LTH-301-23P1 Foto-Unterbrecher Datenblatt - Abmessungen 7,62mm - Spannung 1,6V - Leistung 60mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-301-23P1 ist ein kompaktes, für Durchsteckmontage konzipiertes Foto-Unterbrecher-Modul. Er fungiert als berührungsloser optischer Schalter, der eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) in Kombination mit einem Fototransistor nutzt. Das Kernprinzip besteht darin, dass die IR-LED Licht emittiert, welches vom Fototransistor detektiert wird. Wenn ein Objekt den Lichtweg zwischen Sender und Empfänger unterbricht, ändert sich der Ausgangszustand des Fototransistors. Dies ermöglicht eine präzise Positionserfassung, Objekterkennung oder Endlagenschaltung ohne physischen Kontakt. Seine Hauptvorteile sind hohe Schaltgeschwindigkeit, zuverlässiger berührungsloser Betrieb und ein Design, das für die direkte Leiterplatten- oder Dual-In-Line-Sockelmontage geeignet ist. Dies macht ihn ideal für Anwendungen in Druckern, Kopierern, Automaten und der Industrieautomatisierung, wo Langlebigkeit und Präzision gefordert sind.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Dauerbetrieb des Bauteils an oder nahe diesen Grenzen wird nicht empfohlen.

• IR-Diode Dauer-Durchlassstrom (I_F):50 mA. Dies ist der maximale stationäre Strom, der durch die Infrarot-LED fließen darf.
• IR-Diode Sperrspannung (V_R):5 V. Das Überschreiten dieser Sperrspannung an der LED kann zum Durchbruch führen.
• Transistor Kollektorstrom (I_C):20 mA. Der maximale Dauerstrom, den der Kollektor des Fototransistors verkraften kann.
• Transistor Verlustleistung (P_D):75 mW bei 25°C, linear reduziert um 1,33 mW/°C über 25°C. Dies begrenzt die im Fototransistor erzeugte Wärme.
• IR-Diode Spitzen-Durchlassstrom:1 A (Pulsbreite = 10 µs, 300 pps). Ermöglicht kurze, hochstromige Pulse für Anwendungen, die hohe momentane optische Ausgangsleistung erfordern.
• Diode Verlustleistung (P_D):60 mW bei 25°C, ebenfalls reduziert um 1,33 mW/°C. Dies bestimmt die thermischen Grenzen der IR-LED.
• Fototransistor Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):30 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter angelegt werden darf, wenn der Transistor gesperrt ist.
• Fototransistor Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO):5 V. Die maximale Sperrspannung über die Kollektor-Emitter-Strecke.
• Betriebstemperaturbereich:-25°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb des Bauteils.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Lötemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden in 1,6mm Abstand vom Gehäuse. Definiert das Reflow- oder Handlötprofil, um Gehäuseschäden zu vermeiden.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Diese Parameter werden unter Standard-Testbedingungen (T_A= 25°C) gemessen und definieren die typische Leistung des Bauteils.

2.2.1 Eingangs-LED-Kenngrößen

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,2V bis 1,6V bei I_F= 20 mA. Dies ist der Spannungsabfall über der IR-LED, wenn sie mit dem Standard-Teststrom betrieben wird. Ein Vorwiderstand muss auf Basis dieses Wertes und der Versorgungsspannung berechnet werden.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 100 µA bei V_R= 5V. Dies ist der geringe Leckstrom, wenn die LED in Sperrrichtung betrieben wird.

2.2.2 Ausgangs-Fototransistor-Kenngrößen

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO):Mindestens 30V bei I_C= 1mA. Diese hohe Durchbruchspannung ermöglicht die Verwendung höherer Versorgungsspannungen im Kollektorkreis.
• Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (V_(BR)ECO):Mindestens 5V bei I_E= 100µA.
• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE= 10V. Dies ist der Leckstrom, wenn der Fototransistor in völliger Dunkelheit ist (kein IR-Licht). Ein niedriger Wert ist entscheidend für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis in Erfassungsanwendungen.

