LTH-301-07P5 Lichtschranke Datenblatt - Schlitzförmiger Optoschalter - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-301-07P5 ist eine Lichtschranke, eine Art optoelektronisches Bauteil, das für berührungslose Schaltanwendungen konzipiert ist. Er integriert eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) und einen Fototransistor in einem einzigen, kompakten Gehäuse mit Schlitz. Das grundlegende Funktionsprinzip basiert auf der Unterbrechung des Infrarot-Lichtstrahls zwischen Sender und Empfänger durch ein externes Objekt, was eine entsprechende Änderung des Ausgangssignals des Fototransistors bewirkt. Dieses Design bietet eine zuverlässige und präzise Methode zur Erkennung von Anwesenheit, Abwesenheit oder Position von Objekten ohne physischen Kontakt.

Der Kernvorteil dieses Bauteils liegt in seiner berührungslosen Funktionsweise, die mechanischen Verschleiß ausschließt und somit zu hoher Zuverlässigkeit und langer Betriebsdauer führt. Es zeichnet sich durch schnelle Schaltgeschwindigkeiten aus und eignet sich daher für Anwendungen, die eine schnelle Erfassung erfordern. Das Bauteil ist für die direkte Bestückung auf Leiterplatten (PCB) oder für die Verwendung mit einem DIL-Sockel ausgelegt, was Flexibilität im Systemdesign und bei der Montage bietet.

Typische Zielmärkte und Anwendungen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Geräte der Büroautomatisierung wie Faxgeräte, Kopierer, Drucker und Scanner. Es wird auch häufig in verschiedenen Industrieautomations-, Unterhaltungselektronik- und Messsystemen eingesetzt, wo eine präzise Objekterkennung erforderlich ist.

2. Tiefgehende objektive Interpretation der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Die absoluten Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Diese Werte sind bei einer Umgebungstemperatur (TA) von 25°C spezifiziert und sollten unter normalen Betriebsbedingungen niemals, auch nicht kurzzeitig, überschritten werden.

Eingangs-LED:Der Dauer-Vorwärtsstrom ist auf 50 mA begrenzt, wobei unter Impulsbedingungen (300 Impulse pro Sekunde, 10 μs Impulsbreite) ein Spitzen-Vorwärtsstrom von 1 A zulässig ist. Die maximale Verlustleistung der LED beträgt 80 mW. Die Sperrspannungsfestigkeit beträgt 5 V, ein kritischer Parameter zum Schutz der LED vor versehentlicher Sperrvorspannung.

Ausgangs-Fototransistor:Die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE) ist mit 30 V spezifiziert, während die Emitter-Kollektor-Spannung (V_EC) 5 V beträgt. Der maximale Kollektorstrom beträgt 20 mA und die Verlustleistungsgrenze liegt bei 100 mW. Die Einhaltung dieser Grenzwerte ist für die Langlebigkeit und den stabilen Betrieb des Fototransistors unerlässlich.

Umgebungsgrenzwerte:Das Bauteil ist für einen Betriebstemperaturbereich von -25°C bis +85°C ausgelegt. Der Lagertemperaturbereich ist mit -40°C bis +100°C breiter. Die Löttemperatur für die Anschlüsse ist mit 260°C für 5 Sekunden spezifiziert, gemessen 1,6 mm vom Gehäuse entfernt, was eine entscheidende Information für Montageprozesse ist.

2.2 Elektrische und optische Kennwerte

Diese Kennwerte definieren die erwartete Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen bei 25°C. Sie liefern die Schlüsselparameter für den Schaltungsentwurf.

Eingangs-LED-Kennwerte:Die typische Durchlassspannung (V_F) beträgt 1,2 V bei einem Vorwärtsstrom (I_F) von 20 mA, maximal 1,6 V. Dieser Parameter ist entscheidend für die Dimensionierung des Vorwiderstands für die LED-Ansteuerschaltung. Der Sperrstrom (I_R) beträgt maximal 100 μA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5 V und gibt die Leckage der LED im ausgeschalteten Zustand an.

Ausgangs-Fototransistor-Kennwerte:Der Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO) beträgt maximal 100 nA bei V_CE=10V und repräsentiert den Ausgangsleckstrom, wenn die LED aus ist (kein Licht). Die Durchbruchspannungen (BV_CEOund BV_ECO) bestätigen die maximalen Grenzwerte.

