Datenblatt des Foto-Unterbrechers LTH-306-01 - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-306-01 ist ein kompakter, berührungsloser optischer Schalter für zuverlässige Objekterkennung und Positionserfassung. Seine Kernfunktion basiert auf einer Infrarot (IR)-Leuchtdiode (LED), die mit einem Fototransistor in einem gemeinsamen Gehäuse gekoppelt ist. Wenn ein Objekt den Spalt zwischen Sender und Empfänger durchquert, unterbricht es den IR-Lichtstrahl und verursacht eine Zustandsänderung am Ausgang des Fototransistors. Dieses Prinzip ermöglicht präzises, verschleißfreies Schalten ohne physischen Kontakt.

Das Bauteil ist für die direkte Montage auf Leiterplatten (PCBs) oder in Standard-DIL-Sockel konzipiert und bietet damit erhebliche Designflexibilität. Seine Hauptvorteile sind die hohe Schaltgeschwindigkeit, die für Hochgeschwindigkeitszähl- und Zeitmessanwendungen entscheidend ist, sowie die berührungslose Funktionsweise, die mechanischen Verschleiß ausschließt und langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet. Typische Zielmärkte sind die Industrieautomatisierung, Unterhaltungselektronik (z.B. Drucker, Kopierer), Sicherheitssysteme und Verkaufsautomaten, wo Objekterkennung, Papierstausensorik oder Schlitzsensorik erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert. Wichtige Grenzwerte sind:

• IR-Diode Dauer-Durchlassstrom (I_F): 60 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich an die LED angelegt werden darf.
• IR-Diode Spitzen-Durchlassstrom: 1 A für eine Pulsbreite von 10 μs bei 300 Pulsen pro Sekunde. Dies ermöglicht kurze, hochintensive Pulse für eine verbesserte Signalerfassung.
• Fototransistor Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO): 30 V. Die maximale Spannung, die zwischen den Kollektor- und Emitter-Anschlüssen anliegen darf.
• Betriebstemperaturbereich: -25°C bis +85°C. Gibt den Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb an.
• Löt-Temperatur der Anschlüsse: 260°C für 5 Sekunden in einem Abstand von 1,6mm vom Gehäuse. Dies ist entscheidend für Leiterplatten-Montageprozesse.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

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

2.2.1 Eingangs- (IR-LED) Kenngrößen

• Durchlassspannung (V_F): Typischerweise 1,2V bis 1,6V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA. Dieser Wert wird zur Berechnung des Vorwiderstands für die LED-Ansteuerschaltung verwendet.
• Sperrstrom (I_R): Maximal 100 μA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dies gibt den Leckstrom der LED bei Sperrspannung an.

2.2.2 Ausgangs- (Fototransistor) Kenngrößen

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO): Mindestens 30V. Stellt sicher, dass der Transistor der spezifizierten Kollektor-Emitter-Spannung standhält.
• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO): Maximal 100 nA bei V_CE=10V. Dies ist der Leckstrom, wenn die LED ausgeschaltet ist (kein Licht), was den Signalpegel im "Aus-Zustand" beeinflusst.

