LTH-306-09S Foto-Unterbrecher Datenblatt - Ersatz für mechanische Schalter - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-306-09S ist ein Foto-Unterbrecher, eine Art optoelektronisches Bauteil, das zur Erkennung der Unterbrechung eines Lichtstrahls konzipiert ist. Er dient als direkter, festkörperbasierter Ersatz für traditionelle mechanische Schalter in verschiedenen Sensoranwendungen. Der Kernvorteil liegt in seinem berührungslosen Betrieb, der Probleme im Zusammenhang mit mechanischem Verschleiß, Kontaktprellen und physikalischem Abbau über die Zeit eliminiert. Dies macht ihn äußerst zuverlässig für Anwendungen, die häufige Betätigung oder Betrieb in Umgebungen erfordern, wo Staub, Feuchtigkeit oder Vibration mechanische Kontakte beeinträchtigen könnten. Das Bauteil eignet sich für einen breiten Markt, einschließlich Industrieautomation (Positionserfassung, Endschalter), Unterhaltungselektronik (Drucker-Papiererkennung, Laufwerkschubladen-Erfassung) und Sicherheitssysteme (Türverriegelungs-Erkennung).

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Eingangs-LED:
  • Verlustleistung:75 mW. Dies ist die maximale Dauerleistung, die die LED bei der spezifizierten Umgebungstemperatur verarbeiten kann.
  • Spitzen-Durchlassstrom:1 A (unter gepulsten Bedingungen: 300 pps, 10 μs Pulsbreite). Dieser Wert ist entscheidend für das Ansteuern der LED mit kurzen, hochintensiven Pulsen.
  • Dauer-Durchlassstrom:50 mA. Der maximale Gleichstrom für zuverlässigen Dauerbetrieb.
  • Sperrspannung:5 V. Eine Überschreitung kann den LED-Übergang beschädigen.
• Ausgangs-Fototransistor:
  • Verlustleistung:100 mW.
  • Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE):30 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter angelegt werden kann.
  • Emitter-Kollektor-Spannung:5 V.
  • Kollektorstrom:20 mA. Der maximale Strom, den der Ausgang des Fototransistors führen kann.
• Umgebung:
  • Betriebstemperaturbereich:-25°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für die normale Funktion des Bauteils.
  • Lagertemperaturbereich:-40°C bis +100°C.
  • Löt-Temperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden (für Anschlüsse 1,6mm vom Gehäuse entfernt). Dies definiert die Einschränkung für das Reflow-Lötprofil.

2.2 Elektrische & optische Kenngrößen

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

• Eingangs-LED-Kenngrößen:
  • Durchlassspannung (V_F):Typischerweise 1,2V bis 1,6V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA. Dies wird verwendet, um den erforderlichen Vorwiderstandswert zu berechnen: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • Sperrstrom (I_R):Maximal 100 μA bei einer Sperrspannung von 5V.
• Ausgangs-Fototransistor-Kenngrößen:
  • Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=10V. Dies ist der Leckstrom, wenn die LED ausgeschaltet ist (kein Licht). Ein niedriger Wert ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis wünschenswert.
  • Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Typischerweise 0,4V bei I_C=0,25mA und I_F=20mA. Dies ist der Spannungsabfall über dem Fototransistor, wenn er vollständig "eingeschaltet" ist.
  • Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)):Mindestens 0,5 mA bei V_CE=5V und I_F=20mA. Dies spezifiziert den minimalen Ausgangsstrom, wenn der Lichtweg nicht unterbrochen ist.
• Koppler-Kenngröße:
  • Schaltwinkel:8° bis 14°. Dies ist ein kritischer Parameter, der die Winkelverschiebung des unterbrechenden Objekts (z.B. eines Hebelarms) definiert, die erforderlich ist, um den Ausgangszustand zuverlässig zu schalten. Ein kleinerer Winkel zeigt eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Bewegung an.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektrische/optische Kennlinien. Während die spezifischen Grafiken im Text nicht bereitgestellt werden, wird ihr standardmäßiger Zweck unten analysiert.

