LTR-X130P Optischer Sensor Datenblatt - Integrierter Näherungs- & Umgebungslichtsensor - I2C-Schnittstelle - 1,7V bis 3,6V - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-X130P ist ein hochintegrierter, niederstromoptischer Sensor, der Näherungserkennung (PS) und Umgebungslichtmessung (ALS) in einem einzigen, miniaturisierten, bleifreien Oberflächenmontage-ChipLED-Gehäuse vereint. Sein Kernkonzept zielt darauf ab, anspruchsvolle Objekterkennung und Lichtmessung in platzbeschränkten, batteriebetriebenen Anwendungen zu ermöglichen.

Der Hauptvorteil des Sensors liegt in seiner Systemintegration. Er verfügt über einen integrierten Infrarot-Emitter (LED), sicht- und infrarotempfindliche Fotodioden, Analog-Digital-Wandler (ADCs), einen programmierbaren Interrupt-Controller und eine vollständige I2C-Digitale Schnittstelle. Diese Integration reduziert die Anzahl externer Bauteile erheblich und vereinfacht das PCB-Layout. Eine wichtige Leistungsmerkmale ist seine ausgezeichnete Unterdrückung von Umgebungslicht, die einen präzisen Betrieb auch bei direktem Sonnenlicht bis zu 100.000 Lux ermöglicht, was ihn für den Einsatz im Freien oder in hell beleuchteten Innenräumen prädestiniert. Die programmierbare Interrupt-Funktion erlaubt es dem Host-Mikrocontroller, in energiesparende Schlafmodi zu wechseln und nur bei Überschreiten bestimmter Näherungsschwellen aufzuwachen, wodurch die Gesamtsystemeffizienz optimiert wird – ein entscheidender Faktor für mobile und tragbare Geräte.

Der Zielmarkt umfasst ein breites Spektrum an Unterhaltungselektronik und Computergeräten. Zu den Hauptanwendungen gehören die automatische Display-Hintergrundbeleuchtungs-Dimmung und Helligkeitsregelung in Smartphones, Tablets, Laptops und Monitoren, wo sie das Nutzererlebnis verbessert und Strom spart. Darüber hinaus wird seine Objekterkennungsfähigkeit bis zu 10 cm für Funktionen wie berührungslose Gestensteuerung, Präsenzerkennung (z.B. Abschalten des Displays, wenn ein Nutzer sich entfernt) und einfache Hindernisvermeidung in verschiedenen Geräten genutzt.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Elektrische & Optische Spezifikationen

Alle Spezifikationen gelten typischerweise bei VDD = 2,8V und einer Betriebstemperatur (T_ope) von 25°C, sofern nicht anders angegeben.

Leistungsmerkmale:
Der Sensor arbeitet mit einer weiten Versorgungsspannung von 1,7V bis 3,6V, kompatibel mit gängigen Batterieausgängen und geregelten Spannungsversorgungen. Der typische Versorgungsstrom während aktiver Messung beträgt 95 µA bei maximalem Tastverhältnis. Ein bedeutendes Merkmal zur Stromersparnis ist der Standby- (Abschalt-) Modus, der nur 1 µA verbraucht. Die Aufwachzeit aus diesem Standby-Modus bis zur Messbereitschaft beträgt typischerweise 10 ms, was eine schnelle Reaktion bei sehr niedrigem durchschnittlichem Stromverbrauch ermöglicht.

Näherungssensor (PS) Eigenschaften:
Die PS-Funktion ist hochgradig konfigurierbar. Die effektive Auflösung ist wählbar zwischen 8, 9, 10 und 11 Bit, was Entwicklern erlaubt, Messgenauigkeit gegen Wandlungsgeschwindigkeit abzuwägen. Der integrierte IR-Emitter arbeitet mit einer Spitzenwellenlänge von 940 nm. Der LED-Treiberstrom ist in Stufen programmierbar: 2,5, 5, 10, 25, 50, 75, 100 und 125 mA, was eine Anpassung des Erfassungsbereichs und Stromverbrauchs ermöglicht. Die LED pulst mit einer Frequenz von 60 kHz bis 100 kHz bei einem Tastverhältnis von 50%. Die Anzahl der Pulse pro Messzyklus ist von 1 bis 255 konfigurierbar und beeinflusst direkt die Integrationszeit und Empfindlichkeit. Unter typischen Bedingungen (32 Pulse, 60 kHz, 100 mA Treiberstrom, 18% Graukarte) kann der Sensor Objekte in einer Entfernung von bis zu 10 cm erfassen. Seine Unterdrückung von Umgebungslicht ist für bis zu 100 klux direktes Sonnenlicht spezifiziert.

