光遮斷器 LTH-872-N55T1 規格書 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTH-872-N55T1 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（LED）和一個光電晶體整合在一個緊湊的封裝內。其主要功能是透過感測從物體反射回感測器的光束是否被遮斷，來非接觸式地偵測物體的存在與否。此元件專為需要可靠、快速且非侵入式物體偵測或位置感測的應用而設計。

1.1 核心優勢

此光遮斷器的關鍵優勢源於其基本工作原理與設計。非接觸式開關消除了機械磨損，與機械開關相比，顯著提升了操作壽命與可靠性。這在高循環次數的應用中至關重要。此外，它提供了快速的開關速度，典型的上升與下降時間在微秒範圍內，使其能夠偵測快速移動的物體或高頻事件。整合式封裝確保了發射器與偵測器之間的精密對準，簡化了組裝並提升了一致性。

1.2 目標市場與應用

此元件的主要目標市場是辦公室自動化與精密儀器。其主要文件記載的應用是在掃描器與印表機中。在這些設備中，光遮斷器常用於紙張存在偵測（例如感測紙張前緣）、卡紙偵測、托架或列印頭位置感測，以及偵測移動機構的原點位置等功能。快速響應時間對於維持現代掃描與列印設備的高吞吐量至關重要。

2. 深入技術參數分析

理解電氣與光學特性對於正確的電路設計以及確保在元件指定限制內的可靠運作至關重要。

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，不適用於正常操作。

• 輸入端 LED：
  • 功率消耗（P_D）：最大 75 mW。
  • 連續順向電流（I_F）：最大 50 mA。這是流經 LED 的絕對最大電流。
  • 逆向電壓（V_R）：最大 5 V。超過此值可能擊穿 LED 接面。
• 輸出端光電晶體：
  • 功率消耗（P_C）：最大 100 mW。
  • 集極-射極電壓（V_CEO）：最大 30 V。這是當基極開路（無光狀態）時，可施加於光電晶體集極與射極之間的最大電壓。
  • 射極-集極電壓（V_ECO）：最大 5 V（逆向電壓額定值）。
  • 集極電流（I_C）：最大 20 mA。
• 環境條件：
  • 操作溫度（T_opr）：-25°C 至 +85°C。
  • 儲存溫度（T_stg）：-55°C 至 +100°C。
  • 接腳焊接溫度（T_sol）：最大 260°C 持續 5 秒（適用於距離外殼 1.6mm 的接腳）。

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，定義了元件在正常操作條件下的性能。

• 輸入端 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 點亮時的跨壓。
  • 逆向電流（I_R）：在逆向電壓（V_R）為 5V 時，最大 100 µA。這是 LED 逆向偏壓時的小量漏電流。
• 輸出端光電晶體特性：
  • 集極-射極暗電流（I_CEO）：在 V_CE=10V 時，最大 100 nA。這是光電晶體處於完全黑暗（無 LED 光線）時的漏電流。低值對於良好的訊噪比是理想的。
  • 集極-射極飽和電壓（V_CE(SAT)）：在 I_C=0.25mA 且 I_F=20mA 時，最大 0.4V。這是電晶體完全導通（飽和）時的跨壓。低飽和電壓可最小化開關元件的功率損耗。
  • 導通狀態集極電流（I_C(ON)）：在 V_CE=5V 且 I_F=20mA 時，最小 0.5 mA。此參數指定了當 LED 驅動且物體未遮斷光束（假設為反射模式）時的最小輸出電流。
• 耦合器（系統）響應時間：
  • 上升時間（T_R）：3 µs（典型值）至 15 µs（最大值）。這是當 LED 開啟時，光電晶體輸出從最終值的 10% 上升到 90% 所需的時間。
  • 下降時間（T_F）：4 µs（典型值）至 20 µs（最大值）。這是當 LED 關閉時，輸出從 90% 下降到 10% 所需的時間。這些快速時間對於所述的快速開關速度特性至關重要。
  • 測試條件：V_CE=5V，I_C=2mA，R_L=100 Ω。

