LTH-872-T55T1 槽型光电断路器规格书 - 槽型光电开关 - 中文技术文档

1. 产品概述

LTH-872-T55T1是一款槽型光电断路器，这是一种专为非接触式传感应用设计的基础光电元件。它将一个红外发光二极管（LED）和一个光电晶体管集成在一个外壳内，两者之间由一个物理间隙或槽口隔开。其核心工作原理是阻断从发射器到探测器的红外光束。当不透明物体穿过此槽口时，它会阻挡光线，导致光电晶体管的输出电流发生显著变化。这一变化被电子检测到，从而提供一个可靠的数字开关信号。与机械开关相比，光电断路器因其高可靠性、高精度以及对灰尘或表面污染等环境因素的抗干扰能力而备受青睐。

核心优势：该器件的主要优势包括真正的非接触式开关，消除了机械磨损，确保了较长的使用寿命。它提供快速的响应时间，能够检测高速事件。其设计适用于直接PCB安装或使用双列直插式插座，为组装提供了灵活性。其结构本身提供了对环境光干扰的固有防护。

目标市场与应用：该元件广泛应用于各种办公自动化和消费电子设备中。典型的应用场景包括传真机、打印机和复印机中的纸张检测，用于感知纸张的有无、卡纸或打印头和托架的位置。它也用于扫描仪、自动售货机、工业自动化中的位置传感，以及任何需要精确、可靠的非接触式物体检测的设备。

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损坏的应力极限。不保证在或超过这些极限的条件下工作。

• 输入LED：
  • 功耗（P_D）：75 mW。这是在环境温度（T_A）为25°C时，LED芯片能够耗散为热量的最大功率。超过此值可能导致热失控和故障。
  • 连续正向电流（I_F）：50 mA。可以持续通过LED的最大直流电流。
  • 峰值正向电流：1 A（脉冲宽度 = 10 µs，300 pps）。此额定值允许短暂的高电流脉冲，适用于以更高的瞬时光输出驱动LED，而不会超过平均功率额定值。
  • 反向电压（V_R）：5 V。可以施加在LED两端的最大反向偏置电压。超过此值可能导致结击穿。
• 输出光电晶体管：
  • 功耗（P_D）：100 mW。
  • 集电极-发射极电压（V_CEO）：30 V。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。
  • 集电极电流（I_C）：20 mA。可以通过集电极-发射极路径的最大电流。
• 热极限：
  • 工作温度范围：-25°C 至 +85°C。器件被规定能正常工作的环境温度范围。
  • 存储温度范围：-55°C 至 +100°C。
  • 引脚焊接温度：260°C，持续5秒（距外壳本体1.6mm处）。这定义了回流焊温度曲线约束，以防止塑料封装和内部引线键合损坏。

2.2 电气与光学特性

这些参数在标准测试条件（T_A=25°C）下测量，定义了器件的典型性能。

• 输入LED特性：
  • 正向电压（V_F）：典型值1.2V，在I_F= 20 mA时最大为1.6V。此参数对于设计LED驱动电路的限流电阻至关重要。典型设计通常以I_F=20mA为目标，使用V_F~1.2V进行计算。
  • 反向电流（I_R）：在V_R= 5V时最大为100 µA。这表明了LED的PN结在反向偏置下的质量。
• 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。这为典型的5V或12V逻辑电路提供了良好的安全裕量。
  • 集电极-发射极暗电流（I_CEO）：在V_CE=10V时最大为100 nA。这是LED关闭（无光）时的漏电流。对于定义清晰的“关断”状态，尤其是在高增益电路中，低值至关重要。
• 耦合器（系统）特性：
  • 导通集电极电流（I_C(ON)）：当V_CE= 5V且I_F= 20 mA时，最小为0.5 mA。这是关键的灵敏度参数。它定义了槽口未被遮挡时的最小输出电流。设计者必须确保选择负载电阻（R_L），使该电流产生可用的电压摆幅。
  • 集电极-发射极饱和电压（V_CE(SAT)）：在I_C= 0.25mA且I_F= 20mA时最大为0.4V。这个低饱和电压表明光电晶体管被驱动至饱和（完全导通）时性能良好，使其能够将线路电压拉至非常接近地电位。
  • 响应时间：
    • 上升时间（T_r）：典型值3 µs，最大值15 µs。
    • 下降时间（T_f）：典型值4 µs，最大值20 µs。
    在V_CC=5V，I_C=2mA，R_L=100Ω条件下测量。这些时间限制了最大开关频率。不对称的时间在光电晶体管中很常见。为了保守设计，假设最大频率为1/(T_r+T_f) ~ 1/40µs = 25 kHz。

