ITR9909 光电断续器规格书 - 4.0mm封装 - 940nm波长 - 简体中文技术文档

1. 产品概述

ITR9909是一款紧凑型光电断续器模块，专为非接触式传感应用而设计。它将一个红外发射二极管（IRED）和一个硅NPN光敏三极管集成在一个黑色热塑性塑料外壳内。两个元件并排安装在会聚的光轴上。其基本工作原理是：光敏三极管通常接收来自同侧红外发射器的辐射。当不透明物体穿过它们之间的间隙时，会中断该红外光束，导致光敏三极管的输出状态发生可检测的变化，从而实现物体检测、位置传感或开关功能。

1.1 核心特性与优势

• 快速响应时间：能够检测快速移动的物体。
• 高灵敏度：硅光敏三极管对红外光能产生强烈的电响应。
• 特定波长：IRED的峰值发射波长（λp）为940nm，该波长人眼不可见，有助于减少环境可见光的干扰。
• 环保合规：该器件采用无铅工艺制造，符合RoHS、欧盟REACH及无卤标准（Br <900ppm，Cl <900ppm，Br+Cl <1500ppm）。
• 紧凑集成：一体化封装简化了用于槽型传感应用的PCB设计和组装。

1.2 目标应用

ITR9909适用于多种需要可靠非接触式检测的应用场景：

• 计算机鼠标和复印机中的旋转编码器和位置传感器。
• 扫描仪和打印机中的纸张检测与边缘感应。
• 软盘驱动器及其他媒体驱动器中的磁盘在位检测。
• 通用非接触式开关。
• 需要直接安装的板级传感。

2. 技术规格与深入分析

2.1 绝对最大额定值

超出这些限制操作器件可能导致永久性损坏。除非另有说明，所有规格均在Ta=25°C下测得。

• 输入（IRED）：
  • 功耗（Pd）：75 mW
  • 反向电压（VR）：5 V
  • 连续正向电流（IF）：50 mA
  • 峰值正向电流（IFP）：1 A（脉冲宽度≤100μs，占空比1%）
• 输出（光敏三极管）：
  • 集电极功耗（Pd）：75 mW
  • 集电极电流（IC）：50 mA
  • 集电极-发射极电压（BV_CEO）：30 V
  • 发射极-集电极电压（BV_ECO）：5 V
• 环境：
  • 工作温度（T_opr）：-25°C 至 +85°C
  • 存储温度（T_stg）：-40°C 至 +85°C
  • 引脚焊接温度（T_sol）：260°C，持续5秒（距本体1/16英寸）

2.2 光电特性

Ta=25°C下的典型性能参数定义了器件的操作行为。

• 输入（IRED）特性：
  • 正向电压（V_F）：在IF=20mA时，典型值为1.2V（最大1.5V）。随脉冲电流增大而增加。
  • 峰值波长（λ_P）：在20mA驱动下，为940 nm（典型值）。
• 输出（光敏三极管）特性：
  • 暗电流（I_CEO）：在V_CE=20V、完全黑暗条件下，最大为100 nA。这是定义“关断”状态本底噪声的漏电流。
  • 集电极-发射极饱和电压（V_CE(sat)）：在I_C=2mA、充分光照（1mW/cm²）条件下，最大为0.4V。较低的V_CE(sat)有利于实现干净的数字开关。
  • 集电极电流（I_C(ON)）：在V_CE=5V、I_F=20mA条件下，最小为200 µA。这是在标准测试条件下保证的最小光电流。
• 动态特性：
  • 上升时间（t_r）与下降时间（t_f）：典型值均为15 µs。这些参数在特定负载条件（V_CE=5V，I_C=1mA，R_L=1kΩ）下测量，决定了器件能够可靠处理的最大开关频率。

3. 性能曲线分析

规格书提供了多张图表，说明了工作参数之间的关键关系。这些曲线对于理解器件在非标准条件下的行为至关重要。

3.1 红外发射器（IRED）曲线

• 正向电流 vs. 环境温度：显示了当环境温度超过25°C时，最大允许正向电流的降额情况。
• 光谱灵敏度：相对辐射强度与波长的关系图，峰值在940nm，显示了发射器的窄带宽特性。
• 相对辐射强度 vs. 正向电流：展示了驱动电流与光输出之间的非线性关系，在较高电流下趋于饱和。
• 相对辐射强度 vs. 角位移：说明了IRED的发射模式或视角，这对于光学对准至关重要。