Koppler- (System-) Kennwerte:Diese Parameter beschreiben die kombinierte Leistung von LED und Fototransistor. Der Kollektorstrom im leitenden Zustand (I_C(ON)) ist garantiert mindestens 0,6 mA, wenn die LED mit I_F=20mA und V_CE=5V betrieben wird. Dies ist das wesentliche Ausgangssignalniveau, wenn der Schlitz frei ist. Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)) beträgt unter denselben Bedingungen mit I_C=0,2mA maximal 0,4 V, was auf eine gute "Ein"-Zustandscharakteristik hinweist. Die Ansprechzeiten, mit einer typischen Anstiegszeit (T_r) von 3 μs und einer Abfallzeit (T_f) von 4 μs (unter spezifischen Testbedingungen), definieren die Schaltgeschwindigkeit des Bauteils.

3. Mechanische und Verpackungsinformationen

3.1 Baumaße

Der LTH-301-07P5 verfügt über ein Standard-Durchsteckgehäuse. Die detaillierte mechanische Zeichnung ist im Datenblatt enthalten. Alle Maße sind in Millimetern angegeben. Die Standardtoleranz für nicht spezifizierte Abmessungen beträgt ±0,25 mm. Wichtige Abmessungen sind die Gesamtlänge, -breite und -höhe des Gehäuses, die Schlitzbreite und -tiefe (die den Spalt definiert, durch den das unterbrechende Objekt läuft) sowie der Anschlussabstand und -durchmesser. Das Bauteil ist für Wellenlöt- oder Handlötprozesse ausgelegt.

Polaritätskennzeichnung:Das Bauteil hat einen spezifischen Pinbelegung. Typischerweise zeigt der längere Anschluss oder eine spezifische Markierung auf dem Gehäuse die Anode der LED an. Es ist entscheidend, die Maßzeichnung für die genaue Pinidentifikation zu konsultieren (z.B. Pin 1 ist oft die LED-Anode, Pin 2 die LED-Kathode, Pin 3 der Fototransistor-Emitter und Pin 4 der Kollektor), um die korrekte Ausrichtung während der Leiterplattenbestückung sicherzustellen. Falsche Polarität verhindert die Funktion des Bauteils.

4. Löt- und Montagerichtlinien

Ein sachgemäßer Umgang während des Lötens ist unerlässlich, um Schäden am Kunststoffgehäuse und dem internen Halbleiterchip zu vermeiden.

Allgemeine Vorsichtsmaßnahmen:Das Gehäuse darf nicht in das Lot getaucht werden. Während des Lötens bei hoher Temperatur darf kein äußerer Druck auf den Anschlussrahmen ausgeübt werden, da dies zu internen Rissen oder Fehlausrichtung führen kann.

Hand-/Anschlusslöten:Für manuelles Löten beträgt die empfohlene maximale Lötspitzentemperatur 350°C. Die Lötzeit pro Anschluss sollte 3 Sekunden nicht überschreiten und sollte pro Anschluss nur einmal durchgeführt werden. Der Lötpunkt sollte nicht näher als 2 mm von der Basis des Bauteilgehäuses entfernt sein, um Hitzeschäden zu vermeiden.

Wellenlöten:Für automatisiertes Wellenlöten wird ein spezifisches Profil empfohlen. Die Vorwärmtemperatur sollte 100°C nicht überschreiten, mit einer Vorwärmzeit von bis zu 60 Sekunden. Die Temperatur der Lötwellen sollte maximal 260°C betragen, mit einer Kontaktzeit von nicht mehr als 5 Sekunden. Die Eintauchposition muss mindestens 2 mm von der Basis des Gehäuses entfernt sein. Die Einhaltung dieses Profils verhindert thermische Schocks und gewährleistet zuverlässige Lötstellen, ohne die Integrität des Kunststoffgehäuses zu beeinträchtigen.

5. Lagerbedingungen und Vorsichtsmaßnahmen

Um die Lötbarkeit zu erhalten und Leistungsverschlechterung zu verhindern, müssen spezifische Lagerbedingungen eingehalten werden.

Die ideale Lagerumgebung liegt bei einer Temperatur unter 30°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 70%. Bauteile sollten innerhalb von 3 Monaten nach dem Lieferdatum verbaut werden. Um die Lagerdauer zu verlängern, während die Teile in ihrer ursprünglichen feuchtigkeitsempfindlichen Verpackung bleiben, sollten sie in einem versiegelten Behälter mit geeignetem Trockenmittel oder in einem stickstoffgespülten Exsikkator gelagert werden. Die Lagerung sollte jedoch unter diesen kontrollierten Bedingungen ein Jahr nicht überschreiten.

