LTH-301-27P1 Foto-Unterbrecher Datenblatt - Berührungsloses Schalten - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-301-27P1 ist ein reflektierender Foto-Unterbrecher, eine Art optoelektronischer Sensor. Seine Kernfunktion ist die berührungslose Erfassung der An- oder Abwesenheit eines Objekts. Dies wird durch die Kombination einer Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) und eines Fototransistors in einem kompakten Gehäuse erreicht. Wenn ein Objekt in den Spalt zwischen Sender und Empfänger eintritt, unterbricht es den Infrarot-Lichtstrahl und verursacht eine Zustandsänderung am Ausgang des Fototransistors. Dies macht ihn ideal für Anwendungen, die zuverlässige, nicht-mechanische Erfassung erfordern, wie z.B. Positionserkennung, Endlagenschalter und Objektzählung.

Das Bauteil ist für die direkte Montage auf Leiterplatten (PCBs) oder in Standard-DIL-Sockel ausgelegt, was die einfache Integration in elektronische Baugruppen erleichtert. Seine Hauptvorteile sind Immunität gegen Kontaktprellen, lange Lebensdauer aufgrund fehlender beweglicher Teile und schnelle Schaltgeschwindigkeiten für Hochgeschwindigkeits-Zähl- oder Zeitsteuerungsanwendungen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

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

• IR-Diode Dauer-Vorwärtsstrom (I_F):50 mA. Dies ist der maximale stationäre Strom, der an die Infrarot-LED angelegt werden darf.
• IR-Diode Sperrspannung (V_R):5 V. Das Überschreiten dieser Sperrspannung an der LED kann zum Durchbruch führen.
• Fototransistor Kollektorstrom (I_C):40 mA. Der maximale Strom, den der Kollektor des Fototransistors verkraften kann.
• Fototransistor Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):30 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter des Fototransistors anliegen darf.
• Betriebstemperaturbereich:-35°C bis +65°C. Der Umgebungstemperaturbereich für zuverlässigen Betrieb.
• Löt-Temperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden in 1,6mm Abstand vom Gehäuse. Kritisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse, um thermische Schäden zu vermeiden.

Hinweis zur Leistungsreduzierung:Sowohl die Transistor-Verlustleistung (100 mW) als auch die Dioden-Verlustleistung (75 mW) müssen für Umgebungstemperaturen über 25°C linear mit einer Rate von 1,33 mW/°C reduziert werden. Das bedeutet, die zulässige Leistung sinkt mit steigender Temperatur, um Überhitzung zu verhindern.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei 25°C gemessen und definieren die typische Leistung des Bauteils unter spezifizierten Testbedingungen.

2.2.1 Eingangs-Infrarot-LED-Kenngrößen

• Flussspannung (V_F):Typisch 1,6V (max. 1,6V) bei einem Vorwärtsstrom (I_F) von 20 mA. Wird zur Berechnung des Vorwiderstands verwendet: R = (V_Versorgung- V_F) / I_F.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 100 µA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Zeigt den Leckstrom der LED bei Sperrspannung an.

2.2.2 Ausgangs-Fototransistor-Kenngrößen

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO):Mindestens 30V. Dies ist die Spannung, bei der der Fototransistor bei offener Basis durchbricht.
• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=10V. Dies ist der Leckstrom, wenn der Fototransistor im "Aus"-Zustand ist (kein Lichteinfall). Ein niedriger Wert ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis wünschenswert.

2.2.3 Koppler- (System-) Kenngrößen

Diese Parameter beschreiben die Leistung des kombinierten LED-Fototransistor-Paares.

• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Maximal 0,4V, wenn der Fototransistor in Sättigung getrieben wird (I_C=0,25mA, I_F=20mA). Eine niedrige Sättigungsspannung ist entscheidend für die Anbindung an Logikschaltungen.
• Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)):Mindestens 1,5 mA, wenn der Fototransistor beleuchtet ist (V_CE=5V, I_F=20mA). Dies ist der erzeugte Fotostrom und definiert die Empfindlichkeit des Sensors. Der tatsächliche Strom kann je nach Reflexionsvermögen des unterbrechenden Objekts und der Ausrichtung höher sein.

