Datenblatt für den Foto-Unterbrecher LTH-1650-01 - Brennweite 3mm - Infrarot-Sperrtyp - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-1650-01 ist ein kompaktes, transmissives Foto-Unterbrecher-Modul. Seine Kernfunktion besteht darin, die Unterbrechung eines Infrarot-Lichtstrahls zwischen seiner integrierten Infrarot-Leuchtdiode (LED) und einem Silizium-Fototransistor zu erfassen. Der primäre Designvorteil ist die integrierte Brennweite von 3mm, welche die Empfindlichkeit für die Objekterkennung bei genau diesem Spalt optimiert. Als Infrarot-Sperrtyp ist das Bauteil darauf ausgelegt, Störungen durch Umgebungslicht im sichtbaren Bereich zu minimieren und so die Zuverlässigkeit in verschiedenen Sensoranwendungen zu erhöhen. Der Zielmarkt umfasst primär Geräte der Büroautomatisierung, industrielle Steuerungssysteme sowie Unterhaltungselektronik, die eine berührungslose Positions- oder Objekterkennung erfordert.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Parameter definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Verlustleistung der Eingangs-LED (P_D):Maximal 75 mW. Dies begrenzt die kombinierte thermische Belastung aus Durchlassstrom und Spannungsabfall.
• LED-Spitzen-Durchlassstrom (I_CP):1 A unter gepulsten Bedingungen (300 pps, 10 µs Pulsbreite). Dies ermöglicht kurze Hochintensitäts-Pulse für eine verbesserte Signalerfassung.
• LED-Dauer-Durchlassstrom (I_F):Maximal 60 mA DC. Dies ist die sichere Grenze für den Dauerbetrieb.
• LED-Sperrspannung (V_R):5 V. Eine Überschreitung kann den LED-Übergang beschädigen.
• Verlustleistung des Fototransistors (P_C):Maximal 100 mW, bestimmt durch Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):Maximal 30 V für den Fototransistor.
• Kollektorstrom (I_C):Maximal 20 mA für den Ausgangstransistor.
• Betriebstemperatur (T_opr):-25°C bis +85°C. Das Bauteil ist für ein breites Spektrum industrieller und kommerzieller Umgebungen geeignet.
• Löttemperatur der Anschlüsse (T_S):260°C für maximal 5 Sekunden, spezifiziert für Anschlüsse in 1,6mm Abstand vom Gehäuse. Dies ist kritisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse.

2.2 Elektrische und optische Eigenschaften

Diese Parameter sind bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C spezifiziert und definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen.

• LED-Durchlassspannung (V_F):Typischerweise 1,2V bis 1,6V bei I_F= 20 mA. Dies wird zur Berechnung des erforderlichen Vorwiderstandswerts verwendet.
• LED-Sperrstrom (I_R):Maximal 100 µA bei V_R=5V, gibt den Leckstrom an, wenn die LED in Sperrrichtung betrieben wird.
• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=10V ohne Lichteinfall. Dies ist der Leckstrom des Fototransistors, der das Signalpegel im "Aus-Zustand" beeinflusst.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Typischerweise 0,4V bei I_C=0,05mA und I_F=20mA. Dies ist die Spannung über dem Transistor, wenn er vollständig "ein"geschaltet ist, wichtig für die Logikpegel-Anbindung.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Bauteil verfügt über ein Leistungs-Binning-System basierend auf dem Kollektorstrom im Ein-Zustand (I_C(ON)), der unter standardisierten Bedingungen gemessen wird (V_CE=5V, I_F=20mA, Spalt d=3,0mm). Dieser Strom korreliert direkt mit der Empfindlichkeit des Kopplers.

• BIN A: I_C(ON)Bereich von 100 µA bis 300 µA. Dies ist die Standard-Empfindlichkeitsklasse.
• BIN B: I_C(ON)Bereich von 260 µA bis 650 µA. Diese Klasse bietet eine höhere Empfindlichkeit.
• BIN C: I_C(ON)Bereich von 400 µA bis 1200 µA. Dies ist die höchste verfügbare Empfindlichkeitsklasse.

