LTH-209-01 光遮斷器規格書 - 反射式物體感測器 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-209-01 是一款專為非接觸式開關應用設計的反射式光遮斷器模組。此光電元件將一個紅外線發光二極體和一個光電晶體整合在單一緊湊的封裝內。其主要功能是偵測其感測間隙內是否存在反射物體。該模組設計用於直接安裝在印刷電路板上或搭配雙列直插式插座使用，為系統整合提供了靈活性。其核心優勢包括非接觸式操作，可消除機械磨損並確保長期可靠性，以及適用於各種感測與計數任務的快速開關速度。目標市場包括需要精確、可靠物體偵測的自動化設備、消費性電子產品、安防系統和工業控制領域。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

超出這些限制操作可能會導致永久性損壞。關鍵參數包括：

• 紅外線二極體連續順向電流（I_F）：最大值 50 mA。此定義了可連續通過紅外線 LED 的直流電流上限。
• 紅外線二極體逆向電壓（V_R）：最大值 5 V。超過此逆向偏壓可能會損壞 LED 接面。
• 光電晶體集極電流（I_C）：最大值 20 mA。這是輸出電晶體可承受的最大連續電流。
• 光電晶體集極-射極電壓（V_CEO）：最大值 30 V。這是可施加於光電晶體集極和射極接腳之間的最大電壓。
• 操作溫度範圍：-35°C 至 +65°C。保證裝置在此環境溫度範圍內符合規格運作。
• 接腳焊接溫度：距離外殼 1.6mm 處，260°C 持續 5 秒。這對於波焊或迴焊製程至關重要。

功率降額注意事項：當環境溫度高於 25°C 時，紅外線二極體（75 mW）和光電晶體（100 mW）的最大功耗必須以 1.33 mW/°C 的速率線性降額。這對於熱管理和長期可靠性至關重要。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在環境溫度（T_A）為 25°C 時指定的，定義了裝置的典型性能。

2.2.1 輸入紅外線二極體特性

• 順向電壓（V_F）：在順向電流（I_F）為 20 mA 時，典型值為 1.2V 至 1.6V。此參數對於設計 LED 的限流驅動電路至關重要。
• 逆向電流（I_R）：在逆向電壓（V_R）為 5V 時，最大值為 100 µA。低逆向電流表示接面品質良好。

2.2.2 輸出光電晶體特性

• 集極-射極崩潰電壓（V_(BR)CEO）：在 I_C=1mA 時，最小值為 30V。此高崩潰電壓允許在輸出電路中使用更高的上拉電壓。
• 集極-射極暗電流（I_CEO）：在 V_CE=10V 時，最大值為 100 nA。這是紅外線二極體關閉（無光照）時的漏電流。低暗電流對於良好的訊噪比至關重要，特別是在低光或高增益應用中。

2.2.3 耦合器（系統）特性

這些參數描述了完整感測器系統（紅外線 LED + 光電晶體）的性能。

• 集極-射極飽和電壓（V_CE(SAT)）：在 I_C=0.08mA 且 I_F=20mA 時，最大值為 0.4V。此低飽和電壓表示光電晶體可作為高效開關，啟動時能將輸出拉近接地電位。
• 導通狀態集極電流（I_C(ON)）：在 V_CE=5V 且 I_F=20mA 時，最小值為 0.16 mA。測試條件：此關鍵參數是將標準反射面（90% 漫反射白紙）置於距離感測器表面 3.81 mm（0.15 英寸）處測量的。此標準化距離和表面定義了裝置指定性能的感測間隙和最小可偵測反射率。

3. 機械與封裝資訊

3.1 封裝尺寸

LTH-209-01 採用標準 4 接腳 DIP（雙列直插式封裝）外殼。除非尺寸圖上另有說明，否則所有尺寸均以毫米為單位，預設公差為 ±0.25mm。該封裝設計用於通孔 PCB 安裝。精確的尺寸圖，包括本體長度、寬度、高度、接腳間距和接腳直徑，對於 PCB 佔位面積設計和最終產品外殼的機械整合至關重要。