3. Mechanische & Gehäuseinformationen

Der LTH-301-27P1 ist in einem Standard-4-Pin-DIL-Gehäuse untergebracht. Die genauen Abmessungen sind in der Gehäusezeichnung im Datenblatt angegeben. Wichtige mechanische Hinweise:

• Alle Maße sind in Millimetern angegeben, mit einer Standardtoleranz von ±0,25mm, sofern nicht anders angegeben.
• Das Gehäuse verfügt über einen Schlitz oder Spalt zwischen IR-Sender und Fotodetektor. Das zu erfassende Objekt durchläuft diesen Spalt.
• Die Polarität ist klar gekennzeichnet. Die Anoden- und Kathodenanschlüsse der IR-LED sowie die Kollektor- und Emitteranschlüsse des Fototransistors sind identifiziert. Die korrekte Ausrichtung bei der Leiterplattenmontage ist entscheidend.
• Das Bauteil eignet sich sowohl für Leiterplattenmontage als auch für Sockelmontage und bietet Flexibilität bei der Montage und potenzieller Feldersatz.

4. Löt- & Montagerichtlinien

Sachgemäße Handhabung ist für die Zuverlässigkeit entscheidend.

• Löten:Die Anschlüsse halten einer Temperatur von 260°C für maximal 5 Sekunden stand, gemessen 1,6mm vom Kunststoffgehäuse entfernt. Diese Richtlinie ist für Wellenlötprozesse kritisch. Für Reflow-Löten wird ein Standardprofil mit einer Spitzentemperatur unter 260°C empfohlen.
• Reinigung:Verwenden Sie milde Reinigungsmittel, die mit dem Kunststoffgehäuse kompatibel sind. Vermeiden Sie Ultraschallreinigung mit zu hoher Leistung, da sie interne Komponenten beschädigen kann.
• Lagerung:Lagern Sie das Bauteil innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -40°C bis +100°C, vorzugsweise bei niedriger Luftfeuchtigkeit, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern.
• ESD-Vorsichtsmaßnahmen:Obwohl nicht explizit als empfindlich gekennzeichnet, sollten während der Montage Standard-ESD-Handhabungsverfahren für Halbleiterbauelemente befolgt werden.

5. Anwendungsvorschläge

5.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die häufigste Konfiguration ist, die IR-LED in Reihe mit einem Vorwiderstand an eine Spannungsquelle (z.B. 5V) anzuschließen. Der Fototransistor wird typischerweise in Emitterschaltung betrieben: Der Kollektor wird über einen Lastwiderstand (R_L) an eine Versorgungsspannung (z.B. 5V) gelegt, und der Emitter ist mit Masse verbunden. Das Ausgangssignal wird vom Kollektorknoten abgenommen.

• Wenn der Strahl nicht unterbrochen ist, fällt Licht auf den Fototransistor, wodurch er leitet und die Kollektorspannung niedrig zieht (nahe V_CE(SAT)).
• Wenn ein Objekt den Strahl blockiert, schaltet der Fototransistor ab, und die Kollektorspannung wird durch den Lastwiderstand hochgezogen.
• Der Wert des Lastwiderstands (R_L) bestimmt die Schaltgeschwindigkeit und den Stromverbrauch. Ein kleinerer R_Lermöglicht schnelleres Schalten, zieht aber mehr Strom, wenn der Transistor eingeschaltet ist.