3. 性能曲线分析

规格书引用了典型的性能曲线。虽然文本中没有提供具体的图表，但其标准解释如下：

• 正向电流 vs. 正向电压（I_F-V_F）：此曲线显示了典型的二极管指数关系。它有助于理解V_F随温度和电流的变化。
• 集电极电流 vs. 集电极-发射极电压（I_C-V_CE）：对于给定的LED电流（I_F），此图显示了光电晶体管的输出特性，类似于双极型晶体管的输出曲线。它说明了从有源区到饱和区的过渡。
• 电流传输比 (CTR) vs. 正向电流：CTR是比值I_C/ I_F（通常以百分比表示）。这是耦合器的一个关键效率参数。该曲线通常显示CTR在特定的I_F处达到峰值，并在更高电流下由于发热或其他效应而下降。
• 温度特性：显示诸如I_C(ON)、V_F和CTR等参数在工作温度范围（-25°C至+85°C）内如何变化的曲线。光电晶体管的增益通常随温度升高而降低，这在需要跨温度稳定性能的设计中必须加以考虑。

4. 机械与封装信息

4.1 外形尺寸

该器件采用标准的通孔封装，带有包含槽口的模塑塑料外壳。规格书中的关键尺寸说明：

• 所有尺寸均以毫米（mm）为单位提供。
• 未指定尺寸的默认公差为±0.25 mm。
• 具体的槽口宽度、本体高度和引脚间距在尺寸图中定义（文本中未完全详述）。此信息对于机械集成至关重要，确保待检测物体能穿过槽口，并用于PCB封装设计。

4.2 极性识别与引脚定义

为了正常工作，正确的引脚识别至关重要。该封装采用槽型光电断路器的标准引脚排列：一对引脚用于红外LED（阳极和阴极），另一对用于光电晶体管（集电极和发射极）。规格书图纸指定了引脚编号。通常，从器件顶部（槽口侧）观察时，引脚按逆时针方向编号。设计者必须查阅图纸以正确连接阳极、阴极、集电极和发射极。

5. 焊接与组装指南

遵守这些指南对于防止制造过程中的损坏是必要的。

• 回流焊接：绝对最大额定值规定引脚在260°C下焊接5秒，测量点距外壳本体1.6mm。这对应于标准的引线式回流焊温度曲线。塑料封装的热容量有限，因此必须避免长时间暴露在高温下，以防止开裂或内部损坏。
• 手工焊接：如果必须进行手工焊接，请使用温控烙铁。对引线/引脚加热，而不是塑料本体，并且每个引线的焊接应在3-5秒内完成。
• 清洗：使用与器件塑料材料兼容的清洗溶剂，以避免应力开裂或降解。
• 存储条件：在规定的存储温度范围（-55°C至+100°C）内且低湿度的环境中存储。对湿度敏感的器件在使用前应保存在密封的干燥包装中。

6. 应用设计考量

6.1 典型应用电路

标准接口电路涉及两个主要部分：

1. LED驱动器：一个限流电阻（R_LIMIT）与LED串联。其值计算为R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F。对于5V电源，V_F=1.2V，且I_F=20mA，则R_LIMIT= (5 - 1.2) / 0.02 = 190Ω。180Ω或200Ω的电阻是合适的。
2. 光电晶体管输出：光电晶体管通常连接为共发射极开关。一个上拉电阻（R_L）连接在集电极和正电源（V_CC）之间。发射极接地。当光线照射到晶体管上（槽口未被遮挡）时，它导通，将集电极电压拉低（接近V_CE(SAT)）。当光线被阻挡时，晶体管关断，集电极电压被R_L拉高。R_L的值决定了输出电压摆幅和速度。较小的R_L提供更快的响应但消耗更多电流。通常以测试条件R_L=100Ω作为起点。

6.2 设计挑战与解决方案

• 抗环境光干扰：虽然槽型设计提供了一些保护，但强烈的环境光（尤其是红外光）会影响光电晶体管。在接收器电路中使用调制的LED驱动信号和同步检测可以大大增强抗干扰能力。或者，确保槽口被遮蔽也有帮助。
• 温度补偿：由于光电晶体管增益随温度降低，I_C(ON)会下降。对于关键应用，设计电路在最高工作温度下有足够的裕量，或者使用具有可调阈值的比较器，而不是简单的上拉电阻接口。
• 物体特性：阻挡光束的物体必须对发射的红外波长（约940nm）不透明。薄或半透明的材料可能无法被可靠检测。物体的大小必须足以在槽口内完全阻挡光束。

