LTH-301-23 Foto-Unterbrecher Datenblatt - Abmessungen 4,0x3,2x2,5mm - Durchlassspannung 1,6V - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-301-23 ist ein kompaktes, durchsteckbares Foto-Unterbrecher-Modul für berührungslose Schaltanwendungen. Es integriert eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) und einen Fototransistor in einem gemeinsamen Gehäuse, die durch einen physikalischen Spalt getrennt sind. Das Funktionsprinzip basiert auf der Unterbrechung des Infrarot-Lichtstrahls zwischen Sender und Empfänger, was eine entsprechende Änderung des Ausgangszustands des Fototransistors bewirkt. Dies macht ihn ideal für Anwendungen, die Positionserfassung, Objekterkennung oder Endlagenschaltung ohne mechanischen Kontakt erfordern, wodurch mechanischer Verschleiß vermieden und hohe Zuverlässigkeit sowie schnelle Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht werden.

Zu seinen Hauptvorteilen zählen der berührungslose Betrieb, der eine lange Lebensdauer bietet, schnelle Ansprechzeiten für Zähl- oder Geschwindigkeitserfassung sowie ein Design, das mit direkter Leiterplattenbestückung oder Standard-DIL-Sockeln kompatibel ist, um eine einfache Integration zu gewährleisten. Die Zielmärkte und Anwendungen sind breit gefächert und umfassen Büroautomationsgeräte (Drucker, Kopierer), Industrieautomation (Objekterkennung auf Förderbändern, Positionserfassung), Unterhaltungselektronik sowie verschiedene Mess-, Steuer- und Regelungssysteme.

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. Wichtige Grenzwerte sind:

• Dauer-Durchlassstrom der IR-Diode (I_F): 60 mA. Dies ist der maximale stationäre Strom, der durch die Infrarot-LED fließen darf.
• Spitzen-Durchlassstrom der IR-Diode: 1 A für Pulse von 10 μs Breite bei 300 Pulsen pro Sekunde. Dies ermöglicht kurze, hochintensive Pulse für Anwendungen, die stärkere Signalstöße erfordern.
• Kollektor-Emitter-Spannung des Fototransistors (V_CEO): 30 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter des Ausgangstransistors anliegen darf.
• Betriebstemperaturbereich: -25°C bis +85°C. Dies definiert den Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb des Bauteils.
• Löt-Temperatur der Anschlüsse: 260°C für 5 Sekunden in einem Abstand von 1,6mm vom Gehäuse. Dies ist entscheidend für die Prozesskontrolle bei der Montage, um thermische Schäden zu verhindern.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

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

2.2.1 Eingangs- (IR-LED) Kenngrößen

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,2V bis 1,6V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA. Dieser Wert dient zur Berechnung des Vorwiderstands für die LED-Ansteuerschaltung.
• Sperrstrom (I_R): Maximal 100 μA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dies gibt den Leckstrom der LED bei Sperrspannung an, der sehr gering ist.

2.2.2 Ausgangs- (Fototransistor) Kenngrößen

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO): Mindestens 30V. Dies stellt sicher, dass der Transistor typischen Schaltkreis-Spannungen standhält.
• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO): Maximal 100 nA bei V_CE=10V. Dies ist der Leckstrom, wenn die LED ausgeschaltet ist (kein Licht), und bestimmt das Signalniveau im "Aus-Zustand".
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)): Maximal 0,4V bei I_C=0,2mA und I_F=20mA. Dies ist der Spannungsabfall über dem Transistor, wenn er vollständig "ein"geschaltet ist, und wichtig für die Schnittstelle zu Logikpegeln.
• Kollektorstrom im leitenden Zustand (I_C(ON)): Mindestens 0,4 mA bei V_CE=5V und I_F=20mA. Dieser Wert spezifiziert den minimal verfügbaren Ausgangsstrom, wenn der Strahl nicht unterbrochen ist, und definiert die Empfindlichkeit des Sensors.

