ITR1502SR40A/TR8 反射式光遮斷器規格書 - 尺寸 4.0x3.0x2.0mm - 順向電壓 1.2V - 功率消耗 75mW - 黑色透明鏡頭 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ITR1502SR40A/TR8 是一款高度整合的表面黏著反射式光遮斷器，專為非接觸式感測應用而設計。它將一個紅外線發射器與一個矽光電晶體偵測器整合在單一、緊湊的黑色透明鏡頭封裝內。此元件專為可靠的物體存在或動作偵測而設計，其指定的最佳感測距離為 4 公釐。其無引腳封裝專為相容於現代迴焊製程而設計，使其適用於大量自動化組裝。

1.1 核心功能與優勢

• 高靈敏度：矽光電晶體對反射的紅外光提供強烈的電氣響應，實現可靠的偵測。
• 可見光截止：黑色透明鏡頭材料能有效阻隔環境可見光，將環境光源造成誤觸發的可能性降至最低。
• 緊湊外型：尺寸為 4.0 公釐 x 3.0 公釐 x 2.0 公釐，非常適合空間受限的 PCB 設計。
• 可迴焊：無引腳（捲帶包裝）封裝允許標準 SMT 組裝，支援最高 260°C 持續 5 秒的峰值焊接溫度。
• 環境法規符合性：本元件符合無鹵素標準（Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm）、歐盟 REACH 法規，並符合 RoHS 規範。
• 長焦距：在其封裝系列中，提供了相對較長的 4 公釐最佳感測距離。

1.2 目標市場與應用

此元件針對需要可靠、低成本物體感測的消費性電子產品、辦公室自動化及工業控制系統設計者。其主要功能是在無物理接觸的情況下偵測物體的存在、不存在或通過。

• 印表機與影印機：偵測卡紙、紙匣狀態或媒體存在。
• 光學儲存裝置（例如 CD/DVD）：感測光碟托盤位置或偵測光碟存在。
• 投影機與顯示器：監控濾網狀態、蓋板位置或其他內部機構。
• 自動販賣機與資訊站：偵測產品發放或用戶互動。
• 家用電器：智慧門鎖、咖啡機或其他自動化裝置中的位置感測。

2. 深入技術參數分析

ITR1502SR40A/TR8 的性能由一套全面的電氣與光學參數定義。理解這些參數對於正確的電路設計與可靠的系統運作至關重要。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能對元件造成永久損壞的應力極限。不保證在此條件下運作。

• 輸入功率消耗 (Pd)：在自由空氣溫度 25°C 或以下時為 75 mW。
• 順向電流 (IF)：50 mA（連續）。
• 峰值順向電流 (IFP)：在 1% 工作週期下，脈衝 ≤100μs 時為 1 A。
• 逆向電壓 (VR)：5 V。
• 集極功率消耗 (PC)：75 mW。
• 集極電流 (IC)：25 mA。
• 集極-射極電壓 (V_CEO)：30 V。
• 射極-集極電壓 (V_ECO)：5 V。
• 工作溫度 (T_opr)：-25°C 至 +85°C。
• 儲存溫度 (T_stg)：-40°C 至 +100°C。
• 引腳焊接溫度：距離本體 1/16 英吋處，260°C 持續 5 秒。

2.2 電光特性 (Ta=25°C)

這些是在指定測試條件下保證的性能參數。

輸入（紅外線發射器 - IR GaAs 晶片）：

• 順向電壓 (V_F)：典型值 1.2V，在 I_F= 20 mA 時最大值 1.4V。這定義了驅動時 LED 兩端的電壓降。
• 逆向電流 (I_R)：在 V_R= 6V 時最大值 10 μA。
• 峰值波長 (λ_P)：在 I_F= 10 mA 時為 940 nm（標稱值）。這屬於近紅外光譜，人眼不可見。

輸出（光電晶體 - 矽晶片）：

• 暗電流 (I_CEO)：典型值 1 nA，在 V_CE= 20V 時最大值 100 nA。這是當沒有光入射到偵測器時的漏電流。
• 轉換特性 - 集極電流 (I_C(ON))：在測試條件：V_CE=2V, I_F=4mA，且反射目標距離 d=4mm 下，最小值 60 μA，典型值，最大值 450 μA。這是表示靈敏度的關鍵參數。
• 轉換特性 - 關斷狀態電流 (I_C(OFF))：在相同測試條件但無反射（或吸收目標）下，最大值 600 nA。
• 響應時間 (t_r, t_f)：上升與下降時間的典型值均為 20 μs，最大值 100 μs。測試條件：V_CE=2V, I_C=100μA, R_L=1kΩ, d=4mm。這定義了開關速度。

