LTH-872-T55T1 光遮斷器規格書 - 槽型光電開關 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-872-T55T1 是一款槽型光遮斷器，這是一種專為非接觸式感測應用設計的基本光電元件。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封裝內，兩者之間由一個物理間隙或槽口隔開。其核心工作原理是阻斷從發射器傳輸到偵測器的紅外線光束。當不透明物體通過此槽口時，會阻擋光線，導致光電晶體的輸出電流發生顯著變化。此變化可透過電子方式偵測，從而提供可靠的數位開關訊號。與機械開關相比，光遮斷器因其高可靠性、高精度以及對灰塵或表面污染等環境因素的良好抗性而備受青睞。

核心優勢：此元件的主要優勢包括真正的非接觸式開關，消除了機械磨損並確保了長使用壽命。它提供快速響應時間，能夠偵測高速事件。其設計適用於直接PCB安裝或搭配雙列直插式插座使用，提供了組裝上的靈活性。其結構提供了對環境光干擾的固有防護。

目標市場與應用：此元件廣泛應用於各種辦公室自動化與消費性電子設備。典型的應用場景包括傳真機、印表機和影印機中的紙張偵測，用於感測紙張有無、卡紙或列印頭與滑架的位置。它也常見於掃描器、自動販賣機、工業自動化中的位置感測，以及任何需要精確、可靠的非接觸式物體偵測的設備中。

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。不保證在這些極限下或超過這些極限的操作。

• 輸入 LED：
  • 功率損耗 (P_D)：75 mW。這是 LED 晶片在環境溫度 (T_A) 為 25°C 時，能以熱量形式散發的最大功率。超過此值可能導致熱失控和故障。
  • 連續順向電流 (I_F)：50 mA。可持續通過 LED 的最大直流電流。
  • 峰值順向電流：1 A (脈衝寬度 = 10 µs，300 pps)。此額定值允許短暫的高電流脈衝，適用於以更高的瞬時光輸出驅動 LED，而不超過平均功率額定值。
  • 逆向電壓 (V_R)：5 V。可施加於 LED 兩端的最大逆向偏壓。超過此值可能導致接面崩潰。
• 輸出光電晶體：
  • 功率損耗 (P_D):100 mW。
  • 集極-射極電壓 (V_CEO)：30 V。當基極（光輸入）開路時，可施加於集極和射極之間的最大電壓。
  • 集極電流 (I_C)：20 mA。可流經集極-射極路徑的最大電流。
• 熱極限：
  • 操作溫度範圍：-25°C 至 +85°C。元件被指定能正常運作的環境溫度範圍。
  • 儲存溫度範圍：-55°C 至 +100°C。
  • 接腳焊接溫度：260°C 持續 5 秒（距離本體 1.6mm 處）。這定義了迴流焊接曲線的限制，以防止塑膠封裝和內部接線損壞。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在標準測試條件下 (T_A=25°C) 測量的，定義了元件的典型性能。

• 輸入 LED 特性：
  • 順向電壓 (V_F)：典型值 1.2V，在 I_F= 20 mA 時最大值為 1.6V。此參數對於設計 LED 驅動電路的限流電阻至關重要。典型設計會以 I_F=20mA 為目標，並使用 V_F~1.2V 進行計算。
  • 逆向電流 (I_R)：在 V_R= 5V 時，最大值為 100 µA。這表示 LED 的 PN 接面在逆向偏壓下的品質。
• 輸出光電晶體特性：
  • 集極-射極崩潰電壓 (V_(BR)CEO)：在 I_C=1mA 時，最小值為 30V。這為典型的 5V 或 12V 邏輯電路提供了良好的安全餘裕。
  • 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。對於定義明確的關閉狀態，尤其是在高增益電路中，低值至關重要。
• 耦合器（系統）特性：
  • 導通狀態集極電流 (I_C(ON))：當 V_CE= 5V 且 I_F= 20 mA 時，最小值為 0.5 mA。這是關鍵的靈敏度參數。它定義了槽口未被阻擋時的最小輸出電流。設計師必須確保選擇的負載電阻 (R_L) 能使此電流產生可用的電壓擺幅。
  • 集極-射極飽和電壓 (V_CE(SAT))：在 I_C= 0.25mA 且 I_F= 20mA 時，最大值為 0.4V。此低飽和電壓表示光電晶體被驅動至飽和（完全導通）時的良好性能，使其能將線路電壓拉至非常接近地電位。
  • 響應時間：
    • 上升時間 (T_r)：典型值 3 µs，最大值 15 µs。
    • 下降時間 (T_f)：典型值 4 µs，最大值 20 µs。
    在 V_CC=5V，I_C=2mA，R_L=100Ω 條件下測量。這些時間限制了最大切換頻率。不對稱的時間在光電晶體中很常見。為了保守設計，可假設最大頻率為 1/(T_r+T_f) ~ 1/40µs = 25 kHz。

