LTH-301-23P1 光电断续器数据手册 - 尺寸7.62mm - 电压1.6V - 功率60mW - 中文技术文档

1. 产品概述

LTH-301-23P1是一款紧凑型、通孔安装的光电断续器模块。它作为一种非接触式光学开关，采用一个红外发光二极管（IR LED）与一个光电晶体管配对工作。其核心原理是IR LED发射光线，由光电晶体管接收检测。当物体阻断发射器与检测器之间的光路时，光电晶体管的输出状态会发生改变，从而实现无需物理接触的精确位置感应、物体检测或限位开关功能。其主要优势包括开关速度快、非接触式操作可靠，以及适用于直接PCB或双列直插式插座安装的设计，使其成为打印机、复印机、自动售货机以及需要耐用性和精度的工业自动化等应用的理想选择。

2. 深入技术参数分析

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。不建议在达到或接近这些极限的条件下连续运行器件。

• 红外二极管连续正向电流 (I_F):50 mA。这是可以流经红外LED的最大稳态电流。
• 红外二极管反向电压 (V_R):5 V。超过LED两端的此反向偏置电压可能导致击穿。
• 晶体管集电极电流 (I_C):20 mA。光电晶体管集电极可承受的最大连续电流。
• 晶体管功耗 (P_D):在25°C时为75 mW，高于25°C时以1.33 mW/°C线性降额。这限制了光电晶体管产生的热量。
• 红外二极管峰值正向电流:1 A (脉冲宽度 = 10 µs, 300 pps)。允许短暂的高电流脉冲，适用于需要高瞬时光输出的应用。
• 二极管功耗 (P_D):在25°C时为60 mW，同样以1.33 mW/°C降额。这规定了IR LED的热极限。
• 光电晶体管集电极-发射极电压 (V_CEO):30 V。当晶体管关闭时，可施加在集电极和发射极之间的最大电压。
• 光电晶体管发射极-集电极电压 (V_ECO):5 V。集电极-发射极结两端的最大反向电压。
• 工作温度范围:-25°C 至 +85°C。器件可靠运行的环境温度范围。
• 存储温度范围:-55°C 至 +100°C。非工作状态下的存储温度范围。
• 引脚焊接温度:距离外壳1.6mm处，260°C下持续5秒。定义了回流焊或手工焊接的温度曲线，以防止封装损坏。

2.2 电气与光学特性

这些参数在标准测试条件下（T_A= 25°C）测量，定义了器件的典型性能。

2.2.1 输入LED特性

• 正向电压 (V_F):在 I_F= 20 mA 时，典型值为1.2V至1.6V。这是IR LED在标准测试电流驱动下的压降。必须根据此值和电源电压计算限流电阻。
• 反向电流 (I_R):在 V_R= 5V 时，最大为100 µA。这是LED反向偏置时的小漏电流。

2.2.2 输出光电晶体管特性

• 集电极-发射极击穿电压 (V_(BR)CEO):在 I_C= 1mA 时，最小为30V。此高击穿电压允许在集电极电路中使用更高的电源电压。
• 发射极-集电极击穿电压 (V_(BR)ECO):在 I_E= 100µA 时，最小为5V。
• 集电极-发射极暗电流 (I_CEO):在 V_CE= 10V 时，最大为100 nA。这是光电晶体管处于完全黑暗（无红外光）时的漏电流。对于传感应用中的良好信噪比，低暗电流至关重要。

2.2.3 耦合器（完整器件）特性

• 集电极-发射极饱和电压 (V_CE(SAT)):在 I_C= 0.2mA 且 I_F= 20mA 时，最大为0.4V。这是光电晶体管完全"导通"（饱和）时两端的电压。数值越低越好，因为它能最大限度地减少功率损耗。
• 导通状态集电极电流 (I_C(ON)):在 V_CE= 5V 且 I_F= 20mA 时，最小为0.4 mA。这规定了当IR LED被驱动且光路未被阻挡时产生的最小光电流。此参数直接关系到器件的灵敏度。
• 上升时间 (T_r):在测试条件下（I_C=2mA, R_L=1kΩ, V_CE=5V），典型值为25 µs。这是当IR LED开启时，光电晶体管输出从其最终值的10%过渡到90%所需的时间。
• 下降时间 (T_f):在相同条件下，典型值为26 µs。这是当IR LED关闭时的过渡时间。这些开关时间定义了器件能够可靠运行的最大频率。