7. 技术对比与差异化

与其他传感技术相比：

• 与机械微动开关：光电断路器提供更高的可靠性（无活动部件磨损）、更快的响应和静音操作。它们不受触点弹跳的影响。
• 与反射式光学传感器：槽型通常对于边缘检测或精确位置传感更可靠，因为它们不易受目标物体反射率或颜色变化的影响。光束要么被完全阻挡，要么未被阻挡。
• 与霍尔效应传感器：霍尔传感器检测磁场，而不是光中断。它们用于不同的物理现象（例如，检测磁铁）。光电断路器用于检测任何不透明物体。
• 在光电断路器内部：LTH-872-T55T1的具体差异化在于其电气额定值（例如V_CEO=30V，I_C(ON)最小值=0.5mA）、封装尺寸以及针对大批量办公自动化应用的成本效益的组合。

8. 常见问题解答 (FAQ)

• 问：LED的典型工作电流是多少？答：标准测试条件和常见工作点是I_F= 20 mA。这在光输出、功耗和寿命之间提供了良好的平衡。
• 问：我能否直接从微控制器引脚驱动LED？答：大多数微控制器GPIO引脚无法持续提供或吸收20mA电流。建议使用简单的晶体管或MOSFET驱动电路，或专用的LED驱动IC，以提供必要的电流。
• 问：如何将输出连接到数字输入？答：光电晶体管集电极（带上拉电阻）可以直接连接到标准的CMOS或TTL逻辑输入。当槽口畅通时，输入将读取为低电平。当被阻挡时，将读取为高电平。确保上拉电压与逻辑系列兼容（例如，5V逻辑用5V，3.3V逻辑用3.3V）。
• 问：为什么我的输出在被阻挡时没有完全切换到电源轨？答：这很可能是由于暗电流（I_CEO）流经上拉电阻所致。使用非常大的上拉电阻（例如100kΩ）时，即使是100nA的漏电流也会产生显著的电压降。使用较小的上拉电阻（例如1kΩ至10kΩ）以确保稳定的高电平，同时平衡电流消耗和速度。
• 问：推荐的PCB布局实践是什么？答：将LED驱动走线和光电晶体管输出走线分开，以最小化噪声耦合。将限流电阻和上拉电阻放置在靠近器件的位置。确保PCB上的槽口区域没有阻焊层或可能阻挡红外光束路径的元件。

9. 工作原理

光电断路器基于被物理物体中断的直接光耦合原理工作。一个红外LED发射波长通常在940 nm左右的光，该光对人眼不可见。正对面，一个硅光电晶体管对此波长敏感。在未遮挡状态下，红外光照射到光电晶体管的基区，产生电子-空穴对。该光电流充当基极电流，导致晶体管导通并传导更大的集电极电流（I_C(ON)）。当不透明物体进入槽口时，它完全阻挡了光路。光电流停止，有效基极电流降至零，光电晶体管关断，仅允许微小的漏电流（I_CEO）流动。导通和关断状态之间的这种鲜明对比提供了一个清晰、可靠的数字信号，指示物体的存在与否。

10. 行业趋势

光电断路器因其简单性、鲁棒性和低成本，仍然是一项成熟且广泛使用的技术。当前行业趋势集中在几个方面：

• 小型化：开发更小的封装尺寸（例如，带有非常窄槽口的表面贴装器件），以适应日益紧凑的消费电子和移动设备。
• 性能提升：改进参数，例如为更快的机械提供更高的速度，为电池供电设备提供更低的功耗，以及更好的温度稳定性。
• 集成化：在封装内集成额外的电路，例如用于滞回的施密特触发器、用于弱信号的放大器，甚至数字接口（I2C），创建简化系统设计的“智能传感器”。
• 材料进步：使用先进的塑料和透镜设计来改善光准直、提高耦合效率，并增强对高温和高湿等环境因素的抵抗力。

尽管出现了飞行时间（ToF）传感器或视觉系统等新技术，但基本的槽型光电断路器仍然是无数简单、可靠且对成本敏感的物体存在检测应用的最佳解决方案。