ITR8102 光遮斷器規格書 - 封裝尺寸 4.8x4.8x3.2mm - 順向電壓 1.25V - 峰值波長 940nm - 繁體中文技術文件

. Product Overview

ITR8102 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) 和一個矽光電晶體整合在一個黑色熱塑性塑膠外殼內，並將其光學軸線對齊匯聚。此配置使光電晶體在正常情況下能接收來自 IRED 的輻射。當不透明物體阻斷發射器與偵測器之間的光路徑時，光電晶體停止導通，從而實現物體偵測或位置感測。

主要特點包括快速響應時間、高靈敏度，以及符合 RoHS 和歐盟 REACH 等環境標準。該元件採用無鉛材料製造。

2. 技術參數詳解

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能對元件造成永久損壞的極限。在此條件下操作不保證性能。

• 輸入功率耗散 (Pd)：在自由空氣溫度等於或低於 25°C 時為 75 mW。
• 輸入反向電壓 (VR)：最大 5 V。
• 輸入順向電流 (IF)：最大 50 mA。
• 輸出集極功率耗散 (Pc)：75 mW。
• 輸出集極電流 (IC)：最大 20 mA。
• 集極-射極電壓 (BVCEO)：最大 30 V。
• 操作溫度 (Topr)：-25°C 至 +85°C。
• 儲存溫度 (Tstg)：-40°C 至 +85°C。
• 接腳焊接溫度 (Tsol)：260°C，持續時間少於 5 秒，測量點距離封裝體 3mm。

2.2 電光特性

這些參數在 Ta=25°C 下量測，定義了典型的操作性能。

• 順向電壓 (VF)：典型值 1.25V，在 IF=20mA 時最大值為 1.60V。
• 反向電流 (IR)：在 VR=5V 時最大 10 μA。
• 峰值波長 (λP)：在 IF=20mA 時為 940 nm。
• 暗電流 (ICEO)：在 VCE=20V 且零輻照度 (Ee=0 mW/cm²) 時最大 100 nA。
• 集極-射極飽和電壓 (VCE(sat))：在 IC=0.9mA 且 IF=20mA 時最大 0.4V。
• 集極電流 (IC(ON))：最小值 0.9mA，典型值更高，在 VCE=5V 且 IF=20mA 時最高可達 15mA。
• 上升/下降時間 (tr, tf)：在指定測試條件下 (VCE=5V, IC=1mA, RL=1kΩ)，典型值各為 15 μsec。

3. 性能曲線分析

3.1 紅外線發射器特性

規格書提供了紅外線發射器元件的典型曲線。順向電流 vs. 順向電壓曲線顯示了非線性關係，對於設計限流驅動電路至關重要。順向電流 vs. 環境溫度曲線說明了隨著環境溫度升高，最大允許順向電流必須降額，以防止過熱。光譜分佈曲線確認了峰值發射波長為 940nm，這對於匹配光電晶體的靈敏度並最小化環境可見光的干擾是最佳的。

3.2 光電晶體特性

光電晶體的關鍵曲線是光譜靈敏度圖。它顯示了偵測器在不同波長下的響應度，在約 940nm 的近紅外光區域達到峰值。這種與紅外線發射器輸出的精確光譜匹配，確保了感測系統的高靈敏度和高訊噪比。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

ITR8102 採用標準 4 接腳側視封裝。關鍵尺寸包括本體長度約 4.8mm、高度約 4.8mm、寬度約 3.2mm（不含接腳）。接腳間距為 2.54mm (0.1 英吋)。除非另有說明，所有尺寸單位為毫米，一般公差為 ±0.3mm。接腳從黑色塑膠外殼底部伸出，該外殼作為光學屏障，可防止發射器和偵測器之間的串擾。

4.2 極性辨識

該元件採用標準接腳配置。從正面（有透鏡開口的一側）觀看元件時，接腳通常從左到右排列如下：IRED 陽極、IRED 陰極、光電晶體射極、光電晶體集極。務必參考封裝圖進行最終確認，以確保電路連接正確。

