光遮斷器感測器 LTH-309-08 規格書 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-309-08 是一款反射式光遮斷器，屬於光電感測器的一種，將紅外線發光二極體（LED）與光電晶體管整合在一個緊湊的封裝內。其主要功能是透過感測從物體表面反射的紅外線光束是否被遮斷，以非接觸方式偵測物體的存在與否。此元件設計用於直接安裝在印刷電路板（PCB）上或插入標準的雙列直插式插座，使其在自動化組裝過程中具有高度的通用性。

此感測器的核心優勢在於其非接觸式開關能力，消除了機械磨損，確保了高可靠性和長使用壽命。它特別適合在空間受限的應用中，需要快速響應時間和精確物體偵測的場合。典型的目標市場包括辦公室自動化設備（印表機、影印機）、工業自動化（輸送帶計數器、位置感測）、消費性電子產品，以及各種需要可靠物體偵測的儀器設備。

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導致元件永久損壞的應力極限。在此條件下操作不保證正常運作。

• 輸入 LED：連續順向電流不得超過 50 mA，在脈衝條件下（300 pps，10 µs 脈衝寬度）允許的峰值順向電流為 1 A。LED 的最大功耗為 75 mW。必須避免超過 5 V 的反向電壓。
• 輸出光電晶體管：集極電流限制為 20 mA。集極-射極電壓可承受高達 30 V，而射極-集極電壓限制為 5 V。光電晶體管的功耗不得超過 100 mW。
• 環境限制：此元件的額定工作環境溫度範圍為 -25°C 至 +85°C。儲存溫度可為 -55°C 至 +100°C。焊接時，引腳在距離封裝本體 1.6mm 處測量，可承受 260°C 達 5 秒。

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，定義了正常工作條件下的預期性能。

• 輸入 LED 順向電壓（V_F）：當以順向電流（I_F）20 mA 驅動時，典型值為 1.2V 至 1.6V。此參數對於設計驅動電路中的限流電阻至關重要。
• 輸出光電晶體管暗電流（I_CEO）：當沒有光線照射到感測器時的漏電流，在 V_CE=10V 時指定最大值為 100 nA。低暗電流對於良好的信噪比至關重要，特別是在低光或高增益應用中。
• 導通狀態集極電流（I_C(ON)）：當 LED 以 I_F=20mA 驅動且 V_CE=5V 時，最小集極電流為 0.5 mA。此參數表示光電晶體管的靈敏度。
• 集極-射極飽和電壓（V_CE(SAT)）：當光電晶體管完全導通時，其兩端的電壓降，在 I_C=0.25mA 且 I_F=20mA 時典型值為 0.4V。低飽和電壓有利於與低壓邏輯電路介面。
• 響應時間：感測器的切換速度以上升時間（T_R）和下降時間（T_F）表徵。在 V_CE=5V、I_C=2mA 及 R_L=100Ω 的測試條件下，上升時間典型值為 3-15 µs，下降時間為 4-20 µs。這種快速切換能力使其能夠偵測快速移動的物體。

3. 性能曲線分析

規格書中引用了典型的電氣/光學特性曲線。雖然文本中未提供具體圖表，但可以解釋其一般用途和所提供的見解。

這些曲線通常繪製關鍵參數隨溫度或驅動電流等變數的變化。例如，顯示 I_C(ON)與 I_F（LED 順向電流）關係的曲線，可幫助設計者理解輸入功率與輸出信號強度之間的關係，從而優化 LED 驅動以達到所需的靈敏度和功耗。另一個常見的曲線是 I_C(ON)與環境溫度的關係，這對於理解感測器在極端溫度下性能如何下降或變化至關重要，確保在指定的 -25°C 至 +85°C 範圍內可靠運作。這些圖表對於超越標稱 25°C 點規格的穩健系統設計至關重要。