注意：工作暗電流可能受周圍環境（例如環境紅外光源）影響。

2.3 集極電流分級範圍

元件根據其在標準測試條件下量測的集極電流 (I_C(ON)) 進行分級。這讓設計師能為其應用選擇具有一致靈敏度的零件。

• A 級：60 μA ≤ I_C(ON)< 120 μA
• B 級：100 μA ≤ I_C(ON)< 220 μA
• C 級：180 μA ≤ I_C(ON)< 350 μA
• D 級：310 μA ≤ I_C(ON)≤ 450 μA

3. 性能曲線分析

所提供的特性曲線提供了在不同條件下元件行為的寶貴見解，這對於穩健的系統設計至關重要。

3.1 電氣特性

順向電流 vs. 順向電壓：此曲線顯示紅外線發射器 LED 的典型 IV 特性。它是非線性的，類似於標準二極體。在 20mA 時，典型順向電壓約為 1.2V。

順向電流 vs. 集極電流：這是轉換曲線，顯示光電晶體的輸出電流 (I_C) 如何隨著輸入 LED 驅動電流 (I_F) 增加而增加。在工作區域內，關係大致呈線性，展示了元件的增益。

集極電流 vs. 集極-射極電壓：這組曲線顯示在不同 I_C水平（例如 5mA, 10mA, 20mA, 50mA）下，隨著 V_F變化時的 I_CE。它說明了光電晶體如同一個電流源；超過某個 V_CE（飽和電壓，通常很低）後，I_C主要由入射光（因此也就是 I_F）決定。

3.2 溫度特性

順向電壓 vs. 環境溫度：LED 的順向電壓具有負溫度係數，隨著溫度升高而略微下降（從 -20°C 時的約 1.21V 降至 80°C 時的 1.16V）。

相對集極電流 vs. 環境溫度：這是一條關鍵曲線。集極電流（靈敏度）隨著溫度升高而顯著下降。在 80°C 時，相對輸出僅為其在 25°C 時數值的約 80%。在高溫運作的設計中必須考慮這一點，以確保足夠的信號餘裕。

集極暗電流 vs. 環境溫度：暗電流隨溫度呈指數增長（從 -40°C 時的 ~0.1nA 到 100°C 時的近 1000nA）。在高溫應用中，這種增加的漏電流可能成為信號的重要部分，可能降低信噪比。

功率消耗 vs. 環境溫度：此降額曲線顯示，當環境溫度超過 25°C 時，元件的最大允許功率消耗線性下降，在 100°C 時降至 0 mW。

3.3 光學與空間特性

波長頻譜：相對輻射強度曲線顯示發射器的輸出中心在 940 nm，具有典型的光譜寬度。黑色透明鏡頭能有效傳輸此紅外光，同時阻隔較短波長的可見光。

相對集極電流 vs. Z 軸移動距離（鏡面）：此曲線定義了感測輪廓。當反射目標處於最佳距離（4mm）時，輸出電流最高。隨著目標移近或移遠，信號會下降，定義了實際的感測窗口。曲線形狀大致呈高斯分佈。

開關時間 vs. 負載電阻：上升時間 (t_r) 和下降時間 (t_f) 都隨著負載電阻 (R_L) 增加而增加。為了獲得最快的開關速度，應使用較低的 R_L，但這也會導致較低的輸出電壓擺幅。設計師必須在速度與信號位準之間取得平衡。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

本元件採用緊湊的無引腳表面黏著封裝，尺寸為長 4.0 公釐、寬 3.0 公釐、高 2.0 公釐。關鍵尺寸註記包括：

• 所有尺寸單位為公釐。
• 公差為 ±0.1mm，除非另有說明。
• 引腳間距在引腳從封裝伸出的位置量測。
• 產品質量約為 0.025 公克。

4.2 推薦 PCB 焊墊圖案

提供了推薦的焊墊佈局，以確保可靠的焊接和機械穩定性。強調了一個關鍵設計規則：必須仔細控制焊錫量，以防止焊錫芯吸或滲漏到 PCB 與外殼本體之間的間隙中。此區域過多的焊錫會產生應力，損害功能或降低長期可靠性。焊墊設計通常包括散熱連接和足夠的銅面積以實現牢固的結合。

