ITR1502SR40A/TR8 反射式光电断续器数据手册 - 尺寸 4.0x3.0x2.0mm - 正向电压 1.2V - 功耗 75mW - 黑色透明透镜 - 中文技术文档

1. 产品概述

ITR1502SR40A/TR8 是一款高度集成、表面贴装的反射式光电断续器，专为非接触式传感应用而设计。它将一个红外发射器和一个硅光电晶体管探测器集成在一个紧凑的黑色透明透镜封装内。该器件设计用于可靠的物体存在或运动检测，其标称最佳感应距离为 4 毫米。其无引线封装专为兼容现代回流焊接工艺而设计，适用于大批量自动化组装。

1.1 核心特性与优势

• 高灵敏度：硅光电晶体管对反射的红外光能产生强烈的电响应，从而实现可靠的检测。
• 可见光截止：黑色透明透镜材料能有效阻挡环境可见光，最大限度地减少环境光源引起的误触发可能性。
• 紧凑外形：尺寸为 4.0 毫米 x 3.0 毫米 x 2.0 毫米，非常适合空间受限的 PCB 设计。
• 可回流焊接：无引线（编带包装）封装支持标准 SMT 组装，可承受高达 260°C 持续 5 秒的峰值焊接温度。
• 环保合规：该器件符合无卤标准（Br < 900ppm，Cl < 900ppm，Br+Cl < 1500ppm）、欧盟 REACH 法规，并且符合 RoHS 标准。
• 长焦距：在其封装系列中，它提供了相对较长的 4 毫米最佳感应距离。

1.2 目标市场与应用

该元件面向需要可靠、低成本物体感测的消费电子、办公自动化和工业控制系统的设计人员。其主要功能是在无物理接触的情况下检测物体的存在、缺失或通过。

• 打印机和复印机：检测卡纸、纸盘状态或介质存在。
• 光存储驱动器（例如 CD/DVD）：感应光盘托盘位置或检测光盘是否存在。
• 投影仪和显示器：监控滤光片状态、盖板位置或其他内部机构。
• 自动售货机和信息亭：检测产品分发或用户交互。
• 家用电器：智能锁、咖啡机或其他自动化设备中的位置传感。

2. 深入技术参数分析

ITR1502SR40A/TR8 的性能由一套全面的电气和光学参数定义。理解这些参数对于正确的电路设计和可靠的系统运行至关重要。

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。不保证在这些条件下运行。

• 输入功耗（Pd）：在自由空气温度 ≤25°C 时为 75 mW。
• 正向电流（IF）：50 mA（连续）。
• 峰值正向电流（IFP）：在占空比为 1% 时，脉冲 ≤100μs 可达 1 A。
• 反向电压（VR）：5 V。
• 集电极功耗（PC）：75 mW。
• 集电极电流（IC）：25 mA。
• 集电极-发射极电压（V_CEO）：30 V。
• 发射极-集电极电压（V_ECO）：5 V。
• 工作温度（T_opr）：-25°C 至 +85°C。
• 储存温度（T_stg）：-40°C 至 +100°C。
• 引脚焊接温度：距离本体 1/16 英寸处，260°C 持续 5 秒。

2.2 光电特性（Ta=25°C）

这些是在指定测试条件下保证的性能参数。

输入（红外发射器 - IR GaAs 芯片）：

• 正向电压（V_F）：典型值 1.2V，在 I_F= 20 mA 时最大 1.4V。这定义了驱动时 LED 两端的压降。
• 反向电流（I_R）：在 V_R= 6V 时最大 10 μA。
• 峰值波长（λ_P）：在 I_F= 10 mA 时为 940 nm（标称值）。这属于近红外光谱，人眼不可见。

输出（光电晶体管 - 硅芯片）：

• 暗电流（I_CEO）：典型值 1 nA，在 V_CE= 20V 时最大 100 nA。这是没有光线照射到探测器时的漏电流。
• 传输特性 - 集电极电流（I_C(ON)）：在测试条件：V_CE=2V，I_F=4mA，反射目标距离 d=4mm 下，最小 60 μA，典型值，最大 450 μA。这是指示灵敏度的关键参数。
• 传输特性 - 关断状态电流（I_C(OFF)）：在相同测试条件下但无反射（或吸收目标）时，最大 600 nA。
• 响应时间（t_r， t_f）：上升和下降时间典型值均为 20 μs，最大 100 μs。测试条件：V_CE=2V，I_C=100μA，R_L=1kΩ，d=4mm。这定义了开关速度。

