LTH-209-01 Foto-Unterbrecher Datenblatt - Reflektiver Objektsensor - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-209-01 ist ein reflektiver Foto-Unterbrecher, der für berührungslose Schaltanwendungen konzipiert ist. Dieses optoelektronische Bauteil integriert eine Infrarot (IR)-Leuchtdiode und einen Fototransistor in einem einzigen, kompakten Gehäuse. Seine Hauptfunktion ist die Erkennung der An- oder Abwesenheit eines reflektierenden Objekts innerhalb seines Erfassungsbereichs. Das Modul ist für die direkte Montage auf Leiterplatten (PCBs) oder für die Verwendung mit DIL-Sockeln ausgelegt und bietet Flexibilität bei der Systemintegration. Seine Kernvorteile umfassen den berührungslosen Betrieb, der mechanischen Verschleiß ausschließt und langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet, sowie schnelle Schaltgeschwindigkeiten, die für verschiedene Erfassungs- und Zählaufgaben geeignet sind. Der Zielmarkt umfasst Automatisierungsanlagen, Unterhaltungselektronik, Sicherheitssysteme und industrielle Steuerungen, bei denen eine präzise, zuverlässige Objekterkennung erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Ein Betrieb des Bauteils außerhalb dieser Grenzwerte kann dauerhafte Schäden verursachen. Zu den Schlüsselparametern gehören:

• Dauer-Vorwärtsstrom der IR-Diode (I_F):Maximal 50 mA. Dies definiert die Obergrenze für den Gleichstrom, der kontinuierlich durch die IR-LED fließen darf.
• Sperrspannung der IR-Diode (V_R):Maximal 5 V. Das Überschreiten dieser Sperrspannung kann den LED-Übergang beschädigen.
• Kollektorstrom des Fototransistors (I_C):Maximal 20 mA. Dies ist der maximale Dauerstrom, den der Ausgangstransistor führen kann.
• Kollektor-Emitter-Spannung des Fototransistors (V_CEO):Maximal 30 V. Dies ist die maximale Spannung, die zwischen den Kollektor- und Emitter-Anschlüssen des Fototransistors anliegen darf.
• Betriebstemperaturbereich:-35°C bis +65°C. Das Bauteil arbeitet garantiert innerhalb der Spezifikationen in diesem Umgebungstemperaturbereich.
• Löttemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden in einem Abstand von 1,6 mm vom Gehäuse. Dies ist kritisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse.

Hinweis zur Leistungsreduzierung:Die maximale Verlustleistung sowohl für die IR-Diode (75 mW) als auch für den Fototransistor (100 mW) muss linear mit einer Rate von 1,33 mW/°C für Umgebungstemperaturen über 25°C reduziert werden. Dies ist für das thermische Management und die langfristige Zuverlässigkeit wesentlich.

2.2 Elektrische und optische Eigenschaften

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

2.2.1 Eigenschaften der Eingangs-IR-Diode

• Flussspannung (V_F):Typischerweise 1,2 V bis 1,6 V bei einem Vorwärtsstrom (I_F) von 20 mA. Dieser Parameter ist entscheidend für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung für die LED.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 100 µA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5 V. Ein niedriger Sperrstrom deutet auf eine gute Übergangsqualität hin.

2.2.2 Eigenschaften des Ausgangs-Fototransistors

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO):Mindestens 30 V bei I_C=1 mA. Diese hohe Durchbruchspannung ermöglicht die Verwendung höherer Pull-Up-Spannungen in der Ausgangsschaltung.
• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=10 V. Dies ist der Leckstrom, wenn die IR-Diode ausgeschaltet ist (keine Beleuchtung). Ein niedriger Dunkelstrom ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich, insbesondere bei Anwendungen mit wenig Licht oder hoher Verstärkung.

2.2.3 Koppler- (System-) Eigenschaften

Diese Parameter beschreiben die Leistung des vollständigen Sensorsystems (IR-LED + Fototransistor).

• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Maximal 0,4 V bei I_C=0,08 mA und I_F=20 mA. Diese niedrige Sättigungsspannung zeigt, dass der Fototransistor als effizienter Schalter fungieren kann und den Ausgang nahe Masse zieht, wenn er aktiviert ist.
• Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)):Mindestens 0,16 mA bei V_CE=5 V und I_F=20 mA.Testbedingung:Dieser kritische Parameter wird mit einer standardisierten reflektierenden Oberfläche (weißes Papier mit 90 % diffuser Reflexion) gemessen, die 3,81 mm (0,15 Zoll) von der Sensorfront entfernt platziert ist. Dieser standardisierte Abstand und diese Oberfläche definieren den "Erfassungsbereich" und die "minimal erfassbare Reflexion" für die spezifizierte Leistung des Bauteils.

