目錄
1. 產品概述
LTH-1650-01 是一款緊湊型透射式光遮斷器模組。其核心功能是偵測其內部整合的紅外線發光二極體 (LED) 與矽光電晶體之間紅外線光束的中斷。其主要設計優勢在於整合了 3mm 焦距，針對該特定間隙的物體偵測優化了靈敏度。作為紅外線截止型裝置，其設計旨在最小化環境可見光的干擾，提升在各種感測應用中的可靠性。目標市場主要包括辦公室自動化設備、工業控制系統以及需要非接觸式位置或物體偵測的消費性電子產品。
2. 深入技術參數分析
2.1 絕對最大額定值
這些參數定義了可能導致裝置永久損壞的應力極限，並非正常操作條件。
- 輸入 LED 功率消耗 (PD):最大 75 mW。此限制來自順向電流與壓降的總熱負載。
- LED 峰值順向電流 (ICP):脈衝條件下為 1 A (300 pps, 10 µs 脈衝寬度)。允許短暫的高強度脈衝以增強訊號偵測。
- LED 連續順向電流 (IF):最大 60 mA DC。這是持續操作的安全限制。
- LED 逆向電壓 (VR):5 V。超過此值可能損壞 LED 接面。
- 光電晶體功率消耗 (PC):最大 100 mW，由集極電流與集極-射極電壓決定。
- 集極-射極電壓 (VCEO):光電晶體最大 30 V。
- 集極電流 (IC):輸出電晶體最大 20 mA。
- 操作溫度 (Topr):-25°C 至 +85°C。本裝置適用於廣泛的工業與商業環境。
- 引腳焊接溫度 (TS):距離外殼 1.6mm 處，最大 260°C 持續 5 秒。此為波焊或迴焊製程的關鍵參數。
2.2 電氣與光學特性
這些參數在環境溫度 (TA) 25°C 下指定，定義了裝置在正常操作條件下的性能。
- LED 順向電壓 (VF):在 IF= 20 mA 時，典型值為 1.2V 至 1.6V。用於計算所需限流電阻值。
- LED 逆向電流 (IR):在 VR=5V 時，最大 100 µA，表示 LED 逆向偏壓時的漏電流。
- 集極-射極暗電流 (ICEO):在無光輸入且 VCE=10V 時，最大 100 nA。此為光電晶體的漏電流，會影響關斷狀態的訊號位準。
- 集極-射極飽和電壓 (VCE(SAT)):在 IC=0.05mA 且 IF=20mA 時，典型值為 0.4V。此為電晶體完全導通時的跨壓，對於邏輯位準介面很重要。
3. 分級系統說明
本裝置採用基於導通狀態集極電流 (IC(ON)) 的性能分級系統，該電流在標準化條件下量測 (VCE=5V, IF=20mA, 間隙 d=3.0mm)。此電流與耦合器的靈敏度直接相關。
- 分級 A: IC(ON)範圍從 100 µA 至 300 µA。此為標準靈敏度等級。
- 分級 B: IC(ON)範圍從 260 µA 至 650 µA。此分級提供較高靈敏度。
- 分級 C: IC(ON)範圍從 400 µA 至 1200 µA。此為可用的最高靈敏度等級。
此分級系統讓設計師能為其應用選擇具有一致靈敏度的裝置，確保跨生產批次的可靠觸發閾值。
4. 性能曲線分析
規格書參考了典型特性曲線，以圖形方式呈現裝置在不同條件下的行為。雖然文中未詳述具體圖表，但此類裝置的標準曲線通常包括：
- 順向電流 vs. 順向電壓 (IF-VF):顯示紅外線 LED 的非線性關係，對於驅動電路設計至關重要。
- 集極電流 vs. 集極-射極電壓 (IC-VCE):以 LED 順向電流 (IF) 為參數的曲線族，說明光電晶體的輸出特性。
- 導通狀態集極電流 vs. 順向電流 (IC(ON)-IF):展示光耦合的傳輸特性與線性度。
- 導通狀態集極電流 vs. 環境溫度 (IC(ON)-TA):顯示靈敏度如何隨溫度升高而降低，是設計中熱管理的關鍵因素。
- 響應時間特性:規格書指定在測試條件下 (VR=5V, IF=2mA, RCE=100Ω)，上升時間 (TC) 為 3-15 µs，下降時間 (TL) 為 4-20 µs。這些值定義了感測器的最大切換速度能力。
5. 機械與封裝資訊
封裝為標準穿孔式。規格書中的關鍵尺寸註記包括：
- 所有尺寸均以公釐提供，括號內為英吋。
- 除非特定特徵有不同標註，否則預設公差為 ±0.25mm (±0.010")。
- 焦距（發射器與偵測器視窗之間以獲得最大靈敏度的最佳間隙）指定為 3 mm。
- 封裝包含模製的溝槽或特徵，有助於精確的 PCB 安裝與對準。
- 極性在封裝本體上清楚標示，通常以一個點或靠近 LED 陽極（或光電晶體集極）引腳的倒角表示。正確的方向對於電路功能至關重要。
6. 焊接與組裝指南
需要適當的處理以維持裝置完整性。