5.2 Designüberlegungen

• Ausrichtung:Eine präzise mechanische Ausrichtung des Objektpfads mit dem Sensorspalt ist für einen zuverlässigen Betrieb entscheidend.
• Umgebungslicht:Da der Sensor Infrarotlicht verwendet, kann er durch starke Umgebungs-IR-Quellen (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) gestört werden. Die Verwendung eines modulierten IR-Signals und einer synchronisierten Detektorschaltung kann die Störfestigkeit erheblich verbessern.
• Objekteigenschaften:Die Wirksamkeit des Sensors hängt von der Fähigkeit des Objekts ab, den IR-Strahl zu reflektieren oder zu absorbieren. Dunkle, nicht reflektierende Objekte werden möglicherweise nicht so zuverlässig erkannt wie helle. Ein Test mit dem tatsächlichen Zielmaterial wird empfohlen.
• Entprellung:Obwohl der Sensor selbst kein Kontaktprellen aufweist, kann das elektrische Ausgangssignal dennoch Rauschen enthalten. Für saubere digitale Signale kann eine Software- oder Hardware-Entprellung (z.B. ein einfacher RC-Filter oder ein Schmitt-Trigger-Eingang) erforderlich sein.

6. Funktionsprinzip

Der Foto-Unterbrecher arbeitet nach dem Prinzip der Lichtstrahl-Unterbrechung. Intern emittiert eine Infrarot-LED Licht mit einer Wellenlänge von typischerweise etwa 940nm, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Direkt gegenüber ist ein Silizium-Fototransistor positioniert, um dieses Licht zu empfangen. Der Fototransistor fungiert als lichtgesteuerter Schalter. Wenn Photonen von der IR-LED auf seine Basisregion treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare, die wiederum einen viel größeren Kollektorstrom fließen lassen – dies ist der photoelektrische Effekt. Die Größe dieses Kollektorstroms ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Spalt zwischen LED und Fototransistor eintritt, wird der Lichtweg blockiert. Die Lichtintensität auf dem Fototransistor sinkt dramatisch, wodurch sein Kollektorstrom auf einen sehr niedrigen Wert (im Wesentlichen den Dunkelstrom) fällt. Diese starke Stromänderung (oder die entsprechende Spannungsänderung über einem Lastwiderstand) wird von externer Schaltung erfasst und als Schaltvorgang interpretiert.

7. Leistungskurven & Analyse

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien, die wertvolle Einblicke über die tabellarischen Min./Typ./Max.-Werte hinaus bieten.

• Übertragungskennlinie (I_Cüber I_F):Diese Kurve zeigt, wie sich der Ausgangsstrom des Fototransistors (I_C) mit dem Eingangsstrom der LED (I_F) bei einer festen Kollektor-Emitter-Spannung ändert. Sie zeigt die lineare Beziehung zwischen Ansteuerung und Ausgangsantwort unter bestimmten Bedingungen und hilft, den LED-Treiberstrom für die gewünschte Empfindlichkeit zu optimieren.
• Ausgangskennlinie (I_Cüber V_CE):Diese Kurven, gezeichnet für verschiedene Lichteinfallpegel (oder verschiedene I_F), zeigen, wie sich der Fototransistor wie eine Stromquelle verhält. Der Kollektorstrom bleibt über einen Bereich von V_CErelativ konstant, bis er die Sättigung erreicht.
• Temperaturabhängigkeit:Kurven, die die Variation von Parametern wie Flussspannung (V_F) oder Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO) mit der Temperatur zeigen, sind entscheidend für das Design von Systemen, die über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich arbeiten. Zum Beispiel nimmt V_Ftypischerweise mit steigender Temperatur ab, was die Lichtausbeute der LED bei Ansteuerung durch eine konstante Spannungsquelle leicht beeinflussen könnte.

8. Häufige Fragen & Antworten

F: Was ist die typische Ansprechzeit dieses Sensors?

A: Obwohl in den bereitgestellten Daten nicht explizit angegeben, haben Foto-Unterbrecher dieser Art typischerweise Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich, was sie für Hochgeschwindigkeitszählungen geeignet macht. Die tatsächliche Geschwindigkeit wird durch die Anstiegs-/Abfallzeit des Fototransistors und die RC-Zeitkonstante der externen Schaltung begrenzt.