4. 機械與封裝資訊

LTH-309-08 專為緊湊整合而設計。規格書中提供了封裝尺寸，所有測量單位均為毫米（括號內為英吋）。關鍵機械注意事項包括：

• 除非另有說明，否則適用 ±0.25mm（±0.010"）的一般公差。
• 引腳間距是在引腳離開塑膠封裝本體的點測量的，這對於 PCB 佔位面積設計至關重要。
• 封裝為標準的通孔類型，便於手動焊接和波峰焊接製程。

標準的接腳配置暗示了正確的極性識別：LED 的陽極和陰極位於一側，光電晶體管的集極和射極位於另一側。設計者必須查閱尺寸圖以確認確切的接腳排列和方向，以進行正確的 PCB 佈局。

5. 焊接與組裝指南

規格書指定引腳焊接溫度極限為 260°C 持續 5 秒，測量點距離封裝本體 1.6mm（0.063 英吋）。這是波峰焊接或手動焊接過程中製程控制的關鍵參數。

• 迴流焊接：雖然主要是通孔元件，但如果用於混合技術電路板，在迴流過程中必須極度小心。塑膠封裝的耐熱性低於表面黏著元件。除非經過專門認證，否則一般不建議用於標準的紅外線或對流迴流焊溫度曲線。
• 手動焊接：使用溫控烙鐵。快速有效地對引腳/焊盤接合處加熱，以最大限度地減少熱量傳遞到封裝內部的敏感半導體晶片。請勿長時間將焊料直接塗抹在元件引腳的烙鐵頭上。
• 清潔：使用與封裝塑膠相容的清潔溶劑，以避免開裂或劣化。
• 儲存條件：在指定的 -55°C 至 +100°C 溫度範圍內，儲存在乾燥、防靜電的環境中，以防止吸濕（這可能導致焊接過程中產生爆米花現象）和靜電放電損壞。

6. 應用建議

6.1 典型應用場景

• 印表機/影印機中的紙張偵測：偵測卡紙、紙匣空或紙張路徑上特定點的紙張存在。
• 輸送帶上的物體計數：計算產品、瓶子或元件通過固定點的數量。
• 位置感測：偵測移動滑架的原點位置（如掃描器或繪圖機中）或門、蓋的開/關狀態。
• 旋轉編碼器圓盤感測：與開槽圓盤結合使用，創建用於速度或位置回饋的低解析度光學編碼器。

6.2 設計考量

• LED 電流驅動：使用恆流源或與 LED 串聯的限流電阻，以維持穩定的 I_F（根據測試條件，通常約為 20 mA），以獲得一致的輸出。以較高電流脈衝驅動 LED 可以增加感測距離，但必須保持在絕對最大額定值內。
• 光電晶體管偏壓：一個上拉電阻（R_L）連接在集極和電源電壓（V_CC）之間。R_L的值會影響輸出電壓擺幅和響應時間。較小的 R_L提供更快的響應，但輸出電壓變化較小。射極通常接地。
• 輸出介面：光電晶體管輸出可以直接饋入微控制器的施密特觸發輸入端進行數位感測，或饋入類比輸入端以測量反射光強度。對於嘈雜的環境，在光電晶體管的集極和射極之間添加一個小電容器可以幫助濾除高頻雜訊。
• 目標表面：反射式感測性能在很大程度上取決於目標的反射率、顏色和距離。為了獲得一致的操作，應根據特定的目標材料校準偵測閾值。為獲得最佳信號強度，應盡量減小感測間隙。
• 抗環境光干擾：由於感測器使用紅外線，因此對可見環境光具有一定的抗干擾能力。然而，強烈的紅外線光源（如陽光或白熾燈泡）可能導致誤觸發。在接收器電路中使用調製的 LED 信號和同步偵測可以大大增強對環境光的抗干擾能力。