注意：工作暗电流可能受周围环境（例如，环境红外光源）影响。

2.3 集电极电流分档范围

器件根据其在标准测试条件下测得的集电极电流（I_C(ON)）进行分档。这使得设计人员可以为他们的应用选择具有一致灵敏度的部件。

• A 档：60 μA ≤ I_C(ON)< 120 μA
• B 档：100 μA ≤ I_C(ON)< 220 μA
• C 档：180 μA ≤ I_C(ON)< 350 μA
• D 档：310 μA ≤ I_C(ON)≤ 450 μA

3. 性能曲线分析

提供的特性曲线为了解器件在不同条件下的行为提供了宝贵的见解，这对于稳健的系统设计至关重要。

3.1 电气特性

正向电流 vs. 正向电压：该曲线显示了红外发射器 LED 的典型 IV 特性。它是非线性的，类似于标准二极管。在 20mA 时，典型正向电压约为 1.2V。

正向电流 vs. 集电极电流：这是传输曲线，显示了光电晶体管的输出电流（I_C）如何随输入 LED 驱动电流（I_F）增加。在工作区域内，关系大致呈线性，展示了器件的增益。

集电极电流 vs. 集电极-发射极电压：这组曲线显示了在不同 I_C水平（例如 5mA，10mA，20mA，50mA）下，I_F随 V_CE变化的情况。它说明了光电晶体管充当电流源；超过某个 V_CE（饱和电压，通常较低）后，I_C主要由入射光（因此也就是 I_F）决定。

3.2 温度特性

正向电压 vs. 环境温度：LED 的正向电压具有负温度系数，随着温度升高略有下降（从 -20°C 时的约 1.21V 降至 80°C 时的 1.16V）。

相对集电极电流 vs. 环境温度：这是一条关键曲线。集电极电流（灵敏度）随着温度升高而显著下降。在 80°C 时，相对输出仅为 25°C 时值的约 80%。在高温下运行的设计中必须考虑这一点，以确保足够的信号裕量。

集电极暗电流 vs. 环境温度：暗电流随温度呈指数增长（从 -40°C 时的约 0.1nA 到 100°C 时的近 1000nA）。在高温应用中，这种增加的漏电流可能成为信号的重要组成部分，从而可能降低信噪比。

功耗 vs. 环境温度：这条降额曲线显示，当环境温度超过 25°C 时，器件的最大允许功耗线性下降，在 100°C 时降至 0 mW。

3.3 光学与空间特性

波长光谱：相对辐射强度曲线显示发射器的输出中心在 940 nm，具有典型的光谱宽度。黑色透明透镜能有效透射这种红外光，同时阻挡较短的可见光波长。

相对集电极电流 vs. Z 轴移动距离（镜面）：这条曲线定义了感应轮廓。当反射目标处于最佳距离（4mm）时，输出电流最高。随着目标移近或移远，信号会衰减，从而定义了实际的感应窗口。曲线形状大致呈高斯分布。

开关时间 vs. 负载电阻：上升时间（t_r）和下降时间（t_f）都随着负载电阻（R_L）的增加而增加。为了获得最快的开关速度，应使用较低的 R_L，但这也会导致输出电压摆幅降低。设计人员必须在速度和信号电平之间取得平衡。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

该器件采用紧凑的无引线表面贴装封装，尺寸为长 4.0 毫米，宽 3.0 毫米，高 2.0 毫米。关键尺寸说明包括：

• 所有尺寸单位均为毫米。
• 除非另有说明，公差为 ±0.1mm。
• 引脚间距在引脚伸出封装处测量。
• 产品重量约为 0.025 克。

4.2 推荐 PCB 焊盘图形

提供了推荐的焊盘布局，以确保可靠的焊接和机械稳定性。强调了一个关键设计规则：必须仔细控制焊锡量，以防止焊锡芯吸或渗入 PCB 与外壳本体之间的间隙。该区域过多的焊锡会产生应力，损害功能或降低长期可靠性。焊盘设计通常包括散热连接和足够的铜面积以实现牢固结合。