2.2.3 Koppler- (Kombinierte) Kenngrößen

• Kollektorstrom im Ein-Zustand (I_C(ON)): Mindestens 5,0 mA bei V_CE=5V und I_F=20mA. Dies ist der Ausgangsstrom des Fototransistors, wenn die LED voll beleuchtet und ungehindert ist, und zeigt dessen Empfindlichkeit an.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)): Maximal 0,4V bei I_C=2,5mA und I_F=20mA. Eine niedrige Sättigungsspannung ist wünschenswert, wenn der Fototransistor als Schalter im Sättigungsbetrieb verwendet wird, um den Spannungsabfall zu minimieren.
• Ansprechzeit: Die Anstiegszeit (t_r) beträgt typischerweise 3-15 μs und die Abfallzeit (t_f) typischerweise 4-20 μs unter spezifizierten Testbedingungen (V_CE=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Diese Parameter definieren die Schaltgeschwindigkeit und Bandbreite des Bauteils, entscheidend für die Erkennung sich schnell bewegender Objekte.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektrische/optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Grafiken im Text nicht enthalten sind, umfassen Standardkennlinien für solche Bauteile typischerweise:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V_F) für die IR-LED: Zeigt den nichtlinearen Zusammenhang und hilft, den Arbeitspunkt zu bestimmen.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE) für den Fototransistor: Bei verschiedenen Bestrahlungsstärken (LED-Strom) zeigt dies das Verhalten des Ausgangstransistors, ähnlich den Ausgangskennlinien eines Bipolartransistors.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom: CTR ist das Verhältnis von Fototransistor-Kollektorstrom (I_C) zu LED-Durchlassstrom (I_F). Diese Kurve zeigt, wie sich der Wirkungsgrad mit dem Treiberstrom ändert.
• Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms (I_CEO) und des Kollektorstroms im Ein-Zustand (I_C(ON)): Veranschaulicht, wie sich die Leistung mit Änderungen der Umgebungstemperatur verschlechtert oder variiert. Dies ist entscheidend für das Design stabiler Systeme über den spezifizierten Betriebsbereich.

Diese Kennlinien sind für Entwickler unerlässlich, um den Arbeitspunkt zu optimieren, die Signalintegrität über den Temperaturbereich sicherzustellen und die Grenzen des Bauteils zu verstehen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Der LTH-306-01 ist für die Leiterplatten- oder Sockelmontage konzipiert. Die Gehäuseabmessungen sind im Datenblatt mit allen Maßen in Millimetern (und Zoll) angegeben. Wichtige mechanische Hinweise sind:

• Es gilt eine Standardtoleranz von ±0,25mm (±0,010"), sofern in der Maßzeichnung nicht anders angegeben.
• Das Gehäuse besteht aus einem Spritzgussteil mit einem präzisen Spalt zwischen IR-Sender und Fototransistor. Die genauen Abmessungen dieses Spalts, die Gesamthöhe, -breite und -länge sowie der Anschlussabstand sind für die mechanische Integration in das Endprodukt entscheidend.
• Die Anschlüsse bestehen typischerweise aus einem lötbaren Material und sind für die Durchsteckmontage geformt.

Die Polaritätskennzeichnung ist entscheidend. Das Bauteil hat Markierungen (wie einen Punkt, eine Kerbe oder unterschiedliche Anschlusslängen), um die Anode und Kathode der IR-LED sowie den Kollektor und Emitter des Fototransistors zu identifizieren. Eine falsche Polungsverbindung kann die Komponenten beschädigen.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Die absoluten Maximalwerte geben eine Löttemperatur der Anschlüsse von 260°C für maximal 5 Sekunden an, gemessen 1,6mm (0,063") vom Kunststoffgehäuse entfernt. Dies ist ein kritischer Parameter für Wellenlöt- oder Handlötprozesse.

Empfehlungen:

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Eine grundlegende Anwendungsschaltung umfasst:

1. LED-Ansteuerschaltung: Einen Vorwiderstand in Reihe mit der IR-LED. Der Widerstandswert (R_limit) wird berechnet als (Versorgungsspannung - V_F) / I_F. Für eine 5V-Versorgung und I_F=20mA, mit V_F~1,4V, beträgt R_limit≈ (5-1,4)/0,02 = 180Ω.
2. Fototransistor-Ausgangsschaltung: Der Fototransistor kann in zwei gängigen Konfigurationen verwendet werden:
   • Schaltbetrieb (Sättigung): Schließen Sie einen Pull-up-Widerstand vom Kollektor an eine positive Versorgungsspannung (z.B. 5V) an. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Wenn Licht auf den Transistor trifft, schaltet er hart durch (sättigt), wodurch die Kollektorspannung niedrig wird (nahe V_CE(SAT)). Wenn das Licht blockiert wird, schaltet der Transistor aus, und die Kollektorspannung wird durch den Widerstand hochgezogen. Das Ausgangssignal ist ein digitales Signal.
   • Linearer Betrieb: Verwenden Sie den Fototransistor in einer Emitterschaltung mit einem Kollektorwiderstand. Die Ausgangsspannung variiert linear mit der Intensität des empfangenen Lichts, was für analoge Erfassung nützlich ist.

