Technisches Datenblatt für den Foto-Unterbrechersensor LTH-309-08 - Deutsche Fassung

1. Produktübersicht

Der LTH-309-08 ist ein reflektiver Foto-Unterbrecher, eine Art optoelektronischer Sensor, der eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) und einen Phototransistor in einem einzigen, kompakten Gehäuse vereint. Seine Hauptfunktion besteht darin, das Vorhandensein oder Fehlen eines Objekts berührungslos zu erkennen, indem er die Unterbrechung des von einer Oberfläche reflektierten Infrarotlichtstrahls erfasst. Dieses Bauteil ist für die direkte Bestückung auf einer Leiterplatte (PCB) oder den Einsatz in einer Standard-Dual-Inline-Fassung ausgelegt, was es für automatisierte Montageprozesse äußerst vielseitig macht.

Der Kernvorteil dieses Sensors liegt in seiner berührungslosen Schaltfunktion, die mechanischen Verschleiß ausschließt und somit hohe Zuverlässigkeit und eine lange Betriebsdauer gewährleistet. Er eignet sich besonders für Anwendungen, die schnelle Ansprechzeiten und präzise Objekterkennung auf engstem Raum erfordern. Typische Zielmärkte sind Geräte der Büroautomatisierung (Drucker, Kopierer), Industrieautomation (Förderbandzähler, Positionserfassung), Unterhaltungselektronik und verschiedene Messgeräte, bei denen eine zuverlässige Objekterkennung entscheidend ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

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

• Eingangs-LED:Der Dauer-Vorwärtsstrom darf 50 mA nicht überschreiten, wobei unter gepulsten Bedingungen (300 pps, 10 µs Pulsbreite) ein Spitzen-Vorwärtsstrom von 1 A zulässig ist. Die maximale Verlustleistung der LED beträgt 75 mW. Eine Sperrspannung größer als 5 V muss vermieden werden.
• Ausgangs-Phototransistor:Der Kollektorstrom ist auf 20 mA begrenzt. Die Kollektor-Emitter-Spannung hält bis zu 30 V stand, während die Emitter-Kollektor-Spannung auf 5 V begrenzt ist. Die Verlustleistung des Phototransistors darf 100 mW nicht überschreiten.
• Umgebungsgrenzen:Das Bauteil ist für den Betrieb in einem Umgebungstemperaturbereich von -25°C bis +85°C ausgelegt. Die Lagerung kann von -55°C bis +100°C erfolgen. Beim Löten können die Anschlüsse 260°C für 5 Sekunden standhalten, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

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

• Eingangs-LED Vorwärtsspannung (V_F):Typischerweise 1,2V bis 1,6V bei einem Vorwärtsstrom (I_F) von 20 mA. Dieser Parameter ist entscheidend für die Auslegung des Vorwiderstands in der Treiberschaltung.
• Ausgangs-Phototransistor Dunkelstrom (I_CEO):Der Leckstrom, wenn kein Licht auf den Sensor fällt, spezifiziert als maximal 100 nA bei V_CE=10V. Ein niedriger Dunkelstrom ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis unerlässlich, insbesondere bei Anwendungen mit wenig Licht oder hoher Verstärkung.
• Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)):Der minimale Kollektorstrom beträgt 0,5 mA, wenn die LED mit I_F=20mA und V_CE=5V betrieben wird. Dieser Parameter gibt die Empfindlichkeit des Phototransistors an.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Der Spannungsabfall am Phototransistor, wenn er vollständig "eingeschaltet" ist, typischerweise 0,4V bei I_C=0,25mA und I_F=20mA. Eine niedrige Sättigungsspannung ist für die Anbindung an Niederspannungs-Logikschaltungen wünschenswert.
• Ansprechzeit:Die Schaltgeschwindigkeit des Sensors wird durch die Anstiegszeit (T_R) und die Abfallzeit (T_F) charakterisiert. Typische Werte sind 3-15 µs für die Anstiegszeit und 4-20 µs für die Abfallzeit unter Testbedingungen von V_CE=5V, I_C=2mA und R_L=100Ω. Diese schnelle Schaltung ermöglicht 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, können ihr allgemeiner Zweck und die daraus gewonnenen Erkenntnisse erläutert werden.