2.2.3 Koppler (Komplettes Bauteil) Kenngrößen

• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Maximal 0,4V bei I_C= 0,2mA und I_F= 20mA. Dies ist die Spannung über dem Fototransistor, wenn er vollständig "eingeschaltet" (gesättigt) ist. Ein niedrigerer Wert ist besser, da er den Leistungsverlust minimiert.
• Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)):Mindestens 0,4 mA bei V_CE= 5V und I_F= 20mA. Dies spezifiziert den minimalen Fotostrom, der erzeugt wird, wenn die IR-LED angesteuert wird und der Lichtweg frei ist. Dieser Parameter steht in direktem Zusammenhang mit der Empfindlichkeit des Bauteils.
• Anstiegszeit (T_r):Typisch 25 µs unter Testbedingungen (I_C=2mA, R_L=1kΩ, V_CE=5V). Dies ist die Zeit, die der Fototransistor-Ausgang benötigt, um von 10% auf 90% seines Endwertes zu wechseln, wenn die IR-LED eingeschaltet wird.
• Abfallzeit (T_f):Typisch 26 µs unter denselben Bedingungen. Dies ist die Übergangszeit, wenn die IR-LED ausgeschaltet wird. Diese Schaltzeiten definieren die maximale Frequenz, bei der das Bauteil zuverlässig arbeiten kann.

3. Mechanische und Gehäuseinformationen

3.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist in einem standardmäßigen 4-poligen Dual-In-Line-Gehäuse untergebracht. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, Zollwerte stehen in Klammern.
• Die Standardtoleranz beträgt ±0,25mm (±0,010"), sofern nicht anders in einer speziellen Merkmalsnotiz angegeben.
• Die Gehäusebreite beträgt etwa 7,62mm, und der Pinabstand folgt einem standardmäßigen 0,1-Zoll (2,54mm) Raster für die Durchsteckmontage auf Leiterplatten.

Das Gehäuse ist für Wellenlöt- oder Handlötprozesse ausgelegt. Die Maßzeichnung im Datenblatt liefert kritische Maße für das Leiterplatten-Layout, einschließlich Anschlussdrahtdurchmesser, Pinabstand (zwischen Reihen und Spalten), Gehäuselänge und -breite sowie der Schlitzbreite, die die Erfassungsöffnung definiert.

3.2 Pinbelegung und Polaritätskennzeichnung

Das Bauteil hat vier Pins. Typischerweise sind zwei Pins für die Anode und Kathode der IR-LED, und die anderen zwei für den Kollektor und Emitter des Fototransistors. Die Zeichnung im Datenblatt zeigt Pin 1 an, was für die korrekte Ausrichtung entscheidend ist. Die IR-LED ist eine anodengesteuerte Komponente, und der Fototransistor ist ein NPN-Typ, bei dem der Kollektor über einen Lastwiderstand an eine positive Versorgungsspannung und der Emitter an Masse angeschlossen werden sollte. Eine falsche Polarität bei der LED verhindert, dass sie Licht emittiert, und eine falsche Verbindung beim Fototransistor führt zu keinem Ausgangssignal.

4. Löt- und Montagerichtlinien

Das Datenblatt spezifiziert einen kritischen Lötparameter: Die Anschlüsse können einer Temperatur von 260°C für maximal 5 Sekunden ausgesetzt werden, gemessen in einem Abstand von 1,6mm (0,063") vom Kunststoffgehäuse. Diese Richtlinie ist wesentlich, um thermische Schäden am internen Halbleiterchip und am Kunststoffgehäusematerial während Wellenlöt- oder Handlötvorgängen zu verhindern. Für Reflow-Löten sollte ein Standardprofil mit einer Spitzentemperatur von nicht mehr als 260°C und kontrollierter Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (TAL) verwendet werden. Es ist ratsam, die JEDEC- oder IPC-Standards für das Löten von Durchsteckbauteilen zu befolgen.

5. Anwendungsvorschläge

5.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die gebräuchlichste Schaltungskonfiguration besteht darin, die IR-LED mit einer Konstantstromquelle oder einfacher mit einer Spannungsquelle in Reihe mit einem strombegrenzenden Widerstand (R_limit) anzusteuern. R_limit= (V_CC- V_F) / I_F. Für eine 5V-Versorgung und einen gewünschten I_Fvon 20mA, mit V_F= 1,4V, ergibt sich R_limit= (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ω. Der Fototransistor-Ausgang wird typischerweise als Schalter geschaltet: Der Kollektor wird über einen Pull-up-Widerstand (R_CCload_{) mit V}verbunden, und der Emitter wird mit Masse verbunden. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor-Knoten abgenommen. Wenn Licht auf den Transistor fällt, schaltet er ein und zieht die Kollektorspannung auf einen niedrigen Wert (nahe V_CE(SAT)). Wenn der Lichtweg blockiert ist, schaltet der Transistor aus, und die Kollektorspannung wird durch R_CCload_{auf V}hochgezogen. Der Wert von R_loadbeeinflusst die Schaltgeschwindigkeit und den Stromverbrauch; ein kleinerer Widerstand ermöglicht schnelleres Schalten, aber höhere Verlustleistung im 'EIN'-Zustand.