Sobald die ursprüngliche versiegelte Verpackung geöffnet wurde, müssen die Bauteile innerhalb von 3 Monaten verwendet und in einer kontrollierten Umgebung von <25°C und <60% relativer Luftfeuchtigkeit aufbewahrt werden. Schnelle Übergänge der Umgebungstemperatur, insbesondere in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, müssen vermieden werden, um Kondensation zu verhindern, die zur Oxidation der Bauteilanschlüsse führen kann. Wenn die Lagerbedingungen nicht den spezifizierten Kriterien entsprechen, kann die Lötbarkeit der Pins beeinträchtigt sein. In solchen Fällen muss vor der Verwendung in der Produktion eine Lötbarkeitsbewertung und mögliche Nachsortierung der Bauteile durchgeführt werden.

6. Anwendungsempfehlungen

6.1 Typische Anwendungsszenarien

Der LTH-301-07P5 ist vielseitig und findet in zahlreichen Anwendungen Verwendung:

• Papiererkennung in Druckern/Kopierern/Scannern:Erkennung von Papier, Papierstaus oder dem Ende einer Papierrolle.
• Positionserfassung:Erkennung der Home-Position oder des Endanschlags in beweglichen Mechanismen (z.B. Druckerschlitten, Roboterarme).
• Drehgeber:Verwendung mit einer Schlitzscheibe zur Messung der Geschwindigkeit oder Position einer rotierenden Welle.
• Objektzählung:Zählen von Objekten auf einem Förderband, wenn sie den Schlitz passieren.
• Sicherheitssysteme:Als Teil eines Lichtschrankensensors für Einbruchserkennung.

6.2 Designüberlegungen

Beim Entwurf einer Schaltung mit dieser Lichtschranke müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden:

• LED-Ansteuerstrom:Der empfohlene Betriebsstrom beträgt 20 mA. Ein Vorwiderstand muss basierend auf der Versorgungsspannung (V_CC) und der LED-Durchlassspannung (V_F) nach dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R = (V_CC- V_F) / I_F. Unter Verwendung des typischen V_Fvon 1,2V und einer 5V-Versorgung wäre der Widerstand etwa (5V - 1,2V) / 0,02A = 190 Ohm. Ein Standard-200-Ohm-Widerstand wäre geeignet.
• Vorspannung des Fototransistors:Der Fototransistor-Ausgang kann in einer Emitterschaltung (Emitter geerdet, Kollektor über einen Lastwiderstand, R_CC, an V_Lgezogen) oder als Schalter verwendet werden. Der Wert von R_Lbeeinflusst den Ausgangsspannungshub und die Schaltgeschwindigkeit. Ein kleinerer R_Lermöglicht eine schnellere Reaktion, aber eine kleinere Ausgangsspannungsänderung. Die Datenblatt-Testbedingung verwendet R_L=100Ω.
• Signalaufbereitung:Der Ausgang ist ein analoger Strom, der sich mit der Lichtintensität ändert. Für digitale Schaltanwendungen kann nach dem Lastwiderstand ein Komparator oder eine Schmitt-Trigger-Schaltung erforderlich sein, um ein sauberes digitales Signal bereitzustellen, insbesondere wenn das unterbrechende Objekt den Lichtstrahl nicht vollständig blockiert.
• Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht:Da das Bauteil Infrarotlicht verwendet, ist es weitgehend unempfindlich gegenüber sichtbarem Umgebungslicht. Starke Infrarotlichtquellen (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) können jedoch die Leistung beeinträchtigen. Die Verwendung eines modulierten LED-Ansteuersignals und synchrone Detektion kann die Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht erheblich verbessern.
• Mechanische Ausrichtung:Das unterbrechende Objekt muss zuverlässig durch den Schlitz laufen und den Strahl für einen konsistenten Betrieb vollständig unterbrechen. Die Schlitzabmessungen sowie Größe und Weg des Objekts müssen sorgfältig berücksichtigt werden.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Lichtschranken wie der LTH-301-07P5 konkurrieren mit anderen Sensortechnologien wie mechanischen Mikroschaltern, Hall-Effekt-Sensoren und reflektierenden optischen Sensoren.