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V_F-Kurve):Diese Grafik zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung der LED. Sie hilft Entwicklern, den dynamischen Widerstand der LED zu verstehen und einen stabilen Stromantrieb sicherzustellen.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE-Kurven):Diese Kurven, aufgezeichnet für verschiedene LED-Ansteuerströme (I_F), veranschaulichen die Ausgangskennlinien des Fototransistors. Sie zeigen den Sättigungsbereich (wo I_Crelativ konstant ist) und den linearen/aktiven Bereich, der für analoge Sensoranwendungen wichtig ist.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom:CTR ist das Verhältnis von Fototransistor-Kollektorstrom (I_C) zu LED-Durchlassstrom (I_F), typischerweise in Prozent ausgedrückt. Diese Kurve zeigt, wie sich der Wirkungsgrad mit dem Ansteuerstrom ändert, und ist entscheidend für die Optimierung der Ansteuerschaltung für den gewünschten Ausgangshub.
• Temperaturabhängigkeitskurven:Grafiken, die zeigen, wie Parameter wie V_F, I_C(ON)und Dunkelstrom mit der Umgebungstemperatur variieren, sind für den Entwurf robuster Systeme, die über den spezifizierten Temperaturbereich arbeiten, unerlässlich.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

Das Datenblatt enthält eine Zeichnung der Gehäuseabmessungen (hier nicht wiedergegeben). Wichtige mechanische Überlegungen umfassen:

• Schlitzabmessungen:Der kritische Spalt, durch den das unterbrechende Objekt hindurchgeht. Seine Breite und Tiefe bestimmen die Kompatibilität mit dem Zielobjekt.
• Anschlussabstand und -form:Die Pin-Belegung (wahrscheinlich eine Standard-4-Pin-Konfiguration: Anode, Kathode für die LED; Kollektor, Emitter für den Fototransistor) und ihr Abstand sind entscheidend für das PCB-Footprint-Design.
• Gesamtgehäusegröße:Die externe Länge, Breite und Höhe schränken die Platzierung des Bauteils innerhalb einer Baugruppe ein.
• Polaritätskennzeichnung:Das Gehäuse hat Markierungen (wie einen Punkt oder eine abgeschrägte Kante), um Pin 1 zu identifizieren, der korrekt mit dem PCB-Footprint ausgerichtet sein muss.
• Benutzerdefinierte Hebelarme:Ein erwähnenswertes Merkmal ist die Möglichkeit, benutzerdefinierte Hebelarme zu entwerfen, die am unterbrechenden Objekt befestigt werden, wodurch der Sensor an spezifische mechanische Bewegungen angepasst und seine Anwendungsflexibilität erhöht werden kann.

5. Löt- & Montagerichtlinien

Eine sachgemäße Handhabung ist für die Zuverlässigkeit entscheidend.

• Reflow-Löten:Der spezifizierte Grenzwert beträgt 260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt. Dies entspricht typischen bleifreien Reflow-Profilen. Entwickler müssen sicherstellen, dass das thermische Profil ihres Reflow-Ofens diesen Grenzwert nicht überschreitet, um Schäden am internen Epoxidharz oder an den Halbleiterübergängen zu verhindern.
• Handlöten:Falls Handlöten erforderlich ist, sollte ein temperaturgeregeltes Lötgerät verwendet werden, und die Lötzeit pro Anschluss sollte minimiert werden (typischerweise < 3 Sekunden).
• Reinigung:Verwenden Sie geeignete, nicht korrosive Reinigungsmittel, die mit dem Kunststoffgehäuse des Bauteils kompatibel sind.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Bereichs von -40°C bis +100°C, um Feuchtigkeitsaufnahme (die während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" führen kann) und elektrostatische Entladung (ESD) zu verhindern.

6. Anwendungsvorschläge & Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die gebräuchlichste Konfiguration ist ein digitaler Schalter. Die LED wird mit einem Konstantstrom angesteuert (z.B. 20mA über einen Vorwiderstand). Der Kollektor des Fototransistors ist über einen Pull-up-Widerstand (R_pull-up) mit der Logik-Versorgungsspannung (z.B. 5V) verbunden, und der Emitter ist geerdet. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor-Knoten abgenommen.

• Unterbrochener Strahl (Objekt abwesend):Licht fällt auf die Basis des Fototransistors und lässt ihn leiten. Die Kollektorspannung wird auf ein niedriges Potential gezogen (nahe V_CE(SAT)).
• Unterbrochener Strahl (Objekt anwesend):Der Fototransistor schaltet aus. Der Pull-up-Widerstand zieht die Kollektorspannung auf ein hohes Potential (zur Versorgungsspannung).

Der Wert von R_pull-upist ein Kompromiss: Ein niedrigerer Wert bietet schnellere Anstiegszeiten und eine bessere Störfestigkeit, zieht aber mehr Strom, wenn der Ausgang niedrig ist. Er sollte basierend auf der erforderlichen Schaltgeschwindigkeit und den Eingangseigenschaften der nachfolgenden Logikstufe gewählt werden.

