Datenblatt Photointerrupter LTH-301-05 - Berührungsloses Schalten - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-301-05 ist ein reflektierender Photointerrupter, eine Art optoelektronisches Bauteil, das eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) und einen Fototransistor in einem einzigen, kompakten Gehäuse vereint. Seine Hauptfunktion besteht darin, die An- oder Abwesenheit eines Objekts ohne physischen Kontakt zu erfassen, wodurch er als berührungsloser Schalter fungiert. Der zentrale Vorteil dieses Bauteils liegt in seiner Zuverlässigkeit und Langlebigkeit, da es den mechanischen Verschleiß herkömmlicher Schalter vermeidet. Es ist für die direkte Montage auf einer Leiterplatte (PCB) oder die Verwendung mit einem Dual-Inline-Sockel konzipiert und bietet somit Flexibilität bei der Montage. Die hohe Schaltgeschwindigkeit macht ihn geeignet für Anwendungen, die eine schnelle Erfassung erfordern, wie z.B. in Druckern, Kopierern, Verkaufsautomaten und Industrieautomationsgeräten, wo Positionserfassung, Objektzählung oder Kantendetektion benötigt wird.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie gelten nicht für den Dauerbetrieb. Zu den wichtigsten Parametern gehören:

• IR-Diode Dauer-Durchlassstrom (I_F)): 60 mA. Dies ist der maximale stationäre Strom, der durch die LED fließen darf.
• IR-Diode Spitzen-Durchlassstrom: 1 A (für Pulse von 10 μs Breite bei 300 Pulsen pro Sekunde). Dies ermöglicht kurze, hochintensive Pulse für eine verbesserte Signalerfassung.
• Fototransistor Kollektorstrom (I_C)): 20 mA. Der maximale Strom, den der Ausgangstransistor verkraften kann.
• Fototransistor Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO)): 30 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter des Fototransistors anliegen darf.
• Betriebstemperaturbereich: -25°C bis +85°C. Dies definiert den Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb.
• Löttemperatur der Anschlüsse: 260°C für 5 Sekunden in einem Abstand von 1,6mm vom Gehäuse. Dies ist für die Montage entscheidend, um thermische Schäden zu vermeiden.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

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

2.2.1 Eingangs- (IR-LED) Kenngrößen

• Durchlassspannung (V_F)): Typischerweise 1,2V bis 1,6V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA. Dies ist der Spannungsabfall über der LED, wenn sie leuchtet.
• Sperrstrom (I_R)): Maximal 100 μA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dies zeigt den geringen Leckstrom an, wenn die LED in Sperrrichtung betrieben wird.

2.2.2 Ausgangs- (Fototransistor) Kenngrößen

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO)): Mindestens 30V. Die Spannung, bei der der Transistor durchbricht, wenn die Basis offen ist.
• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO)): Maximal 100 nA bei V_CE=10V. Dies ist der Leckstrom des Fototransistors, wenn kein Licht einfällt (d.h. der "Aus"-Zustandsstrom). Ein niedriger Wert ist für einen guten Kontrast zwischen Ein- und Aus-Zustand wünschenswert.

2.2.3 Koppler- (Kombinierte) Kenngrößen

Diese Parameter beschreiben das Verhalten von LED und Fototransistor im Zusammenspiel.

• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT))): Maximal 0,4V, wenn der Fototransistor vollständig eingeschaltet ist (I_C=0,25mA, I_F=20mA). Eine niedrige Sättigungsspannung ist vorteilhaft für die Schnittstelle zu digitaler Logik.
• Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON))): Mindestens 0,5 mA, wenn die LED angesteuert wird (I_F=20mA) und V_CE=5V. Dies ist der erzeugte Fotostrom, der die Ausgangssignalstärke bestimmt.
• Ansprechzeit: Dies definiert, wie schnell der Ausgang auf eine Änderung des Eingangslichts reagiert.
  • Anstiegszeit (t_r)): Typisch 3 μs, maximal 15 μs. Die Zeit, die der Ausgangsstrom benötigt, um von 10% auf 90% seines Endwerts anzusteigen, wenn die LED eingeschaltet wird.
  • Abfallzeit (t_f)): Typisch 4 μs, maximal 20 μs. Die Zeit, die der Ausgangsstrom benötigt, um von 90% auf 10% seines Anfangswerts abzufallen, wenn die LED ausgeschaltet wird.

