LTH-301-19 Foto-Unterbrecher Datenblatt - Berührungsloses Schalten - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-301-19 ist ein kompaktes, berührungsloses Schaltgerät für Anwendungen, die eine zuverlässige Objekterkennung oder Positionserfassung erfordern. Er arbeitet nach dem Prinzip einer Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED), die mit einem Fototransistor gekoppelt ist. Wenn ein Objekt den Infrarotstrahl zwischen Sender und Empfänger unterbricht, ändert sich der Ausgangszustand des Fototransistors und liefert so ein Schaltsignal. Das Bauteil eignet sich für die direkte Leiterplattenmontage oder den Einsatz mit DIL-Sockeln und bietet eine schnelle, zuverlässige Lösung für verschiedene industrielle und konsumelektronische Anwendungen.

2. Tiefgehende Interpretation der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Limits, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Die IR-Diode kann einen Dauerstrom von 60 mA und eine Sperrspannung von 5 V verkraften. Der Kollektorstrom des Fototransistors ist auf 20 mA bei einer Verlustleistung von 100 mW begrenzt. Für die IR-Diode ist unter Impulsbedingungen (10 μs Impulsbreite, 300 pps) ein Spitzenstrom von 1 A zulässig. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -25°C und +85°C, der Lagerbereich zwischen -40°C und +100°C. Die Löttemperatur der Anschlüsse darf 260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6 mm vom Gehäuse entfernt, nicht überschreiten.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Dieser Abschnitt beschreibt die Leistung des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen bei 25°C Umgebungstemperatur.

2.2.1 Eingangs-LED-Kenngrößen

Die Durchlassspannung (VF) der IR-LED beträgt typischerweise 1,6 V bei einem Durchlassstrom (IF) von 20 mA, maximal 1,6 V. Der Sperrstrom (IR) beträgt maximal 100 μA bei einer Sperrspannung (VR) von 5 V.

2.2.2 Ausgangs-Fototransistor-Kenngrößen

Die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V(BR)CEO) beträgt mindestens 30 V. Die Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (V(BR)ECO) beträgt mindestens 5 V. Der Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (ICEO) beträgt maximal 100 nA bei VCE=10 V und gibt den Leckstrom an, wenn die LED ausgeschaltet ist.

2.2.3 Koppler-Kenngrößen

Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (VCE(SAT)) beträgt maximal 0,4 V, wenn der Fototransistor in Sättigung getrieben wird (IC=70 μA, IF=1,4 mA). Der Kollektorstrom im eingeschalteten Zustand (IC(ON)) beträgt typischerweise 70 μA bei VCE=3,3 V und IF=1,4 mA und kann bei VCE=5 V und IF=20 mA bis zu 10 mA erreichen. Dies zeigt die Empfindlichkeit und Ausgangsfähigkeit des Bauteils unter verschiedenen Ansteuerbedingungen.

2.2.4 Ansprechzeit

Die Schaltgeschwindigkeit wird durch die Anstiegszeit (tr) und die Abfallzeit (tf) charakterisiert. Die typische Anstiegszeit beträgt 3 μs (max. 15 μs), die typische Abfallzeit 4 μs (max. 20 μs), gemessen unter spezifischen Testbedingungen (VCE=5 V, Ic=2 mA, RL=100 Ω). Dies definiert die Fähigkeit des Bauteils zur Hochgeschwindigkeitserkennung.

3. Mechanische und Gehäuseinformationen

3.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verfügt über ein Standard-Durchsteckgehäuse. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, die Standardtoleranz beträgt ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben. Die genaue Maßzeichnung im Datenblatt zeigt die Gehäusegröße, Anschlussabstände und den Platzbedarf für das Leiterplattenlayout.

3.2 Polaritätskennzeichnung

Die korrekte Ausrichtung ist entscheidend. Das Datenblatt enthält eine Abbildung, die Anode und Kathode der IR-LED sowie Kollektor und Emitter des Fototransistors klar kennzeichnet. Eine falsche Montage kann zu Fehlfunktionen oder Beschädigungen führen.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische elektrische und optische Kennlinien, die, sofern nicht anders angegeben, bei 25°C Umgebungstemperatur aufgezeichnet sind. Diese Diagramme sind wesentlich, um das Verhalten des Bauteils über die tabellierten Minimal-, Typ- und Maximalwerte hinaus zu verstehen.