2.2 Absolute Maximalwerte und Betriebsbedingungen

Absolute Maximalwerte:Dies sind Belastungsgrenzen, die nicht überschritten werden dürfen, auch nicht kurzzeitig, um dauerhafte Schäden zu vermeiden. Die Versorgungsspannung (VDD) darf 4,0V nicht überschreiten. Die digitalen I/O-Pins (SCL, SDA, INT) und der LDR-Pin haben einen Spannungsbereich von -0,5V bis +4,0V. Das Bauteil kann bei Temperaturen zwischen -40°C und +100°C gelagert werden.

Empfohlene Betriebsbedingungen:Diese definieren die normale Betriebsumgebung für zuverlässige Leistung. VDD sollte zwischen 1,7V und 3,6V gehalten werden. Die LED-Anodenversorgung (VLED) benötigt eine separate Quelle von 3,0V bis 4,5V. Die I2C-Schnittstelle erkennt ein logisches High (V_I2Chigh) bei ≥1,5V und ein logisches Low (V_I2Clow) bei ≤0,4V. Der vollständige Betriebstemperaturbereich beträgt -40°C bis +85°C und gewährleistet die Funktionalität in rauen Umgebungen.

2.3 AC-Elektrische Eigenschaften (I2C-Schnittstelle)

Der Sensor unterstützt I2C-Kommunikation im Standardmodus (100 kHz) und Fast-Modus (400 kHz). Wichtige Zeitparameter sind: SCL-Taktfrequenz (f_SCL) von 0 bis 400 kHz, minimale Bus-freie Zeit (t_BUF) von 1,3 µs, minimale SCL-Low-Periode (t_LOW) von 1,3 µs, minimale SCL-High-Periode (t_HIGH) von 0,6 µs und minimale Daten-Setup-Zeit (t_SU:DAT) von 100 ns. Die Anstiegs- und Abfallzeiten für SDA- und SCL-Signale müssen unter 300 ns liegen. Ein Eingangsfilter unterdrückt Störimpulse kürzer als 50 ns.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält typische Leistungsdiagramme, die für das Design essentiell sind.

PS-Zählwert vs. Entfernung:Diese Kurve zeigt die Beziehung zwischen dem rohen digitalen Ausgang (PS-Zählwert) des Sensors und der Entfernung zu einer standardisierten 18%-Reflexions-Graukarte. Die Kurve ist typischerweise nichtlinear und zeigt einen schnellen Anstieg des Zählwerts bei sehr geringer Entfernung zum Sensor, gefolgt von einem allmählicheren Abfall mit zunehmender Entfernung. Dieses Diagramm ist entscheidend für die Kalibrierung des Sensors und das Setzen geeigneter Interrupt-Schwellenwerte für spezifische Erfassungsbereiche in einer Anwendung.

Emittierer-Winkelantwort:Dieses Diagramm zeigt das räumliche Abstrahlverhalten der integrierten Infrarot-LED. Es stellt die Intensität des emittierten IR-Lichts als Funktion des Winkels von der Mittelachse dar (üblicherweise ein Polardiagramm). Ein typisches Muster für dieses Gehäuse könnte eine breite, lambertähnliche Verteilung zeigen. Das Verständnis dieses Musters ist für das mechanische Design von entscheidender Bedeutung, da es das effektive Sichtfeld und die Erfassungszone des Näherungssensors beeinflusst. Eine korrekte Ausrichtung von Abdeckfenstern oder Linsen mit diesem Muster ist notwendig, um den spezifizierten 10-cm-Bereich zu erreichen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Der LTR-X130P ist in einem 8-poligen ChipLED-Oberflächenmontagegehäuse untergebracht. Die Umrissabmessungen sind im Datenblatt mit allen Maßen in Millimetern angegeben. Die Maßtoleranz für nicht spezifizierte Merkmale beträgt ±0,2 mm. Das Gehäuse ist für standardmäßige automatisierte Bestückungs- und Reflow-Lötprozesse ausgelegt, wie sie in der Serienfertigung von Elektronik üblich sind.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Obwohl spezifische Reflow-Profile im vorliegenden Auszug nicht detailliert sind, ist das Bauteil für die Standard-Oberflächenmontagetechnik (SMT) vorgesehen. Es wird empfohlen, die JEDEC J-STD-020-Richtlinien für bleifreie Reflow-Lötprofile zu befolgen. Die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) sollte der vollständigen Gehäusespezifikation entnommen werden. Bauteile werden typischerweise in einem Trockenbeutel mit Trockenmittel geliefert und sollten nach Standardverfahren getrocknet werden, wenn die Feuchtigkeitsindikatorkarte des Beutels vor der Verwendung übermäßige Feuchtigkeitseinwirkung anzeigt.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackung für den LTR-X130P ist Tape and Reel, kompatibel mit automatischen Bestückungsgeräten. Jede Rolle enthält 8000 Einheiten. Die Artikelnummer ist LTR-X130P.

