ITR20403 光电断续器规格书 - 封装 4.0x3.0x2.0mm - 正向电压 1.6V - 功耗 75mW - 红外 940nm - 中文技术文档

1. 产品概述

ITR20403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）和一个硅光电晶体管集成在一个小型黑色热塑性塑料外壳内。该器件的主要功能是检测其发射器和接收器组件之间红外光束的中断。

1.1 核心优势与目标市场

该器件具备多项关键优势，使其适用于精密应用。其快速响应时间和高灵敏度能够可靠地检测快速移动的物体。轻薄小巧的封装便于集成到空间受限的设计中，这在消费电子和办公自动化设备中很常见。一个重要的技术特点是其外壳设计，使得光电晶体管主要接收来自集成红外LED的辐射，从而最大限度地减少环境光源的干扰和噪声。主要目标市场包括成像设备、文档处理系统以及各种需要精确位置或存在检测的自动化控制装置。

2. 深入技术参数分析

本节对规格书中定义的器件电气、光学和热学规格进行详细、客观的解读。

2.1 绝对最大额定值

绝对最大额定值定义了可能导致器件永久损坏的应力极限。这些并非推荐的工作条件。

• 输入（IRED）功耗（Pd）：在自由空气温度等于或低于25°C时，最大值为75 mW。超过此限制可能导致LED芯片热损坏。
• 输入反向电压（VR）：最大5 V。施加更高的反向电压可能导致结击穿。
• 连续正向电流（IF）：最大50 mA。这是IRED能够承受的最高直流电流。
• 输出（光电晶体管）功耗（Pd）：在自由空气温度等于或低于25°C时，最大值为75 mW。
• 集电极电流（IC）：光电晶体管输出最大20 mA。
• 集电极-发射极电压（BV_CEO）：最大30 V。这是基极开路时的击穿电压。
• 工作温度（T_opr）：-25°C 至 +80°C。保证器件在此环境温度范围内正常工作。
• 存储温度（T_stg）：-40°C 至 +85°C。
• 引脚焊接温度（T_sol）：距离封装本体3mm处测量，最高260°C，持续5秒。这对于组装工艺控制至关重要。

2.2 光电特性

这些参数在标准测试条件（Ta=25°C）下测量，代表器件的典型性能。

• 正向电压（V_F）：典型值1.23V，在I_F=20mA时最大1.6V。此参数对于设计IRED的限流驱动电路至关重要。
• 峰值波长（λ_P）：940 nm。这是发射的红外光标称波长，与接收光电晶体管的峰值灵敏度相匹配。
• 集电极暗电流（I_CEO）：在V_CE=20V且无光照时，最大100 nA。此漏电流决定了传感器在“关断”状态下的噪声基底。
• 集电极-发射极饱和电压（V_CE(sat)）：在I_C=2mA且辐照度（E_e）为1 mW/cm²时，最大0.4V。对于数字开关应用，低饱和电压是理想的。
• 导通集电极电流（I_C(on)）：在V_CE=5V和I_F=20mA的测试条件下，范围从最小0.2 mA到最大5.0 mA。此宽范围表明器件间电流传输比（CTR）存在差异，必须在电路设计中予以考虑。
• 上升/下降时间（t_r, t_f）：在指定的开关条件下，通常各为15 μs。这定义了器件可实现的最大开关频率。

3. 性能曲线分析

规格书包含典型特性曲线，有助于了解器件在不同条件下的行为。

3.1 正向电流与环境温度关系

此曲线说明了随着环境温度升高，IRED正向电流所需的降额。为防止超过最高结温并确保长期可靠性，当器件在高温环境中使用时，必须降低工作电流。设计人员必须参考此图，以确定其特定应用最高环境温度下的安全工作电流。

3.2 光谱灵敏度

分别提供了红外发射器和光电晶体管的光谱灵敏度曲线。IRED曲线显示了相对辐射强度与波长的关系，峰值在940 nm。光电晶体管曲线显示了其相对响应与入射光波长的关系，其峰值设计为与发射器的输出对齐。这种狭窄且匹配的响应最大限度地降低了对可见环境光的敏感性，这是在变化光照条件下稳定运行的关键特性。

3.3 正向电流与正向电压关系

IRED的这条IV曲线显示了正向电压与电流之间的非线性关系。这对于选择合适的限流方案（例如电阻、恒流源）至关重要，以确保在工作温度范围内和生产差异下保持稳定的红外输出。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

