ITR8307/F43 反射式光學感測器規格書 - 紅外線LED與光電晶體

1. 產品概述

ITR8307/F43 是一款專為短距離物體偵測設計的緊湊型表面黏著反射式光學感測器。它將一個紅外線發光二極體 (IR-LED) 與一個高靈敏度 NPN 矽光電晶體整合在單一塑膠封裝內。其主要功能是透過 LED 發射紅外線，並測量反射回光電晶體的光量，以偵測物體的存在與否。

此元件的核心優勢包括快速響應時間、對紅外線的高靈敏度，以及其濾除可見光干擾的能力，確保了可靠的運作。其輕薄緊湊的外形使其非常適合應用於消費性電子產品與微電腦控制設備中空間受限的場合。

本元件採用無鉛 (Pb-free) 製程製造，符合歐盟 REACH 法規，並遵循無鹵素標準 (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm)。其設計亦確保符合 RoHS 指令的規範。

2. 技術參數深度解析

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極限。在此條件下運作不保證其性能。

輸入端 (IR-LED) 功率損耗 (Pd)：在自由空氣溫度 25°C 或以下時為 75 mW。超過此值可能導致 LED 接面過熱。
LED 逆向電壓 (VR)：5 V。施加更高的逆向電壓可能導致崩潰。
LED 順向電流 (IF)：連續 50 mA。峰值順向電流 (IFP) 在週期 10 ms、脈衝寬度 100 µs 的條件下可達 1 A。
輸出端 (光電晶體) 集極功率損耗 (PC)：75 mW。
集極電流 (IC)：最大 50 mA。
集極-射極電壓 (V_CEO)：30 V。這是在基極開路時，可施加於集極與射極之間的最大電壓。
操作溫度 (T_opr)：-25°C 至 +85°C。元件在此環境溫度範圍內可正常運作。
儲存溫度 (T_stg)：-30°C 至 +100°C。
接腳焊接溫度 (T_sol)：最高 260°C，持續時間最長 5 秒。此參數對於波焊或迴焊製程至關重要。

2.2 電氣與光學特性

這些參數在 Ta=25°C 下量測，定義了元件的典型性能。

LED 順向電壓 (V_F)：典型值為 1.2 V，在順向電流 (I_F) 為 20 mA 時最大值為 1.6 V。這對於設計限流驅動電路很重要。
LED 峰值波長 (λ_P)：940 nm。這是 IR-LED 發出最大光功率的波長，與矽光電晶體的峰值靈敏度相匹配。
光電晶體暗電流 (I_CEO)：在 V_CE=10V 且無光照 (E_e=0) 的條件下，最大值為 100 nA。這是感測器處於關閉狀態時的漏電流，應盡量降低以獲得良好的訊噪比。
集極電流 (I_C(ON))：在測試條件 V_CE=5V 且 I_F=20mA 下，最小值為 0.1 mA。這是當 LED 啟動且物體位於偵測範圍內時產生的光電流。
上升/下降時間 (t_r, t_f)：典型值各為 20 µs。這定義了光電晶體的開關速度，對於偵測快速移動的物體或某些應用中的高速資料傳輸至關重要。

3. 性能曲線分析

規格書中包含多條特性曲線，有助於深入理解元件在不同條件下的行為。雖然具體圖表未在此重現，但我們將解釋其典型含義。

3.1 紅外線LED特性

紅外線發射器的曲線通常顯示順向電壓與順向電流之間的關係（I-V 曲線），此關係為非線性。它們也說明了相對輻射強度與順向電流的關係，顯示光學輸出如何隨驅動電流增加，以及環境溫度對此輸出的影響（通常隨溫度升高而降低）。

3.2 光電晶體特性

接收器的曲線通常描繪在不同輻照度（光學輸入功率）水平下，集極電流與集極-射極電壓的關係。這組曲線類似於雙極性電晶體的輸出特性，輻照度類似於基極電流。其他曲線可能顯示集極電流與反射表面距離的關係，或與 LED 驅動電流的關係，定義了感測器的轉換函數。

3.3 整合感測器特性

這些曲線代表完整感測器組件的性能。關鍵圖表是在固定 LED 電流下，集極電流與標準反射表面（通常是白卡）距離的關係曲線。此曲線定義了有效感測範圍以及隨距離變化的非線性響應，對於閾值偵測設計至關重要。

4. 機械結構與封裝資訊

本元件採用緊湊型表面黏著封裝。確切尺寸詳見規格書的封裝圖。圖中的關鍵註記指明所有尺寸單位為毫米，除非另有說明，一般公差為 ±0.15 mm。IR-LED 與光電晶體的並排放置針對反射式感測進行了優化。封裝包含極性標記，以確保在 PCB 組裝時方向正確。