7. Anwendungsdesign-Empfehlungen

7.1 Typische Anwendungsschaltung

Die empfohlene Anwendungsschaltung hebt kritische Designaspekte hervor. Eine grundlegende Anforderung ist die Trennung der digitalen Versorgung (VDD, 1,7-3,6V) und der LED-Anodenversorgung (VLED, 3,0-4,5V). Diese Trennung ist zwingend erforderlich, um einen stabilen LED-Treiberstrom zu gewährleisten und zu verhindern, dass Störungen von den LED-Pulsen in die empfindlichen analogen und digitalen Versorgungsleitungen einkoppeln. Die Schaltung enthält Pull-up-Widerstände (Rp1, Rp2, Rp3) an den SDA-, SCL- und INT-Leitungen. Ihr Wert (1 kΩ bis 10 kΩ) sollte basierend auf der gesamten Bustkapazität und der gewünschten Anstiegszeit gewählt werden, um die I2C-Spezifikationen zu erfüllen. Entkopplungskondensatoren sind essentiell: Ein 1 µF ±20% X7R/X5R-Keramikkondensator (C1) sollte so nah wie möglich am VDD-Pin platziert werden, und ein 0,1 µF-Kondensator (C2) wird ebenfalls empfohlen. Ein ähnlicher 1 µF-Kondensator (C3) wird an der VLED-Leitung verwendet.

7.2 Pin-Konfiguration und Funktion

• Pin 1 (SDA):I2C serielle Datenleitung (bidirektional).
• Pin 2 (INT):Aktiv-niedriger Interrupt-Ausgang. Wird aktiviert, wenn ein programmierbares Näherungsereignis auftritt.
• Pin 3 (LDR):Verbunden mit der LED-Kathode. Bei Verwendung des internen Treibers wird dieser Pin mit Pin 4 (LEDK) verbunden.
• Pin 4 (LEDK):LED-Kathodenanschluss.
• Pin 5 (LEDA):LED-Anodenanschluss. Muss von der separaten VLED-Versorgung (3,0-4,5V) gespeist werden.
• Pin 6 (GND):Systemmasse.
• Pin 7 (SCL):I2C serielle Takt-Eingabe.
• Pin 8 (VDD):Digitale Versorgungsspannungseingang (1,7-3,6V).

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der LTR-X130P unterscheidet sich durch hohe Integration und robuste Leistung unter anspruchsvollen Bedingungen. Im Vergleich zu diskreten Lösungen (separate IR-LED, Fotodiode und Signalaufbereitungs-IC) bietet er einen deutlich kleineren Platzbedarf, einen vereinfachten Design-in-Prozess und eine reduzierte Stückliste (BOM). Gegenüber anderen integrierten Näherungssensoren sind seine Hauptvorteile die sehr hohe Störfestigkeit gegen Umgebungslicht von 100 klux, die vielen Konkurrenzprodukten überlegen ist, sowie die flexiblen, programmierbaren LED-Strom- und Pulswert-Einstellungen, die eine Feinabstimmung für spezifische Reichweiten-, Leistungs- und Ansprechzeit-Anforderungen ermöglichen. Die werkseitige Trimmung gewährleistet minimale Einheit-zu-Einheit-Variationen, was die Fertigungsausbeute und Konsistenz in Endprodukten verbessert.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Warum müssen VDD und VLED separate Versorgungsleitungen sein?
A: Die LED-Pulse können erheblichen Strom (bis zu 125 mA) ziehen. Eine gemeinsame Versorgungsleitung würde zu großen Spannungseinbrüchen oder Störungen auf der VDD-Leitung führen, was die empfindliche analoge Frontend- und digitale Logik des Sensors destabilisieren und zu ungenauen Messwerten oder Reset-Ereignissen führen könnte. Separate Leitungen isolieren diese Störungen.

F: Wie kann ich den Erfassungsbereich über 10 cm hinaus erhöhen?
A: Die Reichweite wird vom LED-Strom, der Anzahl der Pulse und der Reflexion des Ziels beeinflusst. Um die Reichweite zu erhöhen, können Sie einen höheren LED-Strom (bis zu 125 mA) programmieren und/oder die Anzahl der Pulse pro Messung (bis zu 255) erhöhen. Beachten Sie, dass dies den Stromverbrauch pro Messzyklus erhöht.

F: Wie hilft die Interrupt-Funktion beim Stromsparen?
A: Anstatt dass der Host-Mikrocontroller den Sensor ständig abfragt (wodurch der I2C-Bus und die CPU aktiv bleiben), kann der Sensor mit oberen und unteren Näherungsschwellen konfiguriert werden. Der Host versetzt den Sensor und sich selbst in einen Niedrigenergiemodus. Nur wenn ein Objekt die definierte Näherungszone betritt oder verlässt, aktiviert der Sensor die INT-Leitung und weckt den Host, um Maßnahmen zu ergreifen. Dies minimiert die Systemaktivität.

