ITR8104 光遮斷器規格書 - 940nm 紅外線 - 5V/20mA - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ITR8104是一款專為非接觸式感測與開關應用設計的緊湊型光遮斷器模組。它將一個紅外線發光二極體和一個NPN矽光電晶體整合在單一的黑色熱塑性塑膠外殼內。元件以並排方式排列於會聚的光軸上。在正常狀態下，光電晶體會接收到LED發射的紅外線輻射。當不透明物體阻斷發射器與偵測器之間的光路徑時，光電晶體便停止導通，從而提供一個清晰的開關訊號。

此元件的關鍵優勢包括快速響應時間、高靈敏度，以及940nm的峰值發射波長，此波長位於可見光譜之外，能將環境光的干擾降至最低。該元件採用無鉛材料製造，並符合RoHS與歐盟REACH等相關環保法規。

2. 技術規格詳解

2.1 絕對最大額定值

超出這些限制操作元件可能會導致永久性損壞。

• 輸入端 (紅外線LED)：
  • 功率損耗 (Pd)：75 mW (在25°C或以下)
  • 反向電壓 (VR)：5 V
  • 順向電流 (IF)：50 mA
• 輸出端 (光電晶體)：
  • 集極功率損耗 (Pc)：75 mW
  • 集極電流 (IC)：20 mA
  • 集極-射極電壓 (BV_CEO)：30 V
  • 射極-集極電壓 (BV_ECO)：5 V
• 熱特性：
  • 工作溫度 (T_opr)：-25°C 至 +85°C
  • 儲存溫度 (T_stg)：-40°C 至 +85°C
  • 接腳焊接溫度 (T_sol)：260°C，持續時間 ≤5 秒 (測量點距離封裝體3mm)

2.2 電氣與光學特性 (T_a=25°C)

這些參數定義了元件在典型工作條件下的性能。

• 輸入端 (紅外線LED) 特性：
  • 順向電壓 (V_F)：1.2V (典型值)，1.6V (最大值)，條件為 I_F=20mA
  • 反向電流 (I_R)：10 μA (最大值)，條件為 V_R=5V
  • 峰值波長 (λ_P)：940 nm (典型值)，條件為 I_F=20mA
• 輸出端 (光電晶體) 特性：
  • 暗電流 (I_CEO)：100 nA (最大值)，條件為 V_CE=20V，照度 E_e=0mW/cm²
  • 集極-射極飽和電壓 (V_CE(sat))：0.4V (最大值)，條件為 I_C=0.5mA，I_F=20mA
  • 集極電流 (I_C(ON))：0.5 mA (最小值)，條件為 V_CE=5V，I_F=20mA
  • 上升時間 (t_r)：20 μs (典型值)，條件為 V_CE=5V，I_C=1mA，R_L=1kΩ
  • 下降時間 (t_f)：20 μs (典型值)，條件為 V_CE=5V，I_C=1mA，R_L=1kΩ

3. 性能曲線分析

規格書提供了數條對設計工程師至關重要的特性曲線。

3.1 紅外線LED特性

圖表說明了順向電流與環境溫度之間的關係，顯示在較高溫度下需要降額使用以保持在功率限制內。光譜靈敏度曲線確認了940nm的峰值發射。另一張圖表顯示了峰值發射波長隨環境溫度的微小變化，這對大多數應用來說通常可以忽略不計。

3.2 光電晶體特性

關鍵圖表包括在不同溫度下集極電流與順向電流之間的關係（傳輸特性），突顯了元件的靈敏度。集極功率損耗與環境溫度的關係圖對於熱管理至關重要，它顯示了最大允許功率如何隨著環境溫度升高而降低。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

ITR8104採用標準的穿孔式封裝。關鍵尺寸包括接腳間距、本體寬度和總高度。所有尺寸單位均為毫米，除非另有說明，一般公差為±0.3mm。接腳間距是在接腳從塑膠封裝本體伸出的位置測量的。

4.2 極性辨識與安裝

此元件具有標準的接腳配置：紅外線LED的陽極和陰極，以及光電晶體的集極和射極。外殼通常有標記或形狀來指示第1腳。安裝在PCB上時，孔位必須與接腳位置精確對齊，以避免對環氧樹脂本體施加機械應力，這可能會降低性能或導致故障。

5. 焊接與組裝指南

5.1 接腳成型

• 彎曲必須在距離環氧樹脂本體底部大於3mm的位置進行。
• 接腳成型必須在焊接過程之前完成。
• 彎曲時必須穩固地固定引線框架，以防止對封裝體造成應力。
• 接腳切割應在室溫下進行。

5.2 焊接建議

為防止熱損壞，請保持焊點與環氧樹脂本體之間的最小距離為3mm。

• 手工焊接：烙鐵頭溫度：最高300°C (功率最高30W)。焊接時間：每支接腳最長3秒。
• 波峰焊/浸焊：預熱溫度：最高100°C (最長60秒)。焊錫槽溫度：最高260°C。浸焊時間：最長5秒。
• 焊接後避免快速冷卻。讓元件逐漸恢復至室溫。
• 浸焊或手工焊接不應進行超過一次。

5.3 建議焊接溫度曲線

建議的溫度曲線包括漸進式預熱、在液相線以上（通常為260°C）的受控時間，以及受控的冷卻速率，以盡量減少對元件的熱衝擊。

6. 儲存與操作

• 初始儲存 (出貨後)：10–30°C，相對濕度 ≤70%，最長3個月。
• 長期儲存 (超過3個月)：10–25°C，相對濕度 20–60%，存放於充氮氣的密封容器中，最長一年。
• 開封後：儲存於10–25°C，相對濕度 20–60%。請在24小時內或盡快使用。未使用的元件請立即重新密封。
• 避免在高濕度環境中溫度急劇變化，以防止凝結。
• 清潔：超音波清潔不建議用於此元件。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 包裝規格