3.2 光敏三极管（PT）曲线

• 集电极功耗 vs. 环境温度：提供了光敏三极管输出的功率降额曲线。
• 光谱灵敏度：显示了光敏三极管在不同波长下的响应度，其峰值灵敏度通常在近红外区域，与940nm发射器相匹配。
• 相对集电极电流 vs. 环境温度：指示了光敏三极管的增益或响应度如何随温度变化。
• 集电极电流 vs. 辐照度：一条基本曲线，显示了照射在光敏三极管上的入射光功率（辐照度）与产生的集电极电流之间的线性（或近似线性）关系。
• 集电极暗电流 vs. 环境温度：显示了漏电流（I_CEO）如何随温度升高呈指数增长，这可能会影响高温应用中的信噪比。
• 集电极电流 vs. 集电极-发射极电压：类似于晶体管输出特性曲线，显示了不同光照水平下的工作区域。

3.3 完整模块（ITR）曲线

• 相对集电极电流 vs. 传感器间距离：这是一条关键的系统级曲线。它显示了当遮挡物体与传感器间隙之间的距离变化时，接收到的信号（集电极电流）如何变化。它定义了有效感应范围以及物体位置与输出信号强度之间的关系。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

ITR9909采用标准通孔封装。图纸中的关键尺寸包括：

• 定义槽口尺寸的整体本体宽度和高度。
• 用于PCB安装的引脚间距和直径。
• 内部IRED与光敏三极管之间的间隙宽度，这决定了可检测物体的尺寸。
• 尺寸图纸规定了±0.25mm的标准公差，除非另有说明。

4.2 极性标识

该器件采用许多光电断续器通用的标准引脚配置：IRED输入的阳极和阴极，以及光敏三极管输出的集电极和发射极。外壳上通常有标记或凹口来指示引脚1。

5. 组装与操作指南

5.1 焊接建议

绝对最大额定值规定，引脚可在260°C下焊接，最长5秒，条件是焊接点距离塑料本体至少1/16英寸（约1.6mm）。这是为了防止环氧树脂外壳和内部引线键合受到热损伤。对于波峰焊或回流焊，应遵循具有类似热限制的通孔元件的标准温度曲线。

5.2 存储与操作

该器件应在-40°C至+85°C的指定温度范围内，在干燥环境中存储。操作时应遵循标准的ESD（静电放电）预防措施，因为内部的半导体元件易受静电损坏。

6. 包装与订购信息

6.1 包装规格

标准包装数量如下：

• 每袋150件。
• 每盒5袋。
• 每箱10盒。

6.2 标签信息

产品标签包含多个用于追溯和规格识别的代码：

• CPN：客户产品编号。
• P/N：制造商产品编号（例如，ITR9909）。
• QTY：包装内数量。
• CAT, HUE, REF：这些可能指内部的分档代码，用于参数如发光强度等级、主波长等级和正向电压等级，尽管此规格书摘录未提供具体的分档细节。
• LOT No：用于追溯的制造批号。

7. 应用设计考量

7.1 电路设计

使用ITR9909进行设计主要涉及两个电路：

1. IRED驱动电路：标准做法是与IRED串联一个简单的限流电阻。电阻值计算公式为 R = (V_CC- V_F) / I_F。为了可靠运行和延长寿命，建议在典型值20mA或以下驱动IRED，除非为满足特定的信噪比要求需要采用脉冲大电流驱动。
2. 光敏三极管输出电路：光敏三极管可采用两种常见配置：
   • 开关模式（数字输出）：在集电极与V_CC之间连接一个上拉电阻。发射极接地。当光线照射到三极管时，其导通，将集电极电压拉低（接近V_CE(sat)）。当光束被遮挡时，三极管关断，上拉电阻将集电极电压拉高。上拉电阻的值决定了开关速度和电流消耗。
   • 线性模式（模拟输出）：将光敏三极管用于共发射极配置并连接集电极电阻，集电极电压将大致随接收到的光量线性变化，适用于模拟位置传感。