3.2 接腳定義與極性識別

該裝置有四個接腳。通常，兩個接腳用於紅外線發光二極體的陽極和陰極，另外兩個用於 NPN 光電晶體的集極和射極。正確識別對於防止損壞至關重要。必須查閱規格書的接腳定義圖。封裝通常包含一個凹口、圓點或斜邊來指示第 1 腳。紅外線二極體具有極性敏感性，且光電晶體的集極和射極必須正確連接才能進行正常的開關操作。

4. 焊接與組裝指南

手工焊接：使用溫控烙鐵。絕對最大額定值規定，在距離塑膠外殼 1.6mm 處測量時，接腳可承受 260°C 持續 5 秒。建議使用盡可能低的溫度和最短的時間來形成可靠的焊點，以最小化對內部元件和塑膠外殼的熱應力。

波峰焊接：可行，但必須嚴格遵守相同的溫度/時間曲線（距離外殼 1.6mm 處，260°C 持續 5 秒）。建議進行預熱以減少熱衝擊。

清潔：如果焊接後需要清潔，請使用與裝置塑膠材料相容的方法和溶劑，以避免光學視窗破裂或霧化。

儲存條件：在指定的儲存溫度範圍 -40°C 至 +100°C 內的環境中儲存。建議將裝置保存在其原始的防潮袋中直至使用，以防止光學表面污染。

5. 應用建議

5.1 典型應用電路

最常見的電路配置是將 LTH-209-01 用作數位開關。紅外線二極體由來自電壓源（例如 5V）的恆流源或限流電阻驅動。根據測試條件，通常使用 I_F=20mA。光電晶體以共射極配置連接：集極通過一個上拉電阻（R_CC）連接到電源電壓（V_L，最高 30V），射極連接到地。輸出訊號取自集極節點。當沒有反射物體存在時，光電晶體關閉（高電位輸出）。當反射物體進入感測間隙時，紅外光反射到光電晶體上，使其導通並將輸出拉至低電位。

5.2 設計考量與最佳實務

• 選擇上拉電阻（R_L）：R_L的值決定了輸出電流和電壓擺幅。必須根據所需的 I_C(ON)和負載的輸入特性（例如微控制器 GPIO）來選擇。較小的 R_L提供更快的開關速度和更好的抗雜訊能力，但消耗更多功率。確保 I_C不超過 20mA：R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20mA。
• 最小化電氣雜訊：在裝置的電源接腳附近放置一個旁路電容（例如 0.1µF）。保持訊號走線短，特別是光電晶體輸出線，以減少對電磁干擾的敏感性。
• 光學考量：感測性能取決於目標物體的反射率、顏色和距離。指定的 I_C(ON)是針對 3.81mm 處 90% 反射率的白色表面。較暗或距離較遠的物體將產生較小的輸出訊號。為確保操作一致，請相應地設計系統的偵測閾值（例如比較器的參考電壓）。避免環境光源（特別是富含紅外線的陽光或白熾燈泡）直接照射到感測器的孔徑，因為這可能導致誤觸發。在高環境光環境中，可以使用調製紅外線訊號和同步偵測。
• 機械對準：確保目標物體的路徑一致，並在最優感測間隙（約指定的 3.81mm）內通過，以實現可靠的偵測。

6. 技術比較與差異

LTH-209-01 作為反射式光遮斷器，與其他光感測器類型不同：

• 與透射式光遮斷器（槽型光耦合器）比較：透射式在發射器和偵測器之間有物理間隙；當物體阻擋光路時被偵測到。像 LTH-209-01 這樣的反射式則在物體將光反射回來時偵測到它。反射式感測器通常安裝更簡單，因為只需要從一側接觸，但其性能更依賴於物體的表面特性。
• 與光邏輯感測器比較：一些光遮斷器內建邏輯電路（施密特觸發器、放大器）以提供乾淨的數位輸出。LTH-209-01 提供簡單的類比光電晶體輸出，提供了更大的靈活性，但需要外部電路（如比較器）在嘈雜環境中產生穩健的數位訊號。
• 此型號的主要優勢：相對較高的集極-射極崩潰電壓（30V）、低飽和電壓以及標準化的靈敏度測試條件的結合，為通用反射式感測應用提供了良好的平衡。

