LTH-209-01 反射式光电断续器数据手册 - 反射物体传感器 - 中文技术文档

1. 产品概述

LTH-209-01 是一款专为非接触式开关应用设计的反射式光电断续器模块。该光电器件将红外发射二极管和光电晶体管集成在一个紧凑的封装内。其主要功能是检测其感应间隙内是否存在反射物体。该模块设计用于直接安装在印刷电路板上或与双列直插式插座配合使用，为系统集成提供了灵活性。其核心优势包括非接触式操作（消除了机械磨损，确保了长期可靠性）以及适用于各种传感和计数任务的快速开关速度。目标市场包括需要精确、可靠物体检测的自动化设备、消费电子、安防系统和工业控制领域。

2. 深度技术参数分析

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。关键参数包括：

• 红外二极管连续正向电流（I_F）：最大 50 mA。这定义了可以持续通过红外 LED 的直流电流上限。
• 红外二极管反向电压（V_R）：最大 5 V。超过此反向偏置电压可能损坏 LED 结。
• 光电晶体管集电极电流（I_C）：最大 20 mA。这是输出晶体管可以吸收的最大连续电流。
• 光电晶体管集电极-发射极电压（V_CEO）：最大 30 V。这是可以施加在光电晶体管集电极和发射极引脚之间的最大电压。
• 工作温度范围：-35°C 至 +65°C。保证器件在此环境温度范围内符合规格运行。
• 引脚焊接温度：距离外壳 1.6mm 处，260°C 持续 5 秒。这对于波峰焊或回流焊工艺至关重要。

功率降额说明：对于环境温度高于 25°C 的情况，红外二极管（75 mW）和光电晶体管（100 mW）的最大功耗必须以 1.33 mW/°C 的速率线性降额。这对于热管理和长期可靠性至关重要。

2.2 电气与光学特性

这些参数在环境温度（T_A）为 25°C 时规定，定义了器件的典型性能。

2.2.1 输入红外二极管特性

• 正向电压（V_F）：在正向电流（I_F）为 20 mA 时，典型值为 1.2V 至 1.6V。此参数对于设计 LED 的限流驱动电路至关重要。
• 反向电流（I_R）：在反向电压（V_R）为 5V 时，最大 100 µA。低反向电流表明结质量良好。

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 30V。此高击穿电压允许在输出电路中使用更高的上拉电压。
• 集电极-发射极暗电流（I_CEO）：在 V_CE=10V 时，最大 100 nA。这是红外二极管关闭（无光照）时的漏电流。低暗电流对于获得良好的信噪比至关重要，尤其是在弱光或高增益应用中。

2.2.3 耦合器（系统）特性

这些参数描述了完整传感器系统（红外 LED + 光电晶体管）的性能。

• 集电极-发射极饱和电压（V_CE(SAT)）：在 I_C=0.08mA 且 I_F=20mA 时，最大 0.4V。此低饱和电压表明光电晶体管可以作为一个高效的开关，激活时将输出拉近至地电平。
• 导通状态集电极电流（I_C(ON)）：在 V_CE=5V 且 I_F=20mA 时，最小 0.16 mA。测试条件：此关键参数是在将标准反射面（90% 漫反射白纸）置于距离传感器表面 3.81 mm（0.15 英寸）处测量的。此标准化距离和表面定义了器件规定性能的“感应间隙”和“最小可检测反射率”。

3. 机械与封装信息

3.1 封装尺寸

LTH-209-01 采用标准的 4 引脚 DIP（双列直插式封装）外壳。除非尺寸图上另有说明，所有尺寸均以毫米为单位，默认公差为 ±0.25mm。该封装设计用于通孔 PCB 安装。精确的尺寸图（包括主体长度、宽度、高度、引脚间距和引脚直径）对于 PCB 焊盘设计和最终产品外壳的机械集成至关重要。