5.2 Designüberlegungen

• Immunität gegen Umgebungslicht:Da das Bauteil Infrarotlicht verwendet, ist es weitgehend unempfindlich gegenüber sichtbarem Umgebungslicht. Starke Quellen von IR-Strahlung (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) können jedoch Fehlauslösungen verursachen. Die Verwendung eines modulierten IR-Signals und synchrone Detektion kann die Immunität erheblich verbessern.
• Ausrichtung:Eine präzise mechanische Ausrichtung zwischen den Schlitzen von Sender und Empfänger ist für maximale Signalstärke entscheidend. Das Leiterplatten-Layout und die Montage sollten diese Ausrichtung gewährleisten.
• Objekteigenschaften:Das Objekt, das den Strahl unterbricht, sollte für die verwendete IR-Wellenlänge undurchlässig sein. Reflektierende oder lichtdurchlässige Materialien können den Sensor möglicherweise nicht zuverlässig auslösen.
• Geschwindigkeitsanforderungen:Die Anstiegs- und Abfallzeiten (~25 µs) begrenzen die maximale Schaltfrequenz auf etwa 1/(Tr+Tf) ≈ 20 kHz für eine Rechteckwelle, obwohl die praktischen Grenzen niedriger liegen, um einen vollständigen Übergang sicherzustellen.

6. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf einen Abschnitt für "Typische elektrische/optische Kennlinien". Diese Diagramme, die typischerweise in solchen Dokumenten enthalten sind, bieten visuelle Darstellungen, wie sich Schlüsselparameter mit den Bedingungen ändern. Erwartete Kurven sind:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V_F):Zeigt die exponentielle Beziehung für die IR-LED und hilft, V_Fbei anderen Strömen als der Testbedingung zu bestimmen.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE):Kurvenschar für den Fototransistor mit der einfallenden Lichtintensität (oder LED-Ansteuerstrom) als Parameter, die den Sättigungs- und den aktiven Bereich zeigt.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom:CTR = (I_C/ I_F) * 100%. Dieses Diagramm zeigt die Effizienz der optischen Kopplung, die typischerweise bei sehr hohem I_F.
• Eingeschalteter Kollektorstrom vs. Temperatur (I_C(ON)-T_A):Veranschaulicht, wie sich die Empfindlichkeit des Fototransistors mit der Umgebungstemperatur ändert, üblicherweise mit einer Abnahme bei höheren Temperaturen.
• Dunkelstrom vs. Temperatur (I_CEO-T_A):Zeigt den exponentiellen Anstieg des Leckstroms mit der Temperatur, was für den Hochtemperatureinsatz kritisch ist.

Die Analyse dieser Kurven ermöglicht es Designern, Arbeitspunkte zu optimieren, Leistungskompromisse über den Temperaturbereich zu verstehen und das Verhalten unter nicht standardmäßigen Bedingungen vorherzusagen.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu mechanischen Mikroschaltern bietet der LTH-301-23P1 deutliche Vorteile: kein Kontaktprellen, eine viel längere Betriebsdauer (Millionen gegenüber Tausenden von Zyklen), Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung durch Staub oder Öle (da es ein geschlossenes Gehäuse ist) und höhere Schaltgeschwindigkeit. Im Vergleich zu reflektierenden optischen Sensoren bieten transmissive Foto-Unterbrecher wie dieser eine konsistentere und zuverlässigere Erkennung, da sie weniger empfindlich auf die Farbe oder Reflektivität des Zielobjekts reagieren; sie detektieren einfach die An- oder Abwesenheit eines Objekts im Schlitz. Das Hauptunterscheidungsmerkmal dieses spezifischen Bauteils ist seine ausgewogene Kombination aus standardmäßiger Durchsteckgehäuseausführung, robusten elektrischen Nennwerten (30V V_CEO, 50mA I_F) und spezifizierter Schaltgeschwindigkeit, was es zu einer vielseitigen Allzwecklösung macht.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der typische Erfassungsabstand oder die Schlitzbreite?