- 焊接:引腳焊接溫度的絕對最大額定值為距離塑膠外殼 1.6mm (0.063") 處，260°C 持續 5 秒。此指南有助於防止在波焊或手動焊接期間對內部晶粒接合與塑膠封裝造成熱損壞。
- 清潔:使用與裝置塑膠材料相容的標準 PCB 清潔溶劑。避免使用過高功率或長時間暴露的超音波清洗。
- 儲存:裝置應儲存在儲存溫度範圍 (Tstg) -40°C 至 +100°C 內，並處於低濕度、防靜電的環境中，以防止吸濕和靜電放電 (ESD) 損壞。
7. 應用建議
7.1 典型應用場景
如規格書所示，主要應用包括：
- 印表機與傳真機:用於缺紙偵測、卡紙感測、蓋板開啟偵測及字車位置感測。
- 光電開關:用於自動販賣機、工業自動化中的計數、極限開關及旋轉編碼器圓盤感測。
- 消費性電子產品:磁碟機、錄音座或其他媒體處理系統中的槽縫感測器。
7.2 設計考量
- 限流電阻 (用於 LED):必須根據電源電壓 (VCC)、LED 順向電壓 (VF~1.4V 典型值) 及所需的順向電流 (IF) 計算。不得超過連續 IF額定值 60 mA。典型操作點為 20 mA。
- 負載電阻 (用於光電晶體):連接至集極的上拉電阻 (RL) 值決定了輸出電壓擺幅並影響切換速度。較小的 RL可提供更快的下降時間，但會降低輸出電壓振幅。測試條件使用 RL=100Ω。
- 電氣雜訊免疫力:對於長線路或高雜訊環境，考慮在裝置附近的電源引腳間添加一個小型旁路電容 (例如 0.1µF)，並使用屏蔽電纜。
- 光學考量:保持光路 (3mm 間隙) 無灰塵、污垢或凝結水。紅外線截止濾光片有幫助，但靠近感測器的強烈環境紅外線源 (如陽光或白熾燈泡) 可能導致誤觸發。
8. 技術比較與差異
與基本的光電晶體或光二極體相比，此整合式光遮斷器提供關鍵優勢：
- 預先對準光學:發射器與偵測器在固定、堅固的封裝中預先對準，消除了組裝過程中需要精確機械對準的需求，這相較於分離式元件是一大優勢。
- 優化間隙:3mm 焦距在工廠設定為該特定氣隙下的峰值靈敏度。
- 環境光抑制:光電晶體上的紅外線截止濾光片顯著降低對可見光的靈敏度，提升在典型室內照明條件下的訊噪比。
- 緊湊外型:在單一小型封裝中提供完整的光學開關解決方案。
9. 常見問題 (FAQ)
問：不同分級 (A, B, C) 的目的是什麼？
答：分級根據裝置的靈敏度 (IC(ON)) 進行分類。對於需要偵測低對比度物體、更長使用壽命 (因 LED 輸出隨時間衰減) 或在較高灰塵水平下操作的應用，請選擇較高的分級 (B 或 C)。分級 A 對於標準應用已足夠。
問：我可以直接用電壓源驅動 LED 嗎？
答：不行。LED 是電流驅動裝置。您必須使用串聯的限流電阻將順向電流 (IF) 設定在安全且一致的值，如所有應用電路所示。
問：如何將輸出與微控制器介接？
答：光電晶體作為開關使用。將其射極接地，集極透過一個上拉電阻 (例如 10kΩ) 連接到數位輸入腳位。當光束未被中斷時，電晶體導通，將腳位拉低。當中斷時，電晶體關斷，上拉電阻將腳位拉高。確保微控制器的輸入邏輯位準與輸出電壓擺幅相容 (導通時接近 0V，關斷時接近 VCC)。
問：什麼會影響響應時間？
答：光電晶體的固有速度、負載電阻 (RL) 的值以及電路走線的電容。為了更快的切換速度，在所需的輸出電流與電壓位準允許下，使用較小的 RL。
10. 實際使用案例
情境：桌上型印表機中的缺紙感測器。
光遮斷器安裝在印表機框架上，使紙匣中的紙疊位於 3mm 光學間隙內，阻擋紅外線光束。可能會使用連接到紙匣跟隨器的槓桿或旗標。當有紙張時，光束被阻擋，光電晶體關斷，其輸出為高電位。當最後一張紙被送入時，跟隨器移動，使光束不再被阻擋。光電晶體導通，將輸出拉低。印表機主控制器偵測到此邏輯轉變，隨後在使用者介面上啟動缺紙警告。紅外線截止濾光片可防止印表機內部照明或室內燈光造成誤觸發。
11. 工作原理
本裝置基於調變光耦合原理運作。當內部紅外線 LED 以適當電流順向偏壓時會發光。在同一封裝內正對面是一個矽 NPN 光電晶體。光電晶體的基極區域暴露於光線下。當來自 LED 的紅外線光子撞擊基極-集極接面時，會產生電子-電洞對。此光生電流作為基極電流，導致電晶體導通更大的集極電流 (IC)，與光強度成正比。物體通過兩者之間的 3mm 槽縫會中斷此光束，導致光電晶體關斷。這提供了一個基於物理事件的乾淨、電氣隔離的開關訊號。
12. 技術趨勢
光遮斷器在位置感測中仍是基礎元件。該領域的當前趨勢包括：
- 微型化:開發更小的表面黏著裝置 (SMD) 封裝，以節省緊湊型消費性電子產品中的 PCB 空間。
- 整合化:在晶片上整合額外電路，例如用於遲滯的施密特觸發器、用於微弱訊號的放大器，甚至數位介面 (I2C)，以提供乾淨、處理過的數位輸出，簡化微控制器介接。