4.3 极性与方向

该器件有标记方向（通常是顶面的圆点或凹口）指示引脚 1。此类器件的引脚排列是标准的：红外发射器阳极和阴极构成一对，光电晶体管集电极和发射极构成另一对。必须查阅数据手册图表以获取确切的引脚分配。方向错误将导致器件无法工作。

5. 焊接、组装与储存指南

5.1 回流焊接条件

ITR1502SR40A/TR8 额定适用于无铅回流焊接工艺。提供了推荐的温度曲线，通常包括：

• 预热/升温：受控升温以激活助焊剂。
• 浸润区：在低于液相线的温度下保持一段时间，以确保均匀加热。
• 回流区：峰值温度不应超过 260°C，且高于 240°C 的时间应受到限制（例如 30-60 秒）。
• 冷却：受控的冷却期。

重要提示：同一器件不应进行超过两次的回流焊接，以避免对内部元件和模塑化合物造成热应力损伤。

5.2 湿敏度与储存（MSL 3）

该封装对湿气敏感。必须遵守以下程序以防止“爆米花”现象（回流过程中因蒸汽压力导致封装开裂）。

• 未开封包装储存：在 ≤30°C 和 ≤90% RH 条件下储存。自发货之日起一年内使用。
• 开封后：在 ≤30°C 和 ≤70% RH 条件下储存。
• 车间寿命：器件必须在防潮袋开封后 168 小时（7 天）内完成焊接。
• 烘烤：如果超过车间寿命或湿度指示卡（干燥剂）显示饱和，在使用前应在 60°C ±5°C 下烘烤器件 24 小时以去除吸收的水分。

6. 包装与订购信息

6.1 编带规格

该器件采用符合 EIA-481 标准的编带包装供货，适用于自动化贴片组装。

• 包装数量：每卷 800 片。
• 每箱卷数：每外箱 38 卷。
• 外箱尺寸：409 毫米（A）x 245 毫米（B）x 360 毫米（C）。

卷盘上有特定的方向标签，指示前进方向。提供了详细的卷盘尺寸（轴心直径、卷盘宽度等）以确保与贴装设备的兼容性。

6.2 包装程序

卷盘包装在密封的铝箔防潮袋中。每个袋内包含一个干燥剂包和一张湿度指示卡，用于监测湿度水平。然后将多个袋子装入主运输箱中。

7. 应用设计注意事项

7.1 典型应用电路

基本的应用电路涉及两个主要部分：

1. 发射器驱动：一个与红外 LED 串联的限流电阻。电阻值计算为 R_limit= (V_CC- V_F) / I_F。例如，使用 5V 电源，期望 I_F为 20mA：R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω（使用标准 200Ω 电阻）。LED 可以连续驱动或脉冲驱动以降低功耗。
2. 探测器接口：光电晶体管通常通过一个上拉电阻（R_L）从集电极连接到 V_CC。发射极接地。没有反射光时，晶体管截止，集电极的输出电压为高电平（V_CC）。当检测到光线时，晶体管导通，将输出电压拉低至地电平。R_L的值同时影响输出电压摆幅和响应速度（参见性能曲线）。常用值为 1kΩ 至 10kΩ。

7.2 可靠传感的设计因素

• 目标反射率：信号强度与目标表面的反射率成正比。白色、反光的表面将产生最强的信号；黑色、哑光的表面将产生最弱的信号。系统必须设计为能在最差目标条件下工作。
• 目标距离与对准：传感器在 4mm 处有一个特定的“最佳点”。组装公差或目标位置的变化会影响信号电平。设计机械夹具以保持一致的准直。
• 抗环境光能力：虽然黑色透镜阻挡了大部分可见光，但强烈的红外光源（阳光、白炽灯泡）仍可能造成干扰。在接收器电路中使用调制（脉冲）LED 驱动信号和同步检测可以大大提高抗环境光能力。
• 温度补偿：如曲线所示，灵敏度随温度下降。对于在宽温度范围内运行的应用，电路应包含裕量或主动补偿（例如，根据温度调整 I_F），以确保在高温下也能可靠检测。
• 电气噪声：保持传感器走线短且远离嘈杂的数字或电源线。在器件附近的 V_CC和 LED 电源（如果使用脉冲驱动）上使用旁路电容。