器件封装在紧凑的外壳中。关键尺寸包括本体宽度约4.0 mm，深度3.0 mm，高度2.0 mm。引脚间距为2.54 mm（0.1英寸），这是通孔PCB安装的标准间距。除非另有说明，所有尺寸公差为±0.25 mm。引脚尺寸在从封装本体伸出处测量。

4.2 极性识别与安装

该元件有四个引脚。此类光电断续器的标准惯例是，一侧的两个引脚属于红外发射器（阳极和阴极），另一侧的两个引脚属于光电晶体管（发射极和集电极）。确切的引脚排列必须从封装图中核实。安装时，PCB孔必须与引脚位置精确对齐，以避免在插入过程中对环氧树脂本体施加机械应力，否则可能导致性能下降或故障。

5. 焊接与组装指南

正确处理对于保持器件的完整性和性能至关重要。

5.1 引脚成型

如果需要弯曲引脚，必须在焊接前进行。弯曲点应距离环氧树脂封装本体底部大于3 mm。弯曲时必须牢固固定引线框架，以防止应力传递到脆弱的环氧树脂泡壳，否则可能导致开裂或内部损坏。引脚切割应在室温下进行。

5.2 焊接工艺

焊点与环氧树脂泡壳之间必须保持至少3 mm的距离。推荐条件如下：

• 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，停留时间最长5秒。

避免在器件处于高温时对其引脚施加任何机械应力。浸焊或手工焊接不应重复进行。焊接后，在器件恢复到室温之前，应保护其免受机械冲击或振动。不推荐快速冷却工艺。

5.3 清洁与存储

禁止使用超声波清洁，因为高频振动可能损坏内部元件或环氧树脂密封。对于存储，器件在发货后应在10-30°C和70% RH或更低的条件下存放最多3个月。对于更长时间的存储（最多一年），建议使用氮气气氛的密封容器，温度10-25°C，湿度20-60%。打开防潮包装后，器件应在24小时内或尽快使用，剩余元件应及时重新密封。

6. 包装与订购信息

标准包装规格为每管120件，每盒96管，每箱2盒。包装标签包含客户部件号（CPN）、制造商部件号（P/N）、包装数量（QTY）、参考号（REF）和批号（LOT No.）等字段。

7. 应用建议

7.1 典型应用场景

• 打印机/复印机/扫描仪中的纸张检测：检测纸张是否存在、卡纸或文档的前沿/后沿。
• 相机中的镜头盖或滤光片位置检测：感应镜头盖是否盖上或滤光片轮是否处于正确位置。
• 非接触式限位传感：用于扫描仪、绘图仪或自动化平台，以无物理接触的方式检测原点或极限位置。
• 物体计数或分拣：检测传送带上阻断红外光束的物体。
• 旋转编码器盘片传感：读取旋转盘片上的狭缝以测量速度或位置（尽管专用的编码器模块通常更适合高分辨率任务）。

7.2 设计考量与电路接口

使用ITR20403进行设计时，必须考虑以下几个因素：

1. IRED的限流：必须根据电源电压（V_CC）、所需正向电流（I_F，通常为20mA以获得额定输出）和正向压降（V_F~1.23V）计算串联电阻。R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. 输出接口电路：光电晶体管可用于两种常见配置：
   • 开关模式：通过一个上拉电阻（例如1kΩ至10kΩ）将集电极连接到V_CC。发射极接地。当光束未被阻断时（晶体管导通），集电极输出为低电平（接近V_CE(sat)）；当光束被阻断时（晶体管截止），输出为高电平（V_CC）。
   • 模拟模式：光电晶体管可用于共发射极配置，配合集电极电阻产生与光强成比例的电压。然而，与带有运放电路的光电二极管相比，其非线性响应和温度依赖性使其不太适合精确的模拟测量。
3. 抗噪性：尽管对环境光有抵抗力，电路仍可能拾取电噪声。建议在器件电源引脚附近使用旁路电容（0.1 μF）并仔细进行PCB布局。对于长电缆或嘈杂环境，屏蔽或使用输出驱动施密特触发器输入可以提高可靠性。
4. 孔径与狭缝设计：阻断光束的物体应对红外光不透明。检测的分辨率和可重复性取决于物体宽度相对于器件外壳中狭缝宽度的比例。对于边缘检测，具有锋利边缘的叶片或挡片可提供最精确的时序。