2.2.3 Koppler- (System) Kenngrößen

• Anstiegszeit (t_r): 3 μs (typisch) bis 15 μs (maximal) unter den Testbedingungen V_CE=5V, I_C=2mA und R_L=100Ω.
• Abfallzeit (t_f): 4 μs (typisch) bis 20 μs (maximal) unter denselben Bedingungen.

Diese Ansprechzeiten definieren, wie schnell der Ausgang von aus auf ein (Anstieg) und von ein auf aus (Abfall) schalten kann. Die hohe Schaltgeschwindigkeit (im Mikrosekundenbereich) ermöglicht die Erkennung sich schnell bewegender Objekte oder Hochgeschwindigkeits-Zählanwendungen.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektrische/optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Diagramme im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, würden Standardkennlinien für ein solches Bauteil typischerweise Folgendes umfassen:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V_F) für die IR-LED: Zeigt den nichtlinearen Zusammenhang, der für den Entwurf der Ansteuerschaltung entscheidend ist.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE) für den Fototransistor: Bei verschiedenen Bestrahlungsstärken (LED-Strom) zeigen diese Ausgangskennlinien die Arbeitsbereiche des Transistors (Sperrbereich, aktiver Bereich, Sättigung).
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom: CTR ist das Verhältnis von Fototransistor-Kollektorstrom (I_C) zu LED-Durchlassstrom (I_F). Diese Kurve zeigt die Effizienz der optischen Kopplung und wie sie sich mit dem Ansteuerstrom ändert.
• Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms (I_CEO) und des Kollektorstroms im leitenden Zustand (I_C(ON)): Diese Kurven veranschaulichen, wie sich die Leistung bei extremen Temperaturen verschlechtert, was für den Entwurf robuster Systeme, die über den spezifizierten Temperaturbereich arbeiten, von entscheidender Bedeutung ist.

Diese Kurven ermöglichen es Konstrukteuren, Arbeitspunkte zu optimieren, Leistungskompromisse zu verstehen und einen zuverlässigen Betrieb unter allen spezifizierten Bedingungen sicherzustellen.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der LTH-301-23 ist in einem Standard-Durchsteckgehäuse untergebracht. Wichtige dimensionale Angaben aus dem Datenblatt:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, Zollwerte stehen in Klammern.
• Die Standardtoleranz beträgt ±0,25mm (±0,010"), sofern nicht anders in einer speziellen Merkmalsnotiz angegeben.
• Das Gehäuse ist für die direkte Leiterplattenbestückung oder den Einsatz in einem Standard-DIL-Sockel ausgelegt, was Flexibilität bei Montage und Prototypenbau bietet.

Der physikalische Spalt zwischen Sender und Empfänger ist innerhalb des Gehäuses festgelegt und definiert den Schlitz, durch den das unterbrechende Objekt hindurchgeht. Die genaue Breite dieses Spalts ist eine kritische mechanische Spezifikation, die in der Maßzeichnung zu finden ist.

4.2 Polaritätskennzeichnung & Pinbelegung

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb ist die korrekte Pinidentifikation unerlässlich. Das Bauteil hat vier Anschlüsse. Typischerweise gehören die beiden Anschlüsse auf einer Seite zur Infrarot-LED (Anode und Kathode) und die beiden auf der anderen Seite zum Fototransistor (Kollektor und Emitter). Die Gehäusezeichnung im Datenblatt zeigt Pin 1 eindeutig an, oft durch eine Kerbe, einen Punkt oder eine abgeschrägte Kante am Gehäuse. Die Tabelle der elektrischen Kenngrößen bestätigt, dass die Anode für die LED positiv ist und der Kollektor für den NPN-Fototransistor in Emitterschaltung positiv ist.

5. Löt- & Montagerichtlinien

Die Absolute Maximalwerte liefern die wichtigste Richtlinie für das Löten: Die Löttemperatur der Anschlüsse darf 260°C für eine Dauer von 5 Sekunden nicht überschreiten, gemessen an einem Punkt 1,6mm (0,063") vom Kunststoffgehäuse entfernt. Dies ist eine Standardvorsichtsmaßnahme, um zu verhindern, dass der interne Epoxidharz oder die Halbleiterchips durch übermäßige Hitze während Wellenlöt- oder Handlötprozessen beschädigt werden.

