LTH-301-07P5 光遮斷器規格書 - 槽型光電開關 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-301-07P5 是一款光遮斷器，屬於一種專為非接觸式開關應用設計的光電元件。它將一個紅外線發光二極體（LED）和一個光電晶體整合在一個緊湊的槽型外殼內。其基本工作原理是透過外部物體阻斷發射器與偵測器之間的紅外線光束，從而導致光電晶體的輸出訊號產生相應變化。此設計提供了一種可靠且精確的方法，可在無物理接觸的情況下偵測物體的存在、不存在或位置。

此元件的核心優勢在於其非接觸特性，消除了機械磨損，從而實現高可靠性和長使用壽命。它具有快速的開關速度，適用於需要快速偵測的應用。該元件設計用於直接安裝在印刷電路板（PCB）上或與雙列直插式插座搭配使用，為系統設計和組裝提供了靈活性。

典型的目標市場和應用包括但不限於辦公室自動化設備，例如傳真機、影印機、印表機和掃描器。它也廣泛應用於各種需要精確物體偵測的工業自動化、消費性電子和儀器系統中。

2. 技術參數深度客觀解讀

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了可能對元件造成永久損壞的應力極限。這些額定值是在環境溫度（TA）為 25°C 下指定的，在正常工作條件下，即使瞬間也不應超過。

輸入 LED：連續順向電流限制為 50 mA，在脈衝條件下（每秒 300 個脈衝，10 μs 脈衝寬度）允許峰值順向電流為 1 A。LED 的最大功耗為 80 mW。反向耐壓能力為 5 V，這是保護 LED 免受意外反向偏壓的關鍵參數。

輸出光電晶體：集極-射極電壓（V_CE）額定值為 30 V，而射極-集極電壓（V_EC）為 5 V。最大集極電流為 20 mA，功耗限制為 100 mW。遵守這些限制對於確保光電晶體的壽命和穩定運作至關重要。

環境極限：此元件的額定工作溫度範圍為 -25°C 至 +85°C。儲存溫度範圍更寬，為 -40°C 至 +100°C。引腳焊接溫度指定為 260°C 持續 5 秒，測量點距離外殼 1.6mm，這是組裝製程的關鍵資訊。

2.2 電氣與光學特性

這些特性定義了元件在 25°C 正常操作條件下的預期性能。它們為電路設計提供了關鍵參數。

輸入 LED 特性：在順向電流（I_F）為 20 mA 時，典型順向電壓（V_F）為 1.2 V，最大值為 1.6 V。此參數對於設計 LED 驅動電路的限流電阻至關重要。在反向電壓（V_R）為 5 V 時，反向電流（I_R）最大值為 100 μA，表示 LED 在關閉狀態下的漏電流。

輸出光電晶體特性：在 V_CEO=10V 時，集極-射極暗電流（I_CE）最大值為 100 nA，代表 LED 關閉（無光）時的輸出漏電流。崩潰電壓（BV_CEO和 BV_ECO）確認了最大額定值。

耦合器（系統）特性：這些參數描述了 LED 和光電晶體的綜合性能。當 LED 以 I_C(ON)=20mA 驅動且 V_F=5V 時，保證導通狀態集極電流（I_CECE(SAT)_{）至少為 0.6 mA。這是槽口未被阻擋時的關鍵輸出訊號位準。在相同條件下，當 I}=0.2mA 時，集極-射極飽和電壓（V_C）最大值為 0.4 V，表示良好的導通狀態特性。響應時間，典型上升時間（T_r）為 3 μs，下降時間（T_f）為 4 μs（在特定測試條件下），定義了元件的開關速度能力。

3. 機械與封裝資訊

3.1 外型尺寸

LTH-301-07P5 採用標準穿孔式封裝。詳細的機械圖面在規格書中提供。所有尺寸均以毫米為單位指定。未指定尺寸的標準公差為 ±0.25 mm。關鍵尺寸包括外殼的總長度、寬度和高度、槽口寬度和深度（定義了遮斷物體通過的間隙），以及引腳間距和直徑。該元件設計用於波峰焊接或手工焊接製程。

極性識別：該元件具有特定的接腳配置。通常，較長的引腳或外殼上的特定標記表示 LED 的陽極。必須查閱尺寸圖以獲得確切的接腳識別（例如，接腳 1 通常是 LED 陽極，接腳 2 是 LED 陰極，接腳 3 是光電晶體射極，接腳 4 是集極），以確保在 PCB 組裝期間方向正確。極性錯誤將導致元件無法運作。

