LTH-872-N55H 槽型光电断路器规格书 - 槽宽4.0mm - 电压5V - 中文技术文档

1. 产品概述

LTH-872-N55H是一款槽型光电断路器，这是一种用于非接触式传感与开关应用的基础光电元件。它将一个红外发光二极管（LED）和一个光电晶体管集成在同一个外壳内，两者之间由一个物理间隙或凹槽隔开。其核心工作原理非常直观：当物体穿过此凹槽时，它会阻断从发射器到探测器的红外光束，从而导致光电晶体管的输出状态发生相应变化。这种简单而可靠的机制，使其成为无需物理接触即可检测物体的存在、缺失、位置或速度的理想解决方案。

该器件设计用于直接安装在印刷电路板上或插入标准的双列直插式插座，为组装和原型制作提供了灵活性。其主要优势包括高可靠性、快速开关速度以及由于没有易磨损的机械触点而带来的长使用寿命。其典型应用广泛覆盖办公自动化和工业设备领域，包括但不限于打印机、复印机、扫描仪、传真机以及各种需要精确物体检测的自动化系统。

1.1 核心特性

• 非接触式开关：消除了机械磨损，确保高可靠性和长使用寿命。
• 灵活的安装方式：兼容直接PCB焊接或标准双列直插式插座，便于轻松集成到各种电路设计中。
• 快速响应时间：能够检测高速事件，适用于需要快速感应的应用，例如打印机中的进纸检测或旋转编码器系统。

2. 技术参数：深入客观解读

规格书提供了定义器件在标准条件下工作极限和性能的关键参数。理解这些参数对于正确的电路设计和确保长期可靠性至关重要。

2.1 绝对最大额定值

这些额定值规定了器件的应力极限，若超出可能导致永久性损坏。它们并非正常工作条件。

• 输入LED：
  • 功耗（P_D）：最大75 mW。这是LED能够安全耗散为热量的总功率。
  • 连续正向电流（I_F）：最大50 mA。驱动LED的连续电流不应超过此值。
  • 反向电压（V_R）：最大5 V。施加高于此值的反向电压可能导致LED结击穿。
• 输出光电晶体管：
  • 功耗（P_D）：光电晶体管最大100 mW。
  • 集电极-发射极电压（V_CEO）：最大30 V。这是当基极（光输入）开路时，可以施加在集电极和发射极之间的最大电压。
  • 发射极-集电极电压（V_ECO）：最大5 V，这是集电极-发射极结的反向电压额定值。
  • 集电极电流（I_C）：最大20 mA。流经光电晶体管的负载电流必须保持在此限值以下。
• 环境条件：
  • 工作温度范围（T_A）：-25°C 至 +85°C。保证器件在此环境温度范围内符合规格运行。
  • 储存温度范围（T_stg）：-40°C 至 +100°C。
  • 引脚焊接温度：在引脚形态为1.6mm（0.063英寸）的情况下，最大260°C持续5秒。这对于回流焊或波峰焊工艺至关重要。

2.2 电气与光学特性

这些参数定义了器件在环境温度（T_A）为25°C的典型工作条件下的性能。

• 输入LED特性：
  • 正向电压（V_F）：典型值1.2V，在正向电流（I_F）为20 mA时最大1.6V。此参数用于计算LED驱动电路的限流电阻值：R = (V_CC- V_F) / I_F.
  • 反向电流（I_R）：在反向电压（V_R）为5V时最大100 µA，表示LED反向偏置时的漏电流。
• 输出光电晶体管特性：
  • 集电极-发射极暗电流（I_CEO）：在V_CE= 10V时最大100 nA。这是LED关闭（无光照射到光电晶体管上）时的漏电流。低暗电流对于获得良好的信噪比是可取的，尤其是在弱光或高增益应用中。
• 耦合器（系统）特性：
  • 集电极-发射极饱和电压（V_CE(SAT)）：当光电晶体管完全导通时（I_C= 0.25 mA，I_F= 20 mA）最大0.4V。当输出用于驱动逻辑输入或其他低压电路时，低饱和电压至关重要，因为它定义了逻辑“低”电平。
  • 导通状态集电极电流（I_C(ON)）：在V_CE= 5V且I_F= 20 mA时，最小2.0 mA。这是在LED以其典型电流驱动且光束未被遮挡时保证的最小输出电流。当以比率I_C/I_F表示时，此参数通常称为“电流传输比”（CTR），它定义了耦合器的灵敏度。此处，最小CTR为（2.0 mA / 20 mA）= 0.1 或 10%。
  • 响应时间：
    • 上升时间（T_r）：典型值3 µs，最大值15 µs。这是当输入LED开启时，输出从其最终值的10%过渡到90%所需的时间。
    • 下降时间（T_f）：典型值4 µs，最大值20 µs。这是当输入LED关闭时，输出从其最终值的90%过渡到10%所需的时间。这些快速的开关速度使其能够检测快速移动的物体。

