LTH-301-32 Foto-Unterbrecher Datenblatt - Lichtschranke mit Spalt - 30V Kollektor-Emitter-Spannung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-301-32 ist eine Lichtschranke mit Spalt, allgemein als Foto-Unterbrecher bekannt. Es handelt sich um ein berührungsloses Sensorelement, das eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) und einen Fototransistor in einem gemeinsamen Gehäuse kombiniert, die durch einen physikalischen Spalt getrennt sind. Die Kernfunktion besteht darin, das Vorhandensein oder Fehlen eines Objekts (wie z.B. einer Blende oder eines Fähnchens) zu detektieren, das diesen Spalt durchquert und den Infrarot-Lichtstrahl unterbricht. Dies macht ihn ideal für Anwendungen, die Positionserfassung, Endlagenschaltung oder Objekterkennung ohne mechanischen Kontakt erfordern, wodurch mechanischer Verschleiß vermieden und ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht wird.

Das Bauteil ist für die direkte Montage auf Leiterplatten (PCBs) oder in Standard-Dual-In-Line (DIP)-Sockel ausgelegt und bietet Flexibilität bei der Montage und Integration. Seine Hauptvorteile sind zuverlässiges berührungsloses Schalten, Immunität gegen mechanisches Prellen und eine schnelle Ansprechzeit, die für digitale Systeme geeignet ist.

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-Durchlassstrom (I_F): 60 mA. Dies ist der maximale stationäre Strom, der durch die Infrarot-LED fließen darf.
• IR-Diode Sperrspannung (V_R): 5 V. Das Überschreiten dieser Sperrspannung an der LED kann zum Durchbruch führen.
• Transistor Kollektorstrom (I_C): 20 mA. Der maximale Dauerstrom, den der Kollektor des Ausgangs-Fototransistors verkraften kann.
• Transistor Verlustleistung (P_D): 75 mW. Die maximale Leistung, die der Fototransistor abführen kann, berechnet als V_CE* I_C.
• IR-Diode Spitzen-Durchlassstrom: 1 A (Pulsbreite = 10 μs, 300 pps). Dies erlaubt kurze, hochstromstarke Pulse, um eine höhere momentane Lichtausbeute zu erzielen, was für Störfestigkeit nützlich ist, aber das Tastverhältnis muss strikt eingehalten werden.
• Diode Verlustleistung: 100 mW. Die maximale Leistung, die die IR-LED abführen kann (V_F* I_F).
• Fototransistor Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO): 30 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter des Fototransistors angelegt werden darf.
• Fototransistor Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO): 5 V. Die maximale Sperrspannung zwischen Emitter und Kollektor.
• Betriebstemperaturbereich: -25°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für zuverlässigen Betrieb.
• Lagertemperaturbereich: -40°C bis +100°C.
• Löt-Temperatur der Anschlüsse: 260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6 mm vom Gehäuse entfernt. Dies definiert die Grenzwerte für Reflow- oder Handlötprofile.

2.2 Elektrische & Optische Kennwerte

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

2.2.1 Eingangs-LED-Kennwerte

• Durchlassspannung (V_F): 1,2V (Min), 1,6V (Typ) bei I_F= 20mA. Dies ist der Spannungsabfall über der IR-LED bei Betrieb mit dem typischen Arbeitsstrom. Ein Vorwiderstand ist in Reihe mit der LED erforderlich.
• Sperrstrom (I_R): 100 μA (Max) bei V_R= 5V. Der geringe Leckstrom, wenn die LED in Sperrrichtung betrieben wird.

2.2.2 Ausgangs-Fototransistor-Kennwerte

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO): 30V (Min). Korreliert mit dem absoluten Maximalwert.
• Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (V_(BR)ECO): 5V (Min).
• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO): 100 nA (Max) bei V_CE=10V. Dies ist der Leckstrom des Fototransistors, wenn kein Licht einfällt (d.h. der Spalt ist blockiert). Er bestimmt das Signalniveau im "Aus-Zustand".

2.2.3 Koppler- (System-) Kennwerte

Diese Parameter beschreiben das kombinierte Verhalten von LED und Fototransistor.

• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)): 0,4V (Max) bei I_C=0,2mA und I_F=20mA. Dies ist die Spannung über dem Fototransistor, wenn er vollständig "eingeschaltet" ist (Lichtweg frei). Ein niedrigerer V_CE(SAT)ist für die Anbindung an Logikschaltungen vorteilhafter.
• Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)): 0,6 mA (Min) bei V_CE=5V und I_F=20mA. Dies ist der minimale Fotostrom, der erzeugt wird, wenn der Lichtweg frei ist. Der tatsächliche Strom kann höher sein und hängt vom LED-Ansteuerstrom und der Bauteilverstärkung ab.
• Ansprechzeit: Definiert die Schaltgeschwindigkeit.
  • Anstiegszeit (t_r): 3 μS (Typ), 15 μS (Max). Zeit, die der Ausgang benötigt, um von 10% auf 90% seines Endwerts zu steigen, wenn der Lichtstrahl freigegeben wird.
  • Abfallzeit (t_f): 4 μS (Typ), 20 μS (Max). Zeit, die der Ausgang benötigt, um von 90% auf 10% seines Endwerts zu fallen, wenn der Lichtstrahl blockiert wird.
  Diese Zeiten werden unter spezifischen Bedingungen gemessen (V_CE=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω) und bestimmen die maximale Frequenz der Objekterkennung.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische Kennlinien, die wichtige Zusammenhänge grafisch darstellen. Obwohl die spezifischen Grafiken im Text nicht enthalten sind, ist ihr typischer Inhalt und ihre Interpretation wie folgt:

3.1 Übertragungskennlinie

Eine Grafik des Ausgangs-Kollektorstroms (I_C) über dem Eingangs-LED-Durchlassstrom (I_F) bei konstanter Kollektor-Emitter-Spannung (z.B. V_CE=5V). Diese Kurve zeigt den Trend des Stromübertragungsverhältnisses (CTR), das das Verhältnis I_C/ I_Fist. Sie hilft Entwicklern, den geeigneten LED-Ansteuerstrom auszuwählen, um den gewünschten Ausgangsstrompegel für eine gegebene Last oder Logikschwelle zu erreichen.

3.2 Temperaturabhängigkeit

Kurven, die zeigen, wie Parameter wie I_C(ON)und Dunkelstrom (I_CEO) über den Betriebstemperaturbereich (-25°C bis +85°C) variieren. Die Verstärkung des Fototransistors nimmt typischerweise mit steigender Temperatur ab, während der Dunkelstrom zunimmt. Das Verständnis dieser Verschiebungen ist entscheidend für die Entwicklung stabiler Systeme über den gesamten Temperaturbereich, was oft einen Sicherheitsabstand beim gewählten I_Fund bei den Schwellenerkennungspegeln erfordert.

3.3 Ausgangs-Sättigungsspannung

Eine Darstellung von V_CE(SAT)über I_Cfür verschiedene I_F-Werte. Dies ist wesentlich, um den minimalen Spannungsabfall zu bestimmen, wenn der Transistor eingeschaltet ist, und um die Kompatibilität mit Niederspannungs-Logikfamilien sicherzustellen.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der LTH-301-32 ist in einem standardmäßigen, kompakten DIP-Gehäuse erhältlich. Wichtige Maßangaben aus dem Datenblatt:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, Zollwerte stehen in Klammern.
• Die Standardtoleranz beträgt ±0,25mm (±0,010"), sofern nicht für ein bestimmtes Merkmal eine andere Angabe gemacht wird.

Das Gehäuse besteht aus einem Spritzgusskörper mit einem präzisen Spalt. Die Anschlüsse haben einen Standardrastermaß von 0,1" (2,54mm) und sind mit DIP-Sockeln und PCB-Layouts kompatibel. Die genaue Länge, Breite, Höhe, Spaltbreite und Anschlussanordnung sind in der maßstabsgetreuen Zeichnung im Datenblatt definiert.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb ist die korrekte Pin-Identifikation entscheidend. Das Gehäuse verwendet eine Standardmarkierung: Die Kathode der IR-LED und der Emitter des Fototransistors sind typischerweise mit einem gemeinsamen Pin verbunden oder liegen benachbart. Das Pinbelegungsdiagramm im Datenblatt muss konsultiert werden, um zu identifizieren:

1. Anode der IR-LED.
2. Kathode der IR-LED.
3. Kollektor des Fototransistors.
4. Emitter des Fototransistors.

Eine falsche Verbindung kann den Betrieb verhindern oder das Bauteil beschädigen.