Diese Kurven stellen typischerweise Schlüsselparameter in Abhängigkeit von Variablen wie Temperatur oder Treiberstrom dar. Beispielsweise würde eine Kurve, die I_C(ON)über I_F(LED-Vorwärtsstrom) aufträgt, einem Entwickler helfen, den Zusammenhang zwischen Eingangsleistung und Ausgangssignalstärke zu verstehen, um den LED-Treiber für gewünschte Empfindlichkeit und Leistungsaufnahme zu optimieren. Eine weitere gängige Kurve ist I_C(ON)über der Umgebungstemperatur, die entscheidend ist, um zu verstehen, wie sich die Sensorleistung bei extremen Temperaturen verschlechtert oder ändert, und so einen zuverlässigen Betrieb im spezifizierten Bereich von -25°C bis +85°C sicherzustellt. Diese Diagramme sind für ein robustes Systemdesign über die Nennwerte bei 25°C hinaus unerlässlich.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Der LTH-309-08 ist für eine kompakte Integration ausgelegt. Die Gehäuseabmessungen sind im Datenblatt mit allen Maßen in Millimetern (und Zoll in Klammern) angegeben. Wichtige mechanische Hinweise sind:

• Es gilt eine allgemeine Toleranz von ±0,25mm (±0,010"), sofern nicht anders angegeben.
• Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse aus dem Kunststoffgehäuse austreten, was für das PCB-Footprint-Design entscheidend ist.
• Das Gehäuse ist ein Standard-Durchsteckmontagetyp, der sowohl manuelle als auch Wellenlötprozesse erleichtert.

Die korrekte Polaritätserkennung ergibt sich aus der Standard-Pinbelegung für solche Bauteile: Die LED-Anode und -Kathode befinden sich auf einer Seite, und der Phototransistor-Kollektor und -Emitter auf der anderen. Entwickler müssen die Maßzeichnung konsultieren, um die genaue Pinanordnung und Ausrichtung für ein korrektes PCB-Layout zu bestätigen.

5. Richtlinien für Lötung und Montage

Das Datenblatt gibt eine Löttemperaturgrenze für die Anschlüsse von 260°C für 5 Sekunden an, gemessen 1,6 mm (0,063 Zoll) vom Gehäusekörper entfernt. Dies ist ein kritischer Parameter für die Prozesskontrolle während des Wellen- oder Handlötens.

• Reflow-Lötung:Obwohl es sich primär um ein Durchsteckbauteil handelt, muss bei Verwendung auf einer Mischtechnologie-Platine während des Reflow-Lötens äußerste Vorsicht walten. Das Kunststoffgehäuse hat eine geringere thermische Belastbarkeit als SMD-Bauteile. Es wird im Allgemeinen nicht für Standard-Infrarot- oder Konvektions-Reflow-Profile empfohlen, es sei denn, es wurde speziell qualifiziert.
• Handlötung:Verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötspitze. Wenden Sie die Hitze schnell und effizient auf die Lötstelle zwischen Anschluss und Pad an, um die Wärmeübertragung zum empfindlichen Halbleiterchip im Gehäuse zu minimieren. Bringen Sie das Lot nicht über einen längeren Zeitraum direkt mit der Lötspitze auf den Bauteilanschluss auf.
• Reinigung:Verwenden Sie Reinigungsmittel, die mit dem Gehäusekunststoff kompatibel sind, um Rissbildung oder Abbau zu vermeiden.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -55°C bis +100°C, um Feuchtigkeitsaufnahme (die beim Löten zu "Popcorning" führen kann) und elektrostatische Entladungsschäden zu verhindern.

6. Anwendungsempfehlungen

6.1 Typische Anwendungsszenarien

• Papiererkennung in Druckern/Kopierern:Erkennung von Papierstaus, leerem Fach oder Papierpräsenz an bestimmten Punkten entlang des Papierwegs.
• Objektzählung auf Förderbändern:Zählen von Produkten, Flaschen oder Bauteilen, wenn sie einen festen Punkt passieren.
• Positionserfassung:Erkennung der Home-Position eines beweglichen Schlittens (wie in einem Scanner oder Plotter) oder des geöffneten/geschlossenen Zustands einer Tür oder Klappe.
• Erfassung von Drehgeber-Scheiben:Verwendung in Verbindung mit einer geschlitzten Scheibe zur Erzeugung eines optischen Encoders mit niedriger Auflösung für Geschwindigkeits- oder Positionsrückmeldung.