7. 常見問題（FAQ）

Q1：偵測物體的最佳距離是多少？

A1：規格書指定了目標物在 3.81mm（0.15"）時的導通狀態電流（I_C(ON)）。這是標準化的測試距離。實際最佳距離取決於目標的反射率。對於高反射率目標，偵測可能在稍遠的距離仍有效。為了可靠的設計，請使用 3.81mm 作為標稱工作點。

Q2：我可以直接用電壓源驅動紅外線 LED 嗎？

A2：不行。紅外線 LED 與所有二極體一樣，必須以電流驅動。將其直接連接到電壓源會導致過量電流，可能損壞裝置。務必使用串聯的限流電阻。計算電阻值為 R = (V_電源- V_F) / I_F。對於 5V 電源，V_F=1.4V，且 I_F=20mA：R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 歐姆。

Q3：為什麼我的輸出訊號不穩定或有雜訊？

A3：常見原因包括：1) 上拉電阻值不足導致上升時間緩慢，2) 長輸出走線上的電氣雜訊拾取（使用旁路電容和更短的佈線），3) 環境紅外光干擾（遮蔽感測器或使用調製），4) 目標物體反射率變化或距離不一致。

Q4：線性降額 1.33 mW/°C的註記是什麼意思？

A4：這是一個熱降額規則。最大允許功耗（二極體 75 mW，電晶體 100 mW）是在 25°C 時指定的。環境溫度每升高 1°C 超過 25°C，您必須將最大允許功耗降低 1.33 mW。例如，在 65°C（比 25°C 高 40°C）時，電晶體的降額後最大功率為 100 mW - (40 * 1.33 mW) = 100 - 53.2 = 46.8 mW。

8. 實際應用案例研究

情境：印表機中的紙張偵測。

LTH-209-01 可用於偵測紙張在通過印表機機構時的前緣。感測器安裝在主機板上，其感測面朝向紙張路徑。反射條或紙張本身（如果反射率足夠）作為目標。當沒有紙張時，輸出為高電位。當紙張邊緣通過感測器下方時，反射的紅外光啟動光電晶體，將輸出拉至低電位。此數位訊號告知印表機的微控制器紙張位置，使其能夠準確控制列印時序。此處的關鍵設計點包括選擇一個上拉電阻以乾淨地與 MCU 的 3.3V 或 5V 邏輯介面，確保紙張路徑機械穩定以維持正確的感測間隙，以及可能在輸出端添加簡單的 RC 濾波器以消除因紙張紋理引起的訊號彈跳。

9. 工作原理

LTH-209-01 基於調製光反射和光電轉換的原理運作。內部，一個紅外線發光二極體發出波長通常約為 940nm 的光，此光對人眼不可見。該光從裝置前方射出。當一個適當的反射物體進入視野並處於有效範圍內時，一部分發射的紅外線輻射從物體表面反射回裝置。一個矽 NPN 光電晶體，位於同一封裝內與紅外線 LED 相鄰的位置，接收此反射光。入射到光電晶體基極區域的光子產生電子-電洞對，有效地產生基極電流。此光生基極電流被電晶體的增益放大，產生一個大得多的集極電流，可以在外部測量。集極電流的這種變化（從非常低的暗電流到指定的 I_C(ON)）是基本的偵測機制。因此，該裝置將光學事件（反射物體的存在）轉換為電氣訊號。

10. 產業趨勢與背景

像 LTH-209-01 這樣的反射式光遮斷器代表了更廣泛的光電感測器市場中一項成熟且可靠的技術。該領域的總體趨勢是朝向小型化、更高整合度和增強功能發展。較新的裝置可能採用表面黏著封裝以實現自動化組裝、更低功耗，以及內建訊號調節 IC，提供數位輸出或具有改善線性的類比輸出。也有朝向使用特定波長或整合光學濾波器以提高抗環境光能力的趨勢。此外，材料和封裝技術的發展持續改善這些元件的溫度範圍、耐濕性和長期穩定性。雖然存在先進的替代方案，但通孔、分立式光電晶體輸出的反射式感測器，對於無數非接觸式偵測應用而言，在簡單性、穩健性和經過驗證的性能至關重要的情況下，仍然是一個經濟高效且高度通用的解決方案。