7.2 光学考量

• 对准：物体路径与传感器间隙的精确机械对准对于稳定运行至关重要。
• 环境光：尽管940nm滤波器和匹配的传感器提供了良好的可见光抑制能力，但强烈的红外光源（如阳光、白炽灯泡）仍可能造成干扰。使用调制的红外信号和同步检测可以极大地提高对环境光的抗干扰能力。
• 物体特性：传感器检测光束的中断。物体必须对940nm红外光不透明。半透明材料可能无法被可靠检测。

8. 技术对比与差异化

ITR9909代表了光电断续器市场中一款标准、可靠的解决方案。其主要差异化在于其将940nm IRED与硅光敏三极管结合在一个紧凑的侧视封装中的特定组合。与反射式传感器相比，断续器能提供更明确的“开/关”信号，因为它们不易受物体反射率或颜色变化的影响。指定的快速响应时间（典型值15µs）使其适用于速度传感或编码应用，而高灵敏度确保了即使在较低驱动电流或多尘环境中也能获得良好的信号。环保合规性（RoHS、无卤）是现代电子制造的关键因素。

9. 常见问题解答（基于技术参数）

9.1 最大感应速度或频率是多少？

最大开关频率受限于上升和下降时间（t_r, t_f），典型值均为15µs。对于一个完整的开关周期，保守估计约为这些时间之和的4到5倍，这表明最大实用频率在10-15 kHz范围内。这适用于大多数机械编码应用。

9.2 如何选择IRED限流电阻的值？

使用公式 R = (电源电压 - V_F) / I_F。对于5V电源，在典型测试条件20mA下驱动，且V_F~1.2V，则 R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 欧姆。标准的180或200欧姆电阻是合适的。始终确保计算出的电阻功耗在其额定值范围内。

9.3 为什么输出信号不稳定或有噪声？

潜在原因包括：1) IRED驱动电流不足，导致信号微弱。2) 环境红外光水平过高。3) 光敏三极管的暗电流（随温度升高而增大）相对于光电流变得显著。4) 电源线上的电气噪声。解决方案包括：在限制范围内增加I_F、增加光学屏蔽、实施信号调制、使用较低值的上拉电阻以获得更快响应，以及确保良好的电源去耦。

9.4 我可以在户外使用此传感器吗？

阳光直射包含大量940nm波长的红外辐射，可能使光敏三极管饱和并导致其无法正常工作。对于户外使用，强烈建议采用精心的光学滤波、设计外壳以阻挡阳光直射，并使用调制的红外信号。

10. 工作原理与技术趋势

10.1 工作原理

ITR9909基于透射光中断原理工作。驱动电流通过红外发光二极管（IRED）使其发射峰值波长为940纳米的光子。这些光子穿过一个小气隙，照射到NPN硅光敏三极管的基区。光子在基极-集电极结中产生电子-空穴对，该结有效地充当光电二极管。然后，该光电流被器件的晶体管作用放大，产生一个更大的集电极电流，可由外部电路轻松测量。当物体物理阻挡发射器和检测器之间的路径时，光子通量停止，光电流降至接近零，三极管关断，从而指示物体的存在。

10.2 技术背景与趋势

像ITR9909这样的光电断续器是成熟且被深入理解的元件。该领域当前的趋势集中在几个方面：

• 小型化：开发更小的表面贴装（SMD）封装，以节省现代消费电子产品中的电路板空间。
• 集成化：在芯片上集成额外的电路，例如用于数字输出的施密特触发器、用于模拟输出的放大器，甚至是完整的逻辑电平接口（例如，开漏输出）。
• 性能增强：提高速度以用于更高分辨率的编码器，降低功耗以用于电池供电设备，以及提高灵敏度以允许更小的驱动电流或更大的感应间隙。
• 专业化：针对特定市场领域（如汽车、工业自动化或医疗设备）创建具有不同槽宽、孔径形状或光谱响应的变体。

光学中断的基本原理仍然是一种稳健且经济高效的非接触式传感方法，确保了其在广泛的机电系统中持续的相关性。