4.3 極性與方向

本元件有標記方向（通常是頂面的圓點或凹口）指示第 1 腳。此類元件的接腳排列是標準的：紅外線發射器陽極和陰極構成一對，光電晶體集極和射極構成另一對。必須查閱規格書圖表以獲取確切的接腳分配。方向錯誤將導致元件無法運作。

5. 焊接、組裝與儲存指南

5.1 迴焊條件

ITR1502SR40A/TR8 適用於無鉛迴焊製程。提供了推薦的溫度曲線，通常包括：

• 預熱/升溫：受控的升溫以活化助焊劑。
• 均溫區：在低於液相線的溫度下保持一段時間，以確保均勻加熱。
• 迴焊區：峰值溫度不應超過 260°C，且高於 240°C 的時間應受限制（例如 30-60 秒）。
• 冷卻：受控的冷卻期。

重要注意事項：同一元件不應進行超過兩次的迴焊，以避免對內部元件和模塑化合物造成熱應力損壞。

5.2 濕度敏感性與儲存 (MSL 3)

此封裝對濕度敏感。必須遵守以下程序以防止 "爆米花效應"（因迴焊期間蒸氣壓力導致封裝破裂）。

• 未開封袋儲存：儲存在 ≤30°C 且 ≤90% RH 環境下。在出貨後一年內使用。
• 開袋後：儲存在 ≤30°C 且 ≤70% RH 環境下。
• 車間壽命：元件必須在防潮袋打開後的 168 小時（7 天）內完成焊接。
• 烘烤：如果超過車間壽命或濕度指示劑（乾燥劑）顯示飽和，請在使用前將元件在 60°C ±5°C 下烘烤 24 小時以去除吸收的濕氣。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 捲帶包裝規格

本元件以符合標準 EIA-481 的捲帶包裝供應，適用於自動取放組裝。

• 包裝數量：每捲 800 個。
• 每箱捲數：每外箱 38 捲。
• 外箱尺寸：409 公釐 (A) x 245 公釐 (B) x 360 公釐 (C)。

捲帶上有特定的方向標籤指示前進方向。提供了詳細的捲帶尺寸（軸心直徑、捲帶寬度等）以確保與貼裝設備的相容性。

6.2 包裝程序

捲帶包裝在密封的鋁箔防潮袋中。每個袋子內含一個乾燥劑包和一個濕度指示卡以監測濕度水平。多個袋子再包裝到一個主運輸箱中。

7. 應用設計考量

7.1 典型應用電路

基本的應用電路包含兩個主要部分：

1. 發射器驅動：一個與 IR LED 串聯的限流電阻。電阻值計算為 R_limit= (V_CC- V_F) / I_F。例如，使用 5V 電源且期望 I_F為 20mA：R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω（可使用標準 200Ω 電阻）。LED 可以連續驅動或脈衝驅動以降低功耗。
2. 偵測器介面：光電晶體通常透過一個上拉電阻 (R_L) 將集極連接到 V_CC。射極連接到地。沒有反射光時，電晶體關斷，集極的輸出電壓為高電位 (V_CC)。當偵測到光時，電晶體導通，將輸出電壓拉低至接近地電位。R_L的值會影響輸出電壓擺幅和響應速度（參見性能曲線）。常用值為 1kΩ 至 10kΩ。

7.2 可靠感測的設計因素

• 目標反射率：信號強度與目標表面的反射率成正比。白色、反射性強的表面將產生最強的信號；黑色、啞光的表面將產生最弱的信號。系統必須設計為能在最差情況的目標下工作。
• 目標距離與對準：感測器在 4mm 處有一個特定的 "最佳點"。組裝公差或目標位置的變化會影響信號位準。設計機械夾具以保持一致的對準。
• 環境光抗干擾性：雖然黑色鏡頭阻隔了大部分可見光，但強烈的紅外光源（陽光、白熾燈泡）仍可能造成干擾。在接收器電路中使用調變（脈衝）LED 驅動信號和同步偵測可以大大改善對環境光的抗干擾性。
• 溫度補償：如曲線所示，靈敏度隨溫度下降。對於在寬溫度範圍內運作的應用，電路應包含餘裕或主動補償（例如根據溫度調整 I_F），以確保在高溫下也能可靠偵測。
• 電氣雜訊：保持感測器走線短並遠離雜訊大的數位或電源線。在元件附近的 V_CC和 LED 電源（如果使用脈衝驅動）上使用旁路電容。