Empfehlungen:

• Verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötstation.
• Minimieren Sie die Kontaktzeit zwischen Lötspitze und Anschluss.
• Stellen Sie beim Wellenlöten sicher, dass das Temperaturprofil (Vorwärmen, Halten, Spitzentemperatur, Zeit über Liquidus) so gesteuert wird, dass diese Anforderung erfüllt wird.
• Vermeiden Sie mechanische Belastung der Anschlüsse während oder nach dem Löten.

Lagerbedingungen:Das Bauteil sollte innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -40°C bis +100°C gelagert werden, vorzugsweise in einer trockenen, antistatischen Umgebung, um Feuchtigkeitsaufnahme (die während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" führen kann) und elektrostatische Entladungsschäden zu verhindern.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die gebräuchlichste Konfiguration ist einSchalter in Emitterschaltung. Die IR-LED wird über einen Vorwiderstand (R_limit) angesteuert, der an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Der Wert wird berechnet als R_limit= (V_CC- V_F) / I_F. Der Kollektor des Fototransistors ist mit einem Pull-up-Widerstand (R_pull-up) und der Versorgungsspannung verbunden, während der Emitter geerdet ist. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor-Knoten abgenommen. Wenn der Strahl nicht unterbrochen ist, schaltet der Transistor ein und zieht die Ausgangsspannung auf einen niedrigen Pegel (nahe V_CE(SAT)). Wenn der Strahl blockiert ist, schaltet der Transistor aus, und der Pull-up-Widerstand zieht die Ausgangsspannung auf einen hohen Pegel (auf V_CC).

6.2 Design-Überlegungen

• Stromeinstellung: Wählen Sie I_Fbasierend auf der erforderlichen Empfindlichkeit und dem Stromverbrauch. Ein höherer I_Fergibt einen höheren I_C(ON), erhöht aber die Verlustleistung.
• Ausgangslastwiderstand (R_pull-up): Sein Wert beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit und die Ausgangsstromfähigkeit. Ein kleinerer Widerstand ermöglicht kürzere Anstiegszeiten (kürzere RC-Zeitkonstante) und einen höheren Senkenstrom, verbraucht aber mehr Leistung, wenn der Transistor eingeschaltet ist.
• Störfestigkeit gegen Umgebungslicht: Da moduliertes Infrarotlicht verwendet wird, ist die Störfestigkeit gegen die meisten Umgebungslichtquellen im sichtbaren Bereich gut. Starke Infrarotlichtquellen (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) können jedoch Fehlauslösungen verursachen. Die Verwendung eines modulierten LED-Ansteuersignals und einer synchronisierten Detektorschaltung kann die Störfestigkeit erheblich verbessern.
• Objekteigenschaften: Der Sensor erkennt jedes Objekt, das für die Infrarotwellenlänge undurchlässig ist. Größe, Geschwindigkeit und Material des Objekts beeinflussen die Signalintegrität.
• Ausrichtung: Für einen zuverlässigen Betrieb ist eine präzise mechanische Ausrichtung des unterbrechenden Objekts mit dem Sensorspalt erforderlich.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Im Vergleich zu mechanischen Mikroschaltern bietet der LTH-301-23 eine überlegene Lebensdauer (Millionen gegenüber Tausenden von Schaltzyklen), schnellere Reaktion und geräuschlosen Betrieb. Im Vergleich zu reflektierenden optischen Sensoren sind transmissive Foto-Unterbrecher wie dieser im Allgemeinen zuverlässiger und weniger empfindlich gegenüber Schwankungen in der Farbe oder Reflektivität des Zielobjekts, da sie auf Strahlunterbrechung und nicht auf Reflexion angewiesen sind. Seine wichtigsten Unterscheidungsmerkmale innerhalb der Kategorie der Foto-Unterbrecher sind seine spezifische Kombination aus Gehäusegröße, Spaltbreite, elektrischer Empfindlichkeit (I_C(ON)) und hoher Schaltgeschwindigkeit, was ihn für platzbeschränkte Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet macht.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Was ist der typische Betriebsstrom für die IR-LED?

