ITR20403 光遮斷器規格書 - 封裝尺寸 4.0x3.0x2.0mm - 順向電壓 1.6V - 功耗 75mW - 紅外線 940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ITR20403 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小型黑色熱塑性塑膠外殼內。該元件的主要功能是偵測其發射器與接收器元件之間紅外線光束的中斷。

1.1 核心優勢與目標市場

此元件提供多項關鍵優勢，使其適用於精密應用。其快速響應時間與高靈敏度，能可靠偵測快速移動的物體。薄型小巧的封裝便於整合到空間受限的設計中，常見於消費性電子產品與辦公室自動化設備。一個重要的技術特點是其外殼設計，使光電晶體主要接收來自整合式 IRED 的輻射，從而最大限度地減少環境光源的干擾和雜訊。主要目標市場包括影像設備、文件處理系統，以及各種需要精確位置或存在偵測的自動化控制。

2. 深入技術參數分析

本節根據規格書，對元件的電氣、光學和熱規格提供詳細、客觀的解釋。

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。這些並非建議的工作條件。

• 輸入端（IRED）功耗（Pd）：在 25°C 或以下自由空氣溫度時，最大值為 75 mW。超過此限制可能導致 LED 晶片熱損壞。
• 輸入端逆向電壓（VR）：最大值 5 V。施加更高的逆向電壓可能導致接面崩潰。
• 連續順向電流（IF）：最大值 50 mA。這是 IRED 能承受的最高直流電流。
• 輸出端（光電晶體）功耗（Pd）：在 25°C 或以下自由空氣溫度時，最大值為 75 mW。
• 集極電流（IC）：光電晶體輸出的最大值為 20 mA。
• 集極-射極電壓（BV_CEO）：最大值 30 V。這是基極開路時的崩潰電壓。
• 工作溫度（T_opr）：-25°C 至 +80°C。保證元件在此環境溫度範圍內正常運作。
• 儲存溫度（T_stg）：-40°C 至 +85°C。
• 接腳焊接溫度（T_sol）：距離封裝本體 3mm 處測量，最高 260°C，持續 5 秒。這對於組裝製程控制至關重要。

2.2 電光特性

這些參數是在標準測試條件下（Ta=25°C）測量，代表元件的典型性能。

• 順向電壓（V_F）：典型值 1.23V，在 I_F=20mA 時最大值為 1.6V。此參數對於設計 IRED 的限流驅動電路至關重要。
• 峰值波長（λ_P）：940 nm。這是發射紅外線的標稱波長，與接收光電晶體的峰值靈敏度相匹配。
• 集極暗電流（I_CEO）：在 V_CE=20V 且無光照時，最大值為 100 nA。此漏電流決定了感測器在關斷狀態下的雜訊基底。
• 集極-射極飽和電壓（V_CE(sat)）：在 I_C=2mA 且輻照度（E_e）為 1 mW/cm² 時，最大值為 0.4V。對於數位開關應用，低飽和電壓是理想的。
• 導通集極電流（I_C(on)）：在 V_CE=5V 且 I_F=20mA 的測試條件下，範圍從最小值 0.2 mA 到最大值 5.0 mA。此寬廣範圍表示元件間電流傳輸比（CTR）的變異，在電路設計中必須加以考量。
• 上升/下降時間（t_r, t_f）：在指定的開關條件下，典型值各為 15 µsec。這定義了元件可達到的最大開關頻率。

3. 性能曲線分析

規格書包含典型的特性曲線，有助於了解元件在不同條件下的行為。

3.1 順向電流 vs. 環境溫度

此曲線說明隨著環境溫度升高，IRED 順向電流所需的降額。為防止超過最高接面溫度並確保長期可靠性，當元件用於高溫環境時，必須降低工作電流。設計人員必須參考此圖表，以確定其特定應用最高環境溫度下的安全工作電流。

3.2 光譜靈敏度

分別提供了紅外線發射器和光電晶體的光譜靈敏度曲線。IRED 曲線顯示相對輻射強度與波長的關係，峰值在 940 nm。光電晶體曲線顯示其相對響應與入射光波長的關係，其峰值設計為與發射器的輸出對齊。這種窄且匹配的響應最大限度地減少了對可見環境光的靈敏度，這是在變化光照條件下穩定運作的關鍵特性。

3.3 順向電流 vs. 順向電壓

這是 IRED 的 IV 曲線，顯示了順向電壓與電流之間的非線性關係。這對於選擇適當的限流方案（例如電阻、恆流源）至關重要，以確保在工作溫度範圍內和生產變異下，紅外線輸出穩定。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