3.2 引脚排列与极性识别

该器件有四个引脚。通常，两个引脚用于红外发射二极管的阳极和阴极，另外两个用于 NPN 光电晶体管的集电极和发射极。正确识别对于防止损坏至关重要。必须查阅数据手册的引脚排列图。封装通常包含一个凹口、圆点或斜边来指示引脚 1。红外二极管具有极性敏感性，光电晶体管的集电极和发射极必须正确连接才能实现正常的开关操作。

4. 焊接与组装指南

手工焊接：使用温控烙铁。绝对最大额定值规定，在距离塑料外壳 1.6mm 处测量时，引脚可承受 260°C 持续 5 秒。建议使用尽可能低的温度和最短的时间来形成可靠的焊点，以最大限度地减少对内部元件和塑料外壳的热应力。

波峰焊：可行，但必须严格遵守相同的温度/时间曲线（距离外壳 1.6mm 处，260°C 持续 5 秒）。建议进行预热以减少热冲击。

清洗：如果焊接后需要清洗，请使用与器件塑料材料兼容的方法和溶剂，以避免光学窗口开裂或变浑浊。

储存条件：在规定的储存温度范围 -40°C 至 +100°C 内的环境中储存。建议将器件保存在其原始的防潮袋中直至使用，以防止光学表面污染。

5. 应用建议

5.1 典型应用电路

最常见的电路配置是将 LTH-209-01 用作数字开关。红外二极管由来自电压源（例如 5V）的恒流源或限流电阻驱动。根据测试条件，通常使用 20mA 的 I_F。光电晶体管以共发射极配置连接：集电极通过上拉电阻（R_CC）连接到电源电压（V_L，最高 30V），发射极接地。输出信号取自集电极节点。当没有反射物体时，光电晶体管关闭（高电平输出）。当反射物体进入感应间隙时，红外光反射到光电晶体管上，使其导通并将输出拉低。

5.2 设计考量与最佳实践

• 选择上拉电阻（R_L）：R_L的值决定了输出电流和电压摆幅。必须根据所需的 I_C(ON)和负载的输入特性（例如微控制器的 GPIO）来选择。较小的 R_L提供更快的开关速度和更好的抗噪性，但功耗更高。确保 I_C不超过 20mA：R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20mA。
• 最小化电气噪声：在器件的电源引脚附近放置一个旁路电容（例如 0.1µF）。保持信号走线（尤其是光电晶体管输出线）短小，以减少对电磁干扰的敏感性。
• 光学考量：感应性能取决于目标物体的反射率、颜色和距离。规定的 I_C(ON)是针对 3.81mm 处 90% 反射率的白色表面。颜色较深或距离较远的物体将产生较小的输出信号。为获得一致的操作，请相应地设计系统的检测阈值（例如比较器的参考电压）。避免环境光源（尤其是富含红外线的阳光或白炽灯）直接照射传感器的孔径，因为这可能导致误触发。在高环境光环境中，可以使用调制的红外信号和同步检测。
• 机械对准：确保目标物体的路径一致，并在最佳感应间隙（大约在规定的 3.81mm 附近）内通过，以实现可靠的检测。

6. 技术对比与差异化

LTH-209-01 作为反射式光电断续器，与其他类型的光电传感器不同：

• 与透射式光电断续器（槽型光耦）对比：透射式在发射器和检测器之间有物理间隙；当物体阻挡光路时被检测到。像 LTH-209-01 这样的反射式则在物体将光反射回来时检测物体。反射式传感器通常安装更简单，因为它们只需要从一侧接触，但其性能更依赖于物体的表面特性。
• 与光电逻辑传感器对比：一些光电断续器内置逻辑电路（施密特触发器、放大器）以提供干净的数字输出。LTH-209-01 提供简单的模拟光电晶体管输出，提供了更大的灵活性，但需要外部电路（如比较器）在嘈杂环境中生成稳健的数字信号。
• 本型号的关键优势：相对较高的集电极-发射极击穿电压（30V）、低饱和电压以及标准化的灵敏度测试条件相结合，为通用反射式传感应用提供了良好的平衡。