- 性能提升:LED 效率與光偵測器靈敏度的改進允許在更低電流下操作，降低功耗與熱產生。
- 專用變體:帶有槽縫輪用於旋轉編碼的裝置，或發射器與偵測器面向同一方向以感測反射標記的反射式類型。
光遮斷的核心原理因其非接觸性、可靠性與簡單性而保持穩健，確保其在機電系統設計中的持續相關性。
LED規格術語詳解
LED技術術語完整解釋
一、光電性能核心指標
| 術語 | 單位/表示 | 通俗解釋 | 為什麼重要 |
|---|---|---|---|
| 光效（Luminous Efficacy） | lm/W（流明/瓦） | 每瓦電能發出的光通量，越高越節能。 | 直接決定燈具的能效等級與電費成本。 |
| 光通量（Luminous Flux） | lm（流明） | 光源發出的總光量，俗稱"亮度"。 | 決定燈具夠不夠亮。 |
| 發光角度（Viewing Angle） | °（度），如120° | 光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。 | 影響光照範圍與均勻度。 |
| 色溫（CCT） | K（開爾文），如2700K/6500K | 光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。 | 決定照明氛圍與適用場景。 |
| 顯色指數（CRI / Ra） | 無單位，0–100 | 光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。 | 影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。 |
| 色容差（SDCM） | 麥克亞當橢圓步數，如"5-step" | 顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。 | 保證同一批燈具顏色無差異。 |
| 主波長（Dominant Wavelength） | nm（奈米），如620nm（紅） | 彩色LED顏色對應的波長值。 | 決定紅、黃、綠等單色LED的色相。 |
| 光譜分佈（Spectral Distribution） | 波長 vs. 強度曲線 | 顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。 | 影響顯色性與顏色品質。 |
二、電氣參數
| 術語 | 符號 | 通俗解釋 | 設計注意事項 |
|---|---|---|---|
| 順向電壓（Forward Voltage） | Vf | LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。 | 驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。 |
| 順向電流（Forward Current） | If | 使LED正常發光的電流值。 | 常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。 |
| 最大脈衝電流（Pulse Current） | Ifp | 短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。 | 脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。 |
| 反向電壓（Reverse Voltage） | Vr | LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。 | 電路中需防止反接或電壓衝擊。 |
| 熱阻（Thermal Resistance） | Rth（°C/W） | 熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。 | 高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。 |
| 靜電放電耐受（ESD Immunity） | V（HBM），如1000V | 抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。 | 生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。 |
三、熱管理與可靠性
| 術語 | 關鍵指標 | 通俗解釋 | 影響 |