8. 技术对比与差异化

ITR1502SR40A/TR8 通过几个关键属性在反射式传感器市场中脱颖而出：

• 与大型通孔断续器相比：其主要优势是超紧凑的 4.0x3.0mm SMD 封装尺寸，可实现小型化和自动化组装，这是大型通孔器件无法比拟的。
• 与其他 SMD 反射式传感器相比：在这种小尺寸封装内，结合了 4mm 最佳距离和用于阻挡可见光的黑色透明透镜，这是一个特定的设计点。一些竞争对手可能提供更短的感应距离或不同的透镜材料。
• 与模拟输出 vs. 数字传感器相比：该器件提供模拟光电晶体管输出，使设计人员能够完全控制阈值，并允许进行模拟距离/反射率测量。与仅提供开关信号的内置数字逻辑传感器相比，这提供了更大的灵活性。
• 与分立式发射器/探测器对相比：集成封装确保了发射器和探测器之间精确、固定的对准，这对于两个独立元件来说是难以实现且成本高昂的。它还简化了 PCB 布局和组装。

9. 常见问题解答（基于技术参数）

Q1：分档（A， B， C， D）之间有什么区别？我该如何选择？

A：分档代表不同的灵敏度范围（I_C(ON)）。根据您所需的信号裕量选择分档。对于具有高反射率目标或短距离的应用，较低的分档（A 或 B）可能就足够了。对于低反射率目标、较长距离或灵敏度下降的高温操作，较高的分档（C 或 D）提供了更大的余量。同一分档内的一致性对于生产也很重要。

Q2：我可以不用限流电阻，直接用电压驱动红外 LED 吗？

A：不可以。LED 的正向电压不是固定值，会随温度和器件而变化。直接用电压源驱动将导致电流不受控制，很可能超过绝对最大额定值并损坏发射器。务必使用串联限流电阻。

Q3：我的传感器工作不稳定。可能是什么原因？

A：常见问题包括：1)信号裕量不足：检查您特定目标下的 I_C(ON)，并确保其远高于您电路的检测阈值，同时考虑温度降额。2)环境光干扰：屏蔽传感器免受直射强光影响，或实施调制。3)焊点问题：验证是否使用了推荐的焊盘图形，并检查是否存在焊锡桥接或焊锡不足。4)暗电流过大：在非常高的温度下，暗电流可能变得显著；确保您的电路能将其与真实信号区分开。

Q4：如何计算器件的功耗？

A：总功耗是输入（LED）和输出（光电晶体管）功耗之和。P_D(total)≈ (V_F* I_F) + (V_CE(sat)* I_C)。在典型条件下（I_F=20mA，V_F=1.2V，I_C=5mA，V_CE=0.2V），P_D≈ 24mW + 1mW = 25mW，远低于 25°C 时的 75mW 额定值。如果在高于 25°C 的温度下运行，请记住对此值进行降额。

10. 工作原理

ITR1502SR40A/TR8 基于调制光反射原理工作。内部红外发光二极管（IR LED）发射峰值波长为 940 nm 的光。该光通过透镜射出封装，照射到传感器前方的目标物体上，并部分反射回来。对红外光敏感的集成硅光电晶体管检测到这种反射光。当光子撞击光电晶体管的基区时，会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对充当基极电流。然后，这个光生基极电流被晶体管的增益放大，从而产生更大的集电极电流（I_C）。这个集电极电流就是电输出信号，它与反射光的强度成正比。黑色透明透镜材料对 940 nm 红外光是透明的，但对大多数可见光是不透明的，从而提供了对环境可见光源的抗干扰能力。发射器和探测器在模塑封装内固定、共面的对准，创建了一条精确的光路，优化了用于检测传感器前方特定距离（4mm）处物体的能力。