4. 焊接與組裝指南

焊接期間的正確處理對於防止塑膠外殼和內部半導體晶片損壞至關重要。

一般注意事項：外殼不得浸入焊料中。在焊接過程中產品處於高溫時，不得對引線框架施加外部應力，因為這可能導致內部裂紋或錯位。

手工/引腳焊接：對於手工焊接，建議的烙鐵最高溫度為 350°C。每個引腳的焊接時間不應超過 3 秒，且每個引腳僅應執行一次。焊接點距離元件外殼基部的距離應不小於 2 mm，以防止熱損壞。

波峰焊接：對於自動波峰焊接，建議使用特定的溫度曲線。預熱溫度不應超過 100°C，預熱時間最長 60 秒。焊波溫度最高應為 260°C，接觸時間不超過 5 秒。浸入位置必須距離外殼基部不低於 2 mm。遵守此溫度曲線可防止熱衝擊，並確保可靠的焊點，同時不損害塑膠封裝的完整性。

5. 儲存條件與注意事項

為保持可焊性並防止性能下降，必須遵守特定的儲存條件。

理想的儲存環境是溫度低於 30°C 且相對濕度低於 70%。元件應在交貨日期後 3 個月內組裝。若零件仍在其原始的防潮包裝內，為延長儲存壽命，應將其儲存在帶有適當乾燥劑的密封容器中，或在氮氣吹掃的乾燥器中。然而，在這些受控條件下，儲存時間不應超過一年。

一旦打開原始密封包裝，元件必須在 3 個月內使用，並應保存在 <25°C 和 <60% 相對濕度的受控環境中。必須避免環境溫度的快速變化，特別是在高濕度環境中，以防止冷凝，這可能導致元件引腳氧化。如果儲存條件不符合指定標準，引腳的可焊性可能會受到影響。在這種情況下，必須在使用於生產前進行可焊性評估和潛在的元件重新篩選。

6. 應用建議

6.1 典型應用場景

LTH-301-07P5 用途廣泛，可用於眾多應用：

• 印表機/影印機/掃描器中的紙張偵測：偵測紙張的存在、卡紙或紙卷末端。
• 位置感測：偵測移動機構中的原點位置或行程極限（例如，印表機字車、機械手臂）。
• 旋轉編碼：與槽輪搭配使用，測量旋轉軸的速度或位置。
• 物體計數：計算通過槽口的輸送帶上的物品數量。
• 安全系統：作為光束遮斷感測器的一部分，用於入侵偵測。

6.2 設計考量

在使用此光遮斷器設計電路時，必須考慮幾個因素：

• LED 驅動電流：建議的工作電流為 20 mA。必須根據電源電壓（V_CC）和 LED 順向電壓（V_F）使用歐姆定律計算串聯電阻：R = (V_CC- V_F) / I_F。使用典型的 V_F值 1.2V 和 5V 電源，電阻約為 (5V - 1.2V) / 0.02A = 190 歐姆。標準的 200 歐姆電阻將是合適的。
• 光電晶體偏壓：光電晶體輸出可用於共射極配置（射極接地，集極透過負載電阻 R_CC上拉至 V_L）或作為開關。R_L的值會影響輸出電壓擺幅和開關速度。較小的 R_L提供更快的響應，但輸出電壓變化較小。規格書測試條件使用 R_L=100Ω。
• 訊號調理：輸出是隨光強度變化的類比電流。對於數位開關應用，可能需要在負載電阻後添加比較器或施密特觸發器電路，以提供乾淨的數位訊號，特別是當遮斷物體沒有完全阻擋光束時。
• 抗環境光能力：由於該元件使用紅外線，它對可見環境光有一定的免疫力。然而，強烈的紅外光源（例如陽光、白熾燈泡）會影響性能。使用調變的 LED 驅動訊號和同步偵測可以大大增強對環境光的抗干擾能力。
• 機械對準：遮斷物體必須可靠地通過槽口並完全阻斷光束，以確保運作一致。必須仔細考慮槽口尺寸以及物體的大小和路徑。

7. 技術比較與差異化

像 LTH-301-07P5 這樣的光遮斷器與其他感測技術競爭，例如機械微動開關、霍爾效應感測器和反射式光學感測器。

與機械開關比較：主要優勢是完全沒有物理接觸，從而實現幾乎無限的機械壽命、無接觸彈跳、靜音操作，以及在骯髒或多塵環境中更高的可靠性。缺點可能是成本稍高，並且需要電子驅動電路。

與反射式光學感測器比較：槽型光遮斷器提供更高的位置精度和一致性，因為發射器和偵測器在固定的幾何結構中精確對準。它們較不易受目標物體反射率變化的影響。反射式感測器更適合用於偵測遠處的物體或在無法設置物理槽口的地方。

與霍爾效應感測器比較：霍爾感測器偵測磁場，而非光遮斷。它們用於感測磁鐵的位置。選擇完全取決於應用：偵測任何不透明物體（光遮斷器）與偵測磁場（霍爾感測器）。

LTH-301-07P5 的具體差異在於其平衡的電氣特性組合（順向電壓、輸出電流、速度）、適合波峰焊接的堅固機械封裝，以及其明確的儲存和處理要求，使其成為批量製造的可靠選擇。