A1: Das Datenblatt verwendet I_F= 20 mA für die meisten Testbedingungen, was ein üblicher und zuverlässiger Arbeitspunkt ist. Er kann niedriger angesteuert werden, um Strom zu sparen, oder kurzzeitig höher (innerhalb der absoluten Grenzwerte), um die Signalstärke zu erhöhen.

F2: Wie schließe ich den Ausgang an einen Mikrocontroller an?

A2: Der digitale Ausgang (niedrig, wenn Strahl vorhanden; hoch, wenn blockiert) kann direkt mit einem digitalen Eingangspin eines Mikrocontrollers verbunden werden. Stellen Sie sicher, dass die Ausgangsspannungspegel (V_CCfür hoch, V_CE(SAT)für niedrig) mit den Logikpegeln des MCU kompatibel sind. Typischerweise ist ein Pull-up-Widerstand erforderlich.

F3: Kann er transparente Objekte erkennen?

A3: Standard-Foto-Unterbrecher, die Infrarotlicht verwenden, können Objekte, die für Infrarotwellenlängen durchlässig sind (z.B. einige Kunststoffe), möglicherweise nicht zuverlässig erkennen. Für solche Anwendungen kann ein Sensor mit einer anderen Wellenlänge oder einem anderen Erfassungsprinzip erforderlich sein.

F4: Was ist die Bedeutung der Anstiegs- und Abfallzeiten?

A4: Diese Zeiten begrenzen die maximale Schaltfrequenz. Die maximale theoretische Frequenz beträgt ungefähr 1/(t_r+ t_f). Mit typischen Zeiten von 3μs und 4μs kann das Bauteil Frequenzen bis in den Bereich von mehreren zehn kHz verarbeiten, was für Hochgeschwindigkeitszähl- oder Encoderanwendungen geeignet ist.

9. Funktionsprinzip

Ein Foto-Unterbrecher ist ein transmissives optoelektronisches Bauteil. Es besteht aus einer Infrarotlichtquelle (einer LED) und einem Lichtdetektor (einem Fototransistor), die sich in einem Gehäuse gegenüberstehen und durch einen präzisen Spalt voneinander getrennt sind. Wenn ein elektrischer Strom durch die LED fließt, emittiert sie Infrarotlicht. Dieses Licht durchquert den Spalt und trifft auf die Basiszone des Fototransistors. Die Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in der Basis, die effektiv als Basisstrom wirken, den Transistor einschalten und einen Kollektorstrom fließen lassen. Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Spalt eintritt, blockiert es den Lichtweg. Der photogenerierte Basisstrom hört auf, der Transistor schaltet aus und der Kollektorstrom sinkt auf einen sehr niedrigen Wert (den Dunkelstrom). Diese Ein/Aus-Änderung des Ausgangsstroms wird als Schaltsignal verwendet.

10. Branchentrends

Der Trend in der optoelektronischen Sensorik geht in Richtung Miniaturisierung, höherer Integration und verbesserter Leistung. Oberflächenmontage (SMD)-Versionen werden für die automatisierte Montage und Platzersparnis immer beliebter. Es gibt auch einen Trend zu Bauteilen mit integrierter Signalaufbereitung, wie z.B. Schmitt-Trigger für saubere digitale Ausgänge oder analoge Verstärker für Abstands-/Näherungserkennung. Darüber hinaus wird zunehmend Wert auf eine höhere Störfestigkeit gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und Umgebungslicht sowie auf die Erweiterung des Betriebstemperaturbereichs für Automobil- und Industrieanwendungen gelegt. Während grundlegende Bauteile wie der LTH-301-23 aufgrund ihrer Einfachheit und Kosteneffizienz weit verbreitet bleiben, integrieren neuere Designs oft diese fortschrittlichen Funktionen für anspruchsvollere Anwendungen.