7. 常见问题解答

Q1：检测物体的最佳距离是多少？

A1：数据手册规定目标物在 3.81mm（0.15 英寸）处的导通状态电流（I_C(ON)）。这是标准化的测试距离。实际的最佳距离取决于目标的反射率。对于高反射率目标，检测可能在稍远的距离上有效。为了可靠的设计，请使用 3.81mm 作为标称工作点。

Q2：我可以用电压源直接驱动红外 LED 吗？

A2：不行。红外 LED 和所有二极管一样，必须采用电流驱动。将其直接连接到电压源会导致电流过大，可能损坏器件。务必使用串联限流电阻。电阻值计算公式为 R = (V_电源- V_F) / I_F。对于 5V 电源，V_F=1.4V，I_F=20mA：R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 欧姆。

Q3：为什么我的输出信号不稳定或有噪声？

A3：常见原因包括：1) 上拉电阻值不足导致上升时间缓慢，2) 长输出走线上的电气噪声拾取（使用旁路电容并缩短走线），3) 环境红外光干扰（屏蔽传感器或使用调制），4) 目标物体反射率变化或距离不一致。

Q4：“线性降额 1.33 mW/°C”的说明是什么意思？

A4：这是一条热降额规则。最大允许功耗（二极管为 75 mW，晶体管为 100 mW）是在 25°C 下规定的。环境温度每升高 1°C（高于 25°C），您必须将最大允许功耗降低 1.33 mW。例如，在 65°C（比 25°C 高 40°C）时，晶体管降额后的最大功率为 100 mW - (40 * 1.33 mW) = 100 - 53.2 = 46.8 mW。

8. 实际应用案例分析

场景：打印机中的纸张检测。

LTH-209-01 可用于检测纸张在打印机机构中进纸时的前缘。传感器安装在主板上，其感应面朝向纸张路径。反射条或纸张本身（如果反射率足够）作为目标。当没有纸张时，输出为高电平。当纸张边缘经过传感器下方时，反射的红外光激活光电晶体管，将输出拉低。此数字信号告知打印机的微控制器纸张的位置，使其能够精确控制打印时序。这里的关键设计点包括：选择上拉电阻以与 MCU 的 3.3V 或 5V 逻辑干净地接口；确保纸张路径机械稳定以维持正确的感应间隙；以及可能在输出端添加简单的 RC 滤波器以消除由纸张纹理引起的信号抖动。

9. 工作原理

LTH-209-01 基于调制光反射和光电转换的原理工作。内部，一个红外发光二极管发射波长通常在 940nm 左右的光，该光对人眼不可见。此光从器件的前部射出。当一个具有适当反射率的物体进入视场并处于有效范围内时，一部分发射的红外辐射从物体表面反射回器件。在同一封装内与红外 LED 相邻放置的硅 NPN 光电晶体管接收此反射光。入射到光电晶体管基极区域的光子产生电子-空穴对，有效地产生基极电流。此光生基极电流被晶体管的增益放大，从而产生可以在外部测量的更大的集电极电流。集电极电流的这种变化（从非常低的暗电流到规定的 I_C(ON)）是基本的检测机制。因此，该器件将光学事件（反射物体的存在）转换为电信号。

10. 行业趋势与背景

像 LTH-209-01 这样的反射式光电断续器代表了更广泛的光电传感器市场中一项成熟且可靠的技术。该领域的一般趋势是小型化、集成度提高和功能增强。较新的器件可能采用表面贴装封装以适应自动化组装、功耗更低，并内置提供数字输出或模拟输出的信号调理 IC。此外，还趋向于使用特定波长或加入光学滤波器以提高对环境光的抗干扰能力。同时，材料和封装技术的发展持续改善了这些元件的温度范围、耐湿性和长期稳定性。尽管存在更先进的替代方案，但对于无数非接触式检测应用而言，通孔、分立式光电晶体管输出的反射式传感器仍然是一种成本效益高且用途广泛的解决方案，尤其是在简单性、鲁棒性和经过验证的性能至关重要的场合。