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LTR-X1503 Optischer Sensor Datenblatt - Integrierter ALS & PS - I2C-Schnittstelle - 3,0-3,6V - Technisches Dokument

Vollständiges technisches Datenblatt für den LTR-X1503, einen integrierten Umgebungslichtsensor (ALS) und Näherungssensor (PS) mit I2C-Schnittstelle, geringem Stromverbrauch und programmierbaren Interrupt-Funktionen.
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PDF-Dokumentendeckel - LTR-X1503 Optischer Sensor Datenblatt - Integrierter ALS & PS - I2C-Schnittstelle - 3,0-3,6V - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-X1503 ist ein hochintegrierter, niederstromoptischer Sensor, der einen Umgebungslichtsensor (ALS) und einen Näherungssensor (PS) mit einem eingebauten Infrarot-Emitter in einem einzigen, miniaturisierten, chiplosen, bleifreien Oberflächenmontagegehäuse vereint. Diese Integration vereinfacht das Design und spart Leiterplattenfläche in kompakten elektronischen Geräten.

Der Kernvorteil dieses Sensors liegt in seiner Dualfunktionalität. Der ALS bietet eine lineare photometrische Reaktion über einen weiten dynamischen Bereich, was ihn für Anwendungen von sehr dunklen bis extrem hellen Umgebungslichtbedingungen geeignet macht. Gleichzeitig kann der eingebaute Näherungssensor die An- oder Abwesenheit eines Objekts in einem benutzerkonfigurierbaren Abstand erkennen, was Funktionen wie Display-Abschaltung während Telefonaten oder Touchscreen-Deaktivierung ermöglicht.

Das Gerät ist primär auf den Mobil-, Computer- und Unterhaltungselektronikmarkt ausgerichtet. Seine ultra-kompakte Bauform, der geringe Stromverbrauch mit Ruhemodus-Fähigkeit und die digitale I2C-Schnittstelle machen ihn ideal für Smartphones, Tablets, Laptops, Wearables und IoT-Geräte, bei denen effizientes Strommanagement und Platz kritische Einschränkungen sind.

1.1 Kernfunktionen & Vorteile

2. Technische Spezifikationen im Detail

2.1 Absolute Maximalwerte

Belastungen über diese Grenzen hinaus können dauerhafte Schäden am Gerät verursachen.

2.2 Empfohlene Betriebsbedingungen

Für normalen Gerätebetrieb.

2.3 Elektrische & Optische Spezifikationen

Spezifikationen gelten typischerweise bei VDD = 1,8V und Ta = 25°C.

2.3.1 Leistungsmerkmale

2.3.2 Umgebungslichtsensor (ALS) Merkmale

2.3.3 Näherungssensor (PS) Merkmale

3. Leistungskurvenanalyse

3.1 ALS Spektrale Reaktion

Die Umgebungslicht-Photodiode des Sensors ist mit einem Filter ausgelegt, der der CIE photopischen Leuchtdichtefunktion entspricht, welche die Standardreaktion des menschlichen Auges auf Licht definiert. Dies stellt sicher, dass die vom Sensor gemeldeten Lux-Werte die Helligkeit, wie sie von einer Person wahrgenommen wird, genau darstellen, und nicht nur die rohe Strahlungsenergie. Dies ist entscheidend für eine automatische Display-Helligkeitsregelung, die sich für den Benutzer natürlich anfühlt.

3.2 PS-Leistung vs. Entfernung

Die Leistung des Näherungssensors ist durch die reflektierte Signalstärke als Funktion der Entfernung zu einem Standardreflexionsobjekt (typischerweise 88% Reflexionsgrad) charakterisiert. Die Beziehung ist nichtlinear und folgt dem inversen Quadratgesetz. Die Grafik zeigt, dass mit typischen Einstellungen (z.B. VDD=1,8V, 104mA LED-Strom, 16 Pulse) ein klares und messbares Signal erhalten wird, was das Setzen zuverlässiger Erkennungsschwellen für spezifische Anwendungsentfernungen (z.B. 5cm für Telefon-Ohrenerkennung) ermöglicht.

