ITR8102 光电断续器数据手册 - 封装尺寸 4.8x4.8x3.2mm - 正向电压 1.25V - 峰值波长 940nm - 中文技术文档

1. 产品概述

ITR8102 是一款紧凑型光电断续器模块，专为非接触式感应应用而设计。它集成了一个红外发射二极管和一个硅光电晶体管，两者在黑色热塑性塑料外壳内沿会聚光轴对齐。这种配置使得光电晶体管在正常情况下能够接收来自红外发射二极管的辐射。当不透明物体阻断发射器和检测器之间的光路时，光电晶体管停止导通，从而实现物体检测或位置感应。

其主要特点包括快速响应时间、高灵敏度，并符合 RoHS 和欧盟 REACH 等环境标准。该器件采用无铅材料制造。

2. 技术参数详解

2.1 绝对最大额定值

这些额定值定义了可能导致器件永久性损坏的极限。在此条件下工作无法得到保证。

• 输入功耗 (Pd)：在自由空气温度 ≤25°C 时为 75 mW。
• 输入反向电压 (VR)：最大 5 V。
• 输入正向电流 (IF)：最大 50 mA。
• 输出集电极功耗 (Pc)：75 mW。
• 输出集电极电流 (IC)：最大 20 mA。
• 集电极-发射极电压 (BVCEO)：最大 30 V。
• 工作温度 (Topr)：-25°C 至 +85°C。
• 存储温度 (Tstg)：-40°C 至 +85°C。
• 引脚焊接温度 (Tsol)：260°C，持续时间小于 5 秒，测量点距封装 3mm。

2.2 光电特性

这些参数在 Ta=25°C 下测量，定义了典型工作性能。

• 正向电压 (VF)：典型值 1.25V，在 IF=20mA 时最大为 1.60V。
• 反向电流 (IR)：在 VR=5V 时最大为 10 μA。
• 峰值波长 (λP)：在 IF=20mA 时为 940 nm。
• 暗电流 (ICEO)：在 VCE=20V、零辐照度 (Ee=0 mW/cm²) 时最大为 100 nA。
• 集电极-发射极饱和电压 (VCE(sat))：在 IC=0.9mA 和 IF=20mA 时最大为 0.4V。
• 集电极电流 (IC(ON))：最小 0.9mA，典型值更高，在 VCE=5V 和 IF=20mA 时最大可达 15mA。
• 上升/下降时间 (tr, tf)：在指定测试条件下（VCE=5V，IC=1mA，RL=1kΩ）通常各为 15 μs。

3. 性能曲线分析

3.1 红外发射器特性

数据手册提供了红外发射器组件的典型曲线。正向电流 vs. 正向电压曲线显示了非线性关系，这对于设计限流驱动电路至关重要。正向电流 vs. 环境温度曲线说明了随着环境温度升高，为防止过热，最大允许正向电流需要进行必要的降额。光谱分布曲线确认了在 940nm 处的峰值发射，这最有利于匹配光电晶体管的灵敏度并最小化环境可见光的干扰。

3.2 光电晶体管特性

光电晶体管的关键曲线是光谱灵敏度图。它显示了检测器在不同波长下的响应度，在 940nm 附近的近红外区域达到峰值。这种与红外发射器输出的精确光谱匹配确保了传感系统的高灵敏度和信噪比。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

ITR8102 采用标准的 4 引脚侧视封装。关键尺寸包括主体长度约 4.8mm，高度约 4.8mm，宽度约 3.2mm（不包括引脚）。引脚间距为 2.54mm（0.1 英寸）。除非另有说明，所有尺寸均以毫米为单位，一般公差为 ±0.3mm。引脚从黑色塑料外壳底部引出，该外壳作为光屏障，防止发射器和检测器之间的串扰。

