光遮斷器 LTH-301-05 規格書 - 非接觸式開關 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-301-05 是一款反射式光遮斷器，屬於一種光電元件，它將一個紅外線發光二極體（IR LED）和一個光電晶體整合在一個緊湊的封裝內。其主要功能是無需物理接觸即可偵測物體的存在與否，因此可作為非接觸式開關使用。此元件的核心優勢在於其可靠性和使用壽命，因為它消除了傳統開關相關的機械磨損。它設計用於直接安裝在印刷電路板（PCB）上或搭配雙列直插式插座使用，在組裝上提供了靈活性。快速的開關速度使其適用於需要快速偵測的應用，例如印表機、影印機、自動販賣機以及需要位置感測、物件計數或邊緣偵測的工業自動化設備。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能對元件造成永久損壞的極限。它們不適用於連續操作。關鍵參數包括：

• 紅外線二極體連續順向電流（I_F)）：60 mA。這是可以流經 LED 的最大穩態電流。
• 紅外線二極體峰值順向電流：1 A（適用於脈衝寬度 10 μs、每秒 300 個脈衝的情況）。這允許短暫的高強度脈衝，以增強訊號偵測能力。
• 光電晶體集極電流（I_C)）：20 mA。輸出晶體管可以處理的最大電流。
• 光電晶體集極-射極電壓（V_CEO)）：30 V。可以施加在光電晶體集極和射極之間的最大電壓。
• 操作溫度範圍：-25°C 至 +85°C。這定義了可靠運作的環境溫度範圍。
• 引腳焊接溫度：距離外殼 1.6mm 處，260°C 持續 5 秒。這對於組裝以防止熱損壞至關重要。

2.2 電氣與光學特性

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

2.2.1 輸入端（紅外線 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。這是 LED 點亮時兩端的電壓降。
• 逆向電流（I_R)）：在逆向電壓（V_R）為 5V 時，最大值為 100 μA。這表示 LED 處於逆向偏壓時的小量漏電流。

2.2.2 輸出端（光電晶體）特性

• 集極-射極崩潰電壓（V_(BR)CEO)）：最小值 30V。這是基極開路時，晶體管發生崩潰的電壓。
• 集極-射極暗電流（I_CEO)）：在 V_CE=10V 時，最大值為 100 nA。這是當沒有光線入射時（即關斷狀態電流）光電晶體的漏電流。較低的值對於獲得良好的開/關狀態對比度是理想的。

2.2.3 耦合器（組合）特性

這些參數描述了 LED 和光電晶體共同工作時的行為。

• 集極-射極飽和電壓（V_CE(SAT))）：當光電晶體完全導通時（I_C=0.25mA, I_F=20mA），最大值為 0.4V。低飽和電壓有利於數位邏輯介面。
• 導通狀態集極電流（I_C(ON))）：當 LED 被驅動（I_F=20mA）且 V_CE=5V 時，最小值為 0.5 mA。這是產生的光電流，決定了輸出訊號的強度。
• 響應時間：這定義了輸出對輸入光線變化的反應速度。
  • 上升時間（t_r)）：典型值 3 μs，最大值 15 μs。當 LED 開啟時，輸出電流從其最終值的 10% 上升到 90% 所需的時間。
  • 下降時間（t_f)）：典型值 4 μs，最大值 20 μs。當 LED 關閉時，輸出電流從其初始值的 90% 下降到 10% 所需的時間。

3. 機械與封裝資訊

3.1 封裝尺寸

該元件採用標準的穿孔式封裝，具有四個引腳。確切尺寸在規格書圖紙中提供。關鍵注意事項包括：

• 所有尺寸單位為毫米，括號內為英吋。
• 除非另有特別註明，否則標準公差為 ±0.25mm (±0.010")。
• 封裝設計用於在波峰焊接或手工焊接過程中保持穩定。

3.2 極性辨識

正確的方向至關重要。規格書圖表明確標示了紅外線 LED 的陽極和陰極引腳，以及光電晶體的集極和射極引腳。錯誤安裝元件可能導致無法工作或永久損壞。

4. 焊接與組裝指南

正確的處理可確保元件的可靠性和使用壽命。

• 焊接：引腳可在最高 260°C 的溫度下焊接，但此高溫僅能持續最多 5 秒。保持與塑膠外殼本體指定的距離（1.6mm / 0.063"）以防止封裝熔化或變形至關重要。
• 清潔：使用與元件塑膠材料相容的適當溶劑。避免使用可能導致內部應力或破裂的特定頻率進行超音波清洗。
• 儲存條件：為保持性能，請將元件儲存在溫度範圍為 -40°C 至 +100°C 且濕度低的環境中，最好使用防靜電包裝以防止靜電放電（ESD）損壞。

5. 應用建議

5.1 典型應用場景

• 印表機/影印機中的紙張偵測：偵測卡紙、缺紙或多張進紙情況。
• 物件計數：計算輸送帶上或通過滑槽的物品數量。
• 位置/速度感測：偵測編碼盤上的槽口以確定馬達的旋轉位置或速度。
• 自動販賣機：驗證硬幣通過或產品發放。
• 安全系統：作為光束遮斷感測器的一部分，用於入侵偵測。

5.2 設計考量

• LED 限流：務必與紅外線 LED 串聯一個電阻，以將順向電流（I_F）限制在安全值，通常在 10mA 到 20mA 之間，以平衡輸出訊號強度和元件壽命。電阻值可使用公式 R = (V_CC- V_F) / I_F.
• 計算。光電晶體偏壓_CC：通常會在光電晶體的集極和正電源電壓（V
• ）之間連接一個上拉電阻。射極接地。此電阻的值（通常在 1kΩ 到 10kΩ 之間）和電源電壓決定了輸出電壓擺幅和響應速度。較小的電阻提供更快的響應，但輸出電壓擺幅較低（且在導通時功耗較高）。抗環境光干擾
• ：由於該元件使用紅外線，因此對可見環境光具有一定抗干擾能力。然而，強烈的紅外線輻射源（如陽光或白熾燈泡）可能導致誤觸發。使用調變的紅外線訊號和解調電路可以大大提升抗雜訊能力。間隙與反射率

