LTH-301-27P1 光遮斷器規格書 - 非接觸式開關 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-301-27P1是一款反射式光遮斷器，屬於光電感測器的一種。其核心功能是無需物理接觸即可偵測物體的存在與否。它透過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外殼內來實現此功能。當物體進入發射器與偵測器之間的縫隙時，會阻斷紅外線光束，導致光電晶體的輸出狀態發生變化。這使其非常適合需要可靠、非機械式感測的應用，例如位置偵測、極限開關和物件計數。

本裝置設計用於直接安裝在印刷電路板（PCB）上或標準雙列直插式插座中，便於整合到電子組件中。其主要優點包括：無接觸彈跳問題、因無活動零件而具有長使用壽命，以及適合高速計數或計時應用的快速開關速度。

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裝置造成永久損壞的應力極限。不保證在此條件下運作。

• 紅外線二極體連續順向電流（I_F）：50 mA。這是可施加於紅外線LED的最大穩態電流。
• 紅外線二極體逆向電壓（V_R）：5 V。超過此LED兩端的逆向偏壓可能導致崩潰。
• 光電晶體集極電流（I_C）：40 mA。光電晶體集極可處理的最大電流。
• 光電晶體集極-射極電壓（V_CEO）：30 V。可施加於光電晶體集極與射極之間的最大電壓。
• 工作溫度範圍：-35°C 至 +65°C。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。這對於波焊或迴焊製程至關重要，以防止熱損壞。

功率降額注意事項：當環境溫度高於25°C時，電晶體功耗（100 mW）和二極體功耗（75 mW）必須以1.33 mW/°C的速率線性降額。這意味著允許的功率會隨著溫度升高而降低，以防止過熱。

2.2 電氣與光學特性

這些參數在25°C下量測，定義了裝置在指定測試條件下的典型性能。

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1.6V（最大1.6V）。此值用於計算限流電阻值：R = (V_電源- V_F) / I_F.
• 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在逆向偏壓時的漏電流。

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。這是光電晶體在基極開路時發生崩潰的電壓。
• 集極-射極暗電流（I_CEO）：在V_CE=10V時，最大值為100 nA。這是光電晶體處於關閉狀態（無光入射）時的漏電流。低值對於良好的訊噪比是理想的。

2.2.3 耦合器（系統）特性

這些參數描述了LED-光電晶體組合對的性能。

• 集極-射極飽和電壓（V_CE(SAT)）：當光電晶體驅動至飽和時（I_C=0.25mA, I_F=20mA），最大值為0.4V。低飽和電壓是與邏輯電路介面的關鍵。
• 導通狀態集極電流（I_C(ON)）：當光電晶體被照射時（V_CE=5V, I_F=20mA），最小值為1.5 mA。這是產生的光電流，定義了感測器的靈敏度。實際電流可能更高，取決於遮斷物體的反射率和對準情況。

3. 機械與封裝資訊

LTH-301-27P1採用標準4腳位雙列直插式封裝。確切尺寸請參閱規格書內的封裝圖。關鍵機械注意事項包括：

• 所有尺寸單位為毫米，除非另有說明，標準公差為±0.25mm。
• 封裝在紅外線發射器和光偵測器之間設有一個槽縫或間隙。待偵測的物體會通過此間隙。
• 極性標示清晰。標明了紅外線LED的陽極和陰極引腳，以及光電晶體的集極和射極引腳。在PCB安裝時保持正確方向至關重要。
• 本裝置適用於PCB安裝和插座安裝，在組裝和現場更換方面提供了靈活性。

4. 焊接與組裝指南

正確的處理對於可靠性至關重要。

• 焊接：引腳可承受距離塑膠外殼本體1.6mm處，最高260°C的溫度，最長5秒。此指南對於波焊製程至關重要。對於迴焊，建議使用峰值溫度低於260°C的標準溫度曲線。
• 清潔：使用與塑膠外殼相容的溫和清潔劑。避免使用功率過大的超音波清洗，以免損壞內部元件。
• 儲存：在指定的儲存溫度範圍-40°C至+100°C內的環境中儲存，最好在低濕度條件下以防止吸濕。
• 靜電防護注意事項：雖然未明確標示為敏感元件，但在組裝過程中應遵循半導體元件的標準靜電放電（ESD）處理程序。

5. 應用建議

5.1 典型應用電路

最常見的配置是將紅外線LED與一個限流電阻串聯到電壓源（例如5V）。光電晶體通常以共射極配置連接：集極透過一個負載電阻（R_L）上拉到電源電壓（例如5V），射極接地。輸出訊號取自集極節點。

• 當光束未被阻擋時，光線照射在光電晶體上，使其導通並將集極電壓拉低（接近V_CE(SAT)）。
• 當物體阻擋光束時，光電晶體關閉，集極電壓被負載電阻拉高。
• 負載電阻（R_L）的值決定了開關速度和電流消耗。較小的R_L允許更快的開關速度，但在電晶體導通時會消耗更多電流。