|---|---|---|---|
| 結溫（Junction Temperature） | Tj（°C） | LED晶片內部的實際工作溫度。 | 每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。 |
| 光衰（Lumen Depreciation） | L70 / L80（小時） | 亮度降至初始值70%或80%所需時間。 | 直接定義LED的"使用壽命"。 |
| 流明維持率（Lumen Maintenance） | %（如70%） | 使用一段時間後剩餘亮度的百分比。 | 表徵長期使用後的亮度保持能力。 |
| 色漂移（Color Shift） | Δu′v′ 或 麥克亞當橢圓 | 使用過程中顏色的變化程度。 | 影響照明場景的顏色一致性。 |
| 熱老化（Thermal Aging） | 材料性能下降 | 因長期高溫導致的封裝材料劣化。 | 可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。 |
四、封裝與材料
| 術語 | 常見類型 | 通俗解釋 | 特點與應用 |
|---|---|---|---|
| 封裝類型 | EMC、PPA、陶瓷 | 保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。 | EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。 |
| 晶片結構 | 正裝、倒裝（Flip Chip） | 晶片電極佈置方式。 | 倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。 |
| 螢光粉塗層 | YAG、矽酸鹽、氮化物 | 覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。 | 不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。 |
| 透鏡/光學設計 | 平面、微透鏡、全反射 | 封裝表面的光學結構，控制光線分佈。 | 決定發光角度與配光曲線。 |
五、質量控制與分檔
| 術語 | 分檔內容 | 通俗解釋 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 光通量分檔 | 代碼如 2G、2H | 按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。 | 確保同一批產品亮度一致。 |
| 電壓分檔 | 代碼如 6W、6X | 按順向電壓範圍分組。 | 便於驅動電源匹配，提高系統效率。 |
| 色區分檔 | 5-step MacAdam橢圓 | 按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。 | 保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。 |
| 色溫分檔 | 2700K、3000K等 | 按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。 | 滿足不同場景的色溫需求。 |
六、測試與認證
| 術語 | 標準/測試 | 通俗解釋 | 意義 |
|---|---|---|---|
| LM-80 | 流明維持測試 | 在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。 | 用於推算LED壽命（結合TM-21）。 |
| TM-21 | 壽命推演標準 | 基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。 | 提供科學的壽命預測。 |
| IESNA標準 | 照明工程學會標準 | 涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。 | 行業公認的測試依據。 |
| RoHS / REACH | 環保認證 | 確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。 | 進入國際市場的准入條件。 |
| ENERGY STAR / DLC | 能效認證 | 針對照明產品的能效與性能認證。 | 常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。 |