4.1 Übertragungskennlinie

Die Kurven zeigen vermutlich den Zusammenhang zwischen dem Eingangs-LED-Durchlassstrom (IF) und dem Ausgangskollektorstrom des Fototransistors (IC) bei verschiedenen Kollektor-Emitter-Spannungen (VCE). Dies veranschaulicht das Stromübertragungsverhältnis (CTR), einen Schlüsselparameter für die Verstärkung.

4.2 Ausgangssättigungskennlinie

Diagramme, die VCE(SAT) gegenüber IC für verschiedene IF-Level darstellen, helfen Entwicklern, die Ausgangsspannungspegel zu verstehen, wenn der Fototransistor vollständig leitend ist. Dies ist wichtig für die Schnittstelle zu Logikschaltungen.

4.3 Temperaturabhängigkeit

Während die Primärdaten bei 25°C gelten, können Kennlinien zeigen, wie Parameter wie Dunkelstrom (ICEO) und Ausgangsstrom mit der Temperatur variieren. Dies ist entscheidend für den Entwurf stabiler Systeme über den spezifizierten Betriebstemperaturbereich.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Lötparameter

Der absolute Grenzwert gibt an, dass die Anschlüsse bei maximal 260°C für höchstens 5 Sekunden gelötet werden dürfen, wobei die Temperatur 1,6 mm (0,063") vom Kunststoffgehäuse entfernt gemessen wird. Dies ist entscheidend, um thermische Schäden an den internen Komponenten und dem Kunststoffgehäuse zu verhindern.

5.2 Handhabung und Lagerung

Das Bauteil sollte innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -40°C bis +100°C gelagert werden. Während der Handhabung und Montage sind Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Schutz vor elektrostatischer Entladung) zu beachten, um Schäden an den Halbleiterübergängen zu verhindern.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsszenarien

Der LTH-301-19 ist ideal für berührungslose Erfassung in Druckern (Papierstauerkennung, Tonerstand), Kopierern, Automaten (Münz-/Objekterkennung), Industrieautomation (Positionserfassung, Endschalter) und Konsumelektronik. Seine schnelle Schaltgeschwindigkeit macht ihn für Zähl- oder Geschwindigkeitsmessanwendungen geeignet.

6.2 Designüberlegungen

Vorwiderstand für die LED:Ein externer Widerstand muss in Reihe mit der IR-LED geschaltet werden, um ihren Durchlassstrom (IF) auf einen sicheren Wert zu begrenzen, typischerweise zwischen dem Testzustand von 1,4 mA und dem absoluten Maximum von 60 mA, um Helligkeit und Lebensdauer auszugleichen.
Lastwiderstand:Der Wert des Lastwiderstands (RL) am Kollektor des Fototransistors beeinflusst sowohl den Ausgangsspannungshub als auch die Ansprechzeit. Ein kleinerer RL ermöglicht schnelleres Schalten, aber einen kleineren Ausgangsspannungshub.
Umgebungslicht:Als Infrarotgerät ist es weniger anfällig für Störungen durch sichtbares Umgebungslicht. Für kritische Anwendungen können jedoch mechanische Abschirmung oder Modulations-/Demodulationstechniken eingesetzt werden, um die Störfestigkeit zu erhöhen.
Ausrichtung:Eine präzise mechanische Ausrichtung zwischen den Schlitzen von Sender und Empfänger ist für optimale Leistung und maximale Erfassungsentfernung notwendig.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu mechanischen Schaltern bietet der LTH-301-19 den entscheidenden Vorteil der berührungslosen Funktion, was zu keinem Verschleiß, längerer Lebensdauer, geräuschlosem Betrieb und potenziell höheren Schaltgeschwindigkeiten führt. Im Vergleich zu anderen optischen Sensoren bietet sein integriertes Gehäuse mit Schlitz einen eingebauten Lichtweg, vereinfacht das mechanische Design und verbessert die Ausrichtungszuverlässigkeit gegenüber separaten Sender- und Empfängerkomponenten. Die spezifizierte Sättigungsspannung (VCE(SAT)<0,4 V) gewährleistet eine gute Kompatibilität mit Niederspannungs-Logikschaltungen.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Welchen Zweck hat der Dunkelstrom-Parameter (ICEO)?
A: Dunkelstrom ist der kleine Leckstrom, der durch den Fototransistor fließt, wenn kein Licht von der IR-LED einfällt (d.h., der Strahl ist blockiert oder die LED ist aus). Ein niedriger Dunkelstrom (max. 100 nA) ist wünschenswert, da er den "Aus-Zustands"-Strom minimiert und so eine klarere Unterscheidung zwischen Ein- und Aus-Zustand des Schalters ermöglicht.