3.3 ALS Winkelreaktion

Die Winkelreaktionsgraphen des Sensors (für X- und Y-Achse) zeigen, wie die gemessene Lichtintensität mit dem Einfallswinkel variiert. Eine perfekte Kosinus- (Lambert'sche) Reaktion ist ideal für die meisten Umgebungslicht-Erfassungsanwendungen. Der LTR-X1503 zeigt eine Reaktion nahe diesem Ideal, was genaue Messwerte unabhängig von der Richtung der primären Lichtquelle relativ zum Sensor gewährleistet. Abweichungen von der idealen Kosinusreaktion bei extremen Winkeln (> ±60 Grad) sind für die meisten Sensoren aufgrund von Gehäuse- und optischen Designbeschränkungen typisch.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

Der LTR-X1503 ist in einem ultra-kompakten 8-poligen chiplosen Oberflächenmontagegehäuse untergebracht. Die genauen Umrissabmessungen sind in der Maßzeichnung des Datenblatts angegeben, die Drauf-, Seiten- und Untersichten mit kritischen Abmessungen wie Gehäuselänge, -breite, -höhe, Anschlussabstand und Pad-Größen enthält. Diese Informationen sind für das PCB-Footprint-Design und die Gewährleistung eines korrekten mechanischen Sitzes im Endprodukt unerlässlich.

4.1 Pin-Konfiguration und Funktion

5. Anwendungsschaltung & Designrichtlinien

5.1 Empfohlene Anwendungsschaltung

Eine typische Anwendungsschaltung umfasst den Sensor, notwendige Entkopplungskondensatoren und I2C-Pull-up-Widerstände.

5.2 Power Sequencing

Kritische Anforderung:Die korrekte Einschaltreihenfolge muss eingehalten werden, um potenzielles Latch-up oder Beschädigung zu verhindern.

6. Löt- & Montagerichtlinien

Das Bauteil ist ein Oberflächenmontagegerät (SMD), das für Reflow-Lötprozesse ausgelegt ist, die in der Hochvolumenelektronikfertigung üblich sind.

6.1 Reflow-Lötprofil

Während das spezifische Datenblatt möglicherweise kein Profil detailliert, ist ein Standard-Bleifrei- (RoHS-konformes) Reflow-Profil anwendbar. Dies beinhaltet typischerweise:

Konsultieren Sie die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) des Gehäuses und befolgen Sie geeignete Back- und Handhabungsverfahren, wenn das Gerät Umgebungsfeuchtigkeit über seiner bewerteten Schwelle ausgesetzt war.

6.2 Lagerbedingungen

Geräte sollten in ihren original Feuchtigkeitssperrbeuteln mit Trockenmittel in einer kontrollierten Umgebung (typischerweise <40°C und <90% relative Luftfeuchtigkeit) gelagert werden, um Oxidation und Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern.

7. Verpackung & Bestellinformationen

Der LTR-X1503 wird in einem Tape-and-Reel-Format geliefert, das für automatisierte Pick-and-Place-Montagemaschinen geeignet ist.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

8.2 Designüberlegungen & Best Practices

9. Technischer Vergleich & Differenzierung

Der LTR-X1503 konkurriert auf einem Markt mit anderen integrierten ALS/PS-Lösungen. Seine Hauptunterscheidungsmerkmale umfassen wahrscheinlich:

10. Häufig gestellte Fragen (Basierend auf technischen Parametern)

10.1 Wie stelle ich die Erkennungsentfernung für den Näherungssensor ein?

Die Erkennungsentfernung ist kein einzelner fester Parameter, sondern das Ergebnis mehrerer konfigurierbarer Einstellungen: LED-Pulsstrom, Pulsbreite, Anzahl der Pulse und die Empfängerverstärkung. Durch Erhöhen des LED-Stroms, der Pulsanzahl oder der Verstärkung steigt die reflektierte Signalstärke, was die Erkennung von Objekten in größerer Entfernung oder mit geringerem Reflexionsgrad ermöglicht. Der spezifische Schwellenwert für "Erkennung" wird vom Benutzer in den Interrupt-Schwellenwertregistern gesetzt, indem der PS-Daten-Count bei der gewünschten Entfernung im Endprodukt charakterisiert wird.

10.2 Warum ist die Einschaltreihenfolge zwischen VDD und V_LED wichtig?

Ungeeignete Reihenfolge kann einen großen Einschaltstrom durch die internen ESD-Schutzstrukturen oder Logikschaltungen verursachen, was möglicherweise zu Latch-up führt – einem Hochstromzustand, der das Gerät beschädigen kann. Das Befolgen der spezifizierten Reihenfolge (VDD dann V_LED ein; V_LED dann VDD aus) stellt sicher, dass interne Transistoren richtig vorgespannt sind, bevor die höherspannende LED-Versorgung angelegt oder entfernt wird.