Dieses Binning ermöglicht es Entwicklern, ein Bauteil mit konsistenter Empfindlichkeit für ihre Anwendung auszuwählen und so zuverlässige Auslöseschwellen über Produktionschargen hinweg sicherzustellen.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische Kennlinien, die grafische Einblicke in das Bauteilverhalten unter variierenden Bedingungen geben. Obwohl spezifische Graphen im Text nicht detailliert sind, würden Standardkurven für ein solches Bauteil typischerweise umfassen:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V_F):Zeigt die nichtlineare Beziehung für die Infrarot-LED, entscheidend für den Treiberschaltungsentwurf.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE):Kurvenschar mit dem LED-Durchlassstrom (I_F) als Parameter, illustriert die Ausgangskennlinien des Fototransistors.
• Kollektorstrom im Ein-Zustand vs. Durchlassstrom (I_C(ON)-I_F):Demonstriert die Übertragungskennlinie und Linearität der optischen Kopplung.
• Kollektorstrom im Ein-Zustand vs. Umgebungstemperatur (I_C(ON)-T_A):Zeigt, wie die Empfindlichkeit mit steigender Temperatur abnimmt, ein kritischer Faktor für das Wärmemanagement im Design.
• Ansprechzeit-Eigenschaften:Das Datenblatt spezifiziert eine Anstiegszeit (T_R) von 3-15 µs und eine Abfallzeit (T_F) von 4-20 µs unter Testbedingungen (V_CE=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Diese Werte definieren die maximale Schaltgeschwindigkeit des Sensors.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Gehäuse ist ein Standard-Durchsteckmontage-Typ. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt umfassen:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, Zollwerte in Klammern.
• Die Standardtoleranz beträgt ±0,25mm (±0,010"), sofern nicht für ein bestimmtes Merkmal eine andere Angabe gemacht wird.
• Die Brennweite (der optimale Spalt zwischen den Fenstern von Sender und Empfänger für maximale Empfindlichkeit) ist mit 3 mm spezifiziert.
• Das Gehäuse umfasst geformte Schlitze oder Merkmale, die eine präzise Leiterplattenmontage und Ausrichtung unterstützen.
• Die Polarität ist auf dem Gehäuse klar markiert, typischerweise mit einem Punkt oder einer abgeschrägten Ecke in der Nähe des LED-Anoden- (oder Fototransistor-Kollektor-) Pins. Die korrekte Ausrichtung ist für die Schaltungsfunktion essentiell.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Ein sachgemäßer Umgang ist erforderlich, um die Bauteilintegrität zu erhalten.

• Löten:Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur der Anschlüsse beträgt 260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6mm (0,063") vom Kunststoffgehäuse entfernt. Diese Richtlinie hilft, thermische Schäden an den internen Die-Bonds und der Kunststoffverkapselung während des Wellen- oder Handlötens zu verhindern.
• Reinigung:Verwenden Sie Standard-Leiterplattenreinigungslösungsmittel, die mit dem Kunststoffmaterial des Bauteils kompatibel sind. Vermeiden Sie Ultraschallreinigung mit übermäßiger Leistung oder langer Einwirkzeit.
• Lagerung:Bauteile sollten innerhalb des Lagerungstemperaturbereichs (T_stg) von -40°C bis +100°C und in einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit und antistatischer Ausrüstung gelagert werden, um Feuchtigkeitsaufnahme und elektrostatische Entladung (ESD) zu verhindern.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Wie im Datenblatt angegeben, gehören zu den Hauptanwendungen:

• Drucker & Faxgeräte:Für Papierende-Erkennung, Papierstau-Sensorik, Deckelöffnungs-Erkennung und Schlittenpositions-Erkennung.
• Optoelektronische Schalter:Verwendung in Verkaufsautomaten, industrieller Automatisierung für Zählzwecke, Endschalter und Drehgeber-Scheiben-Sensorik.
• Unterhaltungselektronik:Schlitzsensoren in Laufwerken, Kassettendecks oder anderen Medienhandhabungssystemen.

