LTH-872-N55T1 反射式光电断路器规格书 - 中文技术文档

1. 产品概述

LTH-872-N55T1是一款反射式光电断路器，属于一种将红外发光二极管（LED）和光电晶体管集成在单一紧凑封装内的光电器件。其主要功能是通过检测物体反射回传感器的光束是否被遮挡，来实现无物理接触的物体存在或位置检测。该器件专为需要可靠、快速、非侵入式物体检测或位置感测的应用而设计。

1.1 核心优势

该光电断路器的关键优势源于其基本工作原理和设计。非接触式开关消除了机械磨损，与机械开关相比，显著提升了工作寿命和可靠性。这对于高循环次数的应用至关重要。此外，它还具备快速开关速度，其典型的上升和下降时间在微秒量级，使其能够检测快速移动的物体或高频事件。集成封装确保了发射器和检测器之间的精确对准，简化了组装并提高了一致性。

1.2 目标市场与应用

该元件的主要目标市场是办公自动化和精密仪器仪表。其主要文档记录的应用领域是扫描仪和打印机。在这些设备中，光电断路器通常用于纸张存在检测（例如，感应纸张的前沿）、卡纸检测、托架或打印头位置感测，以及检测运动机构的原点位置等功能。快速响应时间对于维持现代扫描和打印设备的高吞吐量至关重要。

2. 深入技术参数分析

理解电气和光学特性对于正确的电路设计以及确保器件在规定极限内可靠运行至关重要。

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。它们不适用于正常工作条件。

• 输入LED：
  • 功耗（P_D）：最大75 mW。
  • 连续正向电流（I_F）：最大50 mA。这是可以流过LED的绝对最大电流。
  • 反向电压（V_R）：最大5 V。超过此值可能导致LED结击穿。
• 输出光电晶体管：
  • 功耗（P_C）：最大100 mW。
  • 集电极-发射极电压（V_CEO）：最大30 V。这是在基极开路（黑暗条件）时，可以施加在光电晶体管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（反向电压额定值）。
  • 集电极电流（I_C）：最大20 mA。
• 环境条件：
  • 工作温度（T_opr）：-25°C 至 +85°C。
  • 储存温度（T_stg）：-55°C 至 +100°C。
  • 引脚焊接温度（T_sol）：最大260°C，持续5秒（针对距外壳1.6mm的引脚）。

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，定义了器件在正常工作条件下的性能。

• 输入LED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。这是LED点亮时两端的电压降。
  • 反向电流（I_R）：在反向电压（V_R）为5V时，最大100 µA。这是LED反向偏置时的小漏电流。
• 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。这是光电晶体管处于完全黑暗（无LED光照）时的漏电流。低值有利于获得良好的信噪比。
  • 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0.4V。这是晶体管完全“导通”（饱和）时两端的电压。低饱和电压可最小化开关元件的功率损耗。
  • 导通状态集电极电流（I_C(ON)）：在V_CE=5V且I_F=20mA时，最小0.5 mA。这规定了当LED被驱动且物体未遮挡光束（假设为反射模式）时的最小输出电流。
• 耦合器（系统）响应时间：
  • 上升时间（T_R）：3 µs（典型）至15 µs（最大）。这是当LED开启时，光电晶体管输出从其最终值的10%上升到90%所需的时间。
  • 下降时间（T_F）：4 µs（典型）至20 µs（最大）。这是当LED关闭时，输出从90%下降到10%所需的时间。这些快速时间对于所声明的“快速开关速度”特性至关重要。
  • 测试条件：V_CE=5V，I_C=2mA，R_L=100 Ω。

3. 性能曲线分析

规格书引用了典型的电气/光学特性曲线。虽然文本中未提供具体图表，但其目的是说明关键参数在不同条件下的关系，这对于稳健设计至关重要。

3.1 推断曲线信息

基于此类元件的标准做法，典型曲线可能包括：

• 正向电流 vs. 正向电压（I_F-V_F）：该曲线显示了通过LED的电流与其两端电压之间的非线性关系。它有助于确定在给定电源电压下实现所需驱动电流所需的串联电阻值。
• 集电极电流 vs. 集电极-发射极电压（I_C-V_CE）：对于光电晶体管，这组曲线将针对不同入射光水平（或不同的LED驱动电流，I_F）绘制。它定义了晶体管在光照条件下的工作区域（截止区、放大区、饱和区）。
• 电流传输比（CTR） vs. 正向电流：CTR是光电晶体管输出集电极电流（I_C）与LED输入正向电流（I_F）的比值，通常以百分比表示。该曲线显示了效率如何随驱动电流变化，对于设计接口电路以确保足够的输出信号摆幅至关重要。
• 温度依赖性：显示正向电压（V_F）、暗电流（I_CEO）和CTR等参数如何随环境温度变化的曲线。这对于确保在整个规定温度范围（-25°C至+85°C）内稳定运行至关重要。

4. 机械结构与封装信息

文本中引用了封装尺寸但未详细说明。注释指出所有尺寸均以毫米为单位（括号内为英寸），除非另有说明，一般公差为±0.25mm。型号LTH-872-N55T1暗示了一种反射式光电断路器常见的特定封装样式，通常具有带槽的模塑塑料外壳。发射器和检测器朝向槽的同一方向，使其能够检测将发射光反射回来的物体。

4.1 极性识别与引脚定义

虽然未列出确切的引脚定义，但标准光电断路器封装有4个引脚：两个用于红外LED的阳极和阴极，两个用于NPN光电晶体管的集电极和发射极。规格书通常会包含一个显示顶视图和引脚编号的图表（例如，1：阳极，2：阴极，3：集电极，4：发射极）。必须正确连接LED的极性以防止损坏。