8. 技术对比与差异化

ITR20403主要通过其紧凑、轻薄的外形尺寸实现差异化，这在小型化消费电子产品中具有优势。其15 μs的快速响应时间适合检测中高速事件。光谱匹配发射器和接收器的集成外壳提供了固有的环境光抑制功能，与使用分立元件相比，这一特性简化了设计。与反射式物体传感器相比，断续器提供更高的位置精度，并且对目标物体的颜色或反射率不太敏感。与具有更宽间隙的槽式光电开关相比，此器件的窄间隙允许检测更小的物体或实现更精确的边缘检测。

9. 常见问题解答（基于技术参数）

9.1 红外LED的典型工作电流是多少？

光电特性在I_F= 20 mA下测试，这是实现规定导通集电极电流的常见且推荐的工作点。电路设计必须确保不超过50 mA的绝对最大额定值。

9.2 为何导通集电极电流的范围（0.2mA至5.0mA）如此之宽？

此范围代表了器件间电流传输比（CTR）的差异，即光电晶体管输出电流（I_C）与IRED输入电流（I_F）的比值。这种差异是光耦合器和断续器制造过程中固有的。电路必须设计为能够在规定的最小I_C(on)（0.2mA）下正常工作，以确保所有生产单元的可靠性。

9.3 此传感器能否用于户外？

尽管外壳提供了良好的环境光抑制能力，但直射阳光包含大量可能使传感器饱和的红外辐射。对于户外使用，需要额外的光学滤波、屏蔽或采用同步检测的脉冲操作才能获得可靠的性能。工作温度范围（-25°C至+80°C）也限制了其在极端环境中的应用。

9.4 物体需要多近才能阻断光束？

该器件具有狭窄、聚焦的间隙。物体需要物理上通过发射器和检测器之间的狭缝。它不具备“接近”感应能力；光束必须被完全遮挡，输出状态才能可靠地改变。

10. 设计使用案例研究

场景：桌面打印机中的缺纸传感器。

实施方案：ITR20403安装在打印机的进纸路径上。一个连接到弹簧的杠杆或挡片在无纸时停留在传感器的狭缝中。当送入纸张时，纸张将挡片推出狭缝，使红外光束通过并使光电晶体管导通。

电路设计：IRED通过一个限流电阻由打印机的5V逻辑电源以20mA驱动。光电晶体管集电极通过一个4.7kΩ上拉电阻连接到3.3V微控制器输入引脚。发射极接地。

软件逻辑：微控制器引脚配置为数字输入。低电平读数表示光束未被阻断（挡片移出，有纸）。高电平读数表示光束被阻断（挡片在槽内，无纸），从而向用户触发“缺纸”警报。添加了去抖动逻辑（例如在软件中）以忽略挡片的机械振动。

此案例的关键考量：挡片机构必须设计得能够可靠且完全地进入传感器狭缝。弹簧必须提供足够的力以确保正确定位，但又不能过大以免损坏纸张或导致传感器磨损。传感器的位置必须牢固固定以保持对准。

11. 工作原理

ITR20403基于调制光传输和检测的原理工作。红外发光二极管（IRED）被恒定的正向电流偏置，使其以940 nm的峰值波长发射光子。在同一外壳内，正对面是一个硅NPN光电晶体管。当红外光束无障碍地穿过间隙时，它照射到光电晶体管的基区。被吸收的光子产生电子-空穴对，这些电子-空穴对充当基极电流，使晶体管导通，并允许集电极电流（I_C）流动，该电流与光强成正比。当不透明物体进入间隙时，它会阻断光束，光生基极电流停止，晶体管截止。输出电路将此导通/截止状态变化转换为可用的电信号。黑色热塑性塑料外壳用于容纳光路，防止光学串扰，并阻挡大部分环境可见光，这些可见光的光子通常没有足够的能量被硅光电晶体管的带隙吸收，从而提供了固有的光学滤波。

12. 技术趋势

像ITR20403这样的光电断续器代表了一种成熟可靠的技术。该领域当前的趋势集中在几个方面：进一步小型化以集成到更小的便携式和可穿戴设备中；开发具有改进回流焊兼容性的表面贴装器件（SMD）版本，以适应自动化组装；提高开关速度以支持编码器应用或更快的机器中的更高数据速率；以及增强对高温、湿度和污染等环境因素的鲁棒性。还有一个趋势是集成附加功能，例如输出端内置施密特触发器以实现迟滞，甚至数字接口（I2C、SPI）以实现更智能、可寻址的传感器模块。然而，如ITR20403所示的基本通孔分立元件设计，在其性能和外形尺寸足够满足要求的应用中，仍然具有很高的成本效益并被广泛使用。