности (часто белая карта) при фиксированном токе светодиода. Эта кривая определяет эффективный диапазон обнаружения и нелинейный отклик в зависимости от расстояния, что критично для проектирования порогового обнаружения.

4. Механическая информация и данные о корпусе

Устройство поставляется в компактном корпусе для поверхностного монтажа. Точные размеры приведены на чертеже корпуса в документации. Ключевые примечания к чертежу указывают, что все размеры указаны в миллиметрах, а общий допуск составляет ±0.15 мм, если не указано иное. Расположение ИК-светодиода и фототранзистора рядом оптимизировано для отражающего зондирования. Корпус включает маркировку полярности для обеспечения правильной ориентации во время сборки печатной платы.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Абсолютный максимальный параметр для температуры пайки выводов составляет 260°C в течение 5 секунд. Этот параметр должен строго соблюдаться во время процессов пайки оплавлением или волновой пайкой, чтобы предотвратить повреждение пластикового корпуса или внутренних проводных соединений. Стандартные профили IPC/JEDEC J-STD-020 для бессвинцовой пайки, как правило, применимы, но пиковая температура и время выше температуры ликвидуса должны контролироваться. Следует избегать длительного воздействия высокой влажности перед пайкой, и рекомендуется соблюдать стандартные процедуры обращения с учетом уровня чувствительности к влаге (MSL), хотя конкретная классификация MSL в предоставленном содержании не указана.

6. Информация об упаковке и заказе

Стандартная упаковка следующая:

1. 160 штук в трубке.
2. 18 трубок во внутренней коробке.
3. 12 внутренних коробок в основной (внешней) коробке.

Этикетка на упаковке включает поля для производственного номера заказчика (CPN), производственного номера (P/N), количества упаковки (QTY), категории (CAT), пиковой длины волны (HUE), ссылки (REF), номера партии (LOT No.) и места производства.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

В документации перечислены несколько классических применений: фотоаппараты (например, для обнаружения наличия пленки или ленты), видеомагнитофоны, дисководы для гибких дисков, кассетные магнитофоны и различное оборудование с микропроцессорным управлением. Современные применения включают обнаружение бумаги в принтерах, обнаружение монет в торговых автоматах, определение края, подсчет объектов и датчики приближения в потребительских устройствах, где требуется бесконтактное обнаружение.

7.2 Вопросы проектирования

• Ограничение тока:С ИК-светодиодом необходимо использовать последовательный резистор для ограничения прямого тока (I_F) до безопасного значения, обычно 20 мА для стандартной работы, рассчитываемого с использованием напряжения питания и прямого напряжения светодиода (V_F).
• Нагрузочный резистор:Выход фототранзистора требует подтягивающего или нагрузочного резистора (R_L), подключенного между коллектором и положительным источником питания. Его значение определяет размах выходного напряжения и скорость отклика. Меньший резистор обеспечивает более быстрый отклик, но меньшую чувствительность (меньшее изменение напряжения).
• Защита от фонового освещения:Хотя устройство отсекает видимый свет, сильные источники окружающего инфракрасного излучения (солнечный свет, лампы накаливания) могут повлиять на работу. Механическое экранирование, оптические фильтры или методы модуляции/демодуляции (импульсное включение светодиода и синхронное считывание выхода) могут повысить надежность.
• Отражательная способность:Диапазон обнаружения и сила сигнала сильно зависят от отражательной способности, цвета и текстуры поверхности целевого объекта. Может потребоваться калибровка или регулируемые пороги.

8. Техническое сравнение

ITR8307/F43 предлагает определенный набор функций. По сравнению с более простыми фототранзисторами или фотодиодами, он обеспечивает интегрированное, выровненное решение для отражающего зондирования. По сравнению с современными датчиками с цифровым выходом и встроенной логикой, это аналоговый компонент, требующий внешних схем для обработки сигнала, что обеспечивает большую гибкость проектирования, но и большую сложность. Его ключевые отличительные особенности — компактный размер, быстрое время отклика (20 мкс) и соответствие экологическим нормам (RoHS, REACH, без галогенов).

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Какое типичное расстояние обнаружения?

О: В документации не указано максимальное расстояние, так как оно сильно зависит от отражательной способности цели и тока накачки светодиода. Условие испытания для I_C(ON)использует зазор 1 мм, что указывает на оптимизацию для обнаружения на очень коротких расстояниях. Практические диапазоны обычно составляют от нескольких миллиметров до пары сантиметров.