5. 焊接與組裝指南

5.1 接腳成型

接腳必須在焊接前成型。彎曲處應距離環氧樹脂封裝體底部 3mm 以上，以避免應力引起的裂紋或性能下降。彎曲時必須穩固固定引線框架，以防止對環氧樹脂球體施加應力。接腳切割應在室溫下進行。

5.2 焊接製程

建議的焊接條件對於可靠性至關重要。

• 手工焊接：烙鐵頭溫度最高 300°C（適用於 30W 烙鐵），每個接腳焊接時間最長 3 秒。
• 波峰/浸焊：預熱溫度最高 100°C，持續時間最長 60 秒。焊錫槽溫度最高 260°C，停留時間最長 5 秒。
• 關鍵距離：焊點必須距離環氧樹脂球體至少 3mm，以防止熱損壞。
• 製程限制：浸焊或手工焊接不應執行超過一次。

提供了建議的焊接溫度曲線，強調受控的升溫、峰值溫度平台期和受控的冷卻階段，以最小化熱衝擊。

5.3 清潔與儲存

禁止使用超音波清潔，因為它可能損壞內部元件或環氧樹脂密封。對於儲存，元件應在出貨後存放於 10-30°C 且相對濕度 ≤70% 的環境中，最長 3 個月。對於更長時間的儲存（最長一年），建議使用 10-25°C、20-60% 相對濕度的氮氣環境。打開防潮袋後，元件應在 24 小時內使用或立即重新密封。

6. 包裝與訂購資訊

標準包裝規格為每管 100 個，每盒 20 管，每箱 4 盒，每箱總計 8000 個。包裝上的標籤包含客戶料號 (CPN)、製造商料號 (P/N)、包裝數量 (QTY) 和批號 (LOT No.) 欄位，以供追溯。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

ITR8102 適用於各種非接觸式感測和開關應用，包括但不限於：

• 印表機/掃描器/影印機中的位置感測：偵測紙張存在、紙匣位置或字車歸位位置。
• 旋轉編碼：與開槽輪結合使用，以量測馬達、風扇或軟碟機中的速度或位置。
• 物體偵測：在自動販賣機、工業自動化或安全系統中偵測物體的存在與否。
• 非接觸式開關：在消費性電子產品或家電中實現非接觸式開關。

7.2 設計考量

• 限流電阻：必須將一個外部電阻與 IRED 陽極串聯，以將順向電流 (IF) 限制在所需值（例如，典型操作為 20mA），該電阻值需根據電源電壓和 IRED 的順向電壓 (VF) 計算。
• 光電晶體偏壓：一個負載電阻 (RL) 連接在光電晶體的集極和正電源之間。RL 的值決定了輸出電壓擺幅和開關速度。典型值為 1kΩ。
• 抗環境光能力：黑色外殼和 940nm 匹配波長對提供了良好的環境可見光抑制能力。對於高環境紅外光的環境，可能需要調變/解調變技術。
• 孔徑與間隙設計：感測距離和解析度取決於阻斷光束的物體尺寸和對齊情況。匯聚的光學軸線定義了特定的感測間隙。
• 熱管理：根據降額曲線，在較高的環境溫度下必須對順向電流進行降額，以確保輸入功率耗散 (Pd) 不超過安全限制。

8. 技術比較與差異化

ITR8102 為通用型光遮斷應用提供了一組平衡的規格。其主要差異化特點包括：適用於中速感測的相對快速的 15μs 響應時間、確保強輸出訊號的高最小集極電流 (0.9mA)，以及緊湊的業界標準封裝。與反射式感測器相比，像 ITR8102 這樣的遮斷器模組提供了更高的可靠性和一致性，因為它們不受目標物體反射率變化的影響。帶有物理間隙的並排配置非常適合偵測通過特定平面的物體。

9. 常見問題 (FAQ)