5.2 設計考量

• 對準：物體路徑與感測器間隙的精確機械對準對於可靠運作至關重要。
• 環境光：由於感測器使用紅外線，可能容易受到強烈環境紅外線源（例如陽光、白熾燈泡）的干擾。使用調變的紅外線訊號和同步的偵測器電路可以大大提高抗干擾能力。
• 物體特性：感測器的有效性取決於物體反射或吸收紅外線光束的能力。深色、非反射性物體可能不如淺色物體那樣被可靠偵測。建議使用實際目標材料進行測試。
• 防彈跳：雖然感測器本身沒有接觸彈跳問題，但電氣輸出仍可能有雜訊。為了獲得乾淨的數位訊號，可能需要軟體或硬體防彈跳（例如簡單的RC濾波器或施密特觸發器輸入）。

6. 工作原理

光遮斷器基於光束遮斷原理運作。內部，一個紅外線LED發射出波長通常約為940nm的光線，此光線人眼不可見。正對面放置一個矽光電晶體來接收此光線。光電晶體充當光控開關。當來自紅外線LED的光子撞擊其基極區域時，會產生電子-電洞對，進而允許更大的集極電流流動——這就是光電效應。此集極電流的大小與入射光的強度成正比。當不透明物體進入LED和光電晶體之間的間隙時，光路被阻斷。照射在光電晶體上的光強急劇下降，導致其集極電流降至非常低的值（基本上是暗電流）。外部電路偵測到電流的這種急劇變化（或負載電阻兩端的相應電壓變化），並將其解釋為一個開關事件。

7. 性能曲線與分析

規格書包含典型的特性曲線，這些曲線提供了超出表格中最小/典型/最大值的有價值見解。

• 轉移特性（I_C對I_F）：此曲線顯示在固定的集極-射極電壓下，光電晶體的輸出電流（I_C）如何隨LED的輸入電流（I_F）變化。它展示了在特定條件下輸入驅動與輸出響應之間的線性關係，有助於優化LED驅動電流以達到所需的靈敏度。
• 輸出特性（I_C對V_CE）：這些針對不同入射光水平（或不同I_F）繪製的曲線，顯示了光電晶體如何像一個電流源一樣運作。集極電流在一定的V_CE範圍內保持相對恆定，直到達到飽和。
• 溫度依賴性：顯示順向電壓（V_F）或集極暗電流（I_CEO）等參數隨溫度變化的曲線，對於設計在整個指定溫度範圍內運作的系統至關重要。例如，V_F通常隨溫度升高而降低，如果由恆壓源驅動，可能會略微影響LED的光輸出。

8. 常見問題與解答

問：此感測器的典型響應時間是多少？

答：雖然提供的資料中未明確說明，但此類光遮斷器的響應時間通常在微秒範圍內，使其適合高速計數。實際速度受光電晶體的上升/下降時間和外部電路的RC時間常數限制。

問：我可以在戶外使用此感測器嗎？

答：需謹慎使用。陽光直射含有強烈的紅外線成分，可能使光電晶體飽和，導致誤觸發。可靠的戶外使用需要物理遮罩或外殼來阻擋環境光，以及光學濾波或訊號調變技術。

問：如何選擇LED限流電阻的值？

答：使用公式：R = (V_CC- V_F) / I_F。例如，使用5V電源（V_CC），典型的V_F為1.6V，期望的I_F為20 mA：R = (5 - 1.6) / 0.02 = 170 Ω。一個標準的180 Ω電阻是合適的，結果I_F≈ 18.9 mA。

問：射極-集極崩潰電壓（V_(BR)ECO）額定值的目的是什麼？

答：此額定值（5V）在光電晶體以反向配置連接時（射極電位高於集極）相關，但這種情況不常見。它確保裝置能夠承受C-E接面兩端的小反向電壓而不損壞。

9. 實際應用範例

應用：印表機中的紙張偵測

LTH-301-27P1可用於偵測印表機或影印機中紙張的前緣。感測器安裝時，紙張會通過其間隙。一個反射片或紙張本身會遮斷光束。當光束未被阻擋（無紙）時，光電晶體導通，輸出低電壓。當紙張進入間隙時，光束被阻擋，光電晶體關閉，輸出電壓變高。此上升緣訊號可以饋送到微控制器，以啟動列印序列、確認紙張存在或計算頁數。非接觸式特性確保了紙張或感測器不會磨損，且快速響應允許即使在高速送紙時也能偵測。設計考量將包括確保紙張路徑與感測器間隙精確對準，以及選擇一個能為微控制器輸入腳位提供乾淨、快速電壓擺幅的負載電阻。

10. 技術趨勢

光遮斷器因其簡單性、可靠性和低成本，仍然是一項基礎的感測技術。當前的趨勢集中在微型化，導致表面黏著元件（SMD）封裝，以節省現代電子產品中的電路板空間。還有額外電路的整合，例如內建施密特觸發器以提供遲滯和乾淨的數位輸出，甚至是在單一晶片上整合調變紅外線驅動器和同步偵測器IC的完全整合解決方案，以實現卓越的抗環境光能力。此外，材料和封裝技術的進步正在擴展工作溫度範圍，並提高汽車和工業應用的長期可靠性。雖然像飛時測距（ToF）感測器這樣的新技術提供了距離測量功能，但基本光遮斷器在成本敏感的應用中，用於簡單、二元存在偵測的角色仍然穩固確立。