5. Löt- & Montagerichtlinien

5.1 Lötprofil

Der absolute Maximalwert gibt das Löten der Anschlüsse bei 260°C für 5 Sekunden an, gemessen 1,6 mm vom Kunststoffgehäuse entfernt. Dies ist ein kritischer Parameter für Wellen- oder Handlötung.

• Reflow-Lötung: Bei Verwendung in einem Reflow-Prozess wird generell ein Profil mit einer Spitzentemperatur von nicht mehr als 260°C und einer Zeit über 240°C (T_L) von weniger als 10 Sekunden empfohlen. Der Kunststoffkörper ist empfindlich gegenüber thermischer Belastung.
• Handlötung: Verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötspitze. Erwärmen Sie den Anschluss, nicht den Körper, und schließen Sie die Lötstelle innerhalb von 3-5 Sekunden pro Anschluss ab, um ein Aufheizen des Gehäuses zu vermeiden.

5.2 Reinigung & Handhabung

Standard-PCB-Reinigungsprozesse mit Isopropanol oder ähnlichen Lösungsmitteln sind in der Regel akzeptabel. Vermeiden Sie Ultraschallreinigung, sofern nicht verifiziert, da sie Mikrorisse im Kunststoff oder der internen Die-Bond-Verbindung verursachen kann. Handhaben Sie das Bauteil am Körper, nicht an den Anschlüssen, um mechanische Belastung der Dichtung zu verhindern.

5.3 Lagerbedingungen

Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs (-40°C bis +100°C). Die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) wird im vorliegenden Text nicht explizit angegeben, aber für die Langzeitlagerung ist es eine gute Praxis, die Bauteile in ihren original Feuchtigkeitssperrbeuteln zu belassen.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die gebräuchlichste Konfiguration ist die Verwendung des Foto-Unterbrechers als digitaler Schalter.

1. LED-Ansteuerschaltung: Ein Vorwiderstand (R_LIMIT) ist in Reihe mit der IR-LED geschaltet. R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F. Für eine 5V-Versorgung und I_F=20mA, R_LIMIT≈ (5V - 1,6V) / 0,02A = 170Ω (Standardwert 180Ω verwenden).
2. Fototransistor-Ausgangsschaltung: Der Fototransistor kann in zwei gängigen Konfigurationen verwendet werden:
   • Pull-up-Widerstand-Konfiguration: Schalten Sie einen Widerstand (R_LOAD) vom Kollektor an V_CC. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Der Ausgang wird vom Kollektor abgenommen. Wenn Licht blockiert ist, ist der Transistor aus, und der Ausgang wird auf High (V_CC) gezogen. Bei vorhandenem Licht schaltet der Transistor ein und zieht den Ausgang auf Low (nahe V_CE(SAT)). Der R_LOAD-Wert wird basierend auf dem gewünschten I_Cund der Geschwindigkeit gewählt; 1kΩ bis 10kΩ sind üblich.
   • Strom-Spannungs-Wandler-Konfiguration: Schalten Sie den Fototransistor in einer Emitterschaltung mit einem Operationsverstärker in einer Transimpedanzschaltung, um den Fotostrom in eine präzise Spannung umzuwandeln. Dies wird für analoge Erfassung verwendet.

6.2 Design-Überlegungen

• Störfestigkeit: Für Umgebungen mit Umgebungslicht (insbesondere Infrarot) verwenden Sie ein moduliertes LED-Ansteuersignal und synchrone Detektion oder sorgen Sie dafür, dass der Spalt physikalisch abgeschirmt ist.
• Entprellung: Während das Bauteil selbst kein mechanisches Prellen aufweist, kann das Ausgangssignal eine Software-Entprellung benötigen, wenn das erfasste Objekt im Spalt flattern kann.
• Objektmaterial: Das Objekt, das den Strahl unterbricht, muss für Infrarotlicht undurchlässig sein. Dünne oder durchscheinende Materialien werden möglicherweise nicht zuverlässig erkannt.
• Ausrichtung: Eine präzise mechanische Ausrichtung des durch den Spalt laufenden Objekts ist für einen konsistenten Betrieb notwendig.