3. Mechanische und Gehäuseinformationen

3.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verfügt über ein Standard-Durchsteckgehäuse mit vier Anschlüssen. Die genauen Abmessungen sind in den Zeichnungen des Datenblatts angegeben. Wichtige Hinweise sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, Zollwerte stehen in Klammern.
• Die Standardtoleranz beträgt ±0,25mm (±0,010"), sofern nicht anders angegeben.
• Das Gehäuse ist für Stabilität während Wellenlöt- oder Handlötprozessen ausgelegt.

3.2 Polaritätskennzeichnung

Die korrekte Ausrichtung ist entscheidend. Das Diagramm im Datenblatt zeigt eindeutig die Anoden- und Kathodenanschlüsse für die IR-LED sowie die Kollektor- und Emitteranschlüsse für den Fototransistor. Eine falsche Montage kann zu Funktionsausfall oder dauerhaften Schäden führen.

4. Löt- und Montagerichtlinien

Eine sachgemäße Handhabung gewährleistet die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Bauteils.

• Löten: Die Anschlüsse können bei einer maximalen Temperatur von 260°C gelötet werden, diese Hitze sollte jedoch maximal 5 Sekunden lang einwirken. Es ist entscheidend, den angegebenen Abstand (1,6mm / 0,063") vom Kunststoffgehäuse einzuhalten, um ein Schmelzen oder Verformen des Gehäuses zu verhindern.
• Reinigung: Verwenden Sie geeignete Lösungsmittel, die mit dem Kunststoffmaterial des Bauteils kompatibel sind. Vermeiden Sie Ultraschallreinigung mit bestimmten Frequenzen, die innere Spannungen oder Risse verursachen könnten.
• Lagerbedingungen: Um die Leistung zu erhalten, lagern Sie die Bauteile in einer Umgebung mit einem Temperaturbereich von -40°C bis +100°C und niedriger Luftfeuchtigkeit, vorzugsweise in antistatischer Verpackung, um Schäden durch elektrostatische Entladung (ESD) zu verhindern.

5. Anwendungsvorschläge

5.1 Typische Anwendungsszenarien

• Papiererfassung in Druckern/Kopierern: Erkennung von Papierstau, Papierende oder Mehrfachzuführung.
• Objektzählung: Zählen von Gegenständen auf einem Förderband oder durch einen Schacht.
• Positions-/Geschwindigkeitserfassung: Erkennung von Schlitzen in einem Encoderrad zur Bestimmung der Drehposition oder Geschwindigkeit eines Motors.
• Verkaufsautomaten: Verifizierung des Münzdurchgangs oder der Produktausgabe.
• Sicherheitssysteme: Als Teil eines Lichtschrankensensors für Einbruchserkennung.

5.2 Designüberlegungen

• LED-Strombegrenzung: Verwenden Sie stets einen Vorwiderstand in Reihe mit der IR-LED, um den Durchlassstrom (I_F) auf einen sicheren Wert zu begrenzen, typischerweise zwischen 10mA und 20mA für einen Kompromiss zwischen Ausgangssignalstärke und Bauteillebensdauer. Der Widerstandswert kann mit R = (V_CC- V_F) / I_F.
• berechnet werden.Fototransistor-Vorspannung_CC: Ein Pull-up-Widerstand wird typischerweise zwischen den Kollektor des Fototransistors und die positive Versorgungsspannung (V
• ) geschaltet. Der Emitter wird mit Masse verbunden. Der Wert dieses Widerstands (oft zwischen 1kΩ und 10kΩ) und die Versorgungsspannung bestimmen den Ausgangsspannungshub und die Ansprechgeschwindigkeit. Ein kleinerer Widerstand führt zu einer schnelleren Reaktion, aber einem geringeren Ausgangsspannungshub (und höherem Stromverbrauch im eingeschalteten Zustand).Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht
• : Da das Bauteil Infrarotlicht verwendet, ist es weitgehend unempfindlich gegenüber sichtbarem Umgebungslicht. Starke Quellen von IR-Strahlung (wie Sonnenlicht oder Glühlampen) können jedoch Fehlauslösungen verursachen. Die Verwendung eines modulierten IR-Signals und einer Demodulationsschaltung kann die Störfestigkeit erheblich verbessern.Spalt und Reflexionsgrad

: Der Erfassungsabstand und die Signalstärke hängen vom Reflexionsgrad des Zielobjekts und der Breite des Spalts zwischen Sensor und Objekt ab. Dunkle, nicht reflektierende Objekte erzeugen ein schwächeres Signal.