A: Der Erfassungs- "Abstand" ist effektiv die Breite des Schlitzes im Gehäuse. Objekte müssen durch diese physikalische Lücke geführt werden, um den Strahl zu unterbrechen. Die Maßzeichnung im Datenblatt gibt die genaue Schlitzbreite an.

F: Kann ich die IR-LED direkt von einem Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Möglich, aber Sie müssen die Stromabgabefähigkeit des Pins überprüfen. Ein typischer MCU-Pin kann 20-25mA liefern, was der Testbedingung entspricht. Sie MÜSSEN jedoch einen in Reihe geschalteten strombegrenzenden Widerstand gemäß den Anwendungshinweisen einbauen. Das Betreiben der LED ohne Widerstand würde wahrscheinlich sowohl die LED als auch den MCU-Pin zerstören.

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

A: Die einfachste Methode ist, den Fototransistor als digitalen Eingang zu verwenden. Verbinden Sie den Kollektor mit dem digitalen E/A-Pin des MCU (der typischerweise einen internen Pull-up-Widerstand hat, der aktiviert werden kann) und zusätzlich über einen externen Pull-up-Widerstand (z.B. 10kΩ) mit V_CC. Der Emitter wird mit Masse verbunden. Wenn der Strahl nicht unterbrochen ist, ist der Transistor eingeschaltet und zieht den Pin auf LOW. Bei Unterbrechung wird der Pin auf HIGH gezogen. Stellen Sie sicher, dass die Eingangsspannungspegel des MCU mit der V_CC used.

F: Was beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit?

A: Die intrinsischen Anstiegs-/Abfallzeiten des Fototransistors (~25µs) sind die primäre Begrenzung. Allerdings können Schaltungsfaktoren sie weiter verlangsamen. Ein großer Lastwiderstand (R_L) erhöht die RC-Zeitkonstante für das Laden/Entladen jeglicher parasitären Kapazität und verlangsamt die Anstiegszeit. Ebenso kann das Ansteuern der IR-LED mit übermäßigem Strom aufgrund von Ladungsträgerspeichereffekten zu einem langsameren Ausschalten führen. Für maximale Geschwindigkeit verwenden Sie den empfohlenen I_Fund einen mäßig kleinen R_L.

9. Funktionsprinzip

Ein Foto-Unterbrecher ist ein transmissives optoelektronisches Bauteil. Es enthält zwei separate Komponenten in einem einzigen Gehäuse: eine Infrarotlichtquelle (eine IR-LED) und einen Lichtdetektor (einen Fototransistor), die sich gegenüberliegend über einen kleinen Luftspalt oder Schlitz hinweg befinden. Die IR-LED wird mit einem geeigneten Strom in Durchlassrichtung betrieben, wodurch sie Infrarotphotonen emittiert. Diese Photonen wandern über den Spalt und treffen auf die Basisregion des NPN-Fototransistors. Die Photonenenergie erzeugt Elektron-Loch-Paare in der Basis und erzeugt effektiv einen Basisstrom. Dieser photogenerierte Basisstrom wird durch die Verstärkung des Transistors verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt, der vom Kollektor zum Emitter fließen kann und den Transistor "einschaltet". Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Schlitz eingeführt wird, blockiert es den Lichtweg. Die Photogenerierung des Basisstroms stoppt, der Transistor wird nicht mehr eingeschaltet, und der Kollektorstrom sinkt auf einen sehr niedrigen Wert (den Dunkelstrom), wodurch der Transistor "ausgeschaltet" wird. Diese Ein/Aus-Aktion liefert ein sauberes digitales Signal, das der An- oder Abwesenheit eines Objekts entspricht.

10. Verpackung und Bestellinformationen

Die Artikelnummer ist LTH-301-23P1. Das Datenblatt spezifiziert keine Details zur Großverpackung (z.B. Band und Rolle, Stückzahl pro Tube). Für die Produktion sollten die Verpackungsspezifikationen des Herstellers oder Distributors konsultiert werden. Die "Spec No." DS-55-96-0025 und der Dokumentencode BNS-OD-C131/A4 sind interne Referenzen für das Datenblatt selbst. Das Gültigkeitsdatum dieser Dokumentenrevision ist der 03.08.2000.