：感測距離和訊號強度取決於目標物體的反射率以及感測器與物體之間的間隙寬度。深色、非反射性物體會產生較弱的訊號。

6. 工作原理

LTH-301-05 基於簡單的光學原理運作。內部的紅外線 LED 發射一束紅外線。在 LED 對面是一個光電晶體。在未遮斷狀態下，這道光束穿過一個小間隙照射到光電晶體上，使其導通（開啟）。當有物體插入此間隙時，它會阻擋紅外線。由於沒有光線照射到光電晶體，它停止導通（關閉）。外部電路偵測到光電晶體電氣狀態的這種變化（從導通到不導通，或反之亦然），從而記錄物體的存在。光電晶體本質上是一個由光強度控制的電流源。

7. 性能曲線分析

• 規格書包含典型的特性曲線，對於詳細的設計分析極具價值。雖然具體圖表未在文字中重現，但它們通常說明以下關係：_FLED 的順向電流 vs. 順向電壓（I_F-V）
• ：顯示非線性關係，有助於確定不同工作電流下的精確電壓降。_C光電晶體的集極電流 vs. 集極-射極電壓（I_CE-V）
• ：在不同入射光水平（或不同 LED 驅動電流）下，這些曲線顯示了晶體管的輸出特性，類似於雙極性晶體管的輸出曲線。_C集極電流 vs. 順向電流（I_F)-I_C）_F：此傳輸特性曲線至關重要。它顯示了輸出光電流（I
• ）如何隨輸入 LED 電流（I）變化。它定義了電流傳輸比（CTR），這是耦合器的一個關鍵效率參數。_F溫度依賴性_CEO：曲線通常顯示順向電壓（V_{）、暗電流（I}）和導通狀態電流（I

C(ON)

1. ）等參數如何隨環境溫度變化。這對於設計在寬溫度範圍內運作的系統至關重要。8. 基於技術參數的常見問題_F問：典型的感測距離是多少？_{答：感測距離在規格書中並非單一固定值。它取決於槽口的具體機械設計、LED 的驅動電流（I}）、接收電路的靈敏度以及遮斷物體的反射率。設計者必須根據 I
2. C(ON)參數和應用設置來確定此距離。_F問：我可以直接用微控制器引腳驅動 LED 嗎？
3. 答：可能可以，但您必須檢查兩件事：a) 微控制器引腳的最大電流供應能力必須大於您期望的 I（例如，20mA）。b) 您必須如設計考量中所述，串聯一個限流電阻。切勿將 LED 直接連接到電壓源。_{問：如何將輸出端與數位輸入端介接？}答：最簡單的方法是在集極使用一個上拉電阻。當光路暢通時，光電晶體導通，將集極電壓拉低（接近 V_CCCE(SAT)
4. ）。當光線被阻擋時，晶體管關斷，上拉電阻將集極電壓拉高（至 V）。這提供了一個乾淨的邏輯電平訊號。
5. 問：為什麼響應時間很重要？答：快速的響應時間（微秒級）使感測器能夠偵測到非常快速移動的物體或快速連續的事件而不會漏計數。這在高速機械、編碼器應用或使用脈衝光的通訊系統中至關重要。

問：如果我超過絕對最大額定值會發生什麼？

答：超過這些限制，即使是短暫的，也可能對元件造成立即或潛在的損壞。這可能包括 LED 光輸出衰減、光電晶體暗電流增加或完全失效（開路或短路）。設計時務必保留安全餘量。

9. 實務設計與使用案例

案例：小型直流馬達的 RPM 測量

一位設計師需要測量馬達軸的轉速。他們在軸上安裝了一個帶槽的小圓盤。將 LTH-301-05 安裝在圓盤旋轉時會穿過其感測間隙的位置。每當一個槽口通過間隙時，光線就會到達光電晶體，在輸出端產生一個脈衝。LED 通過一個電阻以恆定的 15mA 電流驅動。光電晶體集極通過一個 4.7kΩ 的上拉電阻連接到 5V 電源，同時也連接到微控制器具有中斷功能的輸入引腳。

微控制器韌體被編程為計算在固定時間窗口（例如一秒）內接收到的脈衝數量（上升沿或下降沿）。假設圓盤有 20 個槽口，每秒脈衝數除以 20 即得到每秒轉數，可輕鬆轉換為 RPM。感測器快速的上升和下降時間確保了即使在馬達高速運轉時，脈衝也能保持乾淨且被準確計數，不會因感測器響應慢而漏掉邊緣。

• 10. 發展趨勢像 LTH-301-05 這樣的光遮斷器代表了一種成熟可靠的技術。目前更廣泛的光電感測器領域的趨勢集中在：
• 微型化:
  • ：開發更小的表面黏著元件（SMD）封裝，以節省現代電子產品中的電路板空間。
  • 整合化
  • ：內部整合 LED 的限流電阻。
• 在封裝內包含施密特觸發器或比較器，直接提供乾淨的數位輸出，簡化介面電路。在晶片上增加抗環境光電路或調變/解調邏輯，以獲得卓越的抗雜訊能力。
• 性能提升：提高電流傳輸比（CTR）以降低功耗或增加感測距離，並進一步減少響應時間以用於超高速應用。

專業化