LTH-306-09S 光遮斷器規格書 - 機械開關替代方案 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-306-09S 是一款光遮斷器，屬於光電元件，設計用於偵測光束是否被遮斷。它在各種感測應用中，可作為傳統機械開關的直接固態替代方案。其核心優勢在於非接觸式操作，消除了機械磨損、接點彈跳以及隨時間產生的物理劣化等問題。這使其在需要頻繁觸發，或是在灰塵、濕氣或振動可能損害機械接點的環境中運作時，具有極高的可靠性。本元件適用於廣泛的市場，包括工業自動化（位置感測、極限開關）、消費性電子產品（印表機紙張偵測、光碟托盤感測）以及安全系統（門鎖互鎖偵測）。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了元件的應力極限，超過此極限可能導致永久性損壞。不保證在此條件下運作。

• 輸入端 LED：
  • 功率消耗：75 mW。這是在指定環境溫度下，LED 可承受的最大連續功率。
  • 峰值順向電流：1 A（脈衝條件下：300 pps，10 μs 脈衝寬度）。此額定值對於以短暫、高強度脈衝驅動 LED 至關重要。
  • 連續順向電流：50 mA。這是確保長期可靠運作的最大直流電流。
  • 逆向電壓：5 V。超過此值可能損壞 LED 接面。
• 輸出端光電晶體：
  • 功率消耗：100 mW。
  • 集極-射極電壓 (V_CE)：30 V。這是可施加於集極和射極之間的最大電壓。
  • 射極-集極電壓：5 V。
  • 集極電流：20 mA。這是光電晶體輸出端可承受的最大電流。
• 環境條件：
  • 工作溫度範圍：-25°C 至 +85°C。這是元件正常運作的環境溫度範圍。
  • 儲存溫度範圍：-40°C 至 +100°C。
  • 接腳焊接溫度：260°C 持續 5 秒（適用於距離外殼 1.6mm 的接腳）。此定義了迴流焊接溫度曲線的限制。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在環境溫度 (T_A) 為 25°C 時所指定，定義了元件的典型性能。

• 輸入端 LED 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。此值用於計算所需的限流電阻值：R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • 逆向電流 (I_R)：在逆向電壓 5V 下，最大值為 100 μA。
• 輸出端光電晶體特性：
  • 集極-射極暗電流 (I_CEO)：在 V_CE=10V 時，最大值為 100 nA。這是 LED 關閉（無光）時的漏電流。較低的值對於良好的訊噪比是理想的。
  • 集極-射極飽和電壓 (V_CE(SAT))：在 I_C=0.25mA 且 I_F=20mA 時，典型值為 0.4V。這是光電晶體完全導通時，其兩端的電壓降。
  • 導通狀態集極電流 (I_C(ON))：在 V_CE=5V 且 I_F=20mA 時，最小值為 0.5 mA。此規格定義了光路未被遮斷時的最小輸出電流。
• 耦合器特性：
  • 動作角度：8° 至 14°。這是一個關鍵參數，定義了遮斷物體（例如槓桿臂）要可靠切換輸出狀態所需的角度位移。較小的角度表示對移動的靈敏度更高。

3. 性能曲線分析

規格書中參考了典型的電氣/光學特性曲線。雖然文本中未提供具體圖表，但其標準用途分析如下。

• 順向電流 vs. 順向電壓 (I_F-V_F曲線)：此圖顯示了 LED 電流與電壓之間的非線性關係。它有助於設計師了解 LED 的動態電阻，並確保穩定的電流驅動。
• 集極電流 vs. 集極-射極電壓 (I_C-V_CE曲線)：這些曲線針對不同的 LED 驅動電流 (I_F) 繪製，說明了光電晶體的輸出特性。它們顯示了飽和區（I_C相對恆定）和線性/主動區，後者對於類比感測應用很重要。
• 電流傳輸比 (CTR) vs. 順向電流：CTR 是光電晶體集極電流 (I_C) 與 LED 順向電流 (I_F) 的比值，通常以百分比表示。此曲線顯示效率如何隨驅動電流變化，是針對所需輸出擺幅優化驅動電路的關鍵。
• 溫度相依性曲線：顯示 V_F、I_C(ON)和暗電流等參數如何隨環境溫度變化的圖表，對於設計在指定溫度範圍內穩健運作的系統至關重要。