8. 技術比較與差異化

ITR1502SR40A/TR8 透過幾個關鍵屬性在反射式感測器市場中脫穎而出：

• 與較大的穿孔式遮斷器相比：其主要優勢是超緊湊的 4.0x3.0mm SMD 佔位面積，實現了小型化和自動化組裝，這是較大的穿孔式元件無法比擬的。
• 與其他 SMD 反射式感測器相比：在此小型外型中結合了 4mm 最佳距離和用於阻隔可見光的黑色透明鏡頭是一個特定的設計要點。一些競爭對手可能提供較短的感測距離或不同的鏡頭材料。
• 與類比輸出 vs. 數位感測器相比：此元件提供類比光電晶體輸出，讓設計師能完全控制閾值，並允許進行類比距離/反射率量測。與僅提供開/關信號的內建數位邏輯感測器相比，這提供了更大的靈活性。
• 與分離式發射器/偵測器對相比：整合封裝確保了發射器和偵測器之間精確、固定的對準，這在使用兩個獨立元件時難以實現且成本高昂。同時也簡化了 PCB 佈局和組裝。

9. 常見問題（基於技術參數）

Q1：分級（A, B, C, D）之間有什麼區別？我該如何選擇？

A：分級代表不同的靈敏度範圍 (I_C(ON))。根據您所需的信號餘裕選擇分級。對於具有高反射率目標或短距離的應用，較低的分級（A 或 B）可能就足夠。對於低反射率目標、較長距離或靈敏度會下降的高溫運作，較高的分級（C 或 D）提供了更多的餘裕。同一分級內的一致性對於生產也很重要。

Q2：我可以不用限流電阻，直接用電壓驅動 IR LED 嗎？

A：不行。LED 的順向電壓不是固定值，會隨溫度和元件而變化。直接用電壓源驅動會導致電流不受控制，很可能超過絕對最大額定值並損壞發射器。務必使用串聯的限流電阻。

Q3：我的感測器工作不穩定。可能是什麼原因？

A：常見問題包括：1)信號餘裕不足：檢查在您特定目標下的 I_C(ON)，並確保其遠高於您電路的偵測閾值，同時考慮溫度降額。2)環境光干擾：遮蔽感測器避免直接強光照射，或實施調變。3)焊點問題：確認使用了推薦的焊墊圖案，並檢查是否有焊錫橋接或焊錫不足。4)過高的暗電流：在極高溫度下，暗電流可能變得顯著；確保您的電路能將其與真實信號區分開來。

Q4：如何計算元件的功率消耗？

A：總功率消耗是輸入（LED）和輸出（光電晶體）消耗的總和。P_D(total)≈ (V_F* I_F) + (V_CE(sat)* I_C)。在典型條件下（I_F=20mA, V_F=1.2V, I_C=5mA, V_CE=0.2V），P_D≈ 24mW + 1mW = 25mW，遠低於 25°C 時的 75mW 額定值。如果在高於 25°C 下運作，請記住對此值進行降額。

10. 運作原理

ITR1502SR40A/TR8 基於調變光反射的原理運作。內部的紅外線發光二極體（IR LED）以 940 nm 的峰值波長發射光線。此光線透過鏡頭射出封裝，照射到感測器前方的目標物體，並部分反射回來。對紅外光敏感的整合矽光電晶體偵測到這反射光。當光子撞擊光電晶體的基極區域時，會產生電子-電洞對，這些電子-電洞對充當基極電流。然後，此光生基極電流被電晶體的增益放大，產生更大的集極電流 (I_C)。此集極電流就是電氣輸出信號，它與反射光的強度成正比。黑色透明鏡頭材料對 940 nm 紅外光是透明的，但對大多數可見光是不透明的，從而提供了對環境可見光源的抗干擾性。發射器和偵測器在模塑封裝內固定、共平面的對準，創造了一條精確的光路，針對偵測感測器前方特定距離（4mm）的物體進行了優化。