3. 性能曲線分析

規格書參考了典型的電氣/光學特性曲線。雖然文中未提供具體圖表，但其目的是說明在不同條件下關鍵參數之間的關係，這對於穩健的設計至關重要。

3.1 推斷曲線資訊

基於此類元件的標準做法，典型曲線可能包括：

• 順向電流 vs. 順向電壓（I_F-V_F）：此曲線顯示了流經 LED 的電流與其跨壓之間的非線性關係。它有助於確定從給定電源電壓達到所需驅動電流所需的串聯電阻值。
• 集極電流 vs. 集極-射極電壓（I_C-V_CE）：對於光電晶體，此系列曲線會針對不同入射光強度（或不同 LED 驅動電流，I_F）繪製。它定義了在受光條件下電晶體的操作區域（截止區、主動區、飽和區）。
• 電流傳輸比（CTR） vs. 順向電流：CTR 是光電晶體輸出集極電流（I_C）與 LED 輸入順向電流（I_F）的比值，通常以百分比表示。此曲線顯示效率如何隨驅動電流變化，對於設計介面電路以確保足夠的輸出訊號擺幅至關重要。
• 溫度相依性：顯示順向電壓（V_F）、暗電流（I_CEO）和 CTR 等參數如何隨環境溫度變化的曲線。這對於確保在整個指定溫度範圍（-25°C 至 +85°C）內的穩定運作至關重要。

4. 機械結構與封裝資訊

文中提及封裝尺寸但未詳細說明。註記指出所有尺寸均以毫米為單位（括號內為英吋），除非另有說明，一般公差為 ±0.25mm。型號 LTH-872-N55T1 暗示了反射式光遮斷器常見的特定封裝樣式，通常具有帶有凹槽的模製塑膠外殼。發射器與偵測器面向凹槽的同一側，使其能夠偵測將發射光反射回來的物體。

4.1 極性識別與接腳定義

雖然未列出確切的接腳定義，但標準光遮斷器封裝有 4 個接腳：兩個用於紅外線 LED 的陽極與陰極，兩個用於 NPN 光電晶體的集極與射極。規格書通常會包含顯示頂視圖與接腳編號的圖示（例如，1：陽極，2：陰極，3：集極，4：射極）。必須正確連接 LED 的極性以防止損壞。

5. 焊接與組裝指南

規格書提供了一個關鍵的組裝參數：最大接腳焊接溫度。對於距離塑膠外殼 1.6mm（0.063 英吋）的接腳，溫度不得超過260°C 持續 5 秒。這是波峰焊或手工焊接的標準額定值。對於迴流焊，元件必須與所使用的特定迴流焊溫度曲線相容，其峰值溫度通常在 240-250°C 左右。超過這些熱限值可能導致半導體接面內部損壞或使塑膠封裝變形，影響光學對準與性能。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用電路

基本的介面電路包含兩個主要部分：

1. LED 驅動器：一個限流電阻與 LED 串聯。電阻值（R_series）計算如下：R_series= (V_CC- V_F) / I_F。使用典型的 V_F值 1.4V 和所需的 I_F值 20mA，搭配 5V 電源，可得 R_series= (5 - 1.4) / 0.02 = 180 Ω。標準的 180Ω 或 220Ω 電阻是合適的。使用恆定電流而非恆定電壓驅動 LED，可提供更穩定的光輸出。
2. 光電晶體輸出：光電晶體通常用於共射極組態。一個負載電阻（R_L）連接在集極與正電源（V_CC）之間。射極接地。當光線照射到電晶體時，它會導通，將集極電壓拉低（趨近 V_CE(SAT)）。當無光時，電晶體關閉，集極電壓透過 R_CC被拉高至 V_L。R_L的值決定了輸出電壓擺幅與速度；較小的 R_L提供更快的響應但擺幅較小。規格書使用 R_L=100Ω 進行測試。