7. 技術比較與差異化

與機械式極限開關相比，LTH-309-08 具有明顯優勢：無活動部件、可靠性更高、響應更快且運作安靜。在光遮斷器類別中，其關鍵差異化因素來自其指定的參數。快速的切換速度（上升時間 3-15 µs）使其比速度較慢的光電晶體管更適合高速應用。相對較低的飽和電壓（0.4V）使其與具有較高 V_CE(SAT)的元件相比，能更好地相容於現代的 3.3V 邏輯系統。標準的通孔 DIP 封裝提供了穩固性和易於原型製作的特點，儘管它比表面黏著替代方案佔用更多的電路板空間。設計者會選擇此元件，用於需要在標準封裝格式中平衡速度、靈敏度和經過驗證的可靠性的應用。

8. 常見問題（基於技術參數）

• 問：我可以用 3.3V 邏輯驅動 LED 嗎？答：可以，但必須仔細計算串聯電阻。在 20mA 時，典型的 V_F為 1.6V，電阻值為 (3.3V - 1.6V) / 0.02A = 85Ω。為了安全設計，請使用規格書中的最大 V_F值。
• 問：最大感測距離是多少？答：規格書未指定距離。這取決於 LED 驅動電流、目標反射率以及所需的 I_C(ON)。最好根據您的特定目標進行實測確定。一般來說，反射式感測器在短距離（幾毫米）內效果最佳。
• 問：如何保護光電晶體管免受電壓突波影響？答：雖然它具有 30V 的 V_(BR)CEO，但為了在電感性環境中的可靠性，可以添加一個小的瞬態電壓抑制器（TVS）二極體，或在集極-射極之間反向偏置一個常規二極體。
• 問：我可以在多塵的環境中使用它嗎？答：鏡頭上的灰塵積聚會衰減光束，降低靈敏度並可能導致故障。該元件未密封。對於惡劣環境，請考慮使用帶有密封槽的元件或提供外部保護。

問：9. 實際應用案例分析

場景：桌上型印表機中的缺紙感測器。LTH-309-08 安裝在靠近送紙匣的主 PCB 上。當紙張用完時，連接到紙匣機構的白色塑膠擋片會移動到感測器的偵測間隙中。在有紙狀態下，擋片不在間隙內，允許 LED 發出的紅外線從印表機內部的固定表面反射回光電晶體管，產生高 I_C(ON)，並在集極（帶有上拉電阻）產生邏輯 LOW 輸出。當紙張用完時，擋片移動到間隙中，阻斷光路。光電晶體管關閉，導致集極電壓被電阻拉高為 HIGH。印表機的微控制器偵測到此 HIGH 信號，並在顯示器上觸發缺紙警告。快速的響應時間確保了即時偵測，而非接觸的特性保證了感測器在印表機的整個使用壽命內不會磨損。

10. 工作原理介紹

光遮斷器基於調製光偵測的原理運作。內部的紅外線 LED 在順向偏壓時發光。與 LED 相對的是一個光電晶體管。在像 LTH-309-08 這樣的反射式類型中，兩個元件面向同一方向。發出的光離開封裝，照射到目標表面，其中一部分被反射回封裝內，照射到光電晶體管上。光電晶體管充當光控開關。當光子撞擊其基極區域時，會產生電子-電洞對，有效地提供基極電流。這導致電晶體導通，允許集極電流（I_C）流動，該電流與接收到的光強度成正比。當光路被阻斷（例如被物體遮擋）時，光電晶體管關閉，只有很小的暗電流流動。集極電流的這種開/關變化用於產生數位信號，指示遮斷光路的物體存在與否。

11. 技術趨勢

像光遮斷器這樣的光電感測器的趨勢是朝向小型化、更高整合度和增強功能發展。表面黏著元件（SMD）封裝正成為主流，以節省 PCB 空間並實現自動化取放組裝。另一個趨勢是將感測器與信號調理電路（放大器、施密特觸發器、邏輯輸出）整合在單一晶片上，創建更容易直接與微控制器介面的數位輸出感測器。此外，透過光學濾波和更智慧的調製技術，在改善抗環境光干擾方面也取得了進展。雖然基本原理保持不變，但這些趨勢的重點是使感測器更小、更智慧、更可靠，並且更容易在現代電子設計中實現。