F: Was ist der Zweck der Übersprechkompensation?
A: In einem kompakten Gehäuse kann etwas IR-Licht vom internen Emitter direkt auf die Fotodiode gelangen oder intern reflektiert werden, ohne ein externes Objekt zu treffen. Dies erzeugt einen permanenten Offset- oder "Übersprech"-Signal. Der Sensor enthält Schaltungen, um diesen Offset zu messen und digital zu subtrahieren, wodurch sichergestellt wird, dass der Näherungszählwert tatsächlich reflektiertes Licht von einem externen Objekt darstellt.

10. Design- und Anwendungsfallstudien

Fallstudie 1: Smartphone-Display-Management:In einem Smartphone wird der LTR-X130P nahe dem Hörer platziert. Wenn der Nutzer das Telefon während eines Anrufs ans Ohr führt, erkennt der Sensor die Nähe des Kopfes (innerhalb von ~2-5 cm). Er löst einen Interrupt beim Anwendungsprozessor aus, der dann das Display-Touchscreen ausschaltet, um versehentliche Berührungen durch die Wange zu verhindern, und dimmt die Hintergrundbeleuchtung, um Strom zu sparen. Wenn das Telefon wegbewegt wird, wird das Display wieder aktiviert.

Fallstudie 2: Interaktiver Kiosk-Präsenzerkennung:Ein öffentlicher Informationskiosk nutzt den Sensor, um zu erkennen, wenn sich eine Person auf 50 cm nähert. Bei Erkennung wacht er aus einem Niedrigenergie-Schlafzustand auf, aktiviert das Display und zeigt eine Attraktionsschleife. Wenn für einen festgelegten Zeitraum niemand erkannt wird, kehrt er in den Schlafmodus zurück, was den Energieverbrauch im Vergleich zum 24/7-Betrieb erheblich reduziert.

11. Funktionsprinzipien

Der LTR-X130P arbeitet nach dem Prinzip der aktiven Infrarot-Näherungserkennung und photometrischen Umgebungslichtmessung. Für die Näherungsmessung löst der interne Mikrocontroller die integrierte IR-LED aus, um eine Reihe modulierter Pulse bei 940 nm zu emittieren. Jedes Objekt vor dem Sensor reflektiert einen Teil dieses Lichts zurück. Die dedizierte IR-empfindliche Fotodiode wandelt die reflektierte Lichtintensität in einen kleinen Fotostrom um. Dieser Strom wird integriert und durch einen hochauflösenden ADC in einen digitalen Wert umgewandelt. Die Stärke dieses digitalen Werts (PS-Zählwert) ist proportional zur Reflexionsfähigkeit und Nähe des Objekts. Der Sensor misst gleichzeitig das Umgebungslicht mit einer separaten sichtlichtempfindlichen Fotodiode, deren Ausgang verarbeitet wird, um die Umgebungs-IR-Komponente vom Näherungssignal zu subtrahieren und so die Genauigkeit zu erhöhen.

Die I2C-Kommunikation folgt Standardprotokollen. Das Gerät hat eine feste 7-Bit-Slave-Adresse von 0x53. Der Master-Controller verwendet diese Adresse, um Konfigurationsregister zu beschreiben (z.B. Setzen von LED-Strom, Pulswert, Interrupt-Schwellen) und um Näherungs- und Umgebungslichtdaten auszulesen. Die Lese- und Schreibprotokolle, einschließlich Einzelschreiben, sequentiellem Schreiben und kombiniertem Formatlesen (wiederholter START), werden gemäß der I2C-Spezifikation implementiert.

12. Technologietrends

Die Entwicklung von Sensoren wie dem LTR-X130P folgt mehreren klaren Branchentrends. Es gibt einen kontinuierlichen Drang zu höherer Integration, wobei mehr Funktionen (z.B. Farberkennung, Gestenerkennung) in einzelne Gehäuse kombiniert werden, während der Platzbedarf schrumpft. Energieeffizienz bleibt von größter Bedeutung und treibt niedrigere Aktiv- und Standby-Ströme sowie intelligentere Aufwachschemata voran. Die Leistung in extremen Umgebungen verbessert sich mit besserer Sonnenlichtimmunität und breiteren Temperaturbereichen. Darüber hinaus gibt es einen Trend zu "intelligenteren" Sensoren mit eingebetteten Algorithmen, die höherwertige, vorverarbeitete Daten liefern (z.B. "Objekt vorhanden/abwesend"-Flags anstelle von Rohzählwerten), um die Verarbeitung vom Hauptanwendungsprozessor zu entlasten und die Softwareentwicklung zu vereinfachen.