ITR9909 光遮斷器規格書 - 封裝尺寸4.0mm - 波長940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ITR9909 是一款專為非接觸式感測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（IRED）和一個矽NPN光電晶體整合在單一的黑色熱塑性塑膠外殼內。元件以會聚光軸的方式並排配置。其基本工作原理是光電晶體通常會接收來自同處的紅外線發射器的輻射。當不透明物體通過兩者之間的縫隙時，會阻斷此紅外線光束，導致光電晶體輸出狀態發生可偵測的變化，從而實現物體偵測、位置感測或開關功能。

1.1 核心特性與優勢

• 快速響應時間：能夠偵測快速移動的物體。
• 高靈敏度：矽光電晶體對紅外線光能產生強烈的電氣響應。
• 特定波長：IRED 的峰值發射波長（λp）為 940nm，此波長人眼不可見，有助於減輕環境可見光的干擾。
• 環保合規：本裝置採用無鉛製程，符合 RoHS、歐盟 REACH 及無鹵素標準（Br <900ppm，Cl <900ppm，Br+Cl <1500ppm）。
• 緊湊整合：整合式封裝簡化了槽型感測應用的 PCB 設計與組裝。

1.2 目標應用

ITR9909 適用於各種需要可靠非接觸式偵測的應用：

• 電腦滑鼠與影印機中的旋轉編碼器與位置感測器。
• 掃描器與印表機中的紙張偵測與邊緣感測。
• 軟碟機及其他媒體驅動器中的磁碟存在偵測。
• 通用型非接觸式開關。
• 需要直接安裝的板級感測。

2. 技術規格與深入分析

2.1 絕對最大額定值

超出這些限制操作可能導致永久性損壞。除非另有說明，所有規格均在 Ta=25°C 下測得。

• 輸入端（IRED）：
  • 功率消耗（Pd）：75 mW
  • 反向電壓（VR）：5 V
  • 連續順向電流（IF）：50 mA
  • 峰值順向電流（IFP）：1 A（脈衝寬度 ≤100μs，工作週期 1%）
• 輸出端（光電晶體）：
  • 集極功率消耗（Pd）：75 mW
  • 集極電流（IC）：50 mA
  • 集極-射極電壓（BV_CEO）：30 V
  • 射極-集極電壓（BV_ECO）：5 V
• 環境條件：
  • 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 5 秒（距離本體 1/16 英吋處）

2.2 電氣-光學特性

在 Ta=25°C 下的典型性能參數定義了裝置的操作行為。

• 輸入端（IRED）特性：
  • 順向電壓（V_F）：在 IF=20mA 時，典型值為 1.2V（最大值 1.5V）。會隨著脈衝電流增加而升高。
  • 峰值波長（λ_P）：在 20mA 驅動下，為 940 nm（典型值）。
• 輸出端（光電晶體）特性：
  • 暗電流（I_CEO）：在 V_CE=20V 且完全黑暗的條件下，最大值為 100 nA。此為定義關閉狀態底噪的漏電流。
  • 集極-射極飽和電壓（V_CE(sat)）：在 I_C=2mA 且足夠照度（1mW/cm²）下，最大值為 0.4V。低 V_CE(sat)對於清晰的數位開關操作是理想的。
  • 集極電流（I_C(ON)）：在 V_CE=5V 且 I_F=20mA 下，最小值為 200 µA。此為標準測試條件下保證的最小光電流。
• 動態特性：
  • 上升時間（t_r）與下降時間（t_f）：典型值各為 15 µs。這些參數在特定負載條件（V_CE=5V，I_C=1mA，R_L=1kΩ）下量測，決定了裝置能可靠處理的最高開關頻率。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數個圖表，說明操作參數間的關鍵關係。這些曲線對於理解裝置在非標準條件下的行為至關重要。

3.1 紅外線發射器（IRED）曲線

• 順向電流 vs. 環境溫度：顯示當環境溫度超過 25°C 時，最大允許順向電流的降額情況。
• 光譜靈敏度：相對輻射強度對波長的圖表，峰值在 940nm，顯示發射器的窄頻寬特性。
• 相對輻射強度 vs. 順向電流：展示驅動電流與光輸出之間的非線性關係，在較高電流下趨於飽和。
• 相對輻射強度 vs. 角度位移：說明 IRED 的發射模式或視角，對於光學對準至關重要。