3. Mechanische und Gehäuseinformationen

3.1 Gehäuseabmessungen

Der LTH-209-01 ist in einem standardmäßigen 4-poligen DIP-Gehäuse (Dual In-line Package) erhältlich. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, mit einer Standardtoleranz von ±0,25 mm, sofern in der Maßzeichnung nicht anders angegeben. Das Gehäuse ist für die Durchsteckmontage auf Leiterplatten ausgelegt. Die genaue Maßzeichnung, einschließlich Gehäuselänge, -breite, -höhe, Pinabstand und Pindurchmesser, ist für das Leiterplatten-Layout und die mechanische Integration in das Endproduktgehäuse wesentlich.

3.2 Pinbelegung und Polaritätskennzeichnung

Das Bauteil hat vier Pins. Typischerweise sind zwei Pins für die Anode und Kathode der IR-Leuchtdiode vorgesehen, und die anderen beiden für den Kollektor und Emitter des NPN-Fototransistors. Die korrekte Identifizierung ist entscheidend, um Schäden zu vermeiden. Das Pinbelegungsdiagramm im Datenblatt muss konsultiert werden. Das Gehäuse enthält oft eine Kerbe, einen Punkt oder eine abgeschrägte Kante, um Pin 1 zu kennzeichnen. Die IR-Diode ist polaritätssensitiv, und der Kollektor und Emitter des Fototransistors müssen für einen korrekten Schaltbetrieb richtig angeschlossen werden.

4. Löt- und Montagerichtlinien

Handlöten:Verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötstation. Der absolute Maximalwert gibt an, dass die Anschlüsse 260°C für 5 Sekunden ausgesetzt werden können, gemessen in 1,6 mm Abstand vom Kunststoffgehäuse. Es wird empfohlen, die niedrigstmögliche Temperatur und die kürzestmögliche Zeit zu verwenden, um eine zuverlässige Lötstelle zu erzeugen und die thermische Belastung der internen Komponenten und des Kunststoffgehäuses zu minimieren.

Wellenlöten:Möglich, aber das gleiche Temperatur-/Zeitprofil (260°C für 5 Sekunden in 1,6 mm Abstand vom Gehäuse) muss strikt eingehalten werden. Ein Vorwärmen wird empfohlen, um thermische Schocks zu reduzieren.

Reinigung:Wenn nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, verwenden Sie Methoden und Lösungsmittel, die mit dem Kunststoffmaterial des Bauteils kompatibel sind, um Risse oder Trübung des optischen Fensters zu vermeiden.

Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer Umgebung innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -40°C bis +100°C. Es ist ratsam, die Bauteile bis zur Verwendung in ihren original Feuchtigkeitssperrbeuteln aufzubewahren, um eine Kontamination der optischen Oberflächen zu verhindern.

5. Anwendungsvorschläge

5.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die häufigste Schaltungskonfiguration verwendet den LTH-209-01 als digitalen Schalter. Die IR-Diode wird mit einer Konstantstromquelle oder einem strombegrenzenden Widerstand von einer Spannungsversorgung (z.B. 5 V) angesteuert. Ein typischer I_Fvon 20 mA wird gemäß den Testbedingungen verwendet. Der Fototransistor ist in einer Emitterschaltung geschaltet: Der Kollektor ist über einen Pull-Up-Widerstand (R_CC) mit der Versorgungsspannung (V_L, bis zu 30 V) verbunden, und der Emitter ist mit Masse verbunden. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor-Knoten abgenommen. Wenn kein reflektierendes Objekt vorhanden ist, ist der Fototransistor ausgeschaltet (hohes Ausgangssignal). Wenn ein reflektierendes Objekt in den Erfassungsbereich eintritt, reflektiert IR-Licht auf den Fototransistor, schaltet ihn ein und zieht das Ausgangssignal auf niedriges Potential.