В: Могу ли я питать светодиод напрямую от источника напряжения?

О: Нет. Светодиод должен питаться от источника с ограничением тока, почти всегда реализуемого с помощью последовательного резистора, чтобы предотвратить тепловой разгон и разрушение от перегрузки по току.

В: Как подключить выход к микроконтроллеру?

О: Выход коллектора фототранзистора представляет собой аналоговое напряжение, изменяющееся в зависимости от отраженного света. Его можно подключить к выводу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера для точного измерения или через схему компаратора для создания цифрового сигнала вкл/выкл для вывода GPIO.

В: Какова цель функции "Отсечение видимой длины волны"?

О: Фототранзистор разработан для чувствительности в основном к инфракрасному свету с длиной волны 940 нм от парного светодиода и меньшей чувствительности к видимому свету. Это снижает ложные срабатывания из-за изменений окружающего освещения в помещении.

10. Практический пример использования

Пример: Обнаружение конца бумаги в настольном принтере

Датчик установлен внутри принтера, направлен на путь бумаги. Отражающий флажок или сама бумага выступают в качестве цели. Когда бумага присутствует, инфракрасный свет отражается обратно на фототранзистор, генерируя высокий коллекторный ток и низкое выходное напряжение (если используется подтягивающий резистор). Когда бумага заканчивается, отражение прекращается, фототранзистор выключается, и выходное напряжение становится высоким. Этот переход напряжения обнаруживается управляющей логикой принтера, что вызывает предупреждение "нет бумаги" для пользователя. Быстрое время отклика обеспечивает обнаружение даже при высоких скоростях подачи бумаги.

11. Принцип работы

ITR8307/F43 работает по принципу модулированного отражения света. Внутренний GaAs инфракрасный светодиод преобразует электрический ток в инфракрасный свет (940 нм). Этот свет излучается в сторону целевой области. Если объект присутствует в поле обнаружения, часть этого света отражается обратно. Интегрированный кремниевый NPN фототранзистор действует как приемник. Когда фотоны отраженного инфракрасного света попадают на переход база-коллектор фототранзистора, они генерируют электрон-дырочные пары. Этот фотосгенерированный ток действует как ток базы, который затем усиливается коэффициентом усиления транзистора, что приводит к значительно большему коллекторному току (I_C). Величина этого коллекторного тока пропорциональна интенсивности отраженного инфракрасного света, которая, в свою очередь, зависит от расстояния и отражательной способности объекта. Измеряя этот выходной ток (или напряжение на нагрузочном резисторе), можно определить наличие, отсутствие или даже приблизительное расстояние до объекта.

12. Тенденции в технологии

Отражающие оптические датчики, такие как ITR8307/F43, представляют собой зрелую и надежную технологию. Текущие тенденции в этой области включают дальнейшую миниатюризацию корпусов, интеграцию датчика с аналоговыми схемами обработки сигналов (усилители, АЦП) и цифровой логикой (интерфейсы I2C/SPI) в однокристальные решения, что сокращает количество внешних компонентов. Также уделяется внимание снижению энергопотребления для устройств с батарейным питанием и улучшенным алгоритмам для компенсации фонового света и измерения расстояния. Спрос на экологически безопасные ("зеленые") компоненты, которым соответствует данное устройство, продолжает оставаться сильным драйвером в электронной промышленности.

13. Отказ от ответственности и важные примечания

На основании содержания технической документации следующие отказы от ответственности и примечания являются критически важными для пользователей:

1. Производитель оставляет за собой право изменять состав материалов продукта.
2. Продукт соответствует опубликованным спецификациям в течение 12 месяцев с даты отгрузки.
3. Графики и типичные значения приведены только для справки и не представляют гарантированные минимальные или максимальные пределы.
4. Пользователь несет ответственность за работу устройства в пределах его абсолютных максимальных параметров. Производитель не несет ответственности за ущерб, возникший в результате неправильного использования.
5. Содержание технической документации защищено авторским правом; воспроизведение требует предварительного согласия.
6. Критическое предупреждение:Данный продуктне предназначендля использования в критически важных для безопасности приложениях, включая военные, авиационные, автомобильные, медицинские, жизнеобеспечивающие или спасательные системы. Для таких применений необходимо получить явное разрешение.