6.2 Designüberlegungen

• Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht: Das Bauteil verwendet moduliertes IR-Licht, aber starke Umgebungs-IR-Quellen (Sonnenlicht, Glühlampen) können Fehlauslösungen verursachen. Die Verwendung einer gepulsten LED-Ansteuerung mit synchroner Detektion oder das Hinzufügen eines optischen Filters kann die Störfestigkeit verbessern.
• Objekteigenschaften: Die Erkennungszuverlässigkeit hängt von der Opazität des Objekts für die IR-Wellenlänge ab. Sehr dünne oder durchscheinende Materialien unterbrechen den Strahl möglicherweise nicht vollständig.
• Ausrichtung: Eine präzise mechanische Ausrichtung des Objektpfads mit dem Sensorspalt ist für einen konsistenten Betrieb erforderlich.
• Geschwindigkeit: Stellen Sie sicher, dass die Geschwindigkeit des Objekts und die erforderliche Ansprechzeit des Systems mit den Anstiegs-/Abfallzeiten des Bauteils (Mikrosekundenbereich) kompatibel sind.
• Elektrische Störungen: In störungsbehafteten Umgebungen sollten Sie die Signalleitungen kurz halten, Entkopplungskondensatoren in der Nähe des Bauteils verwenden und eine Abschirmung in Betracht ziehen.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu mechanischen Mikroschaltern bietet der LTH-306-01 klare Vorteile: kein Kontaktprellen, kein mechanischer Verschleiß, höhere Schaltgeschwindigkeit und höhere Zuverlässigkeit über Millionen von Zyklen. Im Vergleich zu anderen optischen Sensoren wie Reflexionssensoren sind transmissive Foto-Unterbrecher (Schlitzkoppler) im Allgemeinen unempfindlicher gegenüber Schwankungen in der Objektoberflächenreflexion und -farbe und liefern ein konsistenteres Ein-/Aus-Signal, das rein auf der Strahlunterbrechung basiert.

Seine wichtigsten Unterscheidungsmerkmale innerhalb der Kategorie der Foto-Unterbrecher sind seine spezifische Gehäusegröße (ermöglicht kompakte Designs), seine elektrischen Kenngrößen (Empfindlichkeit definiert durch I_C(ON), Geschwindigkeit definiert durch t_r/t_f) und seine robusten Spezifikationen für Lötung und Betriebstemperatur.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist die typische Lebensdauer dieses Bauteils?

A: Als Halbleiterbauteil ohne bewegliche Teile wird seine Lebensdauer hauptsächlich durch die allmähliche Degradation der LED-Leistung bestimmt. Bei Betrieb innerhalb der Spezifikationen übertrifft es typischerweise die Lebensdauer mechanischer Schalter bei weitem und ist oft für Hunderttausende bis Millionen von Schaltvorgängen ausgelegt.

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

A: Nein. Eine LED muss mit einer strombegrenzten Quelle angesteuert werden. Ein direkter Anschluss an eine Spannungsquelle, die ihre Durchlassspannung überschreitet, führt zu übermäßigem Stromfluss und kann sie zerstören. Verwenden Sie immer einen Vorwiderstand in Reihe oder einen Konstantstromtreiber.

F: Wie interpretiere ich den Mindestwert des "Kollektorstroms im Ein-Zustand" (I_C(ON))?

A: Dies ist ein garantierter Mindestausgangsstrom unter den spezifizierten Testbedingungen (V_CE=5V, I_F=20mA). In Ihrem Design sollten Sie sicherstellen, dass Ihre Schaltung (z.B. der Wert Ihres Pull-up-Widerstands) zuverlässig mit diesem Mindeststrom arbeiten kann, um eine gültige logische Low-Spannung zu erzeugen, wenn der Strahl nicht blockiert ist.

F: Die Ansprechzeit liegt im Mikrosekundenbereich. Ist das für meine Anwendung schnell genug?