vs. Mechanische Schalter:Der Hauptvorteil ist das völlige Fehlen von physischem Kontakt, was zu praktisch unendlicher mechanischer Lebensdauer, keinem Kontaktprellen, geräuschlosem Betrieb und höherer Zuverlässigkeit in schmutzigen oder staubigen Umgebungen führt. Der Nachteil kann ein etwas höherer Preis und die Notwendigkeit einer elektronischen Ansteuerschaltung sein.

vs. Reflektierende optische Sensoren:Schlitzförmige Lichtschranken bieten eine höhere Positionsgenauigkeit und Konsistenz, da Sender und Empfänger in einer festen Geometrie präzise ausgerichtet sind. Sie sind weniger anfällig für Schwankungen in der Reflexionsfähigkeit des Zielobjekts. Reflektierende Sensoren eignen sich besser für die Erkennung von Objekten in der Ferne oder dort, wo ein physischer Schlitz nicht möglich ist.

vs. Hall-Effekt-Sensoren:Hall-Sensoren erfassen Magnetfelder, nicht Lichtunterbrechung. Sie werden zur Erfassung der Position von Magneten verwendet. Die Wahl hängt vollständig von der Anwendung ab: Erkennung eines beliebigen undurchsichtigen Objekts (Lichtschranke) vs. Erkennung eines Magnetfelds (Hall-Sensor).

Die spezifische Differenzierung des LTH-301-07P5 liegt in seinem ausgewogenen Satz elektrischer Eigenschaften (Durchlassspannung, Ausgangsstrom, Geschwindigkeit), seinem robusten mechanischen Gehäuse, das für das Wellenlöten geeignet ist, und seinen klar definierten Lager- und Handhabungsanforderungen, was ihn zu einer zuverlässigen Wahl für die Serienfertigung macht.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck des "Spitzen-Vorwärtsstrom"-Grenzwerts für die LED?

A: Dieser Grenzwert (1A bei 300pps, 10μs) erlaubt es, die LED für kurze Dauer mit einem viel höheren Strom als ihrem Dauerstrom (50mA) zu pulsieren. Dies kann verwendet werden, um einen helleren optischen Puls zu erzeugen, was das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern oder einen niedrigeren Tastgrad ermöglichen kann, wodurch der durchschnittliche Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung reduziert werden.

F: Der I_C(ON)ist mit mindestens 0,6mA spezifiziert. Was bedeutet das für meinen Schaltungsentwurf?

A: Dies ist eine garantierte Untergrenze. Unter den Standardtestbedingungen (I_F=20mA, V_CE=5V) wird der Fototransistormindestens0,6mA ziehen, wenn der Schlitz frei ist. Der tatsächliche Strom in Ihrer Anwendung kann höher sein. Sie müssen Ihren Lastwiderstand (R_L) und alle nachfolgenden Logikgatter so auslegen, dass sie einen Spannungspegel erkennen, der diesem Mindeststrom entspricht. Zum Beispiel würde mit R_L=1kΩ die Ausgangsspannung auf höchstens V_CE= 5V - (0,6mA * 1kΩ) = 4,4V fallen, wenn der Strahl nicht blockiert ist.

F: Warum sind die Lagerbedingungen so streng, insbesondere nach dem Öffnen der Verpackung?

A: Die Bauteilanschlüsse sind anfällig für Oxidation, wenn sie feuchter Luft ausgesetzt sind. Oxidierte Anschlüsse haben eine schlechte Lötbarkeit, was zu schwachen oder nicht vorhandenen Lötstellen ("Entnetzung") führt. Die feuchtigkeitsempfindliche Verpackung und die strengen Lagerregeln sind industrieübliche Praktiken (in Übereinstimmung mit IPC/JEDEC-Standards), um eine hohe Bestückungsausbeute und langfristige Zuverlässigkeit sicherzustellen.

F: Kann ich diesen Sensor im Freien verwenden?

A: Der Betriebstemperaturbereich von -25°C bis +85°C deckt viele Außenbedingungen ab. Direkte Sonneneinstrahlung (eine starke Infrarotstrahlungsquelle) kann den Fototransistor jedoch sättigen und zu Fehlauslösungen führen. Das Bauteil ist auch nicht gegen Wasser- oder Staubeintritt abgedichtet. Für den Außeneinsatz wäre eine sorgfältige optische Abschirmung vor Umgebungslicht und Umweltschutz erforderlich, oder eine andere Sensortechnologie könnte besser geeignet sein.