6.2 Designüberlegungen

• LED-Stromauswahl:Der Betrieb mit dem typischen Wert von 20mA liefert einen guten Ausgangsstrom. Niedrigere Ströme sparen Energie, verringern aber I_C(ON)und die Störabstandsgrenze. Überschreiten Sie nicht den Nennwert für den Dauer-Durchlassstrom.
• Immunität gegen Umgebungslicht:Das Bauteil ist empfindlich für die spezifische Wellenlänge seiner internen LED. In Umgebungen mit starkem Umgebungslicht (insbesondere Sonnenlicht mit IR-Anteil) kann jedoch ein moduliertes (gepulstes) LED-Ansteuersignal mit synchroner Detektion im Empfangskreis die Immunität erheblich verbessern.
• Ansprechzeit:Die Schaltgeschwindigkeit (Anstiegs-/Abfallzeit) ist durch die Kapazität des Fototransistors und den Wert des Pull-up-Widerstands begrenzt. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen konsultieren Sie, falls verfügbar, spezifische dynamische Kennliniendiagramme.
• Objekteigenschaften:Die Opazität, Dicke und Farbe des unterbrechenden Objekts beeinflussen die Menge des blockierten Lichts. Für einen zuverlässigen Betrieb sollte das Objekt ausreichend lichtundurchlässig sein, um den Fototransistorstrom unter seinen Schwellenwert für den "Aus"-Zustand zu reduzieren.
• Ausrichtung:Eine präzise mechanische Ausrichtung des Objekts innerhalb des Sensorschlitzes ist für einen konsistenten Betrieb notwendig, insbesondere angesichts des definierten Schaltwinkels.

7. Technischer Vergleich & Vorteile

Im Vergleich zu mechanischen Mikroschaltern bietet der LTH-306-09S Foto-Unterbrecher mehrere Schlüsselvorteile:

• Langlebigkeit & Zuverlässigkeit:Keine beweglichen Kontakte, die verschleißen, Lichtbögen bilden oder oxidieren können. Die Lebensdauer ist typischerweise um Größenordnungen länger.
• Hochgeschwindigkeitsbetrieb:Kann viel schneller schalten als mechanische Schalter, die durch Kontaktprellen und mechanische Trägheit begrenzt sind.
• Konsistente Leistung:Kontaktwiderstand spielt keine Rolle. Die Ausgangseigenschaften bleiben über die Zeit stabil.
• Umweltdichtung:Das Kunststoffgehäuse kann im Vergleich zu einem mechanischen Schalter mit externem Betätiger leichter gegen Staub und Feuchtigkeit abgedichtet werden.
• Leiser Betrieb:Völlig geräuschlos, im Gegensatz zum hörbaren Klicken eines mechanischen Schalters.

Der Kompromiss ist die Notwendigkeit unterstützender Elektronik (eine Stromquelle für die LED und einen Pull-up-Widerstand) und die potenzielle Empfindlichkeit gegenüber extremem Umgebungslicht oder Verschmutzung des Lichtwegs.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

• F: Kann ich die LED direkt von einem 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?A: Nein. Sie müssen einen Vorwiderstand verwenden. Zum Beispiel, mit V_CC=5V, V_F~1,4V, und gewünschtem I_F=20mA: R = (5V - 1,4V) / 0,02A = 180Ω. Ein 180Ω oder 220Ω Widerstand ist typisch.
• F: Was bedeutet der "Schaltwinkel" von 8-14 Grad für mein Design?A: Es bedeutet, dass der physikalische Hebel oder Flag, der den Strahl unterbricht, sich beim Durchgang durch den Schlitz um mindestens 8 Grad (und typischerweise bis zu 14 Grad) drehen oder bewegen muss, um einen zuverlässigen Schaltvorgang vom "Ein"- in den "Aus"-Zustand zu garantieren. Ihr mechanisches Design muss diese Winkelbewegung sicherstellen.
• F: Der Ausgangskollektorstrom (I_C(ON)) beträgt nur mindestens 0,5mA. Reicht das aus, um einen Logikeingang anzusteuern?A: Ja, für Standard-CMOS- oder TTL-Logikeingänge, die einen sehr hohen Eingangswiderstand haben (nur Mikroampere benötigen), ist eine Senken-Fähigkeit von 0,5mA mehr als ausreichend. Das Spannungsniveau (niedrig = ~0,4V) ist der kritische Parameter.
• F: Wie schütze ich das Bauteil vor Spannungsspitzen auf den Versorgungsleitungen?A: Verwenden Sie Standard-Entkopplungskondensatoren auf Leiterplattenebene (z.B. 100nF Keramik) in der Nähe des Bauteils. Für raue Umgebungen können zusätzliche Transientenspannungsunterdrückungs-(TVS-)Dioden auf der Versorgungsschiene in Betracht gezogen werden.