3. 机械与封装信息

3.1 封装尺寸

该器件采用标准的4引脚双列直插式封装。数据手册中的关键尺寸说明包括：

• 所有尺寸均以毫米为单位提供，括号内为英寸。
• 除非特定特征说明另有规定，否则标准公差为±0.25mm（±0.010"）。
• 本体宽度约为7.62mm，引脚间距遵循标准的0.1英寸（2.54mm）网格图案，适用于通孔PCB安装。

该封装设计用于波峰焊或手工焊接工艺。数据手册中的尺寸图提供了PCB焊盘设计的关键尺寸，包括引脚直径、引脚间距（行与列之间）、本体长度和宽度，以及定义感应孔径的槽隙宽度。

3.2 引脚排列与极性识别

该器件有四个引脚。通常，两个引脚用于IR LED的阳极和阴极，另外两个用于光电晶体管的集电极和发射极。数据手册图纸标明了引脚1，这对于正确方向至关重要。IR LED是阳极驱动器件，光电晶体管是NPN型，其集电极应通过负载电阻连接到正电源，发射极接地。LED极性连接错误将导致其无法发光，光电晶体管连接错误将导致无输出信号。

4. 焊接与组装指南

数据手册规定了一个关键的焊接参数：引脚可承受260°C的温度，最长5秒，测量点距离塑料外壳1.6mm（0.063"）。此指南对于防止在波峰焊或手工焊接操作期间对内部半导体芯片和塑料封装材料造成热损伤至关重要。对于回流焊，应使用峰值温度不超过260°C且液相线以上时间（TAL）受控的标准温度曲线。建议遵循JEDEC或IPC标准进行通孔元件焊接。

5. 应用建议

5.1 典型应用电路

最常见的电路配置涉及使用恒流源或更简单地使用电压源串联一个限流电阻（R_limit）来驱动IR LED。R_limit= (V_CC- V_F) / I_F。对于5V电源和期望的I_F为20mA，假设V_F= 1.4V，则R_limit= (5 - 1.4) / 0.02 = 180 Ω。光电晶体管输出通常连接为开关：集电极通过上拉电阻（R_CCload_{）连接到V}，发射极接地。输出信号取自集电极节点。当光线照射到晶体管时，它导通，将集电极电压拉低（接近V_CE(SAT)）。当光路被阻挡时，晶体管关闭，集电极电压通过R_CCload_{被拉高至V}。R_load的值影响开关速度和电流消耗；较小的电阻提供更快的开关速度，但在"导通"状态下功耗更高。

5.2 设计考量

• 抗环境光干扰:由于该器件使用红外光，因此对可见环境光有一定的抗干扰能力。然而，强烈的红外辐射源（例如阳光、白炽灯泡）可能导致误触发。使用调制的红外信号和同步检测可以大大提高抗干扰性。
• 对准:发射器和检测器槽口之间的精确机械对准对于获得最大信号强度至关重要。PCB焊盘和安装应确保这种对准。
• 物体特性:阻断光束的物体应对所使用的红外波长不透明。反光或半透明材料可能无法可靠地触发传感器。
• 速度要求:上升和下降时间（约25 µs）将最大开关频率限制在大约1/(Tr+Tf) ≈ 20 kHz（对于方波），但实际限制更低以确保完全过渡。