4. 機械與封裝資訊

規格書包含封裝尺寸圖（此處未重現）。關鍵的機械考量包括：

• 槽口尺寸：遮斷物體通過的關鍵間隙。其寬度和深度決定了與目標物體的相容性。
• 接腳間距與形式：接腳佈局（可能是標準的 4 接腳配置：LED 的陽極、陰極；光電晶體的集極、射極）及其間距對於 PCB 佔位面積設計至關重要。
• 整體封裝尺寸：外部長度、寬度和高度限制了元件在組裝體內的位置。
• 極性識別：封裝上會有標記（例如圓點或斜邊）來識別第 1 腳，必須與 PCB 佔位面積正確對齊。
• 客製化槓桿臂：一個值得注意的特點是能夠設計連接到遮斷物體的客製化槓桿臂，使感測器能適應特定的機械運動，並增加其應用靈活性。

5. 焊接與組裝指南

正確的處理對於可靠性至關重要。

• 迴流焊接：指定的限制為 260°C 持續 5 秒，測量點距離封裝本體 1.6mm。這與典型的無鉛迴流焊接溫度曲線相符。設計師必須確保其迴流焊爐的熱曲線不超過此限制，以防止內部環氧樹脂或半導體接面受損。
• 手工焊接：若必須進行手工焊接，應使用溫控烙鐵，並將每個接腳的焊接時間降至最低（通常 < 3 秒）。
• 清潔：使用與元件塑膠封裝相容的適當、非腐蝕性清潔劑。
• 儲存條件：在指定的 -40°C 至 +100°C 範圍內，儲存於乾燥、防靜電的環境中，以防止吸濕（可能導致迴流焊接時產生爆米花現象）和靜電放電 (ESD) 損壞。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用電路

最常見的配置是數位開關。LED 以恆定電流驅動（例如，透過串聯電阻提供 20mA）。光電晶體的集極連接一個上拉電阻 (R_pull-up) 至邏輯電源電壓（例如 5V），射極則接地。輸出訊號取自集極節點。

• 光束未中斷（物體不存在）：光線照射到光電晶體的基極，使其導通。集極電壓被拉低（接近 V_CE(SAT)）。
• 光束中斷（物體存在）：光電晶體關閉。上拉電阻將集極電壓拉高（至電源電壓）。

R_pull-up的數值需要權衡：較低的數值可提供更快的上升時間和更好的抗雜訊能力，但當輸出為低電平時會消耗更多電流。應根據所需的切換速度和後續邏輯級的輸入特性來選擇。

6.2 設計考量

• LED 電流選擇：以典型的 20mA 運作可提供良好的輸出電流。較低的電流可節省功率，但會降低 I_C(ON)和雜訊邊際。請勿超過連續順向電流額定值。
• 抗環境光干擾：本元件對其內部 LED 的特定波長敏感。然而，在環境光強烈（尤其是含有紅外線的陽光）的環境中，使用調變（脈衝）的 LED 驅動訊號，並在接收電路中進行同步偵測，可以大幅提高抗干擾能力。
• 響應時間：切換速度（上升/下降時間）受光電晶體的電容和上拉電阻的數值限制。對於高速應用，請參考特定的動態特性圖（如果有的話）。
• 物體特性：遮斷物體的不透明度、厚度和顏色會影響被阻擋的光量。為了可靠運作，物體應具有足夠的不透明度，以將光電晶體電流降低到其關閉狀態的閾值以下。
• 對準：為了確保運作的一致性，必須將物體精確地機械對準在感測器的槽口內，特別是考慮到定義的動作角度。

7. 技術比較與優勢

與機械微動開關相比，LTH-306-09S 光遮斷器提供了幾個關鍵優勢：

• 壽命與可靠性：沒有會磨損、產生電弧或氧化的活動接點。使用壽命通常長數個數量級。
• 高速運作：切換速度遠快於機械開關，後者受接點彈跳和機械慣性限制。
• 性能一致：不受接點電阻影響。輸出特性隨時間保持穩定。
• 環境密封性：與帶有外部致動器的機械開關相比，塑膠封裝更容易密封以防止灰塵和濕氣。
• 安靜運作：完全靜音，不同於機械開關的咔噠聲。