元件封裝於緊湊的外殼中。關鍵尺寸包括本體寬度約 4.0 mm、深度 3.0 mm、高度 2.0 mm。接腳間距為 2.54 mm（0.1 英吋），這是通孔 PCB 安裝的標準間距。除非另有說明，所有尺寸公差為 ±0.25 mm。接腳尺寸測量點為其從封裝本體伸出的位置。

4.2 極性識別與安裝

元件有四支接腳。此類光遮斷器的標準慣例是，一側的兩支接腳屬於紅外線發射器（陽極和陰極），另一側的兩支接腳屬於光電晶體（射極和集極）。確切的接腳配置必須從封裝圖中確認。安裝時，PCB 孔必須與接腳位置精確對齊，以避免在插入時對環氧樹脂本體施加機械應力，這可能導致性能下降或故障。

5. 焊接與組裝指引

正確的處理對於保持元件完整性和性能至關重要。

5.1 接腳成型

如果需要彎折接腳，必須在焊接前進行。彎折處應距離環氧樹脂封裝本體底部大於 3 mm。彎折時必須穩固地固定引線框架，以防止應力傳遞到脆弱的環氧樹脂燈泡，從而導致破裂或內部損壞。接腳切割應在室溫下進行。

5.2 焊接製程

焊點與環氧樹脂燈泡之間必須保持至少 3 mm 的距離。建議條件如下：

• 手工焊接：烙鐵頭溫度最高 300°C（適用於 30W 烙鐵），每支接腳焊接時間最長 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。

避免在元件處於高溫時對其接腳施加任何機械應力。浸焊或手工焊接不應進行超過一次。焊接後，在元件恢復到室溫前，應保護其免受機械衝擊或振動。不建議使用快速冷卻製程。

5.3 清潔與儲存

禁止使用超音波清潔，因為高頻振動可能損壞內部元件或環氧樹脂密封。對於儲存，出貨後 3 個月內，元件應保存在 10-30°C 和 70% RH 或更低的環境中。對於更長時間的儲存（長達一年），建議使用氮氣氣氛的密封容器，溫度 10-25°C，濕度 20-60%。打開防潮包裝後，元件應在 24 小時內或盡快使用，剩餘元件應立即重新密封。

6. 包裝與訂購資訊

標準包裝規格為每管 120 件，每盒 96 管，每箱 2 盒。包裝標籤包含客戶料號（CPN）、製造商料號（P/N）、包裝數量（QTY）、參考（REF）和批號（LOT No.）等欄位。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 印表機/影印機/掃描器中的紙張偵測：偵測紙張是否存在、卡紙或文件的前緣/後緣。
• 相機中的鏡頭蓋或濾鏡位置偵測：感測鏡頭蓋是否蓋上，或濾鏡輪是否在正確位置。
• 非接觸式端點感測：用於掃描器、繪圖機或自動化平台，以非接觸方式偵測原點或極限位置。
• 物件計數或分揀：當物件中斷紅外線光束時，偵測輸送帶上的物件。
• 旋轉編碼器圓盤感測：讀取旋轉圓盤上的槽孔以測量速度或位置（儘管專用編碼器模組通常更適合高解析度任務）。

7.2 設計考量與電路介面

使用 ITR20403 進行設計時，必須考慮以下幾個因素：

1. IRED 的限流：必須根據電源電壓（V_CC）、所需的順向電流（I_F，通常為額定輸出的 20mA）和順向壓降（V_F~1.23V）計算串聯電阻。R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. 輸出介面電路：光電晶體可用於兩種常見配置：
   • 開關模式：將一個上拉電阻（例如 1kΩ 至 10kΩ）從集極連接到 V_CC。射極接地。當光束未被遮擋時（電晶體導通），集極的輸出將為低電位（接近 V_CE(sat)）；當光束被遮擋時（電晶體關斷），輸出為高電位（V_CC）。
   • 類比模式：光電晶體可用於共射極配置，搭配集極電阻以產生與光強度成比例的電壓。然而，與搭配運算放大器電路的光電二極體相比，其非線性響應和溫度依賴性使其不太適合精確的類比測量。
3. 抗雜訊能力：儘管對環境光有抵抗力，電路仍可能拾取電氣雜訊。建議在元件電源接腳附近使用旁路電容（0.1 µF）並謹慎進行 PCB 佈局。對於長線纜或嘈雜環境，使用屏蔽或將輸出驅動至施密特觸發器輸入可以提高可靠性。
4. 孔徑與槽口設計：遮斷光束的物體應對紅外線不透明。偵測的解析度和重複性取決於物體寬度相對於元件外殼中槽口寬度的比例。對於邊緣偵測，具有鋒利邊緣的葉片或旗標可提供最精確的時序。