F: Kann ich diesen Sensor im Freien verwenden?

A: Mit Vorsicht. Direktes Sonnenlicht enthält starke Infrarotanteile, die den Fototransistor sättigen und Fehlauslösungen verursachen können. Für einen zuverlässigen Einsatz im Freien ist eine physikalische Abschirmung oder ein Gehäuse zum Blockieren von Umgebungslicht zusammen mit optischer Filterung oder Signalmodulationstechniken erforderlich.

F: Wie wähle ich den Wert für den LED-Vorwiderstand?

A: Verwenden Sie die Formel: R = (V_CC- V_F) / I_F. Zum Beispiel mit einer 5V-Versorgung (V_CC), einer typischen V_Fvon 1,6V und einem gewünschten I_Fvon 20 mA: R = (5 - 1,6) / 0,02 = 170 Ω. Ein Standard-180-Ω-Widerstand wäre geeignet, was zu I_F≈ 18,9 mA führt.

F: Was ist der Zweck der Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (V_(BR)ECO)?

A: Diese Bewertung (5V) ist relevant, wenn der Fototransistor in einer invertierten Konfiguration angeschlossen ist (Emitter auf höherem Potenzial als Kollektor), was unüblich ist. Sie stellt sicher, dass das Bauteil eine kleine Sperrspannung über den C-E-Übergang ohne Schaden aushält.

9. Praktisches Anwendungsbeispiel

Anwendung: Papiererkennung in einem Drucker

Der LTH-301-27P1 kann verwendet werden, um die Vorderkante von Papier in einem Drucker oder Kopiergerät zu erfassen. Der Sensor ist so montiert, dass das Papier durch seinen Spalt läuft. Ein reflektierender Flagge oder das Papier selbst unterbricht den Strahl. Wenn der Strahl nicht blockiert ist (kein Papier), ist der Fototransistor eingeschaltet und gibt eine niedrige Spannung aus. Wenn Papier in den Spalt eintritt, wird der Strahl blockiert, der Fototransistor schaltet ab und die Ausgangsspannung wird hoch. Dieses steigende Flankensignal kann an einen Mikrocontroller gesendet werden, um einen Druckvorgang zu starten, die Papierpräsenz zu bestätigen oder Seiten zu zählen. Die berührungslose Natur gewährleistet keinen Verschleiß am Papier oder Sensor, und die schnelle Reaktion ermöglicht die Erkennung auch bei hohen Papiervorschubgeschwindigkeiten. Designüberlegungen umfassen die genaue Ausrichtung des Papierpfads mit dem Sensorspalt und die Auswahl eines Lastwiderstands, der einen sauberen, schnellen Spannungshub für den Eingangspin des Mikrocontrollers liefert.

10. Technologietrends

Foto-Unterbrecher bleiben aufgrund ihrer Einfachheit, Zuverlässigkeit und niedrigen Kosten eine grundlegende Sensortechnologie. Aktuelle Trends konzentrieren sich auf Miniaturisierung, was zu oberflächenmontierbaren (SMD) Gehäusen führt, die Platz auf modernen Leiterplatten sparen. Es gibt auch die Integration zusätzlicher Schaltungen, wie eingebaute Schmitt-Trigger für Hysterese und saubere digitale Ausgänge, oder sogar vollständig integrierte Lösungen mit einem modulierten IR-Treiber und einem synchronisierten Detektor-IC auf einem einzigen Chip für überlegene Unterdrückung von Umgebungslicht. Darüber hinaus erweitern Fortschritte in Materialien und Gehäusen die Betriebstemperaturbereiche und verbessern die Langzeitzuverlässigkeit für Automobil- und Industrieanwendungen. Während neuere Technologien wie Time-of-Flight (ToF)-Sensoren Entfernungsmessung bieten, bleibt die Rolle des einfachen Foto-Unterbrechers für einfache, binäre Präsenzerkennung in kostenempfindlichen Anwendungen fest etabliert.