其權衡之處在於需要支援電子元件（LED 的電流源和上拉電阻），以及可能對極端環境光或光路污染敏感。

8. 常見問題（基於技術參數）

• 問：我可以直接用 5V 微控制器接腳驅動 LED 嗎？答：不行。您必須使用限流電阻。例如，假設 V_CC=5V，V_F~1.4V，且期望的 I_F=20mA：R = (5V - 1.4V) / 0.02A = 180Ω。通常使用 180Ω 或 220Ω 的電阻。
• 問：動作角度8-14 度對我的設計意味著什麼？答：這意味著遮斷光束的物理槓桿或擋片在通過槽口時，必須旋轉或移動至少 8 度（通常最多 14 度），以保證從導通狀態可靠地切換到關閉狀態。您的機械設計必須確保此角度行程。
• 問：輸出集極電流 (I_C(ON)) 最小值僅為 0.5mA。這足夠驅動邏輯輸入嗎？答：是的，對於具有極高輸入阻抗（僅需微安培）的標準 CMOS 或 TTL 邏輯輸入而言，0.5mA 的電流承受能力綽綽有餘。電壓位準（低電平約 0.4V）才是關鍵參數。
• 問：如何保護元件免受電源線上的電壓突波影響？答：在元件附近使用標準的板級去耦電容（例如 100nF 陶瓷電容）。對於惡劣環境，可以考慮在電源軌上增加額外的瞬態電壓抑制 (TVS) 二極體。

9. 實際應用範例

• 印表機紙張偵測：連接到紙匣槓桿的擋片在光遮斷器的槽口中旋轉。當有紙張時，擋片處於一個位置（光束未中斷）；當紙張用完時，擋片移動到另一個位置（光束中斷），向控制系統發出訊號。
• 工業輸送帶物體計數：輸送帶上的物體通過配備光遮斷器的閘門。每個物體遮斷光束，產生一個脈衝，由 PLC 或微控制器計數。
• 安全門互鎖：光遮斷器安裝在門框上，擋片安裝在門上。當門正確關閉時，擋片進入槽口，允許光束通過並發出安全狀態訊號。如果門打開，光束被阻擋，發出不安全狀態訊號，可停用機械設備。
• 旋轉編碼器圓盤感測：連接到馬達軸的開槽圓盤在發射器和偵測器之間旋轉。當槽口通過時產生的一系列光脈衝，用於確定速度和位置。

10. 工作原理

光遮斷器是一種光耦合器，其發射器和偵測器之間有物理間隙。它由一側的紅外線發光二極體 (LED) 和另一側的矽光電晶體組成，兩者對齊於一個開放的槽口兩側。當對 LED 施加電流時，它會發射紅外光。這道光穿過間隙並照射到光電晶體的基極區域。光子在基極中產生電子-電洞對，有效地充當基極電流。然後，此光生電流被電晶體的增益放大，允許更大的集極電流流動。當不透明物體進入槽口時，它會阻斷光路。光生基極電流停止，關閉光電晶體並停止集極電流。因此，槽口中是否存在物體，以數位方式控制輸出光電晶體的導電性。

11. 技術趨勢

光遮斷器的基礎技術已相當成熟。當前的趨勢集中在整合與微型化。元件封裝尺寸正變得越來越小（SMD 類型），同時保持或改善性能。另一個趨勢是將額外電路整合到晶片上，例如用於遲滯的施密特觸發器（無需外部元件即可提供乾淨的數位切換）、用於類比輸出的放大器，甚至是完整的數位介面（I2C）。這減少了外部元件數量並簡化了設計。此外，具有更高靈敏度的元件允許以更低的 LED 電流運作，從而降低整體系統功耗，這對於電池供電應用至關重要。光路材料（透鏡、濾光片）的發展也持續改善抗環境光干擾能力和感測精度。