3. 机械与封装信息

LTH-872-N55H采用标准的通孔封装，设计用于轻松集成到PCB上。

3.1 外形尺寸

规格书提供了详细的机械图纸。关键尺寸包括决定可检测物体尺寸的整体槽宽，以及用于PCB布局的引脚间距。除非另有说明，所有尺寸均以毫米（mm）为单位，标准公差为±0.25 mm。图纸通常显示顶视图、侧视图和引脚标识（发射极阳极、发射极阴极、集电极、发射极）。

3.2 极性识别与引脚排列

正确的极性对于器件工作至关重要。封装上通常有标记或特定的引脚形状（通常是平面或凹口）来标识引脚1。对于4引脚光电断路器，标准引脚排列为：引脚1 - 红外LED阳极，引脚2 - 红外LED阴极，引脚3 - 光电晶体管发射极，引脚4 - 光电晶体管集电极。在设计PCB封装之前，请务必参考规格书图表以确认LTH-872-N55H的确切引脚分配。

4. 焊接与组装指南

4.1 焊接工艺

该器件的引脚最大焊接温度额定值为260°C持续5秒。此规格对于波峰焊或回流焊工艺至关重要。超过此温度或时间可能损坏内部半导体结或塑料外壳。建议遵循IPC关于通孔元件焊接的标准指南。

4.2 操作与储存

虽然提供的摘录中没有明确详述，但通用最佳实践适用：在规定的储存温度范围（-40°C至+100°C）内，将元件储存在干燥、防静电的环境中。焊接前避免将器件暴露在过度潮湿的环境中，以防止回流焊过程中出现“爆米花”现象，尽管这对于表面贴装器件更为关键。

5. 应用建议与设计考量

5.1 典型应用电路

最常见的配置是将光电断路器用作数字开关。一个简单的电路包括：
1. LED驱动器：将一个限流电阻与红外LED串联后连接到电压源（例如5V）。设置电阻值以达到所需的I_F（例如20 mA）。示例：R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω（可使用标准200Ω电阻）。
2. 光电晶体管输出：将一个上拉电阻（R_L）从光电晶体管的集电极连接到电压源（例如5V）。发射极接地。当光路畅通时，光电晶体管导通，将集电极电压（输出）拉低。当光束被阻挡时，光电晶体管关闭，上拉电阻将输出拉高。R_L的值会影响开关速度和电流消耗；较低的值提供更快的速度但功耗更高。规格书中的测试条件使用R_L= 100Ω。

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，强烈的红外光源（阳光、某些灯具）可能造成干扰。使用调制的LED信号和相应的解调电路可以大大增强抗噪能力。
• 对准：发射器和探测器必须精确对准凹槽两侧。机械外壳确保了这种对准，但PCB设计必须正确放置元件。
• 物体特性：阻挡光束的物体应对红外光不透明。透明或高反射率的材料可能无法被可靠检测。
• 去抖动：在机械系统中（例如检测斩波轮），当物体进入或离开凹槽时，输出信号可能出现抖动。应采用软件或硬件去抖动技术以获得干净的数字信号。

6. 性能曲线分析

规格书提到了“典型电气/光学特性曲线”。虽然摘录中没有提供具体曲线，但此类器件的典型图表包括：

• 正向电流 vs. 正向电压（I_F-V_F）：显示红外LED的非线性关系，对于驱动器设计很重要。
• 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I_F）为参数的一系列曲线，类似于晶体管的输出特性。
• 电流传输比（CTR） vs. 正向电流（I_F）：显示灵敏度如何随LED驱动电流变化。
• 电流传输比（CTR） vs. 环境温度：一条关键曲线，显示CTR通常随温度升高而降低。设计者必须在最高工作温度下确保足够的余量，以保证所需的最小I_C(ON).
• 响应时间 vs. 负载电阻（R_L）：说明了开关速度与功耗之间的权衡。

