Technisches Datenblatt Photointerrupter LTH-872-N55H - Schlitztyp - Abmessungen 4,0mm - Spannung 5V

1. Produktübersicht

Der LTH-872-N55H ist ein Schlitz-Photointerrupter, eine grundlegende optoelektronische Komponente für berührungslose Erfassungs- und Schaltanwendungen. Er integriert eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) und einen Fototransistor in einem gemeinsamen Gehäuse, die durch einen physikalischen Spalt (Schlitz) getrennt sind. Das Funktionsprinzip ist einfach: Wenn ein Objekt diesen Schlitz durchquert, unterbricht es den Infrarot-Lichtstrahl von der Sendediode zum Empfänger, was eine entsprechende Änderung des Ausgangszustands des Fototransistors bewirkt. Dieser einfache und zuverlässige Mechanismus macht ihn zur idealen Lösung für die berührungslose Erfassung von Anwesenheit, Abwesenheit, Position oder Geschwindigkeit von Objekten.

Das Bauteil ist für die direkte Bestückung auf einer Leiterplatte (PCB) oder den Einsatz in einer Standard-DIL-Fassung ausgelegt und bietet damit Flexibilität bei Montage und Prototypenbau. Seine Hauptvorteile sind hohe Zuverlässigkeit, schnelle Schaltgeschwindigkeit und lange Lebensdauer aufgrund fehlender mechanischer Kontakte, die verschleißen können. Typische Anwendungen umfassen ein breites Spektrum an Büroautomatisierungs- und Industrieanlagen, darunter Drucker, Kopierer, Scanner, Faxgeräte und diverse automatisierte Systeme, die eine präzise Objekterkennung erfordern.

1.1 Kernmerkmale

• Berührungsloses Schalten:Vermeidet mechanischen Verschleiß und gewährleistet so hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer.
• Vielseitige Montage:Kompatibel mit direkter Leiterplattenlötung oder Standard-DIL-Fassungen, erleichtert die Integration in verschiedene Schaltungsdesigns.
• Schnelle Ansprechzeit:Ermöglicht die Erfassung von Hochgeschwindigkeitsereignissen, geeignet für Anwendungen mit schneller Erfassung wie Papierzuführerkennung in Druckern oder Drehgebersystemen.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

Das Datenblatt liefert kritische Parameter, die die Betriebsgrenzen und die Leistung des Bauteils unter Standardbedingungen definieren. Das Verständnis dieser Parameter ist für ein korrektes Schaltungsdesign und die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit unerlässlich.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte spezifizieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie sind keine Bedingungen für den Normalbetrieb.

• Eingangs-LED:
  • Verlustleistung (P_D):Maximal 75 mW. Dies ist die Gesamtleistung, die die LED sicher als Wärme abführen kann.
  • Dauer-Vorwärtsstrom (I_F):Maximal 50 mA. Die LED sollte nicht mit einem Dauerstrom betrieben werden, der diesen Wert überschreitet.
  • Sperrspannung (V_R):Maximal 5 V. Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann den LED-Übergang zerstören.
• Ausgangs-Fototransistor:
  • Verlustleistung (P_D):Maximal 100 mW für den Fototransistor.
  • Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):Maximal 30 V. Dies ist die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter angelegt werden darf, wenn die Basis (Lichteinfall) offen ist.
  • Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO):Maximal 5 V. Dies ist der Sperrspannungsgrenzwert für den Kollektor-Emitter-Übergang.
  • Kollektorstrom (I_C):Maximal 20 mA. Der Laststrom durch den Fototransistor muss unter dieser Grenze bleiben.
• Umgebung:
  • Betriebstemperaturbereich (T_A):-25°C bis +85°C. Das Bauteil arbeitet garantiert innerhalb der Spezifikationen in diesem Umgebungstemperaturbereich.
  • Lagertemperaturbereich (T_stg):-40°C bis +100°C.
  • Lötstellentemperatur:260°C für maximal 5 Sekunden, spezifiziert für einen Anschlussdrahtdurchmesser von 1,6mm (0,063 Zoll). Dies ist kritisch für Reflow- oder Wellenlötprozesse.

2.2 Elektrische und optische Kennwerte

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C.