3. 性能曲線分析

規格書中引用了典型的性能曲線。雖然文中未提供具體圖表，但其標準解讀如下：

• 順向電流 vs. 順向電壓 (I_F-V_F)：此曲線顯示了二極體典型的指數關係。它有助於理解 V_F隨溫度和電流的變化。
• 集極電流 vs. 集極-射極電壓 (I_C-V_CE)：對於給定的 LED 電流 (I_F)，此圖表顯示了光電晶體的輸出特性，類似於雙極性電晶體的輸出曲線。它說明了從主動區到飽和區的轉變。
• 電流傳輸比 (CTR) vs. 順向電流：CTR 是 I_C/ I_F的比值（通常以百分比表示）。這是耦合器的關鍵效率參數。曲線通常顯示 CTR 在特定 I_F時達到峰值，並在更高電流下因加熱或其他效應而下降。
• 溫度特性：顯示 I_C(ON)、V_F和 CTR 等參數在操作溫度範圍 (-25°C 至 +85°C) 內如何變化的曲線。光電晶體的增益通常隨溫度升高而降低，這在需要跨溫度穩定性能的設計中必須加以考慮。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外型尺寸

此元件採用標準穿孔式封裝，塑膠本體包含槽口。規格書中的關鍵尺寸註記：

• 所有尺寸均以毫米 (mm) 為單位提供。
• 未指定尺寸的預設公差為 ±0.25 mm。
• 具體的槽口寬度、本體高度和接腳間距在尺寸圖中定義（文中未完全詳述）。此資訊對於機械整合至關重要，確保待偵測物體能通過槽口，並用於 PCB 佔位面積設計。

4.2 極性識別與接腳定義

為了正常運作，正確識別接腳至關重要。此封裝採用槽型光遮斷器的標準接腳排列：一對接腳用於紅外線 LED（陽極和陰極），另一對用於光電晶體（集極和射極）。規格書圖紙指定了接腳編號。通常，從元件頂部（槽口側）觀看時，接腳編號為逆時針方向。設計師必須查閱圖紙以正確連接陽極、陰極、集極和射極。

5. 焊接與組裝指南

遵守這些指南對於防止製造過程中的損壞是必要的。

• 迴流焊接：絕對最大額定值規定接腳在距離本體 1.6mm 處，於 260°C 下焊接 5 秒。這對應於標準的有鉛迴流焊接曲線。塑膠封裝的熱容量有限，因此必須避免長時間暴露在高溫下，以防止開裂或內部損壞。
• 手工焊接：如果需要手工焊接，請使用溫控烙鐵。對接腳/引腳加熱，而非塑膠本體，並在每個接腳 3-5 秒內完成焊接。
• 清潔：使用與元件塑膠材料相容的清潔溶劑，以避免應力開裂或劣化。
• 儲存條件：在指定的儲存溫度範圍 (-55°C 至 +100°C) 內且低濕度的環境中儲存。對濕度敏感的元件應保存在密封、乾燥的包裝中，直到使用。

6. 應用設計考量

6.1 典型應用電路

標準的介面電路包含兩個主要部分：

1. LED 驅動器：一個限流電阻 (R_LIMIT) 與 LED 串聯。其值計算為 R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F。對於 5V 電源，V_F=1.2V，且 I_F=20mA，則 R_LIMIT= (5 - 1.2) / 0.02 = 190Ω。180Ω 或 200Ω 的電阻是合適的。
2. 光電晶體輸出：光電晶體通常連接為共射極開關。一個上拉電阻 (R_L) 連接在集極和正電源 (V_CC) 之間。射極接地。當光線照射到電晶體上（槽口暢通）時，它導通，將集極電壓拉低（接近 V_CE(SAT)）。當光線被阻擋時，電晶體關閉，集極電壓被 R_L拉高。R_L的值決定了輸出電壓擺幅和速度。較小的 R_L提供更快的響應，但消耗更多電流。使用 R_L=100Ω 的測試條件作為起點是常見的做法。

6.2 設計挑戰與解決方案

• 抗環境光干擾：雖然槽型設計提供了一些保護，但強烈的環境光（尤其是紅外線）仍可能影響光電晶體。在接收器電路中使用調製的 LED 驅動訊號和同步偵測可以大大增強抗干擾能力。或者，確保槽口有遮罩也有幫助。
• 溫度補償：由於光電晶體增益隨溫度升高而降低，I_C(ON)將會下降。對於關鍵應用，設計電路時應在最高操作溫度下留有足夠的餘裕，或者使用具有可調閾值的比較器，而不是簡單的上拉電阻介面。
• 物體特性：阻斷光束的物體必須對發射的紅外線波長 (~940nm) 不透明。薄或半透明的材料可能無法可靠偵測。物體的尺寸必須足夠大，以在槽口內完全阻斷光束。