7.2 Designüberlegungen

• Vorwiderstand (für LED):Muss basierend auf der Versorgungsspannung (V_CC), der LED-Durchlassspannung (V_F~1,4V typ.) und dem gewünschten Durchlassstrom (I_F) berechnet werden. Den Dauer-I_F-Grenzwert von 60 mA nicht überschreiten. Ein typischer Arbeitspunkt ist 20 mA.
• Lastwiderstand (für Fototransistor):Der Wert des Pull-Up-Widerstands (R_L), der mit dem Kollektor verbunden ist, bestimmt den Ausgangsspannungshub und beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit. Ein kleinerer R_Lergibt eine schnellere Abfallzeit, reduziert aber die Ausgangsspannungsamplitude. Die Testbedingung verwendet R_L=100Ω.
• Elektrische Störfestigkeit:Für lange Leitungswege oder verrauschte Umgebungen sollte ein kleiner Bypass-Kondensator (z.B. 0,1µF) über den Versorgungspins in der Nähe des Bauteils hinzugefügt und abgeschirmte Kabel verwendet werden.
• Optische Überlegungen:Halten Sie den optischen Pfad (den 3mm Spalt) frei von Staub, Schmutz oder Kondensation. Der Infrarot-Sperrfilter hilft, aber starke Umgebungs-Infrarotquellen (wie Sonnenlicht oder Glühlampen) in der Nähe des Sensors können Fehlauslösungen verursachen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu einfachen Fototransistoren oder Fotodioden bietet dieser integrierte Foto-Unterbrecher wesentliche Vorteile:

• Ausgerichtete Optik:Sender und Empfänger sind in einem festen, starren Gehäuse vorjustiert, was die Notwendigkeit einer präzisen mechanischen Justierung während der Montage eliminiert – ein signifikanter Vorteil gegenüber diskreten Komponenten.
• Optimierter Spalt:Die 3mm Brennweite ist werkseitig für maximale Empfindlichkeit bei genau diesem Luftspalt eingestellt.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:Der Infrarot-Sperrfilter über dem Fototransistor reduziert die Empfindlichkeit für sichtbares Licht erheblich und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis unter typischen Innenraumbeleuchtungsbedingungen.
• Kompakte Bauform:Bietet eine komplette optische Schalterlösung in einem einzigen, kleinen Gehäuse.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Zweck der verschiedenen Bins (A, B, C)?

A: Bins kategorisieren Bauteile nach ihrer Empfindlichkeit (I_C(ON)). Wählen Sie einen höheren Bin (B oder C) für Anwendungen, die die Erkennung von Objekten mit geringerem Kontrast, eine längere Lebensdauer (da die LED-Leistung mit der Zeit abnimmt) oder den Betrieb bei höheren Staubkonzentrationen erfordern. Bin A ist für Standardanwendungen ausreichend.

F: Kann ich die LED direkt mit einer Spannungsquelle ansteuern?

A: Nein. Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Sie müssen einen Serien-Vorwiderstand verwenden, um den Durchlassstrom (I_F) auf einen sicheren und konstanten Wert einzustellen, wie in allen Anwendungsschaltungen gezeigt.

F: Wie schließe ich den Ausgang an einen Mikrocontroller an?

A: Der Fototransistor fungiert als Schalter. Schließen Sie seinen Emitter an Masse an, seinen Kollektor über einen Pull-Up-Widerstand (z.B. 10kΩ) an einen digitalen Eingangspin. Wenn der Strahl nicht unterbrochen ist, ist der Transistor eingeschaltet und zieht den Pin auf Low. Bei Unterbrechung ist der Transistor ausgeschaltet, und der Pull-Up-Widerstand zieht den Pin auf High. Stellen Sie sicher, dass die Logikpegel des Mikrocontrollereingangs mit dem Ausgangsspannungshub kompatibel sind (nahe 0V für "Ein", nahe V_CCfür "Aus").