4.2 极性识别

该元件采用标准引脚配置。从器件正面（有透镜开口的一侧）观察时，引脚通常从左到右排列如下：红外发射二极管阳极、红外发射二极管阴极、光电晶体管发射极、光电晶体管集电极。为确保电路连接正确，必须查阅封装图进行最终确认。

5. 焊接与组装指南

5.1 引脚成型

引脚必须在焊接前成型。弯曲点应距环氧树脂封装体底部大于 3mm，以避免应力引起的裂纹或性能下降。弯曲时必须牢固固定引线框架，以防止对环氧树脂球体施加应力。引脚切割应在室温下进行。

5.2 焊接工艺

推荐的焊接条件对可靠性至关重要。

• 手工焊接：烙铁头温度最高 300°C（针对 30W 烙铁），每个引脚焊接时间最长 3 秒。
• 波峰焊/浸焊：预热温度最高 100°C，最长 60 秒。焊锡槽温度最高 260°C，最长停留时间 5 秒。
• 关键距离：焊点必须距离环氧树脂球体至少 3mm，以防止热损伤。
• 工艺限制：浸焊或手工焊接不应超过一次。

提供了推荐的焊接温度曲线，强调受控的升温、峰值温度平台和受控的冷却阶段，以最小化热冲击。

5.3 清洁与存储

禁止使用超声波清洗，因为它可能损坏内部元件或环氧树脂密封。对于存储，器件应在发货后存放于 10-30°C 且相对湿度 ≤70% 的环境中，最长 3 个月。对于更长时间的存储（最长一年），建议使用氮气环境，温度 10-25°C，相对湿度 20-60%。打开防潮袋后，器件应在 24 小时内使用或立即重新密封。

6. 包装与订购信息

标准包装规格为每管 100 件，每盒 20 管，每箱 4 盒，总计每箱 8000 件。包装标签上包含客户零件号 (CPN)、制造商零件号 (P/N)、包装数量 (QTY) 和批号 (LOT No.) 字段，以便追溯。

7. 应用建议

7.1 典型应用场景

ITR8102 适用于各种非接触式感应和开关应用，包括但不限于：

• 打印机/扫描仪/复印机中的位置感应：检测纸张存在、托盘位置或打印头归位位置。
• 旋转编码：与开槽轮结合使用，测量电机、风扇或软盘驱动器中的速度或位置。
• 物体检测：检测自动售货机、工业自动化或安全系统中物体的存在与否。
• 非接触式开关：在消费电子产品或电器中实现非接触式开关。

7.2 设计注意事项

• 限流电阻：必须将一个外部电阻与红外发射二极管阳极串联，以将正向电流 (IF) 限制在所需值（例如，典型工作为 20mA），该值根据电源电压和红外发射二极管的正向电压 (VF) 计算得出。
• 光电晶体管偏置：在光电晶体管的集电极和正电源之间连接一个负载电阻 (RL)。RL 的值决定了输出电压摆幅和开关速度。典型值为 1kΩ。
• 抗环境光干扰：黑色外壳和 940nm 匹配波长对提供了良好的环境可见光抑制能力。对于高环境红外光环境，可能需要调制/解调技术。
• 孔径与间隙设计：感应距离和分辨率取决于阻断光束的物体的大小和对准情况。会聚光轴定义了一个特定的感应间隙。
• 热管理：根据降额曲线，在较高的环境温度下必须对正向电流进行降额，以确保输入功耗 (Pd) 不超过安全限值。

8. 技术对比与差异化

ITR8102 为通用光电断续应用提供了一套均衡的规格。其主要差异化特点包括相对较快的 15μs 响应时间，适用于中速感应；较高的最小集电极电流 (0.9mA)，确保强输出信号；以及紧凑、行业标准的封装。与反射式传感器相比，像 ITR8102 这样的断续器模块不受目标物体反射率变化的影响，因此提供了更高的可靠性和一致性。带有物理间隙的并排配置非常适合检测通过特定平面的物体。

9. 常见问题解答 (FAQ)