5. 焊接與組裝指南

接腳焊接溫度的絕對最大額定值為 260°C 持續 5 秒。在迴焊或波焊製程中必須嚴格遵守此參數，以防止塑膠封裝或內部接線損壞。標準的 IPC/JEDEC J-STD-020 無鉛焊接溫度曲線通常適用，但必須控制峰值溫度及高於液相線的時間。應避免焊接前長時間暴露於高濕度環境，建議遵循標準的濕度敏感等級 (MSL) 處理程序，儘管提供的內容中未說明具體的 MSL 等級。

6. 包裝與訂購資訊

標準包裝如下：

每管 160 個。
每內盒 18 管。
每外箱 12 個內盒。

包裝標籤包含以下欄位：客戶產品編號 (CPN)、產品編號 (P/N)、包裝數量 (QTY)、等級 (CAT)、峰值波長 (HUE)、參考編號 (REF)、批號 (LOT No.) 及產地。

7. 應用建議

7.1 典型應用情境

規格書列出了幾種經典應用：相機（例如偵測底片或磁帶存在）、錄影機、軟碟機、卡式錄音機，以及各種微電腦控制設備。現代應用包括印表機中的紙張偵測、自動販賣機中的硬幣偵測、邊緣感測、物體計數，以及需要非接觸式偵測的消費性裝置中的接近感測。

7.2 設計考量要點

限流：必須使用一個串聯電阻與 IR-LED 連接，以將順向電流 (I_F) 限制在安全值，標準操作通常為 20 mA，計算時需使用電源電壓與 LED 的順向電壓 (V_F)。
負載電阻：光電晶體輸出需要在集極與正電源之間連接一個上拉或負載電阻 (R_L)。其阻值決定了輸出電壓擺幅與響應速度。較小的電阻提供更快的響應但靈敏度較低（電壓變化較小）。
抗環境光干擾：雖然本元件能截止可見光，但強烈的環境紅外線光源（陽光、白熾燈泡）仍可能影響性能。機械遮罩、光學濾鏡或調變/解調技術（脈衝驅動 LED 並同步讀取輸出）可以提高可靠性。
反射率：偵測範圍與訊號強度高度依賴於目標物體的反射率、顏色和表面紋理。可能需要進行校準或使用可調閾值。

8. 技術比較

ITR8307/F43 提供了一組特定的功能。與更簡單的光電晶體或光二極體相比，它為反射式感測提供了一個整合且對準的解決方案。與內建邏輯的現代數位輸出感測器相比，它是一個需要外部電路進行訊號調理的類比元件，提供了更大的設計靈活性但複雜度也更高。其主要差異點在於其緊湊尺寸、快速響應時間 (20 µs) 以及符合環保法規 (RoHS、REACH、無鹵素)。

9. 常見問題 (FAQ)

問：典型的感測距離是多少？

答：規格書並未指定最大距離，因為這在很大程度上取決於目標物的反射率和 LED 驅動電流。I_C(ON)的測試條件使用 1mm 間隙，表明其針對極短距離偵測進行了優化。實際距離通常為幾毫米到幾公分。

問：我可以直接用電壓源驅動 LED 嗎？

答：不行。LED 必須由限流源驅動，幾乎總是透過串聯電阻實現，以防止熱失控和過電流損壞。

問：如何將輸出連接到微控制器？

答：光電晶體集極輸出是一個隨反射光變化的類比電壓。它可以連接到微控制器的類比數位轉換器 (ADC) 接腳進行精確測量，或透過比較器電路產生數位開/關訊號給 GPIO 接腳。

問：截止可見光波長功能的目的為何？

答：光電晶體設計為主要對其配對 LED 發出的 940 nm 紅外線敏感，而對可見光較不敏感。這減少了因室內環境光照變化而導致的誤觸發。

10. 實際應用案例

案例：桌上型印表機的紙張用盡偵測

感測器安裝在印表機內部，面向紙張路徑。一個反射片或紙張本身作為目標物。當有紙張時，紅外線反射回光電晶體，產生高集極電流和低輸出電壓（若使用上拉電阻）。當紙張用完時，反射停止，光電晶體關閉，輸出電壓變高。印表機的控制邏輯偵測到此電壓轉變，觸發向使用者發出缺紙警報。快速的響應時間確保即使在高速送紙時也能進行偵測。

11. 工作原理

ITR8307/F43 基於調變光反射的原理運作。內部的 GaAs 紅外線 LED 將電流轉換為紅外線光 (940 nm)。此光線射向目標區域。如果偵測範圍內有物體存在，部分光線會被反射回來。整合的 NPN 矽光電晶體作為接收器。當來自反射紅外線的光子撞擊光電晶體的基極-集極接面時，會產生電子-電洞對。此光生電流充當基極電流，隨後被電晶體的增益放大，產生更大的集極電流 (I_C)。此集極電流的大小與反射紅外線的強度成正比，而反射強度又取決於物體的距離和反射率。透過測量此輸出電流（或負載電阻兩端的電壓），可以確定物體的存在、不存在，甚至近似距離。