5.2 Designüberlegungen und Best Practices

• Auswahl des Pull-Up-Widerstands (R_L):Der Wert von R_Lbestimmt den Ausgangsstrom und den Spannungshub. Er muss basierend auf dem erforderlichen I_C(ON)und den Eingangseigenschaften der Last (z.B. ein Mikrocontroller-GPIO) gewählt werden. Ein kleinerer R_Lbietet schnellere Schaltzeiten und bessere Störfestigkeit, verbraucht aber mehr Leistung. Stellen Sie sicher, dass I_C20 mA nicht überschreitet: R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20 mA.
• Minimierung elektrischer Störungen:Platzieren Sie einen Entkopplungskondensator (z.B. 0,1 µF) nahe den Versorgungsanschlüssen des Bauteils. Halten Sie Signalleitungen, insbesondere die Ausgangsleitung des Fototransistors, kurz, um die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren.
• Optische Überlegungen:Die Erfassungsleistung hängt von der Reflexion, Farbe und Entfernung des Zielobjekts ab. Der spezifizierte I_C(ON)gilt für eine 90 % reflektierende weiße Oberfläche bei 3,81 mm. Dunklere oder weiter entfernte Objekte erzeugen ein kleineres Ausgangssignal. Für einen konsistenten Betrieb sollte der Detektionsschwellwert des Systems (z.B. die Referenzspannung eines Komparators) entsprechend ausgelegt werden. Vermeiden Sie, dass Umgebungslichtquellen (insbesondere Sonnenlicht oder Glühlampen mit hohem IR-Anteil) direkt in die Sensoröffnung scheinen, da dies zu Fehlauslösungen führen kann. Ein moduliertes IR-Signal und synchrone Detektion können in Umgebungen mit hohem Umgebungslicht verwendet werden.
• Mechanische Ausrichtung:Stellen Sie sicher, dass der Weg des Zielobjekts konsistent ist und innerhalb des optimalen Erfassungsbereichs (um die spezifizierten 3,81 mm) verläuft, um eine zuverlässige Erkennung zu gewährleisten.

6. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der LTH-209-01 unterscheidet sich als reflektiver Foto-Unterbrecher von anderen Optosensor-Typen:

• vs. Transmissive Foto-Unterbrecher (Schlitz-Optokoppler):Transmissive Typen haben einen physikalischen Spalt zwischen Sender und Empfänger; ein Objekt wird erkannt, wenn es den Lichtweg blockiert. Reflektive Typen wie der LTH-209-01 erkennen ein Objekt, wenn es Licht zurückwirft. Reflektive Sensoren sind oft einfacher zu montieren, da sie nur von einer Seite zugänglich sein müssen, aber ihre Leistung hängt stärker von den Oberflächeneigenschaften des Objekts ab.
• vs. Photologik-Sensoren:Einige Foto-Unterbrecher enthalten integrierte Logikschaltungen (Schmitt-Trigger, Verstärker), um ein sauberes digitales Ausgangssignal zu liefern. Der LTH-209-01 bietet einen einfachen analogen Fototransistor-Ausgang, was mehr Flexibilität bietet, aber externe Schaltungen (wie einen Komparator) erfordert, um in rauschbehafteten Umgebungen ein robustes digitales Signal zu erzeugen.
• Schlüsselvorteile dieses Modells:Die Kombination aus einer relativ hohen Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (30 V), einer niedrigen Sättigungsspannung und einer standardisierten Testbedingung für die Empfindlichkeit bietet eine gute Balance für allgemeine reflektive Erfassungsanwendungen.

7. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Was ist der optimale Abstand zur Erfassung eines Objekts?

A1: Das Datenblatt spezifiziert den Eingeschalteten Kollektorstrom (I_C(ON)) mit dem Zielobjekt bei 3,81 mm (0,15"). Dies ist die standardisierte Testentfernung. Die tatsächliche optimale Entfernung hängt von der Reflexion des Ziels ab. Für ein hochreflektierendes Ziel kann die Erkennung bei etwas größeren Entfernungen funktionieren. Für ein zuverlässiges Design verwenden Sie 3,81 mm als nominalen Arbeitspunkt.

F2: Kann ich die IR-LED direkt mit einer Spannungsquelle ansteuern?

A2: Nein. Eine IR-LED muss, wie alle Dioden, stromgesteuert werden. Ein direkter Anschluss an eine Spannungsquelle führt zu übermäßigem Stromfluss und kann das Bauteil zerstören. Verwenden Sie immer einen Reihen-Strombegrenzungswiderstand. Berechnen Sie den Widerstandswert als R = (V_Versorgung- V_F) / I_F. Für eine 5-V-Versorgung, V_F=1,4 V und I_F=20 mA: R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ohm.

F3: Warum ist mein Ausgangssignal instabil oder verrauscht?

A3: Häufige Ursachen sind: 1) Unzureichender Pull-Up-Widerstandswert, der zu einer langsamen Anstiegszeit führt, 2) Elektrische Störeinstrahlung auf langen Ausgangsleitungen (verwenden Sie einen Entkopplungskondensator und kürzere Leitungsführung), 3) Störung durch Umgebungs-IR-Licht (schirmen Sie den Sensor ab oder verwenden Sie Modulation), 4) Das Zielobjekt hat eine variable Reflexion oder befindet sich in einer inkonsistenten Entfernung.

F4: Was bedeutet der Hinweis "Leistung linear um 1,33 mW/°C reduzieren"?

