光遮斷器 LTH-872-N55H 規格書 - 槽型 - 尺寸 4.0mm - 電壓 5V - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-872-N55H 是一款槽型光遮斷器，這是一種用於非接觸式感測與開關應用的基礎光電元件。它將一個紅外線發光二極體（LED）和一個光電晶體整合在單一外殼內，並以一個物理間隙或槽口分隔。其核心運作原理相當直觀：當物體通過此槽口時，會阻斷從發射器傳至偵測器的紅外線光束，從而導致光電晶體的輸出狀態產生相應變化。這種簡單而可靠的機制，使其成為偵測物體存在、缺席、位置或速度的理想解決方案，無需物理接觸。

本元件設計用於直接安裝於印刷電路板（PCB）或插入標準雙列直插式插座，在組裝與原型製作上提供了靈活性。其主要優勢包括高可靠性、快速切換速度，以及由於沒有會磨損的機械接點而帶來的長使用壽命。典型應用廣泛涵蓋辦公室自動化與工業設備，包括但不限於印表機、影印機、掃描器、傳真機，以及各種需要精確物體偵測的自動化系統。

1.1 核心特色

• 非接觸式開關：消除機械磨損，確保高可靠度與長使用壽命。
• 多樣化安裝方式：相容於直接PCB焊接或標準雙列直插式插座，便於整合至各種電路設計。
• 快速響應時間：能夠偵測高速事件，適用於需要快速感測的應用，例如印表機的送紙偵測或旋轉編碼器系統。

2. 技術參數：深入客觀解讀

規格書提供了定義元件在標準條件下運作極限與性能的關鍵參數。理解這些參數對於正確的電路設計與確保長期可靠性至關重要。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值指定了元件的應力極限，若超出可能導致永久性損壞。它們並非正常運作條件。

• 輸入LED：
  • 功率消耗（P_D）：最大 75 mW。這是LED能夠安全以熱能形式消耗的總功率。
  • 連續順向電流（I_F）：最大 50 mA。驅動LED的連續電流不應超過此值。
  • 逆向電壓（V_R）：最大 5 V。施加高於此值的逆向電壓可能擊穿LED接面。
• 輸出光電晶體：
  • 功率消耗（P_D）：光電晶體最大 100 mW。
  • 集極-射極電壓（V_CEO）：最大 30 V。這是當基極（光輸入）開路時，可施加於集極與射極之間的最大電壓。
  • 射極-集極電壓（V_ECO）：最大 5 V，這是集極-射極接面的逆向電壓額定值。
  • 集極電流（I_C）：最大 20 mA。流經光電晶體的負載電流必須低於此限制。
• 環境：
  • 工作溫度範圍（T_A）：-25°C 至 +85°C。保證元件在此環境溫度範圍內符合規格運作。
  • 儲存溫度範圍（T_stg）：-40°C 至 +100°C。
  • 接腳焊接溫度：最大 260°C 持續 5 秒，此規格適用於接腳成型後外殼為 1.6mm（0.063 英吋）的情況。這對於迴焊或波焊製程至關重要。

2.2 電氣與光學特性

這些參數定義了元件在環境溫度（T_A）為 25°C 的典型工作條件下的性能。

• 輸入LED特性：
  • 順向電壓（V_F）：典型值 1.2V，在順向電流（I_F）為 20 mA 時最大值為 1.6V。此參數用於計算LED驅動電路的限流電阻值：R = (V_CC- V_F) / I_F.
  • 逆向電流（I_R）：在逆向電壓（V_R）為 5V 時，最大 100 µA，表示LED在逆向偏壓時的漏電流。
• 輸出光電晶體特性：
  • 集極-射極暗電流（I_CEO）：在 V_CE= 10V 時，最大 100 nA。這是當LED關閉（無光線照射光電晶體）時的漏電流。低暗電流對於良好的訊噪比是理想的，特別是在低光或高增益應用中。
• 耦合器（系統）特性：
  • 集極-射極飽和電壓（V_CE(SAT)）：當光電晶體完全導通時（I_C= 0.25 mA, I_F= 20 mA），最大 0.4V。當輸出用於驅動邏輯輸入或其他低電壓電路時，低飽和電壓至關重要，因為它定義了邏輯低電位。
  • 導通狀態集極電流（I_C(ON)）：在 V_CE= 5V 且 I_F= 20 mA 時，最小 2.0 mA。這是當LED以其典型電流驅動且光束未被阻斷時，保證的最小輸出電流。此參數若以比率 I_C/I_F表示，通常稱為電流傳輸比（CTR），定義了耦合器的靈敏度。此處，最小 CTR 為 (2.0 mA / 20 mA) = 0.1 或 10%。
  • 響應時間：
    • 上升時間（T_r）：典型值 3 µs，最大值 15 µs。這是當輸入LED開啟時，輸出從最終值的 10% 轉變到 90% 所需的時間。
    • 下降時間（T_f）：典型值 4 µs，最大值 20 µs。這是當輸入LED關閉時，輸出從最終值的 90% 轉變到 10% 所需的時間。這些快速的切換速度使其能夠偵測快速移動的物體。