9. Einführung in das Funktionsprinzip

Die Lichtschranke arbeitet nach einem einfachen optoelektronischen Prinzip. Sie enthält zwei Hauptkomponenten, die sich gegenüberliegend in einem physischen Spalt (dem Schlitz) befinden:

1. Infrarot-Sender (LED):Dies ist eine Halbleiterdiode, die Infrarotlicht (für das menschliche Auge unsichtbar) emittiert, wenn sie mit einem geeigneten Strom (z.B. 20mA) in Durchlassrichtung betrieben wird.
2. Fototransistor:Dies ist ein lichtempfindlicher Transistor. Wenn Photonen vom Infrarotsender auf seine Basisregion treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare, die als Basisstrom wirken. Dieser lichtinduzierte Basisstrom wird durch die Verstärkung des Transistors verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt, der vom Kollektor zum Emitter fließt.

Betriebszustände:

- Unterbrochen (Strahl vorhanden):Das Infrarotlicht vom Sender fällt direkt auf den Fototransistor. Der Fototransistor schaltet ein, wodurch ein signifikanter Kollektorstrom (I_C(ON)) fließt. In einer Emitterschaltung mit einem Pull-up-Widerstand wird die Ausgangsspannung am Kollektor auf ein niedriges Niveau (nahe V_CE(SAT)) gezogen.

- Blockiert (Strahl unterbrochen):Ein undurchsichtiges Objekt im Schlitz blockiert das Infrarotlicht. Kein Licht erreicht die Basis des Fototransistors, daher schaltet er aus. Es fließt nur ein winziger Leckstrom (I_CEO, der Dunkelstrom). Die Ausgangsspannung am Kollektor steigt auf nahezu die Versorgungsspannung (V_CC).

Dieser Übergang zwischen einer hohen Ausgangsspannung (Strahl blockiert) und einer niedrigen Ausgangsspannung (Strahl frei) liefert ein sauberes digitales Signal für die Erkennungslogik.

10. Entwicklungstrends

Das Gebiet der optoelektronischen Sensoren, einschließlich Lichtschranken, entwickelt sich ständig weiter. Objektive Trends in der Branche sind:

• Miniaturisierung:Es gibt einen ständigen Trend zu kleineren Gehäusegrößen (z.B. SMD-Bauteile mit kleinerer Grundfläche und geringerer Bauhöhe), um kompaktere Endprodukte und eine höhere Bestückungsdichte auf Leiterplatten zu ermöglichen.
• Verbesserte Leistung:Verbesserungen bei Halbleitermaterialien und Gehäusen zielen darauf ab, höhere Empfindlichkeit (ermöglicht niedrigere LED-Ansteuerströme für reduzierten Stromverbrauch), schnellere Ansprechzeiten für Hochgeschwindigkeitsanwendungen und bessere Temperaturstabilität der Parameter zu bieten.
• Integration und intelligente Funktionen:Einige moderne Lichtschranken integrieren die Ansteuerschaltung für die LED und die Signalaufbereitung (Verstärker, Komparator, Schmitt-Trigger) für den Fototransistor-Ausgang in dasselbe Gehäuse. Dies vereinfacht den externen Schaltungsentwurf und kann einen direkten digitalen Logikpegel-Ausgang bieten. Die Integration mehrerer Sensorelemente ist ebenfalls ein Trend.
• Fokus auf Zuverlässigkeit und Fertigung:Designs priorisieren zunehmend Robustheit für automatisierte Montageprozesse wie Pick-and-Place und Reflow-Löten. Materialien werden für eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen thermische Belastung und Umwelteinflüsse ausgewählt.
• Anwendungsspezifische Varianten:Die Entwicklung von Sensoren, die auf spezifische Marktanforderungen zugeschnitten sind, geht weiter, wie z.B. ultradünne Sensoren für die Papierhandhabung in tragbaren Geräten oder Sensoren mit sehr schmalen Schlitzen für hochpräzise Kantenerkennung.

Der LTH-301-07P5 repräsentiert eine ausgereifte und zuverlässige Technologie, die die Kernanforderungen für eine Vielzahl von Standardanwendungen erfüllt, während diese breiteren Trends die Entwicklung von Geräten der nächsten Generation prägen.