• Kennwerte der Eingangs-LED:
  • Flussspannung (V_F):Typisch 1,2V, maximal 1,6V bei einem Vorwärtsstrom (I_F) von 20 mA. Dieser Parameter wird zur Berechnung des Vorwiderstandswerts für die LED-Ansteuerschaltung verwendet: R = (V_CC- V_F) / I_F.
  • Sperrstrom (I_R):Maximal 100 µA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dies zeigt den Leckstrom der LED bei Sperrspannung an.
• Kennwerte des Ausgangs-Fototransistors:
  • Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE= 10V. Dies ist der Leckstrom, wenn die LED ausgeschaltet ist (kein Lichteinfall auf den Fototransistor). Ein niedriger Dunkelstrom ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis wünschenswert, insbesondere bei Anwendungen mit wenig Licht oder hoher Verstärkung.
• Koppler- (System-) Kennwerte:
  • Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Maximal 0,4V, wenn der Fototransistor vollständig leitend ist (I_C= 0,25 mA, I_F= 20 mA). Eine niedrige Sättigungsspannung ist entscheidend, wenn der Ausgang zum Ansteuern von Logikeingängen oder anderen Niederspannungsschaltungen verwendet wird, da sie den logischen \"LOW\"-Pegel definiert.
  • Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)):Mindestens 2,0 mA bei V_CE= 5V und I_F= 20 mA. Dies ist der garantierte Mindestausgangsstrom, wenn die LED mit ihrem typischen Strom betrieben wird und der Strahl ununterbrochen ist. Dieser Parameter, oft als \"Stromübertragungsverhältnis\" (CTR) bezeichnet, wenn er als Verhältnis I_C/I_F ausgedrückt wird, definiert die Empfindlichkeit des Kopplers. Hier beträgt das minimale CTR (2,0 mA / 20 mA) = 0,1 oder 10%.
  • Ansprechzeit:
    • Anstiegszeit (T_r):Typisch 3 µs, maximal 15 µs. Dies ist die Zeit, die der Ausgang benötigt, um von 10% auf 90% seines Endwerts zu wechseln, wenn die Eingangs-LED eingeschaltet wird.
    • Abfallzeit (T_f):Typisch 4 µs, maximal 20 µs. Dies ist die Zeit, die der Ausgang benötigt, um von 90% auf 10% seines Endwerts zu wechseln, wenn die Eingangs-LED ausgeschaltet wird. Diese schnellen Schaltzeiten ermöglichen die Erfassung sich schnell bewegender Objekte.

3. Mechanische und Gehäuseinformationen

Der LTH-872-N55H verfügt über ein Standard-Durchsteckgehäuse, das für eine einfache Leiterplattenintegration ausgelegt ist.

3.1 Abmessungen

Das Datenblatt enthält eine detaillierte mechanische Zeichnung. Wichtige Abmessungen sind die gesamte Schlitzbreite, die die Größe des zu erfassenden Objekts definiert, und der Pinabstand für das Leiterplattenlayout. Alle Abmessungen sind in Millimetern (mm) mit einer Standardtoleranz von ±0,25 mm angegeben, sofern nicht anders vermerkt. Die Zeichnung zeigt typischerweise Draufsicht, Seitenansicht und Pinbelegung (Emitter-Anode, Emitter-Kathode, Kollektor, Emitter).

3.2 Polaritätskennzeichnung und Pinbelegung

Die korrekte Polarität ist für den Betrieb des Bauteils unerlässlich. Das Gehäuse hat eine Markierung oder eine spezifische Pinform (oft eine abgeflachte Seite oder eine Kerbe), um Pin 1 zu identifizieren. Die Standard-Pinbelegung für einen 4-poligen Photointerrupter ist: Pin 1 - Anode der IR-LED, Pin 2 - Kathode der IR-LED, Pin 3 - Emitter des Fototransistors, Pin 4 - Kollektor des Fototransistors. Bevor Sie den Leiterplatten-Footprint entwerfen, ziehen Sie immer das Diagramm im Datenblatt zur Bestätigung der genauen Pinbelegung für den LTH-872-N55H heran.

4. Löt- und Montagerichtlinien

4.1 Lötprozess

Das Bauteil ist für eine maximale Lötstellentemperatur von 260°C für 5 Sekunden ausgelegt. Diese Spezifikation ist kritisch für Wellenlöt- oder Reflow-Prozesse. Das Überschreiten dieser Temperatur oder Zeit kann die internen Halbleiterübergänge oder das Kunststoffgehäuse beschädigen. Es wird empfohlen, die standardmäßigen IPC-Richtlinien für das Löten von Durchsteckbauteilen zu befolgen.

4.2 Handhabung und Lagerung

Obwohl im bereitgestellten Auszug nicht explizit detailliert, gelten allgemeine Best Practices: Lagern Sie Bauteile in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs (-40°C bis +100°C). Vermeiden Sie es, das Bauteil vor dem Löten übermäßiger Feuchtigkeit auszusetzen, um \"Popcorning\" während des Reflow zu verhindern, obwohl dies für SMD-Bauteile kritischer ist.

5. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

5.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die häufigste Konfiguration ist die Verwendung des Photointerrupters als digitaler Schalter. Eine einfache Schaltung umfasst:
1. LED-Ansteuerung:Schalten Sie einen Vorwiderstand in Reihe mit der Infrarot-LED an eine Spannungsquelle (z.B. 5V). Setzen Sie den Widerstandswert so, dass der gewünschte I_F(z.B. 20 mA) erreicht wird. Beispiel: R_limit= (5V - 1,2V) / 0,02A = 190Ω (verwenden Sie einen Standard-200Ω-Widerstand).
2. Fototransistor-Ausgang:Schalten Sie einen Pull-up-Widerstand (R_L) vom Kollektor des Fototransistors an eine Spannungsquelle (z.B. 5V). Der Emitter ist mit Masse verbunden. Wenn der Lichtweg frei ist, leitet der Fototransistor und zieht die Kollektorspannung (Ausgang) auf LOW. Wenn der Strahl blockiert ist, schaltet der Fototransistor ab und der Pull-up-Widerstand zieht den Ausgang auf HIGH. Der Wert von R_Lbeeinflusst Schaltgeschwindigkeit und Stromverbrauch; ein niedrigerer Wert ergibt höhere Geschwindigkeit, aber höhere Verlustleistung. Die Testbedingung im Datenblatt verwendet R_L= 100Ω.

5.2 Designüberlegungen

• Störfestigkeit gegen Umgebungslicht:Da das Bauteil Infrarotlicht verwendet, ist es weitgehend unempfindlich gegen sichtbares Umgebungslicht. Starke Infrarotquellen (Sonnenlicht, einige Lampen) können jedoch Störungen verursachen. Die Verwendung eines modulierten LED-Signals und einer entsprechenden Demodulationsschaltung kann die Störfestigkeit erheblich verbessern.
• Ausrichtung:Sender und Empfänger müssen präzise über den Schlitz ausgerichtet sein. Das mechanische Gehäuse gewährleistet diese Ausrichtung, aber das Leiterplattendesign muss das Bauteil korrekt platzieren.
• Objekteigenschaften:Das den Strahl unterbrechende Objekt sollte für Infrarotlicht undurchlässig sein. Transparente oder stark reflektierende Materialien können möglicherweise nicht zuverlässig erfasst werden.
• Entprellung:In mechanischen Systemen (z.B. bei der Erfassung eines Chopper-Rads) kann das Ausgangssignal flackern, wenn ein Objekt in den Schlitz eintritt oder ihn verlässt. Für saubere digitale Signale sollten Software- oder Hardware-Entprelltechniken eingesetzt werden.

6. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt erwähnt \"Typische elektrische/optische Kennlinien.\" Obwohl die spezifischen Kurven im Auszug nicht enthalten sind, umfassen typische Diagramme für solche Bauteile:

• Vorwärtsstrom vs. Flussspannung (I_F-V_F):Zeigt die nichtlineare Beziehung für die IR-LED, wichtig für das Treiberdesign.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE):Kurvenschar mit der Lichteinstrahlstärke (oder I_F) als Parameter, ähnlich den Ausgangskennlinien eines Transistors.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Vorwärtsstrom (I_F):Zeigt, wie sich die Empfindlichkeit mit dem LED-Ansteuerstrom ändert.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Umgebungstemperatur:Eine entscheidende Kurve, die zeigt, dass CTR typischerweise mit steigender Temperatur abnimmt. Entwickler müssen bei der höchsten Betriebstemperatur ausreichend Reserve einplanen, um den minimal erforderlichen I_C(ON).
• zu garantieren._LAnsprechzeit vs. Lastwiderstand (R):

Veranschaulicht den Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und Leistungsaufnahme.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu mechanischen Mikroschaltern bietet der LTH-872-N55H aufgrund des berührungslosen Betriebs eine überlegene Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Er ist immun gegen Kontaktprellen. Im Vergleich zu Reflexionssensoren bieten Schlitz-Photointerrupter eine präzisere und konsistentere Erfassung, da sie weniger empfindlich auf Farbe, Textur oder Reflektivität des Zielobjekts reagieren; sie erfassen einfach die physikalische Unterbrechung eines Strahls. Der Hauptunterschied zwischen Photointerrupters selbst liegt oft in den Schlitzabmessungen, der Empfindlichkeit (CTR), der Ansprechgeschwindigkeit und dem Gehäusetyp (Durchsteckmontage vs. SMD).

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)
F: Was passiert, wenn ich die LED mit mehr als 50 mA betreibe?