A4: Dies ist eine thermische Leistungsreduzierungsregel. Die maximal zulässige Verlustleistung (75 mW für die Diode, 100 mW für den Transistor) ist bei 25°C spezifiziert. Für jedes Grad Celsius, um das die Umgebungstemperatur über 25°C steigt, müssen Sie die maximal zulässige Leistung um 1,33 mW reduzieren. Zum Beispiel beträgt bei 65°C (40°C über 25°C) die reduzierte Maximalleistung für den Transistor 100 mW - (40 * 1,33 mW) = 100 - 53,2 = 46,8 mW.

8. Praktische Anwendungsfallstudie

Szenario: Papiererkennung in einem Drucker.

Der LTH-209-01 kann verwendet werden, um die Vorderkante von Papier zu erkennen, während es durch einen Druckermechanismus läuft. Der Sensor ist auf der Hauptplatine montiert, wobei seine Erfassungsfläche zum Papierweg ausgerichtet ist. Ein reflektierender Streifen oder das Papier selbst (wenn ausreichend reflektierend) dient als Ziel. Wenn kein Papier vorhanden ist, ist der Ausgang hoch. Wenn die Papierkante unter dem Sensor vorbeiläuft, aktiviert das reflektierte IR-Licht den Fototransistor und zieht den Ausgang auf niedriges Potential. Dieses digitale Signal informiert den Mikrocontroller des Druckers über die Papierposition und ermöglicht eine genaue Steuerung des Druckzeitpunkts. Wichtige Designpunkte hierbei sind die Wahl eines Pull-Up-Widerstands für eine saubere Schnittstelle zur 3,3-V- oder 5-V-Logik des MCUs, die Sicherstellung eines mechanisch stabilen Papierwegs zur Aufrechterhaltung des korrekten Erfassungsbereichs und möglicherweise das Hinzufügen eines einfachen RC-Filters am Ausgang, um das durch die Papiertextur verursachte Prellen des Signals zu eliminieren.

9. Funktionsprinzip

Der LTH-209-01 arbeitet nach dem Prinzip der modulierten Lichtreflexion und photoelektrischen Umwandlung. Intern emittiert eine Infrarot-Leuchtdiode (IRED) Licht mit einer Wellenlänge von typischerweise etwa 940 nm, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Dieses Licht tritt aus der Vorderseite des Bauteils aus. Wenn ein geeignet reflektierendes Objekt in das Sichtfeld eintritt und sich innerhalb der effektiven Reichweite befindet, reflektiert ein Teil der emittierten IR-Strahlung von der Oberfläche des Objekts zurück zum Bauteil. Ein Silizium-NPN-Fototransistor, der sich neben der IRED im selben Gehäuse befindet, empfängt dieses reflektierte Licht. Die auf die Basisregion des Fototransistors auftreffenden Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare und erzeugen effektiv einen Basisstrom. Dieser photogenerierte Basisstrom wird durch die Verstärkung des Transistors verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt, der extern gemessen werden kann. Diese Änderung des Kollektorstroms (von einem sehr niedrigen Dunkelstrom zum spezifizierten I_C(ON)) ist der grundlegende Erkennungsmechanismus. Das Bauteil wandelt somit ein optisches Ereignis (die Anwesenheit eines reflektierenden Objekts) in ein elektrisches Signal um.

10. Branchentrends und Kontext

Reflektive Foto-Unterbrecher wie der LTH-209-01 repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Technologie innerhalb des breiteren Marktes für optoelektronische Sensoren. Der allgemeine Trend in diesem Bereich geht in Richtung Miniaturisierung, erhöhter Integration und erweiterter Funktionalität. Neuere Bauteile können oberflächenmontierbare (SMD) Gehäuse für die automatisierte Montage, einen geringeren Stromverbrauch und integrierte Signalaufbereitungs-ICs aufweisen, die digitale Ausgänge (I2C, PWM) oder analoge Ausgänge mit verbesserter Linearität bieten. Es gibt auch einen Trend zur Verwendung spezifischer Wellenlängen oder zum Einbau optischer Filter, um die Immunität gegen Umgebungslicht zu verbessern. Darüber hinaus verbessern die Entwicklung von Materialien und Verpackungstechniken kontinuierlich den Temperaturbereich, die Feuchtigkeitsbeständigkeit und die Langzeitstabilität dieser Komponenten. Während fortschrittliche Alternativen existieren, bleibt der durchsteckmontierbare, diskrete Fototransistor-Ausgangs-Reflexionssensor eine kostengünstige und vielseitige Lösung für unzählige berührungslose Erfassungsanwendungen, bei denen Einfachheit, Robustheit und bewährte Leistung von größter Bedeutung sind.