3. 機械與封裝資訊

LTH-872-N55H 採用標準穿孔式封裝，設計用於輕鬆整合至PCB。

3.1 外型尺寸

規格書提供了詳細的機械圖面。關鍵尺寸包括整體槽寬（定義了可偵測物體的尺寸）以及用於PCB佈局的接腳間距。除非另有說明，所有尺寸均以毫米（mm）為單位，標準公差為 ±0.25 mm。圖面通常顯示俯視圖、側視圖以及接腳識別（發射器陽極、發射器陰極、集極、射極）。

3.2 極性識別與接腳配置

正確的極性對於元件運作至關重要。封裝上通常有標記或特定的接腳形狀（通常是平面側或凹口）來識別第1腳。標準4腳光遮斷器的接腳配置為：第1腳 - 紅外線LED陽極，第2腳 - 紅外線LED陰極，第3腳 - 光電晶體射極，第4腳 - 光電晶體集極。在設計PCB佈局前，請務必參考規格書圖表以確認 LTH-872-N55H 的確切接腳分配。

4. 焊接與組裝指南

4.1 焊接製程

本元件的接腳最大焊接溫度額定為 260°C 持續 5 秒。此規格對於波焊或迴焊製程至關重要。超過此溫度或時間可能損壞內部半導體接面或塑膠外殼。建議遵循標準的IPC穿孔元件焊接指南。

4.2 處理與儲存

雖然提供的摘錄中未明確詳述，但一般最佳實踐適用：在指定的儲存溫度範圍（-40°C 至 +100°C）內，將元件儲存在乾燥、防靜電的環境中。焊接前避免讓元件暴露於過度潮濕的環境，以防止迴焊時發生爆米花效應，儘管這對於表面黏著元件更為關鍵。

5. 應用建議與設計考量

5.1 典型應用電路

最常見的配置是將光遮斷器用作數位開關。一個簡單的電路包括：
1. LED驅動器：將一個限流電阻與紅外線LED串聯後連接到電壓源（例如 5V）。設定電阻值以達到所需的 I_F（例如 20 mA）。範例：R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω（可使用標準 200Ω 電阻）。
2. 光電晶體輸出：將一個上拉電阻（R_L）從光電晶體的集極連接到電壓源（例如 5V）。射極連接到接地。當光路暢通時，光電晶體導通，將集極電壓（輸出）拉低。當光束被阻斷時，光電晶體關閉，上拉電阻將輸出拉高。R_L的值會影響切換速度與電流消耗；較低的值提供更快的速度但功耗較高。規格書中的測試條件使用 R_L= 100Ω。

5.2 設計考量

• 抗環境光干擾：由於本元件使用紅外線，因此對可見環境光有一定程度的抗干擾能力。然而，強烈的紅外線光源（陽光、某些燈具）可能造成干擾。使用調變的LED訊號和相應的解調電路可以大幅增強抗雜訊能力。
• 對準：發射器與偵測器必須精確地對準槽口兩側。機械外殼確保了這種對準，但PCB設計必須正確放置元件。
• 物體特性：阻斷光束的物體應對紅外線不透明。透明或高反射率的材料可能無法被可靠偵測。
• 防彈跳：在機械系統中（例如偵測斬波輪），當物體進入或離開槽口時，輸出訊號可能產生抖動。應採用軟體或硬體防彈跳技術以獲得乾淨的數位訊號。

6. 性能曲線分析

規格書提及典型電氣/光學特性曲線。雖然摘錄中未提供具體曲線，但此類元件的典型圖表包括：

• 順向電流 vs. 順向電壓（I_F-V_F）：顯示紅外線LED的非線性關係，對於驅動器設計很重要。
• 集極電流 vs. 集極-射極電壓（I_C-V_CE）：以入射光強度（或 I_F）為參數的曲線族，類似於電晶體的輸出特性。
• 電流傳輸比（CTR） vs. 順向電流（I_F）：顯示靈敏度如何隨LED驅動電流變化。
• 電流傳輸比（CTR） vs. 環境溫度：一條關鍵曲線，顯示CTR通常隨溫度升高而降低。設計者必須在最高工作溫度下確保足夠的餘裕，以保證所需的最小 I_C(ON).
• 響應時間 vs. 負載電阻（R_L）：說明切換速度與功耗之間的權衡。