6. Funktionsprinzip

Der LTH-301-05 arbeitet nach einem einfachen optischen Prinzip. Die interne IR-LED emittiert einen Infrarotlichtstrahl. Der LED gegenüber befindet sich ein Fototransistor. Im "ununterbrochenen" Zustand durchquert dieser Lichtstrahl einen kleinen Spalt und trifft auf den Fototransistor, wodurch dieser leitend wird (einschaltet). Wenn ein Objekt in diesen Spalt eingeführt wird, blockiert es das Infrarotlicht. Ohne Lichteinfall auf den Fototransistor hört dieser auf zu leiten (schaltet aus). Diese Änderung des elektrischen Zustands des Fototransistors (von leitend zu nicht leitend oder umgekehrt) wird von der externen Schaltung erfasst und registriert die Anwesenheit des Objekts. Der Fototransistor fungiert im Wesentlichen als eine durch Lichtintensität gesteuerte Stromquelle.

7. Analyse der Kennlinien

• Das Datenblatt enthält typische Kennlinien, die für eine detaillierte Designanalyse von unschätzbarem Wert sind. Obwohl spezifische Grafiken hier nicht im Text wiedergegeben werden, veranschaulichen sie typischerweise folgende Zusammenhänge:_FDurchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V) für die LED
• : Zeigt den nichtlinearen Zusammenhang und hilft, den genauen Spannungsabfall bei verschiedenen Betriebsströmen zu bestimmen._CKollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_CE-V) für den Fototransistor
• : Bei verschiedenen Pegeln des einfallenden Lichts (oder verschiedenen LED-Ansteuerströmen) zeigen diese Kurven die Ausgangskennlinien des Transistors, ähnlich den Ausgangskurven eines Bipolartransistors._CKollektorstrom vs. Durchlassstrom (I_F)-I_C): Diese Übertragungskennlinie ist entscheidend. Sie zeigt, wie der Ausgangsfotostrom (I_F) mit dem Eingangs-LED-Strom (I
• ) variiert. Sie definiert das Stromübertragungsverhältnis (CTR), einen wichtigen Effizienzparameter für den Koppler.Temperaturabhängigkeit_F: Die Kurven zeigen oft, wie Parameter wie Durchlassspannung (V_CEO), Dunkelstrom (I_{) und eingeschalteter Kollektorstrom (I}C(ON)

) mit der Umgebungstemperatur variieren. Dies ist entscheidend für das Design von Systemen, die über einen weiten Temperaturbereich arbeiten.

1. 8. Häufige Fragen basierend auf technischen ParameternF: Was ist der typische Erfassungsabstand?_FA: Der Erfassungsabstand ist im Datenblatt kein einzelner fester Wert. Er hängt vom spezifischen mechanischen Design des Spalts, dem Ansteuerstrom der LED (I_{), der Empfindlichkeit der Empfängerschaltung und dem Reflexionsgrad des unterbrechenden Objekts ab. Der Designer muss dies basierend auf dem I}C(ON)
2. -Parameter und dem Anwendungsaufbau bestimmen.F: Kann ich die LED direkt von einem Mikrocontroller-Pin ansteuern?_FA: Möglich, aber Sie müssen zwei Dinge prüfen: a) Die maximale Stromabgabefähigkeit des Mikrocontroller-Pins muss größer sein als Ihr gewünschter I
3. (z.B. 20mA). b) Sie MÜSSEN wie in den Designüberlegungen beschrieben einen strombegrenzenden Widerstand in Reihe schalten. Schließen Sie eine LED niemals direkt an eine Spannungsquelle an.F: Wie schließe ich den Ausgang an einen digitalen Eingang an?_{A: Die einfachste Methode ist die Verwendung eines Pull-up-Widerstands am Kollektor. Wenn der Lichtweg frei ist, ist der Fototransistor eingeschaltet und zieht die Kollektorspannung auf niedriges Potential (nahe V}CE(SAT)_CC). Wenn das Licht blockiert ist, ist der Transistor ausgeschaltet, und der Pull-up-Widerstand zieht die Kollektorspannung auf hohes Potential (auf V
4. ). Dies liefert ein sauberes logikfähiges Signal.F: Warum ist die Ansprechzeit wichtig?
5. A: Schnelle Ansprechzeiten (Mikrosekunden) ermöglichen es dem Sensor, sehr schnell bewegte Objekte oder rasch aufeinanderfolgende Ereignisse zu erfassen, ohne Zählungen zu verpassen. Dies ist in Hochgeschwindigkeitsmaschinen, Encoderanwendungen oder Kommunikationssystemen mit gepulstem Licht unerlässlich.F: Was passiert, wenn ich die absoluten Maximalwerte überschreite?