3.2 光電晶體（PT）曲線

• 集極功率消耗 vs. 環境溫度：提供光電晶體輸出的功率降額曲線。
• 光譜靈敏度：顯示光電晶體在不同波長下的響應度，峰值靈敏度通常在近紅外線區域，與 940nm 發射器匹配。
• 相對集極電流 vs. 環境溫度：指示光電晶體的增益或響應度如何隨溫度變化。
• 集極電流 vs. 輻照度：一條基本曲線，顯示入射到光電晶體上的光功率（輻照度）與產生的集極電流之間的線性（或接近線性）關係。
• 集極暗電流 vs. 環境溫度：顯示漏電流（I_CEO）如何隨溫度升高呈指數增長，這可能影響高溫應用中的訊噪比。
• 集極電流 vs. 集極-射極電壓：類似於電晶體的輸出特性曲線，顯示不同照度水平下的工作區域。

3.3 完整模組（ITR）曲線

• 相對集極電流 vs. 感測器間距：這是一條關鍵的系統級曲線。它顯示了當遮斷物體與感測器縫隙之間的距離變化時，接收到的訊號（集極電流）如何變化。它定義了有效感測範圍以及物體位置與輸出訊號強度之間的關係。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

ITR9909 採用標準穿孔式封裝。圖面中的關鍵尺寸包括：

• 定義縫隙尺寸的本體總寬度與高度。
• 用於 PCB 安裝的接腳間距與直徑。
• 內部 IRED 與光電晶體之間的縫隙寬度，決定了可偵測物體的尺寸。
• 尺寸圖註明標準公差為 ±0.25mm，除非另有說明。

4.2 極性識別

本裝置採用許多光遮斷器通用的標準接腳配置：IRED 輸入端為陽極與陰極，光電晶體輸出端為集極與射極。外殼上通常有標記或凹口來指示第 1 腳。

5. 組裝與操作指南

5.1 焊接建議

絕對最大額定值規定，接腳可在 260°C 下焊接最多 5 秒，條件是焊接點距離塑膠本體至少 1/16 英吋（約 1.6mm）。這是為了防止環氧樹脂外殼和內部接線因熱損壞。對於波焊或迴流焊，應遵循具有類似熱限制的穿孔元件標準製程曲線。

5.2 儲存與操作

裝置應在 -40°C 至 +85°C 的指定溫度範圍內，於乾燥環境中儲存。操作時應遵守標準的 ESD（靜電放電）預防措施，因為內部的半導體元件易受靜電損壞。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 包裝規格

標準包裝數量如下：

• 每袋 150 個。
• 每盒 5 袋。
• 每箱 10 盒。

6.2 標籤資訊

產品標籤包含多個用於追溯和規格識別的代碼：

• CPN：客戶產品編號。
• P/N：製造商產品編號（例如：ITR9909）。
• QTY：包裝內數量。
• CAT、HUE、REF：這些可能指的是內部用於參數分級的代碼，例如發光強度等級、主波長等級和順向電壓等級，儘管此規格書摘錄未提供具體的分級細節。
• LOT No：製造批號，用於追溯。

7. 應用設計考量

7.1 電路設計

使用 ITR9909 進行設計主要涉及兩個電路：

1. IRED 驅動電路：標準做法是使用一個簡單的限流電阻與 IRED 串聯。電阻值計算公式為 R = (V_CC- V_F) / I_F。為了可靠操作和長壽命，建議以典型值 20mA 或更低電流驅動 IRED，除非為了特定的訊噪比要求而需要脈衝式高電流驅動。
2. 光電晶體輸出電路：光電晶體有兩種常見配置：
   • 開關模式（數位輸出）：從集極連接一個上拉電阻至 V_CC。射極接地。當光線照射到電晶體時，它導通，將集極電壓拉低（接近 V_CE(sat)）。當光束被阻斷時，電晶體關閉，上拉電阻將集極電壓拉高。上拉電阻的值決定了開關速度和電流消耗。
   • 線性模式（類比輸出）：將光電晶體用於共射極配置並搭配集極電阻，集極電壓將大致與接收到的光量呈線性變化，適用於類比位置感測。