7. 技术对比与差异化

与机械微动开关相比，LTH-872-N55H由于采用非接触式操作，具有更长的预期寿命和更高的可靠性，且不受触点弹跳影响。与反射式传感器相比，槽型光电断路器提供更精确和一致的检测，因为它们对目标物体的颜色、纹理或反射率不太敏感；它们只是简单地检测光束的物理中断。光电断路器之间的关键区别通常在于凹槽尺寸、灵敏度（CTR）、响应速度和封装类型（通孔 vs. 表面贴装）。

8. 常见问题解答（基于技术参数）

问：如果我以超过50 mA的电流驱动LED会怎样？
答：超过连续正向电流的绝对最大额定值可能导致过热，导致LED光输出加速退化或灾难性故障。务必使用限流电阻。

问：我的输出信号有噪声。可能是什么原因？
答：潜在原因包括电源线上的电气噪声、环境光干扰（尤其是工作在50/60 Hz的荧光灯），或者负载电阻值过高，导致节点呈现高阻抗而易受噪声影响。确保电源稳定，考虑屏蔽，使用较低的上拉电阻，或实施信号调制/解调。

问：器件在室温下工作正常，但我的系统升温后就失效了。为什么？
答：光电晶体管的灵敏度（CTR）随温度升高而降低。您可能在25°C时以最小余量工作。请使用最小I_C(ON)规格并考虑典型的CTR vs. 温度曲线重新评估您的设计。您可能需要增加LED驱动电流（在限值内），或者使用在高温下保证具有更高CTR的光电晶体管。

问：我可以用这个来检测透明物体吗？
答：通常不行。标准的红外光电断路器要求物体对发射的红外波长（通常约为940 nm）不透明。透明塑料或玻璃可能允许足够的红外光通过，从而无法可靠检测。检测透明材料需要不同波长或检测原理的特殊传感器。

9. 实际用例示例

应用：桌面打印机中的卡纸检测。
实现方式：将LTH-872-N55H沿纸张路径安装，纸张从其凹槽中穿过。微控制器的GPIO引脚通过限流电阻驱动LED。另一个配置了内部上拉电阻的GPIO引脚读取光电晶体管集电极的状态。在正常操作期间，纸张中断光束，输出处于一种逻辑状态（例如高电平）。如果发生卡纸，纸张要么保持卡住（持续中断光束），要么未能到达传感器（光束未被中断），导致输出长时间处于意外状态。微控制器固件监控此信号，如果违反预期的时序序列，则触发“卡纸”错误信息。传感器的快速响应时间确保即使纸张之间的微小间隙也能被检测到，从而实现精确的进纸监控。

10. 工作原理介绍

光电断路器基于光电转换与中断的原理工作。其内部对齐安装了两个分立元件：一个红外发光二极管（IR LED）和一个硅光电晶体管。IR LED作为光源。当被外部电流正向偏置时，它会发射不可见的红外光子。光电晶体管作为光探测器。其基区对光敏感。当来自LED的光子撞击基区时，会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对充当基极电流，使晶体管导通，并允许更大的集电极电流流动。该集电极电流与入射光强度成正比。凹槽在物理上将这两个元件隔开。放置在凹槽中的物体会阻挡光路，从而大幅减少照射到光电晶体管上的光，进而使其关闭（或减小其电流）。外部电路检测到这种输出电流/电压的变化，从而记录一次“中断”。

11. 行业趋势与发展

包括光电断路器在内的光电传感器的发展趋势是小型化、更高集成度以及采用表面贴装技术（SMT）封装，以适应更小、更密集的PCB设计。同时，也朝着具有内置信号调理的数字输出传感器发展，这些传感器提供干净、缓冲的逻辑电平输出，简化了与微控制器的接口。一些高级版本集成了施密特触发器以提供迟滞，从而提高抗噪能力。此外，自动化领域对更高精度和速度的需求推动了具有更窄凹槽、更快响应时间和更高温度稳定性的器件的发展。以LTH-872-N55H为代表的基础槽型光电断路器，对于其简单性和鲁棒性是关键优势的大量标准检测应用而言，仍然是一种经济高效且高度可靠的解决方案。