9.1 典型的感測距離或間隙是多少？

感測間隙由封裝內部發射器和偵測器透鏡之間的機械間隔定義。對於 ITR8102，這是一個固定的內部間隙。該元件偵測任何插入此間隙並阻斷紅外線光束的不透明物體。有效的感測距離基本上為零，因為物體必須物理進入槽口。

9.2 我可以用電壓源直接驅動 IRED 嗎？

不行。IRED 是一個具有動態電阻和順向電壓降的二極體。將其直接連接到超過其 VF 的電壓源將導致過大電流，可能損壞元件。必須串聯一個限流電阻。

9.3 如何將光電晶體輸出連接到微控制器？

光電晶體充當光控開關。當負載電阻 (RL) 連接到 VCC 時，集極輸出在光束未被阻斷（導通狀態）時會被拉低（接近 VCE(sat)）。當光束被阻斷時，電晶體關閉，集極輸出變為高電位（達到 VCC）。此數位訊號可以直接由微控制器的數位輸入腳位讀取。對於光強度的類比感測，可以使用 ADC 量測 RL 兩端的電壓，但線性度可能有限。

9.4 為什麼焊接距離 (3mm) 如此關鍵？

封裝半導體晶片的環氧樹脂對極端熱應力很敏感。焊接位置太靠近本體會傳遞過多熱量，可能導致環氧樹脂破裂、損壞內部的接線，或改變透鏡的光學特性，從而導致立即故障或降低長期可靠性。

10. 實務設計案例

案例：桌上型印表機的缺紙感測器

在此應用中，ITR8102 安裝在印表機的主機板上，其感測間隙與紙疊通過的路徑對齊。當紙張用完時，連接到紙匣的機械槓桿或旗標會移動到感測器的間隙中。

電路實現：IRED 透過一個 180Ω 串聯電阻從印表機的 5V 邏輯電源驅動，提供恆定的 20mA 電流 ((5V - 1.25V)/20mA ≈ 187Ω，標準值 180Ω)。光電晶體的集極透過一個 4.7kΩ 上拉電阻連接到 5V 電源，同時也連接到印表機微控制器的一個 GPIO 腳位。

操作：當有紙時，旗標不在間隙內，光束未被阻斷，光電晶體導通，將集極輸出拉至低電位。微控制器讀取到邏輯 '0'，表示有紙。當紙張用完時，旗標進入間隙，阻斷光束。光電晶體關閉，允許上拉電阻將集極輸出拉至高電位。微控制器讀取到邏輯 '1'，在使用者介面上觸發缺紙警報。ITR8102 的快速響應時間確保了即時偵測。

11. 工作原理

ITR8102 基於調變光傳輸與偵測的原理運作。內部的紅外線發光二極體 (IRED) 在施加適當順向電流偏壓時，會以 940nm 的峰值波長發射光子。這些光子穿過外殼內一個精確對齊的小空氣間隙。位於 IRED 對面的矽光電晶體對此特定波長敏感。當光子撞擊光電晶體的基極區域時，會產生電子-電洞對，有效地產生基極電流，從而開啟電晶體，讓更大的集極電流流通。此集極電流與接收到的紅外光強度成正比。當不透明物體進入間隙時，它會阻斷光子流，光電晶體的基極電流降至接近零（暗電流），電晶體關閉。輸出端這種明顯的導通/關斷電氣狀態直接對應於光路徑中物體的存在與否。

12. 技術趨勢

光遮斷器技術隨著光電和製造技術的進步而不斷發展。趨勢包括開發更小封裝尺寸的元件，以實現消費性電子和穿戴式裝置的微型化。同時也推動更高的開關速度，以支援更快的資料編碼和高速工業自動化。整合額外功能，例如用於訊號調理的內建施密特觸發器或限流電阻，簡化了電路設計。此外，成型材料和製程的改進增強了環境穩健性，使其能在更寬的溫度和濕度範圍內操作，適用於汽車和工業應用。其基本原理依然穩健，確保了光遮斷器在可靠、非接觸式位置和物體偵測方面的持續相關性。