10.3 Was bedeutet "Übersprechkompensation" für den PS?

Übersprechen bezieht sich auf interne Reflexionen innerhalb des Gerätemoduls oder seiner Abdeckung, bei denen IR-Licht vom Emitter direkt die PS-Photodiode erreicht, ohne von einem externen Objekt reflektiert zu werden. Dies erzeugt einen Hintergrund-Offset, der Fehlauslösungen verursachen oder die Empfindlichkeit verringern kann. Der LTR-X1503 beinhaltet Algorithmen (oft mit einer Basislinienmessung bei ausgeschalteter LED), um diese Übersprechkomponente von den endgültigen PS-Daten zu messen und zu subtrahieren, was die Genauigkeit der Objekterkennung verbessert.

10.4 Wie erreicht der ALS 50/60Hz-Flimmerunterdrückung?

Glüh- und Leuchtstofflampen, die mit Wechselstrom betrieben werden, schwanken in ihrer Intensität mit 100Hz oder 120Hz (doppelte Netzfrequenz). Wenn die Integrationszeit des Sensors ein Vielfaches der Flimmerperiode ist (z.B. 10ms, 20ms, 100ms), mittelt sie über komplette Lichtzyklen, hebt die Variation auf und liefert einen stabilen Lux-Wert. Die Integrationszeit des Sensors ist programmierbar, um ein Vielfaches dieser Perioden zu sein, um diese Unterdrückung zu ermöglichen.

11. Design- und Anwendungsfallstudie

11.1 Implementierung stromsparender Displaysteuerung in einer Smartwatch

Szenario:Eine Smartwatch muss die Batterielebensdauer maximieren. Das Display sollte draußen hell, drinnen gedimmt und komplett ausgeschaltet sein, wenn es nicht betrachtet wird (z.B. wenn der Arm des Benutzers gesenkt ist).

Implementierung mit LTR-X1503:

  1. ALS-Rolle:Der ALS ist mit einer 16-Bit-Auflösung und einer 100ms Integrationszeit (für Flimmerunterdrückung) konfiguriert. Der Host-MCU liest die ALS-Daten jede Sekunde via I2C. Eine Nachschlagetabelle oder ein Algorithmus ordnet den Lux-Wert einem entsprechenden PWM-Tastverhältnis für die Display-Hintergrundbeleuchtung zu, was eine sanfte automatische Helligkeitsanpassung bietet.
  2. PS-Rolle:Der PS ist mit einem geeigneten Pulsstrom und einer Pulsanzahl für die erwartete Uhr-Gesicht-Entfernung (z.B. ~30cm) konfiguriert. Die Interrupt-Schwellenwerte sind gesetzt: ein unterer Schwellenwert für "Objekt entfernt" (Uhr wird nicht angeschaut) und ein oberer Schwellenwert für "Objekt erkannt" (Uhr wird zum Anschauen gehoben). Der INT-Pin ist mit einem aufweckfähigen GPIO am MCU verbunden.
  3. Stromsparender Arbeitsablauf:
    • Wenn der Benutzer seinen Arm senkt, fällt der PS-Count unter den unteren Schwellenwert und löst einen Interrupt aus.
    • Der MCU wacht aus dem Schlaf auf, liest den Interrupt-Status und befiehlt dem Display, in einen stromsparenden Aus-Zustand zu wechseln.
    • Der MCU kann sich dann selbst und den Sensor (außer vielleicht einen stromsparenden PS-Überwachungsmodus) wieder in den Schlaf versetzen.
    • Wenn der Benutzer seinen Arm hebt, um auf die Uhr zu schauen, erkennt der PS das Objekt, löst einen Interrupt aus, weckt den MCU, der dann das Display und den ALS vollständig mit Strom versorgt und die korrekte Zeit mit angemessener Helligkeit anzeigt.

Diese Kombination reduziert den durchschnittlichen Systemstromverbrauch im Vergleich zu einem Display, das immer eingeschaltet oder nur zeitgesteuert ist, erheblich.

12. Funktionsprinzip Einführung

12.1 Prinzip der Umgebungslicht-Erfassung

Die ALS-Funktion basiert auf einer Photodiode, einem Halbleiterbauelement, das einen kleinen Strom erzeugt, der proportional zur Intensität des darauf fallenden Lichts ist. Im LTR-X1503 ist diese Photodiode mit einem Filter bedeckt, der die Empfindlichkeit des menschlichen Auges über das sichtbare Spektrum nachahmt. Der erzeugte Photostrom ist sehr klein (Pikoampere bis Nanoampere). Ein integrierter Transimpedanzverstärker wandelt diesen Strom in eine Spannung um, die dann von einem hochauflösenden Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert wird. Der digitale Wert wird verarbeitet und via I2C-Register verfügbar gemacht, was die Beleuchtungsstärke in Counts darstellt, die mit einer kalibrierten Formel in Lux-Einheiten umgewandelt werden können.