6.2 Designüberlegungen

• LED-Stromversorgung:Verwenden Sie eine Konstantstromquelle oder einen Vorwiderstand in Reihe mit der LED, um einen stabilen I_F für eine konsistente Ausgabe aufrechtzuerhalten, typischerweise etwa 20 mA gemäß den Testbedingungen. Das Pulsieren der LED mit einem höheren Strom kann die Erfassungsentfernung erhöhen, muss aber innerhalb der absoluten Grenzwerte bleiben.
• Vorspannung des Phototransistors:Ein Pull-up-Widerstand (R_L) wird zwischen den Kollektor und die Versorgungsspannung (V_CC) geschaltet. Der Wert von R_Lbeeinflusst sowohl den Ausgangsspannungshub als auch die Ansprechzeit. Ein kleinerer R_Lergibt eine schnellere Reaktion, aber eine kleinere Ausgangsspannungsänderung. Der Emitter ist typischerweise mit Masse verbunden.
• Ausgangsschnittstelle:Der Phototransistor-Ausgang kann direkt in einen Schmitt-Trigger-Eingang eines Mikrocontrollers zur digitalen Erfassung oder in einen analogen Eingang zur Messung der reflektierten Lichtintensität eingespeist werden. Für rauschbehaftete Umgebungen kann das Hinzufügen eines kleinen Kondensators zwischen Kollektor und Emitter des Phototransistors helfen, hochfrequentes Rauschen zu filtern.
• Zieloberfläche:Die reflektierende Erfassungsleistung hängt stark von der Reflexionsfähigkeit, Farbe und Entfernung des Ziels ab. Für einen konsistenten Betrieb sollte der Erfassungsschwellenwert basierend auf dem spezifischen Zielmaterial kalibriert werden. Der Erfassungsspalt sollte für die beste Signalstärke minimiert werden.
• Immunität gegen Umgebungslicht:Da der Sensor Infrarotlicht verwendet, ist er etwas immun gegen sichtbares Umgebungslicht. Starke Infrarotlichtquellen (wie Sonnenlicht oder Glühlampen) können jedoch Fehlauslösungen verursachen. Die Verwendung eines modulierten LED-Signals und einer synchronen Detektion in der Empfängerschaltung kann die Immunität gegen Umgebungslicht erheblich verbessern.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu mechanischen Endschaltern bietet der LTH-309-08 klare Vorteile: keine beweglichen Teile, höhere Zuverlässigkeit, schnellere Reaktion und geräuschlosen Betrieb. Innerhalb der Kategorie der Foto-Unterbrecher ergeben sich seine Hauptunterscheidungsmerkmale aus den spezifizierten Parametern. Die schnelle Schaltgeschwindigkeit (3-15 µs Anstiegszeit) macht ihn für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeigneter als langsamere Phototransistoren. Die relativ niedrige Sättigungsspannung (0,4V) ermöglicht eine bessere Kompatibilität mit modernen 3,3V-Logiksystemen im Vergleich zu Bauteilen mit höherer V_CE(SAT). Das Standard-Durchsteck-DIP-Gehäuse bietet Robustheit und einfaches Prototyping, beansprucht jedoch mehr Platz auf der Leiterplatte als SMD-Alternativen. Entwickler würden dieses Bauteil für Anwendungen wählen, die ein Gleichgewicht aus Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und bewährter Zuverlässigkeit in einem Standardgehäuseformat erfordern.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

• F: Kann ich die LED mit 3,3V-Logik ansteuern?A: Ja, aber Sie müssen den Vorwiderstand sorgfältig berechnen. Bei einem typischen V_Fvon 1,6V bei 20mA wäre der Widerstandswert (3,3V - 1,6V) / 0,02A = 85Ω. Verwenden Sie für ein sicheres Design den maximalen V_F-Wert aus dem Datenblatt.
• F: Was ist die maximale Erfassungsentfernung?A: Das Datenblatt gibt keine Entfernung an. Diese hängt vom LED-Treiberstrom, der Zielreflexion und dem erforderlichen I_C(ON)ab. Es ist am besten, sie empirisch für Ihr spezifisches Ziel zu bestimmen. Im Allgemeinen arbeiten Reflexionssensoren am besten bei kurzen Reichweiten (einige Millimeter).
• F: Wie schütze ich den Phototransistor vor Spannungsspitzen?A: Obwohl er eine V_(BR)CEOvon 30V hat, kann für Zuverlässigkeit in induktiven Umgebungen eine kleine Transientenspannungsunterdrücker-(TVS)-Diode oder eine normale Diode in Sperrrichtung parallel zum Kollektor-Emitter hinzugefügt werden.
• F: Kann ich diesen in einer staubigen Umgebung verwenden?A: Staubablagerungen auf der Linse werden den Lichtstrahl abschwächen, die Empfindlichkeit verringern und möglicherweise Ausfälle verursachen. Das Bauteil ist nicht abgedichtet. Für raue Umgebungen sollten Sie ein Bauteil mit abgedichteter Nut in Betracht ziehen oder externen Schutz vorsehen.