7.2 光學考量

• 對準：物體路徑與感測器縫隙的精確機械對準對於穩定操作至關重要。
• 環境光：雖然 940nm 濾波器和匹配的感測器能良好抑制可見光，但強烈的紅外線光源（例如陽光、白熾燈泡）可能造成干擾。使用調變的紅外線訊號和同步偵測可以大幅提高對環境光的抗干擾能力。
• 感測器偵測光束的阻斷。物體必須對 940nm 紅外線不透明。半透明材料可能無法被可靠偵測。8. 技術比較與差異化

ITR9909 代表了光遮斷器市場中一個標準且可靠的解決方案。其關鍵差異點在於它將 940nm IRED 與矽光電晶體以緊湊的側視封裝形式相結合。與反射式感測器相比，遮斷器能提供更明確的開/關訊號，因為它們較不易受物體反射率或顏色變化的影響。指定的快速響應時間（典型值 15µs）使其適用於速度感測或編碼應用，而高靈敏度確保即使在較低驅動電流或多塵環境中也能獲得良好的訊號。環保合規性（RoHS、無鹵素）是現代電子製造的關鍵因素。

9. 常見問題（基於技術參數）

9.1 最大感測速度或頻率是多少？

最大開關頻率受上升和下降時間（t

、t_r）限制，典型值各為 15µs。對於一個完整的開關週期，保守估計約為這些時間總和的 4 到 5 倍，這表明最大實用頻率約在 10-15 kHz 範圍內。這適用於大多數機械編碼應用。_f9.2 如何選擇 IRED 限流電阻的值？

使用公式 R = (電源電壓 - V

) / I_F。對於 5V 電源，並在典型測試條件 20mA 下驅動，且 V_F約為 1.2V，則 R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 歐姆。標準的 180 或 200 歐姆電阻是合適的。務必確保計算出的電阻功率消耗在其額定值內。_F9.3 為什麼輸出訊號不穩定或有雜訊？

可能的原因包括：1) IRED 驅動電流不足，導致訊號微弱。2) 環境紅外線光過強。3) 光電晶體的暗電流（隨溫度升高而增加）相對於光電流變得顯著。4) 電源線路上的電氣雜訊。解決方案包括增加 I

（在限制內）、添加光學遮罩、實施訊號調變、使用較低值的上拉電阻以獲得更快響應，以及確保良好的電源去耦。_F9.4 我可以在戶外使用這個感測器嗎？

陽光直射含有大量 940nm 的紅外線輻射，可能使光電晶體飽和並妨礙正常操作。對於戶外使用，強烈建議採用精心的光學濾波、阻擋陽光直射的外殼設計，以及使用調變的紅外線訊號。

10. 工作原理與技術趨勢

10.1 工作原理

ITR9909 基於透射光阻斷原理運作。流經紅外線發光二極體（IRED）的電流使其以 940 奈米的峰值波長發射光子。這些光子穿過一個小的空氣間隙，入射到 NPN 矽光電晶體的基極區域。光子在基極-集極接面產生電子-電洞對，該接面有效地充當光二極體。然後，此光電流被裝置的電晶體作用放大，產生更大的集極電流，易於被外部電路量測。當物體物理阻斷發射器與偵測器之間的路徑時，光子通量停止，光電流降至接近零，電晶體關閉，從而指示物體的存在。

10.2 技術背景與趨勢

像 ITR9909 這樣的光遮斷器是成熟且廣為人知的元件。該領域當前的趨勢集中在幾個方面：

微型化：

• 開發更小的表面黏著（SMD）封裝，以節省現代消費性電子產品中的電路板空間。整合化：
• 在晶片上整合額外電路，例如用於數位輸出的施密特觸發器、用於類比輸出的放大器，甚至是完整的邏輯電平介面（例如開汲極輸出）。性能提升：
• 提高速度以用於更高解析度的編碼器、降低電池供電裝置的功耗，以及增加靈敏度以允許更小的驅動電流或更大的感測間隙。專業化：
• 針對特定市場領域（如汽車、工業自動化或醫療設備）創建具有不同縫隙寬度、孔徑形狀或光譜響應的變體。光學阻斷的基本原理仍然是一種穩健且具成本效益的非接觸式感測方法，確保其在廣泛的機電系統中持續具有相關性。

The fundamental principle of optical interruption remains a robust and cost-effective method for non-contact sensing, ensuring continued relevance in a wide array of electromechanical systems.