7. 技術比較與差異化

與其他感測技術相比：

• 對比機械微動開關：光遮斷器提供更高的可靠性（無活動部件磨損）、更快的響應和靜音操作。它們不受接點彈跳影響。
• 對比反射式光學感測器：槽型通常更適合邊緣偵測或精確位置感測，因為它們較不易受目標物體反射率或顏色變化的影響。光束要麼完全被阻斷，要麼完全暢通。
• 對比霍爾效應感測器：霍爾感測器偵測磁場，而非光遮斷。它們用於不同的物理現象（例如偵測磁鐵）。光遮斷器用於偵測任何不透明物體。
• 在光遮斷器內部比較：LTH-872-T55T1 的具體差異在於其電氣額定值（例如 V_CEO=30V，I_C(ON)最小值=0.5mA）、封裝尺寸以及針對大量辦公室自動化應用的成本效益的組合。

8. 常見問題 (FAQ)

• 問：LED 的典型工作電流是多少？答：標準測試條件和常見工作點是 I_F= 20 mA。這在光輸出、功耗和壽命之間提供了良好的平衡。
• 問：我可以直接從微控制器接腳驅動 LED 嗎？答：大多數微控制器 GPIO 接腳無法持續提供或吸收 20mA 電流。建議使用簡單的電晶體或 MOSFET 驅動電路，或專用的 LED 驅動器 IC，以提供必要的電流。
• 問：如何將輸出連接到數位輸入？答：光電晶體集極（帶上拉電阻）可以直接連接到標準的 CMOS 或 TTL 邏輯輸入。當槽口暢通時，輸入將讀取為 LOW（低電位）。當被阻擋時，將讀取為 HIGH（高電位）。確保上拉電壓與邏輯系列相容（例如，5V 邏輯用 5V，3.3V 邏輯用 3.3V）。
• 問：為什麼我的輸出在被阻擋時沒有完全切換到電源軌？答：這可能是由於暗電流 (I_CEO) 流經上拉電阻所致。使用非常大的上拉電阻（例如 100kΩ）時，即使是 100nA 的漏電流也會產生顯著的電壓降。使用較小的上拉電阻（例如 1kΩ 至 10kΩ）以確保穩固的 HIGH 電位，同時平衡電流消耗和速度。
• 問：推薦的 PCB 佈局實務是什麼？答：將 LED 驅動走線和光電晶體輸出走線分開，以最小化雜訊耦合。將限流電阻和上拉電阻放置在靠近元件的位置。確保 PCB 上的槽口區域沒有阻擋紅外線光束路徑的防焊漆或元件。

9. 工作原理

光遮斷器基於被物理物體阻斷的直接光耦合原理運作。一個紅外線 LED 發射出波長通常約為 940 nm 的光，此光對人眼不可見。正對面，一個矽光電晶體對此波長敏感。在暢通狀態下，紅外線照射到光電晶體的基極區域，產生電子-電洞對。此光電流充當基極電流，導致電晶體導通並流過更大的集極電流 (I_C(ON))。當不透明物體進入槽口時，它完全阻斷了光路。光電流停止，有效基極電流降至零，光電晶體關閉，僅允許微小的漏電流 (I_CEO) 流過。導通和關閉狀態之間的這種鮮明對比，提供了一個乾淨、可靠的數位訊號，指示物體的存在與否。

10. 產業趨勢

由於其簡單性、穩健性和低成本，光遮斷器仍然是一項成熟且廣泛使用的技術。當前的產業趨勢集中在以下幾個領域：

• 微型化：開發更小的封裝尺寸（例如具有極窄槽口的表面黏著元件），以適應日益緊湊的消費性電子和行動裝置。
• 性能提升：改進參數，例如為更快的機械設備提供更高的速度、為電池供電設備提供更低的功耗，以及更好的溫度穩定性。
• 整合化：在封裝內整合額外的電路，例如用於遲滯的施密特觸發器、用於微弱訊號的放大器，甚至是數位介面 (I2C)，創造出簡化系統設計的智慧感測器。
• 材料進步：使用先進的塑膠和透鏡設計來改善光準直、提高耦合效率，並增強對高溫和高濕度等環境因素的抵抗力。

儘管出現了飛行時間 (ToF) 感測器或視覺系統等新技術，但基本的槽型光遮斷器仍然是無數簡單、可靠且對成本敏感的物體存在偵測應用的最佳解決方案。