12.2 Prinzip der Näherungserkennung

Der PS arbeitet nach dem Prinzip der aktiven Infrarot-Reflexion. Die integrierte Infrarot-LED emittiert kurze Pulse von 940nm Licht, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. Eine separate, dedizierte Photodiode (anders als die ALS-Diode) fungiert als Empfänger. Wenn sich ein Objekt in Reichweite befindet, reflektiert ein Teil des emittierten IR-Lichts vom Objekt und kehrt zur Empfänger-Photodiode zurück. Der Sensor misst die Menge des reflektierten Lichts, das während und nach jedem LED-Puls empfangen wird. Durch Vergleich dieses Signals mit dem Umgebungs-IR-Pegel (gemessen, wenn die LED aus ist) und nach Übersprechkompensation berechnet der Sensor einen Näherungsdaten-Count. Ein höherer Count zeigt ein näheres oder reflektiveres Objekt an. Dieser Count wird mit den benutzerprogrammierten Schwellenwerten verglichen, um Interrupts auszulösen.

13. Technologietrends

Der Markt für integrierte optische Sensoren wie den LTR-X1503 wird von mehreren klaren Trends in der Elektronikindustrie angetrieben:

LED-Spezifikations-Terminologie

Vollständige Erklärung der LED-Technikbegriffe

Photoelektrische Leistung

Begriff Einheit/Darstellung Einfache Erklärung Warum wichtig
Lichtausbeute lm/W (Lumen pro Watt) Lichtausgang pro Watt Strom, höher bedeutet energieeffizienter. Bestimmt direkt den Energieeffizienzgrad und Stromkosten.
Lichtstrom lm (Lumen) Gesamtlicht, das von der Quelle emittiert wird, allgemein "Helligkeit" genannt. Bestimmt, ob das Licht hell genug ist.
Betrachtungswinkel ° (Grad), z.B. 120° Winkel, bei dem die Lichtintensität auf die Hälfte abfällt, bestimmt die Strahlbreite. Beeinflusst Beleuchtungsbereich und Gleichmäßigkeit.
Farbtemperatur K (Kelvin), z.B. 2700K/6500K Wärme/Kühle des Lichts, niedrigere Werte gelblich/warm, höhere weißlich/kühl. Bestimmt Beleuchtungsatmosphäre und geeignete Szenarien.
Farbwiedergabeindex Einheitenlos, 0–100 Fähigkeit, Objektfarben genau wiederzugeben, Ra≥80 ist gut. Beeinflusst Farbauthentizität, wird an anspruchsvollen Orten wie Einkaufszentren, Museen verwendet.
Farborttoleranz MacAdam-Ellipsenschritte, z.B. "5-Schritt" Metrik für Farbkonsistenz, kleinere Schritte bedeuten konsistentere Farbe. Sichert einheitliche Farbe über dieselbe Charge von LEDs.
Dominante Wellenlänge nm (Nanometer), z.B. 620nm (rot) Wellenlänge, die der Farbe farbiger LEDs entspricht. Bestimmt Farbton von roten, gelben, grünen monochromen LEDs.
Spektralverteilung Wellenlänge vs. Intensitätskurve Zeigt Intensitätsverteilung über Wellenlängen. Beeinflusst Farbwiedergabe und Farbqualität.

Elektrische Parameter

Begriff Symbol Einfache Erklärung Design-Überlegungen
Flussspannung Vf Mindestspannung zum Einschalten der LED, wie "Startschwelle". Treiberspannung muss ≥ Vf sein, Spannungen addieren sich für serielle LEDs.
Flussstrom If Stromwert für normalen LED-Betrieb. Normalerweise Konstantstromantrieb, Strom bestimmt Helligkeit & Lebensdauer.
Max. Pulsstrom Ifp Spitzenstrom, der für kurze Zeit erträglich ist, wird für Dimmen oder Blinken verwendet. Pulsbreite & Tastverhältnis müssen streng kontrolliert werden, um Schäden zu vermeiden.
Sperrspannung Vr Maximale Sperrspannung, die die LED aushalten kann, darüber kann es zum Durchbruch kommen. Schaltung muss verhindern, dass umgekehrte Verbindung oder Spannungsspitzen auftreten.
Wärmewiderstand Rth (°C/W) Widerstand gegen Wärmeübertragung vom Chip zum Lötpunkt, niedriger ist besser. Hoher Wärmewiderstand erfordert stärkere Wärmeableitung.
ESD-Immunität V (HBM), z.B. 1000V Fähigkeit, elektrostatische Entladung zu widerstehen, höher bedeutet weniger anfällig. In der Produktion sind antistatische Maßnahmen erforderlich, insbesondere für empfindliche LEDs.