標準包裝為：每管100個，每盒20管，每箱4盒。

7.2 標籤資訊

產品標籤包含以下欄位：客戶產品編號 (CPN)、產品編號 (P/N)、包裝數量 (QTY)、發光強度等級 (CAT)、主波長等級 (HUE)、順向電壓等級 (REF)、批號 (LOT No.)，以及日期/月份代碼 (X)。

8. 應用建議

8.1 典型應用情境

• 位置/速度感測：用於電腦滑鼠、影印機和軟碟機，以偵測旋轉或線性運動。
• 非接觸式開關：用於自動販賣機、安全系統和工業自動化中的物體偵測。
• 邊緣偵測：用於印表機和掃描器，以偵測紙張存在或媒體邊緣。
• 直接電路板安裝：適用於需要可靠、隔離開關的穿孔式PCB應用。

8.2 設計考量

• 限流：務必在紅外線LED上串聯一個電阻，以將順向電流 (I_F) 限制在所需值，通常為20mA或更低，以確保長期可靠性。
• 負載電阻：通常會在光電晶體的集極與電源電壓 (V_CC) 之間連接一個上拉電阻。其阻值（例如1kΩ）會影響輸出電壓擺幅和開關速度。
• 環境光：雖然940nm濾波器有所幫助，但設計物理屏障或外殼以遮蔽感測器免受直接環境紅外線光源（如陽光或白熾燈泡）的影響，可以提高可靠性。
• 響應時間：對於高速應用，請考慮20μs的典型上升/下降時間，並確保驅動電路能夠配合。
• 熱管理：請遵守功率降額曲線，特別是在高環境溫度的環境中。

9. 技術比較與差異

ITR8104提供了一組均衡的特性。其940nm波長對可見光雜訊具有良好的抗干擾性。並排、會聚軸的設計提供了明確的感測間隙，使其適用於邊緣偵測和精確物體定位。快速的20μs響應時間使其可用於中速計數或編碼應用。穿孔式封裝為易受振動的應用提供了堅固的機械固定。與反射式感測器相比，遮斷器提供更明確的開/關訊號，因為它們不受目標物體反射率的影響。

10. 常見問題 (基於技術參數)

10.1 紅外線LED的典型工作電流是多少？

電氣與光學特性是在 I_F= 20mA 的條件下指定的，這是一個常見且可靠的工作點。為了獲得更高的輸出，可以驅動至絕對最大值50mA，但這需要謹慎的熱管理，並可能降低長期可靠性。

10.2 光電晶體的靈敏度如何？

關鍵參數是 I_C(ON)，當紅外線LED以20mA驅動且 V_CE=5V 時，保證至少為0.5mA。這為搭配合適上拉電阻的數位開關介面提供了穩固的訊號。

10.3 可以用來感測透明物體嗎？

不行。ITR8104專為偵測能完全阻斷紅外線光束的不透明物體而設計。透明或半透明材料可能會讓足夠的紅外線光通過，導致光電晶體無法完全關閉。

10.4 對於物體，發射器與偵測器之間建議的間隙是多少？

規格書並未指定最大間隙。有效間隙取決於對準情況和紅外線LED的強度。為了可靠操作，物體應完全佔據兩個元件之間的會聚光路徑。典型的感測距離為幾毫米，由機械外殼定義。

11. 實務設計與使用案例

案例：印表機卡紙偵測
將一個ITR8104安裝在紙張路徑的兩側。微控制器的一個接腳透過一個150Ω電阻驅動紅外線LED（在3.3V下將 I_F限制在約20mA）。光電晶體的集極透過一個4.7kΩ的上拉電阻連接到3.3V，並連接到微控制器的數位輸入接腳。在有紙狀態下，紙張阻斷光束，光電晶體關閉，輸入接腳透過上拉電阻讀取到高電位。當紙張路徑暢通時，紅外線光到達光電晶體，使其導通並將輸入接腳拉至低電位。微控制器監控此接腳。當預期有紙張時，若持續為高電位狀態，則表示卡紙或送紙異常。快速的響應時間確保能迅速偵測到卡紙，而940nm波長可防止因室內照明而誤觸發。

12. 工作原理

ITR8104基於調變光偵測的原理運作。一個紅外線LED發射出波長為940nm的光子。一個位於LED對面的矽光電晶體作為接收器。當具有足夠能量的光子撞擊光電晶體的基極區域時，會產生電子-電洞對。這種光生電流充當基極電流，導致電晶體導通更大的集極電流（光電效應結合電晶體放大）。不透明物體出現在光路徑中會阻止光子到達光電晶體，消除基極電流並關閉電晶體。這就產生了一個與物體存在與否相關的數位輸出訊號。

13. 技術趨勢

光遮斷器仍然是機電系統中的基礎元件。當前的趨勢集中在微型化（更小的SMD封裝）、在封裝內整合額外的訊號調理電路（如施密特觸發器或放大器）以提供更乾淨的數位輸出，以及提高對環境污染物的抵抗力。此外，也有朝向更高速度變體發展的趨勢，以用於先進的編碼應用。光學遮斷的核心原理因其電氣隔離、非接觸特性以及與純機械開關相比的可靠性，仍然非常穩健。