6.3 Häufige Anwendungsszenarien

• Drucker & Kopierer: Papierende-Erkennung, Tonerstand-Erfassung, Schlitten-Positionsreferenzierung.
• Industrieautomation: Endschalter an Linearantrieben, Teile-Präsenzerkennung auf Förderbändern, Flügelerkennung an rotierenden Wellen (Tachometer).
• Unterhaltungselektronik:
• Sicherheitssysteme: Tür-/Fenster-Positionserfassung.
• Verkaufsautomaten: Münz- oder Produktausgabeverifikation.

7. Technischer Vergleich & Auswahlhilfe

Bei der Auswahl eines Foto-Unterbrechers sind folgende Hauptunterscheidungsmerkmale zu beachten:

• Spaltbreite & Abstand: Bestimmt die Größe des zu erfassenden Objekts. Der LTH-301-32 hat eine spezifische Spaltabmessung.
• Ausgangstyp: Fototransistor (wie hier) vs. Photodarlington (höhere Verstärkung, langsamere Geschwindigkeit) vs. Logikausgang (integrierter Schmitt-Trigger).
• Stromübertragungsverhältnis (CTR): Ein höherer CTR liefert mehr Ausgangsstrom für einen gegebenen Eingangsstrom, was höherwertige Pull-up-Widerstände oder längere Kabelwege ermöglicht.
• Geschwindigkeit (t_r, t_f): Kritisch für Hochgeschwindigkeitszähl- oder Encoderanwendungen.
• Gehäuse & Montage: Durchsteckmontage (DIP) vs. Oberflächenmontage (SMD). Der LTH-301-32 ist ein Durchsteckbauteil.
• Betriebsspannung: Die V_(BR)CEOvon 30V ermöglicht die Anbindung an eine breite Palette von Versorgungsspannungen, von 3,3V- bis 24V-Systemen.

Der LTH-301-32 positioniert sich als universelles, zuverlässiges Bauteil mit ausgewogenen Eigenschaften, die für ein breites Spektrum von mittelschnellen digitalen Erfassungsanwendungen geeignet sind.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

8.1 Welchen Zweck hat der Spitzen-Durchlassstrom für die LED?

Die 1A-Spitzenstromangabe erlaubt es, die LED mit einem viel höheren Strom zu pulsieren als ihrem DC-Nennwert (60mA). Dies kann verwendet werden, um einen helleren Lichtpuls zu erzeugen, was das Signal-Rausch-Verhältnis in störbehafteten Umgebungen verbessert oder ein niedrigeres Tastverhältnis zur Stromersparnis ermöglicht. Die strikten Grenzen für Pulsbreite (10μs) und Wiederholrate (300 pps) müssen eingehalten werden, um Überhitzung zu verhindern.

8.2 Wie wähle ich den Wert des Pull-up-Widerstands (R_LOAD)?

Die Wahl beinhaltet einen Kompromiss zwischen Stromverbrauch, Schaltgeschwindigkeit und Störfestigkeit. Ein kleinerer Widerstand (z.B. 1kΩ) bietet schnellere Anstiegszeiten (kleinere RC-Zeitkonstante) und bessere Störfestigkeit, zieht aber mehr Strom, wenn der Transistor eingeschaltet ist (I_C= V_CC/R_LOAD). Ein größerer Widerstand (z.B. 10kΩ) spart Strom, ist aber langsamer und anfälliger für Störungen. Stellen Sie sicher, dass der gewählte R_LOADbei der minimalen Versorgungsspannung immer noch genug I_Cermöglicht, um den Ausgang unter die Logik-Low-Schwelle der Empfängerschaltung zu ziehen, unter Berücksichtigung des minimalen I_C(ON) specification.