9.1 典型的感应距离或间隙是多少？

感应间隙由封装内部发射器和检测器透镜之间的机械间隔定义。对于 ITR8102，这是一个固定的内部间隙。该器件检测任何插入此间隙并阻断红外光束的不透明物体。有效的“感应距离”基本上为零，因为物体必须物理进入槽口。

9.2 我可以用电压源直接驱动红外发射二极管吗？

不可以。红外发射二极管是一种具有动态电阻和正向压降的二极管。将其直接连接到超过其 VF 的电压源将导致过大电流，可能损坏器件。必须串联一个限流电阻。

9.3 如何将光电晶体管输出连接到微控制器？

光电晶体管充当光控开关。当负载电阻 (RL) 连接到 VCC 时，光束未被阻挡（导通状态）时，集电极输出将被拉低（接近 VCE(sat)）。当光束被阻挡时，晶体管关闭，集电极输出变高（达到 VCC）。这个数字信号可以直接由微控制器的数字输入引脚读取。对于光强度的模拟感应，可以使用 ADC 测量 RL 两端的电压，但线性度可能有限。

9.4 为什么焊接距离（3mm）如此关键？

封装半导体芯片的环氧树脂对极端热应力敏感。焊接点距离主体太近会传递过多热量，可能导致环氧树脂开裂、损坏内部键合线或改变透镜的光学特性，从而导致立即失效或降低长期可靠性。

10. 实际设计案例

案例：桌面打印机中的缺纸传感器

在此应用中，ITR8102 安装在打印机的主板上，其感应间隙与纸堆通过的路径对齐。当纸张用尽时，连接到纸盘的机械杠杆或挡片会移动到传感器的间隙中。

电路实现：红外发射二极管通过一个 180Ω 串联电阻从打印机的 5V 逻辑电源获得恒定的 20mA 电流驱动（(5V - 1.25V)/20mA ≈ 187Ω，标准值 180Ω）。光电晶体管的集电极通过一个 4.7kΩ 上拉电阻连接到 5V 电源，同时也连接到打印机微控制器的一个 GPIO 引脚。

操作：当有纸时，挡片不在间隙内，光束未被阻断，光电晶体管导通，将集电极输出拉低。微控制器读取逻辑‘0’，表示有纸。当纸张用完时，挡片进入间隙，阻断光束。光电晶体管关闭，上拉电阻将集电极输出拉高。微控制器读取逻辑‘1’，在用户界面上触发“缺纸”警报。ITR8102 的快速响应时间确保了即时检测。

11. 工作原理

ITR8102 基于调制光传输和检测的原理工作。当以适当电流正向偏置时，内部红外发光二极管 (IRED) 以 940nm 的峰值波长发射光子。这些光子穿过外壳内一个小的、精确对准的气隙。位于红外发射二极管对面的硅光电晶体管对此特定波长敏感。当光子撞击光电晶体管的基区时，它们产生电子-空穴对，有效地产生基极电流，使晶体管导通，允许更大的集电极电流流动。该集电极电流与接收到的红外光强度成正比。当不透明物体进入间隙时，它会阻挡光子流，光电晶体管的基极电流降至接近零（暗电流），晶体管关闭。输出端这种明显的导通/关断电气状态直接对应于光路中物体的存在与否。

12. 技术趋势

光电断续器技术随着光电子学和制造业的进步而不断发展。趋势包括开发更小封装尺寸的器件，以实现消费电子产品和可穿戴设备的小型化。同时，也朝着更高开关速度发展，以支持更快的数据编码和高速工业自动化。集成附加功能，例如用于信号调理的内置施密特触发器或限流电阻，简化了电路设计。此外，成型材料和工艺的改进增强了环境鲁棒性，允许在更宽的温度和湿度范围内工作，适用于汽车和工业应用。其基本原理依然稳健，确保了光电断续器在可靠、非接触式位置和物体检测方面的持续相关性。