F: Wie wähle ich den Wert für den LED-Vorwiderstand?
A: Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz: R = (Vcc - VF) / IF. Vcc ist Ihre Versorgungsspannung, VF ist die LED-Durchlassspannung (für Designreserve 1,6 V verwenden) und IF ist Ihr gewünschter Betriebsstrom (z.B. 20 mA für volle Ausgangsleistung). Stellen Sie sicher, dass die berechnete Verlustleistung im Widerstand innerhalb seiner Nennleistung liegt.

F: Kann dieser Sensor im Freien verwendet werden?
A: Der Betriebstemperaturbereich von -25°C bis +85°C deckt viele Umgebungen ab. Direktes Sonnenlicht enthält jedoch starke Infrarotstrahlung, die den Sensor sättigen könnte. Eine Umgebungsabdichtung gegen Staub und Feuchtigkeit ist nicht Teil der Gehäusespezifikation und müsste separat berücksichtigt werden.

F: Was beeinflusst die Erfassungsentfernung oder den Spalt?
A: Der Erfassungsspalt wird vom LED-Treiberstrom (IF), der Empfindlichkeit des Fototransistors, der Ausrichtung und der Opazität des strahlunterbrechenden Objekts beeinflusst. Das Datenblatt gibt keinen maximalen Spalt an; dieser muss empirisch für ein spezifisches Objekt und den erforderlichen Signalabstand ermittelt werden.

9. Praktischer Anwendungsfall

Fall: Papiererkennung in einem Desktop-Drucker.Der LTH-301-19 kann so montiert werden, dass der Papierweg durch seinen Schlitz verläuft. Ein Mikrocontroller-GPIO-Pin, der mit einem Pull-up-Widerstand konfiguriert ist, überwacht den Kollektor des Fototransistors. Wenn kein Papier vorhanden ist, erreicht der IR-Strahl den Detektor, schaltet den Fototransistor ein und zieht die Kollektorspannung auf niedrig (nahe VCE(SAT)). Wenn Papier in den Schlitz eintritt, blockiert es den Strahl, schaltet den Fototransistor aus und ermöglicht es dem Pull-up-Widerstand, die Kollektorspannung auf Vcc hochzuziehen. Der Mikrocontroller erkennt diesen Spannungsübergang, um die Papierpräsenz zu bestätigen oder eine "Papier leer"-Warnung auszulösen. Die schnelle Ansprechzeit gewährleistet die Erkennung auch bei sich schnell bewegendem Papier.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Der LTH-301-19 ist ein optischer Durchlichtsensor in einem U-förmigen Kunststoffgehäuse. Auf einer Seite emittiert eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) Licht mit einer Wellenlänge von typischerweise etwa 940 nm. Direkt gegenüber, auf der anderen Seite des Schlitzes, fungiert ein Silizium-NPN-Fototransistor als Empfänger. Der Fototransistor ist so ausgelegt, dass einfallendes Licht auf seine Basiszone Elektron-Loch-Paare erzeugt, die als Basisstrom wirken und damit einen viel größeren Kollektor-Emitter-Strom steuern. Wenn sich kein Objekt im Schlitz befindet, trifft Licht der IR-LED auf den Fototransistor und lässt ihn leiten (EIN-Zustand). Wenn ein Objekt in den Schlitz eintritt, blockiert es den Lichtweg, reduziert das Licht auf den Fototransistor drastisch und lässt ihn nicht mehr leiten (AUS-Zustand). Diese Änderung des Ausgangsstroms/-spannung wird als Schaltsignal verwendet.

11. Technologietrends

Foto-Unterbrecher wie der LTH-301-19 repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Technologie. Aktuelle Trends in diesem Bereich umfassen die Miniaturisierung des Gehäuses für höhere Leiterplattenbestückungsdichte, die Entwicklung von SMD-Versionen (Surface-Mount Device) zur Erleichterung der automatisierten Montage und die Integration zusätzlicher Schaltungskomponenten wie Schmitt-Trigger oder Verstärker innerhalb des Gehäuses, um ein sauberes digitales Ausgangssignal zu liefern und die Störfestigkeit zu verbessern. Ein weiterer Fokus liegt auf der Reduzierung des Stromverbrauchs, insbesondere für batteriebetriebene Anwendungen, durch Optimierung der LED-Effizienz und der Fototransistor-Empfindlichkeit. Darüber hinaus integrieren einige fortschrittliche Varianten mehrere Sender oder Empfänger in einem einzigen Gehäuse für kodierte Positionserfassung oder zur Bereitstellung von Redundanz.