5. 焊接与组装指南

规格书提供了一个关键的组装参数：最大引脚焊接温度。对于距离塑料外壳1.6mm（0.063英寸）的引脚，温度不得超过260°C，持续5秒。这是波峰焊或手工焊接的标准额定值。对于回流焊，元件必须与所使用的特定回流焊温度曲线兼容，其峰值温度通常在240-250°C左右。超过这些热极限可能导致半导体结内部损坏或塑料封装变形，影响光学对准和性能。

6. 应用建议与设计考量

6.1 典型应用电路

基本的接口电路涉及两个主要部分：

1. LED驱动电路：一个限流电阻与LED串联。电阻值（R_series）的计算公式为：R_series= (V_CC- V_F) / I_F。使用典型的V_F值1.4V，期望的I_F值20mA，电源电压5V，可得R_series= (5 - 1.4) / 0.02 = 180 Ω。标准的180Ω或220Ω电阻是合适的。使用恒流而非恒压驱动LED，可提供更稳定的光输出。
2. 光电晶体管输出电路：光电晶体管通常用于共发射极配置。一个负载电阻（R_L）连接在集电极和正电源（V_CC）之间。发射极接地。当光照在晶体管上时，它导通，将集电极电压拉低（趋向V_CE(SAT)）。当处于黑暗时，晶体管截止，集电极电压通过R_CC被拉高至V_L。R_L的值决定了输出电压摆幅和速度；较小的R_L提供更快的响应但摆幅较小。规格书测试时使用R_L=100Ω。

6.2 设计注意事项

• 抗环境光干扰：作为反射式传感器，它可能容易受到环境光（尤其是含有红外线的阳光或明亮的室内照明）的影响。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提高对此类干扰的抗扰度。
• 物体反射率：有效感测距离和信号强度在很大程度上取决于目标物体的反射率。高反射率表面（如白纸）效果最佳，而深色或哑光表面可能反射不足的光线。
• 对准与间隙：最佳感测距离（传感器与反射物体之间的间隙）通常在完整规格书中规定。机械设计必须确保此间隙保持一致。
• 电气噪声：对于长电缆布线或嘈杂环境，可能需要对输出信号进行适当的屏蔽和滤波，因为光电晶体管输出在截止时是一个高阻抗节点，容易受到拾取干扰。

7. 技术对比与差异化

与其他传感技术相比，该光电断路器具有特定优势：

• 与机械开关相比：无接触抖动，寿命更长（数百万次 vs. 数千次循环），响应更快，且运行安静。
• 与透射式光电断路器（槽型光耦）相比：像LTH-872-N55T1这样的反射式类型不需要物体穿过槽；它们可以在一定距离上感测物体。这简化了诸如纸张检测（纸张沿表面运行）等应用的机械设计。
• 与现代传感器（如霍尔效应、超声波）相比：对于基本的物体有无检测，光电断路器通常更简单且成本更低。它们不需要磁铁（如霍尔传感器），并且比超声波传感器结构简单，尽管在非反射目标上效果可能较差。

8. 常见问题解答（基于技术参数）

问：暗电流（I_CEO）规格的目的是什么？

答：暗电流是当光电晶体管完全黑暗（无LED光且无环境光）时流过的小漏电流。在“截止”状态下，该电流流过负载电阻（R_L）会产生小的电压降。高暗电流可能导致输出电压未完全达到“高”逻辑电平，可能被后续电路误判。规定的最大100 nA非常低，确保了干净的截止状态信号。

问：如何选择合适的LED驱动电流（I_F）？

答：驱动电流影响光输出，进而直接影响光电晶体管的输出电流（I_C(ON)）和器件的灵敏度。以20mA的典型测试条件为起点是一个不错的选择。如果应用具有高反射率和短距离，可以降低电流以节省功耗。增加电流可能改善对困难目标的信号强度，但会增加功耗，且必须保持在50mA的绝对最大值以下。请参考典型的CTR vs. I_F曲线作为指导。

问：我可以在户外使用此传感器吗？

答：工作温度范围（-25°C至+85°C）允许在许多环境中使用。然而，阳光直射含有强烈的红外辐射，可能使光电晶体管饱和，导致持续“导通”检测。对于户外使用，强烈建议采用光学滤波（使用透红外滤光片阻挡可见光但通过LED波长）和/或信号调制技术来抑制环境红外光。

9. 工作原理

LTH-872-N55T1基于内部反射调制的原理工作。一个红外LED发射光线。当感测区域内没有反射目标时，大部分光线会消散。当一个具有适当反射率的物体进入该区域时，部分发射光被反射回器件。集成的光电晶体管对相同的红外波长敏感，检测到这种反射光。入射的光子在光电晶体管的基区产生电子-空穴对，有效地提供了基极电流。这导致晶体管导通，允许集电极电流（I_C）流动，该电流与反射光的强度成正比。然后，外部电路利用这种输出电流/电压的变化来指示物体的存在。

10. 行业趋势

虽然基本的光电断路器技术已经成熟，但趋势集中在小型化、集成化和增强功能上。较新的器件可能具有以下特点：

- 表面贴装（SMD）封装：更小的占位面积，适用于高密度PCB组装。

- 集成IC：一些现代光电断路器在芯片上集成了放大、带滞回的施密特触发器，甚至数字输出（如I2C），简化了接口设计。

- 更高速度：为了跟上不断提高的机器速度，开发仍在继续追求更快的响应时间。

- 改进的抗环境光能力：采用先进的光学设计和调制方案，使传感器在具有挑战性的照明环境中更加稳健。以LTH-872-N55T1等元件为代表的反射式感测核心原理，仍然是广泛非接触检测任务中可靠且经济高效的解决方案。