9. Praktische Anwendungsbeispiele

• Drucker-Papiererkennung:Ein Flag, das am Papierschubladenhebel befestigt ist, dreht sich durch den Schlitz des Foto-Unterbrechers. Wenn Papier vorhanden ist, befindet sich das Flag in einer Position (Strahl nicht unterbrochen); wenn leer, bewegt es sich in die andere Position (Strahl unterbrochen) und signalisiert dies dem Steuerungssystem.
• Objektzählung auf Industrieförderbändern:Objekte auf dem Förderband passieren ein Tor, das mit einem Foto-Unterbrecher ausgestattet ist. Jedes Objekt unterbricht den Strahl und erzeugt einen Puls, der von einer SPS oder einem Mikrocontroller gezählt wird.
• Sicherheitstür-Verriegelung:Der Foto-Unterbrecher ist an einem Türrahmen montiert, und ein Lappen ist an der Tür montiert. Wenn die Tür richtig geschlossen ist, tritt der Lappen in den Schlitz ein, lässt den Strahl passieren und signalisiert einen "sicheren" Zustand. Wenn die Tür offen ist, wird der Strahl blockiert, signalisiert einen "unsicheren" Zustand, der Maschinen abschalten kann.
• Erfassung von Drehgeber-Scheiben:Eine geschlitzte Scheibe, die an einer Motorwelle befestigt ist, dreht sich zwischen Emitter und Detektor. Die Reihe von Lichtpulsen, die beim Durchgang der Schlitze erzeugt wird, wird zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Position verwendet.

10. Funktionsprinzip

Ein Foto-Unterbrecher ist ein Optokoppler mit einem physikalischen Spalt zwischen seinem Emitter und Detektor. Er besteht aus einer infraroten Leuchtdiode (LED) auf einer Seite und einem Silizium-Fototransistor auf der gegenüberliegenden Seite, die über einen offenen Schlitz ausgerichtet sind. Wenn ein elektrischer Strom an die LED angelegt wird, emittiert sie infrarotes Licht. Dieses Licht durchquert den Spalt und trifft auf die Basisregion des Fototransistors. Die Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in der Basis, die effektiv als Basisstrom wirken. Dieser photogenerierte Strom wird dann durch die Verstärkung des Transistors verstärkt, wodurch ein viel größerer Kollektorstrom fließen kann. Wenn ein lichtundurchlässiges Objekt in den Schlitz eintritt, blockiert es den Lichtweg. Der photogenerierte Basisstrom hört auf, schaltet den Fototransistor aus und stoppt den Kollektorstrom. Somit steuert die An- oder Abwesenheit eines Objekts im Schlitz die Leitfähigkeit des Ausgangs-Fototransistors digital.

11. Technologietrends

Die grundlegende Technologie von Foto-Unterbrechern ist ausgereift. Aktuelle Trends konzentrieren sich auf Integration und Miniaturisierung. Bauteile werden in der Gehäusegröße kleiner (SMD-Typen), während die Leistung beibehalten oder verbessert wird. Es gibt auch einen Trend zur Integration zusätzlicher Schaltkreise auf dem Chip, wie z.B. Schmitt-Trigger für Hysterese (um sauberes digitales Schalten ohne externe Komponenten zu ermöglichen), Verstärker für analoge Ausgänge oder sogar vollständige digitale Schnittstellen (I2C). Dies reduziert die Anzahl externer Komponenten und vereinfacht das Design. Darüber hinaus ermöglichen Bauteile mit höherer Empfindlichkeit den Betrieb mit niedrigeren LED-Strömen, was den Gesamtstromverbrauch des Systems reduziert, was für batteriebetriebene Anwendungen entscheidend ist. Die Entwicklung von Materialien für den Lichtweg (Linsen, Filter) verbessert ebenfalls weiterhin die Unterdrückung von Umgebungslicht und die Erfassungsgenauigkeit.