12. 技術趨勢

像 ITR8307/F43 這樣的反射式光學感測器代表了一種成熟可靠的技術。該領域的當前趨勢包括封裝的進一步微型化、將感測器與類比前端電路（放大器、ADC）和數位邏輯（I2C/SPI 介面）整合成單晶片解決方案，以減少外部元件數量。同時也關注電池供電設備的更低功耗，以及用於背景光消除和距離測量的增強演算法。對環保（綠色）元件的需求（本元件已滿足）仍然是電子產業的強勁驅動力。

13. 免責聲明與重要注意事項

基於規格書內容，以下免責聲明和注意事項對使用者至關重要：

製造商保留調整產品材料組合的權利。
產品自出貨之日起 12 個月內符合其公佈的規格。
圖表和典型值僅供參考，不代表保證的最小或最大極限。
使用者有責任在絕對最大額定值內操作本元件。製造商對因誤用造成的損壞不承擔任何責任。
規格書內容受版權保護；複製需事先獲得同意。
重要警告：本產品不適用於安全關鍵應用，包括軍事、航空、汽車、醫療、生命維持或救生設備。用於此類應用必須獲得明確授權。

LED規格術語詳解

LED技術術語完整解釋

一、光電性能核心指標

術語	單位/表示	通俗解釋	為什麼重要
光效（Luminous Efficacy）	lm/W（流明/瓦）	每瓦電能發出的光通量，越高越節能。	直接決定燈具的能效等級與電費成本。
光通量（Luminous Flux）	lm（流明）	光源發出的總光量，俗稱"亮度"。	決定燈具夠不夠亮。
發光角度（Viewing Angle）	°（度），如120°	光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。	影響光照範圍與均勻度。
色溫（CCT）	K（開爾文），如2700K/6500K	光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。	決定照明氛圍與適用場景。
顯色指數（CRI / Ra）	無單位，0–100	光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。	影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。
色容差（SDCM）	麥克亞當橢圓步數，如"5-step"	顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。	保證同一批燈具顏色無差異。
主波長（Dominant Wavelength）	nm（奈米），如620nm（紅）	彩色LED顏色對應的波長值。	決定紅、黃、綠等單色LED的色相。
光譜分佈（Spectral Distribution）	波長 vs. 強度曲線	顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。	影響顯色性與顏色品質。

二、電氣參數

術語	符號	通俗解釋	設計注意事項
順向電壓（Forward Voltage）	Vf	LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。	驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。
順向電流（Forward Current）	If	使LED正常發光的電流值。	常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。
最大脈衝電流（Pulse Current）	Ifp	短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。	脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。
反向電壓（Reverse Voltage）	Vr	LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。	電路中需防止反接或電壓衝擊。
熱阻（Thermal Resistance）	Rth（°C/W）	熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。	高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。
靜電放電耐受（ESD Immunity）	V（HBM），如1000V	抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。	生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。

三、熱管理與可靠性

術語	關鍵指標	通俗解釋	影響
結溫（Junction Temperature）	Tj（°C）	LED晶片內部的實際工作溫度。	每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。
光衰（Lumen Depreciation）	L70 / L80（小時）	亮度降至初始值70%或80%所需時間。	直接定義LED的"使用壽命"。
流明維持率（Lumen Maintenance）	%（如70%）	使用一段時間後剩餘亮度的百分比。	表徵長期使用後的亮度保持能力。
色漂移（Color Shift）	Δu′v′ 或麥克亞當橢圓	使用過程中顏色的變化程度。	影響照明場景的顏色一致性。
熱老化（Thermal Aging）	材料性能下降	因長期高溫導致的封裝材料劣化。	可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。

四、封裝與材料

術語	常見類型	通俗解釋	特點與應用
封裝類型	EMC、PPA、陶瓷	保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。	EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。
晶片結構	正裝、倒裝（Flip Chip）	晶片電極佈置方式。	倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。
螢光粉塗層	YAG、矽酸鹽、氮化物	覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。	不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。
透鏡/光學設計	平面、微透鏡、全反射	封裝表面的光學結構，控制光線分佈。	決定發光角度與配光曲線。

五、質量控制與分檔

術語	分檔內容	通俗解釋	目的
光通量分檔	代碼如 2G、2H	按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。	確保同一批產品亮度一致。
電壓分檔	代碼如 6W、6X	按順向電壓範圍分組。	便於驅動電源匹配，提高系統效率。
色區分檔	5-step MacAdam橢圓	按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。	保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。
色溫分檔	2700K、3000K等	按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。	滿足不同場景的色溫需求。

六、測試與認證

術語	標準/測試	通俗解釋	意義
LM-80	流明維持測試	在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。	用於推算LED壽命（結合TM-21）。
TM-21	壽命推演標準	基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。	提供科學的壽命預測。
IESNA標準	照明工程學會標準	涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。	行業公認的測試依據。
RoHS / REACH	環保認證	確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。	進入國際市場的准入條件。
ENERGY STAR / DLC	能效認證	針對照明產品的能效與性能認證。	常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。

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