A: Für die meisten Anwendungen wie Objektzählung, Positionserfassung und Papiererkennung ist eine Mikrosekunden-Ansprechzeit mehr als ausreichend. Um beispielsweise ein Objekt zu erfassen, das sich mit 1 m/s durch einen 1mm-Spalt bewegt, beträgt die Unterbrechungszeit 1ms (1000 μs), was viel länger ist als die Schaltzeit des Bauteils. Für extrem hochgeschwindigkeitskritische Anwendungen sollten Sie die erforderliche Timing-Anforderung überprüfen.

9. Praktischer Anwendungsfall

Szenario: Papierstau-Erkennung in einem Drucker

Der LTH-306-01 kann entlang des Papierwegs platziert werden. Ein durch den Spalt laufendes Papierblatt lässt den IR-Strahl den Fototransistor erreichen und hält seinen Ausgang in einem Zustand (z.B. Low). Tritt ein Stau auf, bleibt das Papier im Spalt stehen, blockiert den Strahl und ändert den Ausgangszustand (z.B. High). Dieses Signal wird an den Mikrocontroller des Druckers gesendet, der dann den Betrieb anhalten und den Benutzer alarmieren kann. Die berührungslose Erfassung gewährleistet keinen Verschleiß am Papier oder Sensor, und die schnelle Ansprechzeit ermöglicht die Erkennung selbst bei schnell beweglichem Papier.

10. Funktionsprinzip

Der LTH-306-01 ist ein transmissiver optischer Sensor. Er enthält zwei Hauptkomponenten in gegenüberliegenden Armen eines U-förmigen Gehäuses: eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) und einen Silizium-NPN-Fototransistor. Die IR-LED emittiert unsichtbares Infrarotlicht, wenn sie mit einem geeigneten Strom in Durchlassrichtung betrieben wird. Der Fototransistor ist für diese spezifische IR-Wellenlänge empfindlich ausgelegt. Wenn sich kein Objekt im Spalt zwischen ihnen befindet, scheint das IR-Licht direkt auf die Basisregion des Fototransistors. Dieses einfallende Licht erzeugt Elektron-Loch-Paare, die als Basisstrom wirken, den Transistor einschalten und einen signifikanten Kollektorstrom (I_C) fließen lassen. Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Spalt eintritt, blockiert es den Lichtweg. Der Fototransistor empfängt kein (oder stark reduziertes) Licht, der effektive Basisstrom sinkt auf nahezu Null und der Transistor schaltet aus, wodurch der Kollektorstrom auf ein sehr niedriges Leckstromniveau (I_CEO) reduziert wird. Diese Änderung des Ausgangsstroms/-spannung wird von einer externen Schaltung erfasst, um ein "Objekt vorhanden"-Ereignis zu registrieren.

11. Technologietrends

Das Gebiet der optoelektronischen Komponenten wie Foto-Unterbrecher entwickelt sich weiter. Allgemeine Trends in der Branche sind:

• Miniaturisierung: Entwicklung noch kleinerer Gehäuseabmessungen und niedrigerer Bauhöhen für immer kompaktere Verbraucher- und Industrieanwendungen.
• Erhöhte Integration: Integration zusätzlicher Schaltungen auf dem Chip, wie z.B. Schmitt-Trigger für Hysterese, eingebaute Vorwiderstände oder sogar digitale Schnittstellen (I2C), um das externe Design zu vereinfachen.
• Verbesserte Leistung: Höhere Empfindlichkeit (ermöglicht niedrigere LED-Treiberströme für Energieeinsparung), schnellere Ansprechzeiten für Hochgeschwindigkeitsautomatisierung und bessere Temperaturstabilität.
• Fokus auf Energieeffizienz: Designs, die gepulsten Betrieb mit sehr niedrigen Tastverhältnissen ermöglichen, um den durchschnittlichen Stromverbrauch zu minimieren, was für batteriebetriebene Anwendungen entscheidend ist.
• Robustheit: Verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Staub, Feuchtigkeit und mechanischen Stößen.

Diese Trends zielen darauf ab, optische Sensorlösungen zuverlässiger, einfacher zu implementieren und für ein breiteres Anwendungsspektrum geeignet zu machen.