8.3 Warum ist die Ansprechzeit mit einem Lastwiderstand (R_L=100Ω) spezifiziert?

Die Schaltgeschwindigkeit des Fototransistors ist durch die Kapazität seines Übergangs und den Widerstand, über den er sich aufläd/entlädt, begrenzt. Die Spezifikation mit einem kleinen Lastwiderstand (100Ω) zeigt die intrinsische Geschwindigkeitsgrenze des Bauteils. In einer realen Schaltung mit einem größeren Pull-up-Widerstand wird die Anstiegszeit aufgrund der größeren RC-Konstante (t_rise≈ R_LOAD* C) langsamer sein. Die Abfallzeit wird hauptsächlich durch die interne Ladungsträgerrekombination des Bauteils bestimmt und hängt weniger vom externen Widerstand ab.

8.4 Wie beeinflusst die Temperatur den Betrieb?

Mit steigender Temperatur:

• Die Verstärkung des Fototransistors (und somit I_C(ON)) nimmt ab. Möglicherweise müssen Sie I_Ferhöhen, um dies zu kompensieren.
• Der Dunkelstrom (I_CEO) nimmt zu. Dies erhöht den "Aus"-Spannungspegel und kann bei zu eng gesetzter Detektionsschwelle zu Fehlauslösungen führen.
• Die Durchlassspannung der LED (V_F) nimmt leicht ab.

Entwürfe für weite Temperaturbereiche müssen diese Verschiebungen berücksichtigen, oft durch Reduzierung des nutzbaren I_C(ON)und Einplanen eines Sicherheitsabstands für I_CEO.

9. Funktionsprinzip

Ein Foto-Unterbrecher arbeitet nach dem Prinzip der optoelektronischen Kopplung. Das Bauteil enthält zwei separate Komponenten in einem Gehäuse: eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) und einen Silizium-Fototransistor. Sie sind einander gegenüber über einen Luftspalt (den Schlitz) angeordnet. Wenn Spannung an die IR-LED angelegt wird, emittiert sie unsichtbares Infrarotlicht. Dieses Licht durchquert den Spalt und trifft auf die Basisregion des Fototransistors. Die Photonen erzeugen in der Basis Elektronen-Loch-Paare, die als Basisstrom wirken und den Transistor einschalten. Dies ermöglicht einen viel größeren Kollektorstromfluss, der durch die externe Schaltung begrenzt wird.

Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Spalt eingeführt wird, blockiert es den Lichtweg. Die photoelektrische Erzeugung des Basisstroms hört auf, und der Fototransistor schaltet ab, wodurch der Kollektorstrom stoppt. Somit wird der elektrische Zustand des Ausgangs (Ein/Aus) direkt durch den mechanischen Zustand des Spalts (frei/blockiert) gesteuert, ohne jeglichen elektrischen Kontakt zwischen der Eingangsseite (LED-Seite) und der Ausgangsseite (Transistor-Seite). Dies bietet eine ausgezeichnete elektrische Isolation, typischerweise im Bereich von Hunderten bis Tausenden von Volt.

10. Branchentrends & Kontext

Foto-Unterbrecher wie der LTH-301-32 repräsentieren eine ausgereifte und grundlegende Sensortechnologie. Wichtige Trends, die diesen Sektor beeinflussen, sind:

• Miniaturisierung: Starke Nachfrage nach kleineren Oberflächenmontage-Bauteilen (SMD) zur Platzersparnis auf Leiterplatten in moderner Elektronik.
• Integration:
• Höhere Geschwindigkeit: Entwicklung von Bauteilen mit schnelleren Ansprechzeiten (Nanosekundenbereich) für hochauflösende Encoder und Datenkommunikationsanwendungen.
• Verbesserte Präzision: Engere Toleranzen bei Spaltabmessungen und optischer Ausrichtung für genauere Positionserfassung.
• Alternative Technologien: Foto-Unterbrecher stehen im Wettbewerb mit anderen berührungslosen Sensoren wie Hall-Effekt-Sensoren (für magnetische Erfassung), kapazitiven Sensoren und miniaturisierten Ultraschallsensoren. Die Wahl hängt vom Objektmaterial, der erforderlichen Präzision, den Umgebungsbedingungen und den Kosten ab.

Trotz dieser Trends bleibt der grundlegende Durchsteck-Lichtschranke mit Spalt eine äußerst kostengünstige, zuverlässige und einfach zu verwendende Lösung für unzählige Anwendungen, bei denen Robustheit, elektrische Isolation und einfache digitale Ausgabe von größter Bedeutung sind.