F: Was beeinflusst die Ansprechzeit?

A: Die intrinsische Geschwindigkeit des Fototransistors, der Wert des Lastwiderstands (R_L) und die Kapazität der Leiterbahnführung. Für schnelleres Schalten verwenden Sie einen kleineren R_L, soweit durch den gewünschten Ausgangsstrom und die Spannungspegel erlaubt.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Papierende-Sensor in einem Desktop-Drucker.

Der Foto-Unterbrecher ist am Druckergehäuse so montiert, dass der Papierstapel im Fach innerhalb des 3mm optischen Spalts sitzt und den Infrarotstrahl blockiert. Ein Hebel oder Fähnchen, das am Papierfachfolger befestigt ist, kann verwendet werden. Wenn Papier vorhanden ist, ist der Strahl blockiert, der Fototransistor ist ausgeschaltet und sein Ausgang ist High. Wenn das letzte Blatt Papier eingezogen wird, bewegt sich der Folger, gibt den Strahl frei und der Fototransistor schaltet ein, wodurch der Ausgang auf Low gezogen wird. Dieser Logikwechsel wird von der Hauptsteuerung des Druckers erkannt, die dann die "Papier leer"-Warnung auf der Benutzeroberfläche aktiviert. Der Infrarot-Sperrfilter verhindert Fehlauslösungen durch die interne Druckerbeleuchtung oder Raumbeleuchtung.

11. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip der modulierten optischen Kopplung. Eine interne Infrarot-LED emittiert Licht, wenn sie mit einem geeigneten Strom in Durchlassrichtung betrieben wird. Direkt gegenüber, im selben Gehäuse, befindet sich ein Silizium-NPN-Fototransistor. Die Basiszone des Fototransistors ist dem Licht ausgesetzt. Wenn Infrarotphotonen von der LED auf den Basis-Kollektor-Übergang treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Dieser photogenerierte Strom wirkt als Basisstrom und veranlasst den Transistor, einen viel größeren Kollektorstrom (I_C) zu führen, der proportional zur Lichtintensität ist. Ein Objekt, das den 3mm-Spalt zwischen ihnen durchquert, unterbricht diesen Lichtstrahl und veranlasst den Fototransistor, abzuschalten. Dies liefert ein sauberes, elektrisch isoliertes Schaltsignal basierend auf einem physikalischen Ereignis.

12. Technologietrends

Foto-Unterbrecher bleiben grundlegende Komponenten in der Positionssensorik. Aktuelle Trends in diesem Bereich umfassen:

• Miniaturisierung:Entwicklung noch kleinerer oberflächenmontierbarer (SMD) Gehäuse, um Leiterplattenplatz in kompakter Unterhaltungselektronik zu sparen.
• Integration:Einbau zusätzlicher Schaltungskomponenten auf dem Chip, wie z.B. Schmitt-Trigger für Hysterese, Verstärker für schwächere Signale oder sogar digitale Schnittstellen (I2C), um ein sauberes, verarbeitetes digitales Ausgangssignal bereitzustellen und die Mikrocontroller-Anbindung zu vereinfachen.
• Verbesserte Leistung:Verbesserungen der LED-Effizienz und der Fotodetektor-Empfindlichkeit ermöglichen den Betrieb bei niedrigeren Strömen, was den Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung reduziert.
• Spezialisierte Varianten:Bauteile mit geschlitzten Scheiben für Drehgeber oder reflektive Typen, bei denen Sender und Empfänger in die gleiche Richtung zeigen, um reflektierende Markierungen zu erfassen.

Das Kernprinzip der optischen Unterbrechung bleibt aufgrund seiner berührungslosen Natur, Zuverlässigkeit und Einfachheit robust und sichert seine fortwährende Relevanz im mechatronischen Systemdesign.