7. 技術比較與差異化

與機械微動開關相比，LTH-872-N55H 由於非接觸式操作，提供了更長的使用壽命和更高的可靠性。它不受接點彈跳影響。與反射式感測器相比，槽型光遮斷器提供更精確和一致的偵測，因為它們對目標物體的顏色、紋理或反射率較不敏感；它們僅偵測光束的物理阻斷。光遮斷器本身的關鍵區別通常在於槽口尺寸、靈敏度（CTR）、響應速度以及封裝類型（穿孔式 vs. 表面黏著式）。

8. 常見問題（基於技術參數）

問：如果我以超過 50 mA 的電流驅動LED會發生什麼？
答：超過連續順向電流的絕對最大額定值可能導致過度發熱，從而加速LED光輸出的衰減或導致災難性故障。請務必使用限流電阻。

問：我的輸出訊號有雜訊。可能是什麼原因？
答：可能的原因包括電源線上的電氣雜訊、環境光的干擾（特別是工作在 50/60 Hz 的螢光燈），或者負載電阻值過高，導致節點呈現高阻抗而易受雜訊影響。確保電源穩定，考慮屏蔽，使用較低的上拉電阻，或實施訊號調變/解調。

問：元件在室溫下工作正常，但當我的系統升溫時失效。為什麼？
答：光電晶體的靈敏度（CTR）會隨著溫度升高而降低。您可能在 25°C 時僅以最小餘裕運作。請使用最小 I_C(ON)規格並考慮典型的 CTR vs. 溫度曲線重新評估您的設計。您可能需要增加LED驅動電流（在限制範圍內），或使用在較高溫度下保證具有更高CTR的光電晶體。

問：我可以用這個來偵測透明物體嗎？
答：通常不行。標準紅外線光遮斷器要求物體對其發射的紅外線波長（通常約 940 nm）不透明。透明塑膠或玻璃可能允許足夠的紅外線通過，從而無法可靠偵測。偵測透明材料需要不同波長或偵測原理的特殊感測器。

9. 實際使用案例

應用：桌上型印表機的卡紙偵測。
實作：將 LTH-872-N55H 沿著紙張路徑安裝，讓紙張通過其槽口。微控制器的一個GPIO腳位透過限流電阻驅動LED。另一個配置了內部上拉電阻的GPIO腳位讀取光電晶體集極的狀態。在正常操作期間，紙張阻斷光束，輸出處於一種邏輯狀態（例如 HIGH）。如果發生卡紙，紙張要麼保持卡住（持續阻斷光束），要麼未能到達感測器（光束未被阻斷），導致輸出長時間處於非預期狀態。微控制器韌體監控此訊號，如果違反預期的時序序列，則觸發卡紙錯誤訊息。感測器的快速響應時間確保即使紙張間的小間隙也能被偵測到，實現精確的送紙監控。

10. 運作原理介紹

光遮斷器基於光電轉換與阻斷的原理運作。其內部對齊安裝了兩個獨立元件：一個紅外線發光二極體（IR LED）和一個矽光電晶體。IR LED 作為光源。當被外部電流順向偏壓時，它會發射不可見的紅外線光子。光電晶體作為光偵測器。其基極區域對光敏感。當來自LED的光子撞擊基極時，會產生電子-電洞對，這些電子-電洞對充當基極電流，使電晶體導通，並允許更大的集極電流流動。此集極電流與入射光的強度成正比。槽口在物理上分隔了這兩個元件。放置在槽口中的物體會阻斷光路，大幅減少照射在光電晶體上的光線，從而將其關閉（或減少其電流）。外部電路偵測到這種輸出電流/電壓的變化，以記錄一次阻斷。

11. 產業趨勢與發展

包括光遮斷器在內的光電感測器趨勢是朝向小型化、更高整合度以及表面黏著技術（SMT）封裝發展，以適應更小、更密集的PCB設計。同時也朝向具有內建訊號調節功能的數位輸出感測器發展，這些感測器提供乾淨、緩衝後的邏輯位準輸出，簡化了與微控制器的介面。一些進階版本整合了施密特觸發器以提供遲滯，改善抗雜訊能力。此外，自動化對更高精度和速度的需求，推動了具有更窄槽口、更快響應時間和改善溫度穩定性的元件發展。以 LTH-872-N55H 為代表的基礎槽型光遮斷器，對於其簡單性和穩健性是關鍵優勢的大量標準偵測應用而言，仍然是一個經濟高效且高度可靠的解決方案。