8. 技術比較與差異化

ITR20403 主要透過其緊湊、薄型的尺寸進行差異化，這在小型化消費性電子產品中具有優勢。其快速的 15 µs 響應時間適合偵測中高速事件。整合式外殼使發射器和接收器在光譜上匹配，提供了固有的環境光抑制功能，與使用分離元件相比，簡化了設計。與反射式物體感測器相比，遮斷器提供更高的位置精度，並且對目標物體的顏色或反射率較不敏感。與具有更寬間隙的槽式光開關相比，此元件的窄間隙允許偵測更小的物體或進行更精確的邊緣偵測。

9. 常見問題（基於技術參數）

9.1 紅外線 LED 的典型工作電流是多少？

電光特性是在 I_F= 20 mA 下測試的，這是實現指定導通集極電流的常見且建議的工作點。電路設計必須確保不超過 50 mA 的絕對最大額定值。

9.2 為何導通集極電流的範圍如此寬廣（0.2mA 至 5.0mA）？

此範圍代表元件間電流傳輸比（CTR）的變異，即光電晶體輸出電流（I_C）與 IRED 輸入電流（I_F）的比值。這種變異是光耦合器和遮斷器製造過程中所固有的。電路必須設計為能在指定的最小 I_C(on)（0.2mA）下正常工作，以確保所有生產單元的可靠性。

9.3 此感測器可用於戶外嗎？

雖然外殼提供了良好的環境光抑制，但直射陽光含有大量紅外線輻射，可能使感測器飽和。對於戶外使用，需要額外的光學濾波、屏蔽或採用同步偵測的脈衝操作，以確保可靠的性能。工作溫度範圍（-25°C 至 +80°C）也限制了極端環境應用。

9.4 物體需要多靠近才能遮斷光束？

該元件具有一個窄而聚焦的間隙。物體需要物理穿過發射器和偵測器之間的槽口。它沒有接近感測能力；光束必須被完全遮擋，輸出狀態才能可靠地改變。

10. 設計與使用案例研究

情境：桌上型印表機中的缺紙感測器。

實作方式：將 ITR20403 安裝在印表機的送紙路徑上。當沒有紙張時，一個連接到彈簧的槓桿或旗標停留在感測器的槽口中。當送入一張紙時，它將旗標推出槽口，使紅外線光束通過並使光電晶體導通。

電路設計：IRED 透過一個限流電阻，由印表機的 5V 邏輯電源以 20mA 驅動。光電晶體集極透過一個 4.7kΩ 上拉電阻連接到 3.3V 微控制器輸入腳位。射極接地。

軟體邏輯：微控制器腳位配置為數位輸入。讀取到 LOW 表示光束未被遮擋（旗標移出，有紙）。讀取到 HIGH 表示光束被遮擋（旗標在內，無紙），觸發向用戶發出缺紙警報。添加了防彈跳邏輯（例如在軟體中）以忽略旗標的機械振動。

此案例的關鍵考量：旗標機構必須設計得能可靠且完全地進入感測器槽口。彈簧必須提供足夠的力以確保正向回位，但力量不能太大，以免損壞紙張或導致感測器磨損。感測器的位置必須牢固固定以保持對齊。

11. 工作原理

ITR20403 基於調變光傳輸與偵測的原理運作。紅外線發光二極體（IRED）以恆定電流順向偏壓，使其在 940 nm 的峰值波長發射光子。在同一外殼內，正對面是一個矽 NPN 光電晶體。當紅外線光束在間隙中暢通無阻地傳播時，它會照射到光電晶體的基極區域。被吸收的光子產生電子-電洞對，這些電子-電洞對充當基極電流，使電晶體導通，並允許與光強度成比例的集極電流（I_C）流動。當不透明物體進入間隙時，它會阻擋光束，光生基極電流停止，電晶體關斷。輸出電路將此導通/關斷狀態變化轉換為可用的電氣訊號。黑色熱塑性塑膠外殼用於容納光路、防止光學串擾，並阻擋大部分環境可見光，這些可見光的光子通常沒有足夠的能量被矽光電晶體的能隙吸收，從而提供了固有的光學濾波。

12. 技術趨勢

像 ITR20403 這樣的光遮斷器代表了一種成熟可靠的技術。該領域當前的趨勢集中在幾個方面：進一步小型化以整合到更小的便攜式和可穿戴設備中；開發具有更好回流焊接相容性的表面黏著元件（SMD）版本，以實現自動化組裝；提高開關速度以支援編碼器應用中更高的資料速率或更快的機械運作；以及增強對高溫、濕度和污染等環境因素的耐受性。還有一個趨勢是整合額外的功能，例如在輸出端內建施密特觸發器以提供遲滯，甚至數位介面（I2C、SPI），以實現更智慧、可定址的感測器模組。然而，如 ITR20403 所見的基本通孔、分離元件設計，在其性能和尺寸足夠的應用中，仍然具有很高的成本效益並被廣泛使用。