6. 性能曲线分析

数据手册引用了"典型电气/光学特性曲线"部分。这些图表通常包含在此类文档中，直观地展示了关键参数如何随条件变化。预期的曲线包括：

• 正向电流 vs. 正向电压 (I_F-V_F):显示IR LED的指数关系，有助于确定非测试电流下的V_F。
• 集电极电流 vs. 集电极-发射极电压 (I_C-V_CE):以入射光强度（或LED驱动电流）为参数的光电晶体管曲线族，显示饱和区和有源区。
• 电流传输比 (CTR) vs. 正向电流:CTR = (I_C/ I_F) * 100%。此图显示了光耦合效率，通常在非常高的I_F.
• 导通状态集电极电流 vs. 温度 (I_C(ON)-T_A):说明光电晶体管的灵敏度如何随环境温度变化，通常在较高温度下会降低。
• 暗电流 vs. 温度 (I_CEO-T_A):显示漏电流随温度呈指数增长，这对于高温操作至关重要。

分析这些曲线有助于设计人员优化工作点，了解跨温度的性能权衡，并预测非标准条件下的行为。

7. 技术对比与差异化

与机械微动开关相比，LTH-301-23P1具有明显优势：无触点抖动，工作寿命更长（数百万次 vs. 数千次），不受灰尘或油污污染（因为是密封封装），以及更快的开关速度。与反射式光学传感器相比，像这样的透射式光电断续器提供更一致和可靠的检测，因为它们对目标物体的颜色或反射率不太敏感；它们只是检测槽口中物体的存在与否。此特定型号的关键差异化在于其标准通孔封装、稳健的电气额定值（30V V_CEO, 50mA I_F）和指定的开关速度之间的平衡，使其成为一种通用的多功能选择。

8. 常见问题解答 (FAQ)

问：典型的感应距离或槽隙宽度是多少？

答：感应"距离"实际上是封装中槽口的宽度。物体必须通过这个物理间隙才能阻断光束。数据手册尺寸图提供了精确的槽口宽度。

问：我能否直接从微控制器引脚驱动IR LED？

答：有可能，但您必须检查引脚的电流输出能力。典型的MCU引脚可以输出20-25mA，这与测试条件匹配。但是，您必须按照应用说明中的计算串联一个限流电阻。不加电阻驱动LED可能会损坏LED和MCU引脚。

问：如何将光电晶体管输出连接到微控制器？

答：最简单的方法是将光电晶体管用作数字输入。将集电极连接到MCU的数字I/O引脚（通常具有可启用的内部上拉电阻），并通过外部上拉电阻（例如，10kΩ）连接到V_CC。发射极接地。当光束未被阻断时，晶体管导通，将引脚拉为低电平。当光束被阻断时，引脚被拉为高电平。确保MCU的输入电压电平与V_CC used.

问：什么因素影响开关速度？

答：光电晶体管固有的上升/下降时间（约25µs）是主要限制。然而，电路因素会进一步减慢速度。大的负载电阻（R_L）会增加对任何寄生电容充电/放电的RC时间常数，从而减慢上升时间。同样，用过大电流驱动IR LED可能由于载流子存储效应导致关闭变慢。为了获得最大速度，请使用推荐的I_F和适度小的R_L.

9. 工作原理

光电断续器是一种透射式光电器件。它在单个封装中包含两个独立的组件：一个红外光源（IR LED）和一个光检测器（光电晶体管），它们通过一个小气隙或槽口相对放置。IR LED以适当的电流正向偏置，使其发射红外光子。这些光子穿过间隙并撞击NPN光电晶体管的基区。光子能量在基区产生电子-空穴对，有效地产生基极电流。这种光生基极电流被晶体管的增益放大，导致更大的集电极电流从集电极流向发射极，使晶体管"导通"。当不透明物体插入槽口时，它会阻断光路。基极电流的光生停止，晶体管不再被偏置导通，集电极电流降至非常低的值（暗电流），使晶体管"关闭"。这种开/关动作提供了一个对应于物体存在与否的清晰数字信号。

10. 包装与订购信息

型号为LTH-301-23P1。数据手册未指定批量包装细节（例如，卷带包装、管装数量）。对于生产，应咨询制造商或分销商的包装规格。"规格号" DS-55-96-0025 和文档代码 BNS-OD-C131/A4 是数据手册本身的内部参考。本文档修订版的生效日期为2000年08月03日。