A: Das Überschreiten dieser Grenzen, selbst kurzzeitig, kann zu sofortigen oder verzögerten Schäden am Bauteil führen. Dies kann eine Verschlechterung der Lichtausgabe der LED, einen erhöhten Dunkelstrom im Fototransistor oder einen vollständigen Ausfall (Unterbrechung oder Kurzschluss) umfassen. Planen Sie stets mit einer Sicherheitsmarge.

9. Praktischer Design- und Anwendungsfall

Fall: Drehzahlmessung eines kleinen Gleichstrommotors

Ein Designer muss die Drehzahl einer Motorwelle messen. Er befestigt eine kleine geschlitzte Scheibe an der Welle. Der LTH-301-05 wird so montiert, dass die Scheibe durch seinen Erfassungsspalt rotiert. Jedes Mal, wenn ein Schlitz den Spalt passiert, erreicht Licht den Fototransistor und erzeugt einen Puls am Ausgang. Die LED wird über einen Widerstand mit einem konstanten Strom von 15mA betrieben. Der Kollektor des Fototransistors ist über einen 4,7kΩ Pull-up-Widerstand mit einer 5V-Versorgung und auch mit einem unterbrechungsfähigen Eingangspin eines Mikrocontrollers verbunden.

Die Mikrocontroller-Firmware ist so programmiert, dass sie die Anzahl der Pulse (steigende oder fallende Flanken) innerhalb eines festen Zeitfensters (z.B. einer Sekunde) zählt. Da die Scheibe beispielsweise 20 Schlitze hat, ergibt die Anzahl der Pulse pro Sekunde geteilt durch 20 die Umdrehungen pro Sekunde, was leicht in U/min umgerechnet werden kann. Die schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten des Sensors stellen sicher, dass selbst bei hohen Motordrehzahlen die Pulse sauber und genau gezählt werden, ohne dass Flanken aufgrund einer langsamen Sensorreaktion verloren gehen.

10. Entwicklungstrends

• Photointerrupter wie der LTH-301-05 repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Technologie. Aktuelle Trends im breiteren Feld der optoelektronischen Sensoren konzentrieren sich auf:Miniaturisierung
• : Entwicklung noch kleinerer oberflächenmontierbarer (SMD) Gehäuse, um Leiterplattenplatz in moderner Elektronik zu sparen.:
  • Integration
  • Integration des strombegrenzenden Widerstands für die LED intern.
  • Einbau eines Schmitt-Triggers oder Komparators im Gehäuse, um direkt ein sauberes digitales Ausgangssignal bereitzustellen und die Schnittstellenschaltung zu vereinfachen.
• Integration von Schaltungen zur Unterdrückung von Umgebungslicht oder Modulations-/Demodulationslogik auf dem Chip für überlegene Störfestigkeit.Verbesserte Leistung
• : Verbesserung des Stromübertragungsverhältnisses (CTR) für geringeren Stromverbrauch oder größere Erfassungsabstände und weitere Reduzierung der Ansprechzeiten für Ultrahochgeschwindigkeitsanwendungen.Spezialisierung

: Entwicklung von Varianten mit sehr engen Spalten für präzise Kantendetektion oder mit unterschiedlichen Wellenlängen für die spezifische Materialerkennung (z.B. Erfassung transparenter Folien).