Wärmemanagement & Zuverlässigkeit

Begriff Schlüsselmetrik Einfache Erklärung Auswirkung
Sperrschichttemperatur Tj (°C) Tatsächliche Betriebstemperatur im LED-Chip. Jede Reduzierung um 10°C kann die Lebensdauer verdoppeln; zu hoch verursacht Lichtabfall, Farbverschiebung.
Lichtstromrückgang L70 / L80 (Stunden) Zeit, bis die Helligkeit auf 70% oder 80% des Anfangswerts sinkt. Definiert direkt die "Nutzungsdauer" der LED.
Lichtstromerhaltung % (z.B. 70%) Prozentsatz der nach Zeit verbleibenden Helligkeit. Gibt die Fähigkeit an, die Helligkeit über die langfristige Nutzung zu erhalten.
Farbverschiebung Δu′v′ oder MacAdam-Ellipse Grad der Farbänderung während der Verwendung. Beeinflusst die Farbkonsistenz in Beleuchtungsszenen.
Thermisches Altern Materialabbau Verschlechterung aufgrund langfristig hoher Temperatur. Kann zu Helligkeitsabfall, Farbänderung oder Leiterunterbrechung führen.

Verpackung & Materialien

Begriff Gängige Typen Einfache Erklärung Merkmale & Anwendungen
Gehäusetyp EMC, PPA, Keramik Chip schützendes Gehäusematerial, bietet optische/thermische Schnittstelle. EMC: gute Wärmebeständigkeit, niedrige Kosten; Keramik: bessere Wärmeableitung, längere Lebensdauer.
Chip-Struktur Front, Flip-Chip Chip-Elektrodenanordnung. Flip-Chip: bessere Wärmeableitung, höhere Effizienz, für Hochleistung.
Phosphorbeschichtung YAG, Silikat, Nitrid Bedeckt den blauen Chip, wandelt einen Teil in gelb/rot um, mischt zu weiß. Verschiedene Phosphore beeinflussen Effizienz, CCT und CRI.
Linse/Optik Flach, Mikrolinse, TIR Optische Struktur auf der Oberfläche, die die Lichtverteilung steuert. Bestimmt den Betrachtungswinkel und die Lichtverteilungskurve.

Qualitätskontrolle & Binning

Begriff Binning-Inhalt Einfache Erklärung Zweck
Lichtstrom-Bin Code z.B. 2G, 2H Nach Helligkeit gruppiert, jede Gruppe hat Mindest-/Maximal-Lumenwerte. Sichert einheitliche Helligkeit in derselben Charge.
Spannungs-Bin Code z.B. 6W, 6X Nach Flussspannungsbereich gruppiert. Erleichtert Treiberabgleich, verbessert Systemeffizienz.
Farb-Bin 5-Schritt MacAdam-Ellipse Nach Farbkoordinaten gruppiert, sichert engen Bereich. Garantiert Farbkonsistenz, vermeidet ungleichmäßige Farbe innerhalb der Leuchte.
CCT-Bin 2700K, 3000K usw. Nach CCT gruppiert, jede hat entsprechenden Koordinatenbereich. Erfüllt verschiedene Szenario-CCT-Anforderungen.

Prüfung & Zertifizierung

Begriff Standard/Test Einfache Erklärung Bedeutung
LM-80 Lichtstromerhaltungstest Langzeitbeleuchtung bei konstanter Temperatur, Aufzeichnung von Helligkeitsabfall. Wird zur Schätzung der LED-Lebensdauer (mit TM-21) verwendet.
TM-21 Lebensdauerschätzstandard Schätzt Lebensdauer unter tatsächlichen Bedingungen basierend auf LM-80-Daten. Bietet wissenschaftliche Lebensdauervorhersage.
IESNA Beleuchtungstechnische Gesellschaft Deckt optische, elektrische, thermische Testmethoden ab. Industrieanerkannte Testbasis.
RoHS / REACH Umweltzertifizierung Stellt sicher, dass keine schädlichen Substanzen (Blei, Quecksilber) enthalten sind. Marktzugangsvoraussetzung international.
ENERGY STAR / DLC Energieeffizienzzertifizierung Energieeffizienz- und Leistungszertifizierung für Beleuchtungsprodukte. Wird in staatlichen Beschaffungen, Subventionsprogrammen verwendet, steigert Wettbewerbsfähigkeit.