6.2 設計考量要點

• 環境光抗干擾性：作為反射式感測器，它可能容易受到環境光（尤其是含有紅外線的陽光或明亮的室內照明）的影響。在接收電路中使用調變的 LED 驅動訊號和同步偵測技術，可以大幅提升對此類干擾的抗性。
• 物體反射率：有效的感測距離與訊號強度在很大程度上取決於目標物體的反射率。高反射表面（如白紙）效果最佳，而深色或霧面表面可能無法反射足夠的光線。
• 對準與間隙：最佳感測距離（感測器與反射物體之間的間隙）通常在完整的規格書中指定。機械設計必須確保此間隙能保持一致。
• 電氣雜訊：對於長線纜佈線或嘈雜的環境，可能需要对輸出訊號進行適當的屏蔽和濾波，因為光電晶體輸出在關閉時是一個高阻抗節點，容易受到雜訊拾取影響。

7. 技術比較與差異化

與其他感測技術相比，此光遮斷器提供了特定的優勢：

• 相較於機械開關：無接觸彈跳，壽命更長（數百萬次 vs. 數千次循環），響應更快，且運作安靜。
• 相較於穿透式光遮斷器（槽型光耦合器）：像 LTH-872-N55T1 這樣的反射式類型不需要物體穿過凹槽；它們可以在一定距離外感測物體。這簡化了如紙張偵測（紙張沿表面運行）等應用的機械設計。
• 相較於現代感測器（例如霍爾效應、超音波）：對於基本的存在/不存在偵測，光遮斷器通常更簡單且成本更低。它們不需要磁鐵（如霍爾感測器），並且比超音波感測器結構簡單，儘管在非反射目標上效果可能較差。

8. 常見問題（基於技術參數）

問：暗電流（I_CEO）規格的目的是什麼？

答：暗電流是當光電晶體完全黑暗（無 LED 光線且無環境光）時流經它的微小漏電流。在關閉狀態下，此電流流經負載電阻（R_L）會產生一個小的電壓降。高暗電流可能導致輸出電壓無法完全達到高邏輯位準，可能導致後續電路誤判。指定的最大值 100 nA 非常低，確保了乾淨的關閉狀態訊號。

問：如何選擇合適的 LED 驅動電流（I_F）？

答：驅動電流影響光輸出，這直接影響光電晶體的輸出電流（I_C(ON)）以及元件的靈敏度。以典型的測試條件 20mA 操作是一個良好的起點。如果應用具有高反射率和短距離，可以降低電流以節省功耗。增加電流可能改善對困難目標的訊號強度，但會增加功率消耗，且必須低於 50mA 的絕對最大值。請參考典型的 CTR vs. I_F曲線作為指導。

問：我可以在戶外使用此感測器嗎？

答：操作溫度範圍（-25°C 至 +85°C）允許在許多環境中使用。然而，陽光直射含有強烈的紅外線輻射，可能使光電晶體飽和，導致持續的導通偵測。對於戶外使用，強烈建議使用光學濾波（一種阻擋可見光但通過 LED 波長的紅外線通過濾鏡）和/或訊號調變技術來抑制環境紅外光。

9. 工作原理

LTH-872-N55T1 基於內部反射調變的原理運作。一個紅外線 LED 發射光線。當感測範圍內沒有反射目標時，大部分光線會消散。當一個具有適當反射率的物體進入感測範圍時，一部分發射光會被反射回裝置。整合的光電晶體對相同的紅外線波長敏感，偵測到此反射光。入射的光子在光電晶體的基極區域產生電子-電洞對，有效地提供了基極電流。這導致電晶體導通，允許集極電流（I_C）流動，該電流與反射光的強度成正比。然後，外部電路利用此輸出電流/電壓的變化來指示物體的存在。

10. 產業趨勢

雖然基本的光遮斷器技術已成熟，但趨勢集中在微型化、整合化與功能增強。較新的裝置可能具有以下特點：

- 表面黏著（SMD）封裝：更小的佔位面積，適用於高密度 PCB 組裝。

- 整合式 IC：一些現代光遮斷器在晶片上整合了放大電路、具有遲滯功能的施密特觸發器，甚至數位輸出（例如 I2C），簡化了介面設計。

- 更高速度：持續開發更快的響應時間，以跟上不斷提高的機器速度。

- 改善的環境光抑制：採用先進的光學設計和調變方案，使感測器在具有挑戰性的照明環境中更加穩健。以 LTH-872-N55T1 等元件為代表的反射式感測核心原理，仍然是廣泛非接觸式偵測任務中可靠且具成本效益的解決方案。