9. Praktische Anwendungsfallstudie

Szenario: Papierleermelder in einem Desktop-Drucker.Der LTH-309-08 ist auf der Hauptplatine in der Nähe des Papiereinzugsfachs montiert. Eine weiße Kunststofffahne, die am Papiereinzugsmechanismus befestigt ist, bewegt sich in den Erfassungsspalt des Sensors, wenn der Papierstapel aufgebraucht ist. Im Zustand "Papier vorhanden" befindet sich die Fahne außerhalb des Spalts, sodass das Infrarotlicht der LED von einer festen Oberfläche im Inneren des Druckers zum Phototransistor reflektiert wird, was einen hohen I_C(ON)und ein logisches LOW-Signal am Kollektor (mit Pull-up-Widerstand) erzeugt. Wenn das Papier ausgeht, bewegt sich die Fahne in den Spalt und blockiert den Lichtweg. Der Phototransistor schaltet ab, wodurch die Kollektorspannung durch den Widerstand auf HIGH gezogen wird. Der Mikrocontroller des Druckers erkennt dieses HIGH-Signal und löst eine "Papier leer"-Warnung auf dem Display aus. Die schnelle Ansprechzeit gewährleistet eine sofortige Erkennung, während die berührungslose Natur garantiert, dass der Sensor während der Lebensdauer des Druckers nicht verschleißt.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Ein Foto-Unterbrecher arbeitet nach dem Prinzip der modulierten Lichterkennung. Die interne Infrarot-LED emittiert Licht, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben wird. Der LED gegenüber befindet sich ein Phototransistor. Bei einem reflektiven Typ wie dem LTH-309-08 zeigen beide Elemente in die gleiche Richtung. Das emittierte Licht verlässt das Gehäuse, trifft auf eine Zieloberfläche, und ein Teil wird zurück in das Gehäuse reflektiert, wo es auf den Phototransistor fällt. Der Phototransistor fungiert als lichtgesteuerter Schalter. Wenn Photonen auf seine Basisregion treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare und liefern effektiv einen Basisstrom. Dies bewirkt, dass der Transistor "einschaltet" und einen Kollektorstrom (I_C) fließen lässt, der proportional zur Intensität des empfangenen Lichts ist. Wenn der Lichtweg blockiert ist (z.B. durch ein Objekt), schaltet der Phototransistor "aus", und es fließt nur ein kleiner Dunkelstrom. Diese Ein/Aus-Änderung des Kollektorstroms wird verwendet, um ein digitales Signal zu erzeugen, das das Vorhandensein oder Fehlen des den Lichtweg unterbrechenden Objekts anzeigt.

11. Technologietrends

Der Trend bei optoelektronischen Sensoren wie Foto-Unterbrechern geht in Richtung Miniaturisierung, höherer Integration und erweiterter Funktionalität. Oberflächenmontage-(SMD)-Gehäuse werden zum Standard, um Leiterplattenplatz zu sparen und automatisierte Bestückung zu ermöglichen. Es gibt auch einen Trend zur Integration des Sensors mit Signalaufbereitungsschaltungen (Verstärker, Schmitt-Trigger, Logikausgänge) auf einem einzigen Chip, wodurch digitale Ausgangssensoren entstehen, die einfacher direkt mit Mikrocontrollern verbunden werden können. Darüber hinaus werden Fortschritte bei der Verbesserung der Umgebungslichtunterdrückung durch optische Filterung und intelligentere Modulationstechniken erzielt. Während das grundlegende Prinzip unverändert bleibt, konzentrieren sich diese Trends darauf, Sensoren kleiner, intelligenter, zuverlässiger und einfacher in modernen elektronischen Designs zu implementieren.