A: Das Überschreiten des absoluten Grenzwerts für den Dauer-Vorwärtsstrom kann zu übermäßiger Erwärmung führen, was zu beschleunigtem Abbau der Lichtleistung der LED oder zu katastrophalem Ausfall führt. Verwenden Sie immer einen Vorwiderstand.
F: Mein Ausgangssignal ist verrauscht. Was könnte die Ursache sein?

A: Mögliche Ursachen sind elektrisches Rauschen auf den Stromversorgungsleitungen, Störungen durch Umgebungslicht (insbesondere Leuchtstofflampen mit 50/60 Hz) oder ein zu hoher Lastwiderstandswert, der den Knoten hochohmig und anfällig für Rauschen macht. Sorgen Sie für eine stabile Stromversorgung, erwägen Sie eine Abschirmung, verwenden Sie einen niedrigeren Pull-up-Widerstand oder implementieren Sie Signalmodulation/Demodulation.
F: Das Bauteil funktioniert bei Raumtemperatur, versagt aber, wenn sich mein System erwärmt. Warum?_{A: Die Empfindlichkeit (CTR) des Fototransistors nimmt mit steigender Temperatur ab. Sie arbeiten möglicherweise bei 25°C mit minimaler Reserve. Bewerten Sie Ihr Design unter Verwendung der minimalen I}C(ON)

-Spezifikation neu und berücksichtigen Sie die typische CTR-vs.-Temperatur-Kurve. Möglicherweise müssen Sie den LED-Ansteuerstrom (innerhalb der Grenzen) erhöhen oder einen Fototransistor mit höherem garantiertem CTR bei erhöhten Temperaturen verwenden.
F: Kann ich dies zur Erfassung eines transparenten Objekts verwenden?

A: Im Allgemeinen nein. Standard-Infrarot-Photointerrupter erfordern, dass das Objekt für die emittierte Infrarotwellenlänge (typischerweise um 940 nm) undurchlässig ist. Transparente Kunststoffe oder Glas lassen möglicherweise genügend IR-Licht durch, was eine zuverlässige Erfassung verhindert. Für transparente Materialien werden spezielle Sensoren mit anderen Wellenlängen oder Erfassungsprinzipien benötigt.

9. Praktisches AnwendungsbeispielAnwendung:
Papierstau-Erkennung in einem Desktop-Drucker.Umsetzung:

Der LTH-872-N55H wird entlang des Papierwegs montiert, wobei das Papier durch seinen Schlitz läuft. Ein Mikrocontroller-GPIO-Pin steuert die LED über einen Vorwiderstand an. Ein anderer GPIO-Pin, der mit einem internen Pull-up-Widerstand konfiguriert ist, liest den Zustand des Kollektors des Fototransistors. Im Normalbetrieb unterbricht das Papier den Strahl, und der Ausgang befindet sich in einem logischen Zustand (z.B. HIGH). Tritt ein Papierstau auf, bleibt das Papier entweder stecken (hält den Strahl unterbrochen) oder erreicht den Sensor nicht (lässt den Strahl ununterbrochen), was dazu führt, dass der Ausgang zu lange in einem unerwarteten Zustand verbleibt. Die Mikrocontroller-Firmware überwacht dieses Signal und löst eine \"Papierstau\"-Fehlermeldung aus, wenn die erwartete Zeitsequenz verletzt wird. Die schnelle Ansprechzeit des Sensors stellt sicher, dass selbst kleine Lücken zwischen Papierbögen für eine präzise Papierzuführüberwachung erfasst werden können.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Ein Photointerrupter arbeitet nach dem Prinzip der optoelektronischen Umwandlung und Unterbrechung. Intern beherbergt er zwei diskrete, ausgerichtete Komponenten: eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) und einen Silizium-Fototransistor. Die IR-LED dient als Lichtquelle. Wenn sie durch einen externen Strom in Durchlassrichtung betrieben wird, emittiert sie unsichtbare Infrarotphotonen. Der Fototransistor dient als Lichtdetektor. Seine Basiszone ist lichtempfindlich. Wenn Photonen von der LED auf die Basis treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare, die als Basisstrom wirken, den Transistor einschalten und einen viel größeren Kollektorstrom fließen lassen. Dieser Kollektorstrom ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Der Schlitz trennt diese beiden Elemente physikalisch. Ein im Schlitz platziertes Objekt blockiert den Lichtweg, reduziert drastisch das auf den Fototransistor einfallende Licht und schaltet ihn dadurch aus (oder reduziert seinen Strom). Diese Änderung des Ausgangsstroms/-spannung wird von externer Schaltung erfasst, um eine \"Unterbrechung\" zu registrieren.

11. Branchentrends und Entwicklungen