8. 常見問題（基於技術參數）

問：LED 的峰值順向電流額定值目的是什麼？

答：此額定值（300pps、10μs 時為 1A）允許 LED 在短時間內以遠高於其連續額定值（50mA）的電流進行脈衝驅動。這可用於實現更亮的光脈衝，從而提高訊噪比或允許使用較低的工作週期，降低平均功耗和熱量產生。

問：I_C(ON)被指定為最小值 0.6mA。這對我的電路設計意味著什麼？

答：這是一個保證的下限。在標準測試條件下（I_F=20mA，V_CE=5V），當槽口暢通時，光電晶體將吸收至少0.6mA 的電流。您應用中的實際電流可能更高。您必須設計您的負載電阻（R_L）和任何後續邏輯閘，以識別對應於此最小電流的電壓位準。例如，當 R_L=1kΩ 時，光束未被阻擋時，輸出電壓將最多降至 V_CE= 5V - (0.6mA * 1kΩ) = 4.4V。

問：為什麼儲存條件如此嚴格，尤其是在打開包裝袋之後？

答：元件引腳暴露在潮濕空氣中容易氧化。氧化的引腳可焊性差，會導致焊點薄弱或不存在（去濕）。防潮包裝和嚴格的儲存規則是行業標準做法（符合 IPC/JEDEC 標準），旨在確保高組裝良率和長期可靠性。

問：我可以在戶外使用這個感測器嗎？

答：工作溫度範圍為 -25°C 至 +85°C，涵蓋了許多戶外條件。然而，直接暴露在陽光下（強烈的紅外線輻射源）可能會使光電晶體飽和，導致誤觸發。該元件也沒有針對水或灰塵進入進行密封。對於戶外使用，需要仔細的光學屏蔽以隔離環境光，並提供環境保護，或者可能需要更合適的不同感測器技術。

9. 工作原理介紹

光遮斷器基於簡單的光電原理運作。它包含兩個主要元件，安裝在一個物理間隙（槽口）的兩側：

1. 紅外線發射器（LED）：這是一種半導體二極體，當以適當的電流（例如 20mA）施加順向偏壓時，會發射紅外線（人眼不可見）。
2. 光電晶體：這是一種光敏電晶體。當來自紅外線發射器的光子撞擊其基極區域時，會產生電子-電洞對，這些電子-電洞對充當基極電流。這種光誘導的基極電流被電晶體的增益放大，從而導致從集極流向射極的集極電流大得多。

操作狀態：

- 暢通（光束存在）：來自發射器的紅外線直接照射在光電晶體上。光電晶體導通，允許顯著的集極電流（I_C(ON)）流動。在帶有上拉電阻的共射極電路中，集極的輸出電壓被拉低（接近 V_CE(SAT)）。

- 阻斷（光束被阻擋）：放置在槽口中的不透明物體阻擋了紅外線。沒有光到達光電晶體基極，因此它關閉。只有微小的漏電流（I_CEO，暗電流）流動。集極的輸出電壓上升到接近電源電壓（V_CC）。

高輸出電壓（光束阻斷）和低輸出電壓（光束暢通）之間的這種轉換為偵測邏輯提供了乾淨的數位訊號。

10. 發展趨勢

包括光遮斷器在內的光電感測器領域持續發展。業界可觀察到的客觀趨勢包括：

• 微型化：不斷推動更小的封裝尺寸（例如，佔用面積更小、高度更低的表面黏著元件），以實現更緊湊的終端產品和更高密度的 PCB 組裝。
• 性能增強：半導體材料和封裝技術的改進旨在提供更高的靈敏度（允許更低的 LED 驅動電流以降低功耗）、更快的響應時間以用於高速應用，以及更好的參數溫度穩定性。
• 整合與智慧功能：一些現代光遮斷器將 LED 的驅動電路和光電晶體輸出的訊號調理（放大器、比較器、施密特觸發器）整合到同一個封裝中。這簡化了外部電路設計，並可以提供直接的數位邏輯位準輸出。整合多個感測元件也是一個趨勢。
• 注重可靠性和製造：設計越來越優先考慮對自動化組裝製程（如取放和迴流焊接）的穩健性。選擇材料以更好地抵抗熱應力和環境因素。
• 應用特定變體：持續開發針對特定市場需求的感測器，例如用於便攜式設備中紙張處理的超薄感測器，或用於高精度邊緣偵測的具有非常窄槽口的感測器。

LTH-301-07P5 代表了一種成熟可靠的技術，滿足了廣泛標準應用的核心要求，而這些更廣泛的趨勢塑造了下一代元件的發展。