LTH-872-T55T1 Foto-Unterbrecher Datenblatt - Lichtschranke mit Schlitz - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-872-T55T1 ist ein Schlitz-Foto-Unterbrecher, eine grundlegende optoelektronische Komponente für berührungslose Erfassungsanwendungen. Er integriert eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) und einen Fototransistor in einem gemeinsamen Gehäuse, getrennt durch einen physikalischen Spalt (Schlitz). Das Kernprinzip basiert auf der Unterbrechung des Infrarot-Lichtstrahls zwischen Sender und Empfänger. Wenn ein undurchsichtiges Objekt den Schlitz passiert, blockiert es das Licht und verursacht eine signifikante Änderung des Ausgangsstroms des Fototransistors. Diese Änderung wird elektronisch erkannt und liefert ein zuverlässiges digitales Schaltsignal. Foto-Unterbrecher werden aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Staub oder Oberflächenverschmutzung im Vergleich zu mechanischen Schaltern bevorzugt.

Kernvorteile:Die primären Vorteile dieses Bauteils umfassen echte berührungslose Schaltung, die mechanischen Verschleiß eliminiert und eine lange Lebensdauer gewährleistet. Es bietet schnelle Ansprechzeiten für die Erfassung von Hochgeschwindigkeitsereignissen. Das Design eignet sich für die direkte Leiterplattenmontage oder die Verwendung mit einem Dual-Inline-Sockel und bietet damit Flexibilität bei der Montage. Seine Bauweise bietet inhärenten Schutz vor Störlicht.

Zielmarkt & Anwendungen:Diese Komponente wird vielfältig in verschiedenen Geräten der Büroautomatisierung und Unterhaltungselektronik eingesetzt. Typische Anwendungsszenarien sind die Papiererfassung in Faxgeräten, Druckern und Kopierern, wo sie Papierpräsenz, Papierstaus oder die Position von Druckköpfen und Schlitten erfasst. Sie findet sich auch in Scannern, Automaten, der industriellen Automatisierung für Positionserfassung und in allen Geräten, die präzise, zuverlässige Objekterkennung ohne physischen Kontakt erfordern.

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 an oder über diesen Grenzen ist nicht garantiert.

• Eingangs-LED:
  • Verlustleistung (P_D):75 mW. Dies ist die maximale Leistung, die der LED-Chip bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C als Wärme abführen kann. Eine Überschreitung kann zu thermischem Durchgehen und Ausfall führen.
  • Dauer-Durchlassstrom (I_F):50 mA. Der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich durch die LED fließen darf.
  • Spitzen-Durchlassstrom:1 A (Pulsbreite = 10 µs, 300 pps). Dieser Wert erlaubt kurze, hochstromstarke Pulse, nützlich zum Ansteuern der LED mit höherer momentaner Lichtleistung, ohne die durchschnittliche Leistungsaufnahme zu überschreiten.
  • Sperrspannung (V_R):5 V. Die maximale Sperrspannung, die an die LED angelegt werden darf. Eine Überschreitung kann zum Sperrschichtdurchbruch führen.
• Ausgangs-Fototransistor:
  • Verlustleistung (P_D):100 mW.
  • Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):30 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter angelegt werden darf, wenn die Basis (Lichteinfall) offen ist.
  • Kollektorstrom (I_C):20 mA. Der maximale Strom, der durch den Kollektor-Emitter-Pfad fließen darf.
• Thermische Grenzwerte:
  • Betriebstemperaturbereich:-25°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, in dem das Bauteil spezifikationsgemäß korrekt arbeitet.
  • Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C.
  • Löt-Temperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden (gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper). Dies definiert die Einschränkung für das Reflow-Lötprofil, um Schäden am Kunststoffgehäuse und den internen Bonddrähten zu verhindern.

2.2 Elektrische & Optische Kennwerte

Diese Parameter werden unter Standard-Testbedingungen (T_A=25°C) gemessen und definieren die typische Leistung des Bauteils.

• Kennwerte der Eingangs-LED:
  • Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,2V, maximal 1,6V bei I_F= 20 mA. Dieser Parameter ist entscheidend für die Auslegung des Vorwiderstands für die LED-Ansteuerung. Ein typisches Design zielt auf I_F=20mA ab und verwendet V_F~1,2V für die Berechnung.
  • Sperrstrom (I_R):Maximal 100 µA bei V_R= 5V. Dies zeigt die Qualität der PN-Sperrschicht der LED unter Sperrspannung.
• Kennwerte des Ausgangs-Fototransistors:
  • Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO):Mindestens 30V bei I_C=1mA. Dies gewährleistet eine gute Sicherheitsmarge für typische 5V- oder 12V-Logikschaltungen.
  • Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=10V. Dies ist der Leckstrom, wenn die LED ausgeschaltet ist (kein Licht). Ein niedriger Wert ist für einen definierten "AUS"-Zustand essenziell, besonders in hochverstärkenden Schaltungen.
• Koppler- (System-) Kennwerte:
  • Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)):Mindestens 0,5 mA bei V_CE= 5V und I_F= 20 mA. Dies ist der zentrale Empfindlichkeitsparameter. Er definiert den minimalen Ausgangsstrom bei freiem Schlitz. Entwickler müssen den Lastwiderstand (R_L) so wählen, dass dieser Strom einen nutzbaren Spannungshub erzeugt.
  • Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Maximal 0,4V bei I_C= 0,25mA und I_F= 20mA. Diese niedrige Sättigungsspannung zeigt eine gute Leistung, wenn der Fototransistor in Sättigung (voll EIN) getrieben wird, wodurch er eine Leitung sehr nahe an Masse ziehen kann.
  • Ansprechzeiten:
    • Anstiegszeit (T_r):Typisch 3 µs, maximal 15 µs.
    • Abfallzeit (T_f):Typisch 4 µs, maximal 20 µs.
    Gemessen bei V_CC=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω. Diese Zeiten begrenzen die maximale Schaltfrequenz. Asymmetrische Zeiten sind bei Fototransistoren üblich. Für ein konservatives Design sollte von einer maximalen Frequenz von 1/(T_r+T_f) ~ 1/40µs = 25 kHz ausgegangen werden.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf typische Leistungskurven. Obwohl die spezifischen Grafiken im Text nicht enthalten sind, sind deren Standardinterpretationen wie folgt:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V_F):Diese Kurve zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Sie hilft, die V_F-Variation mit Temperatur und Strom zu verstehen.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE):Für einen gegebenen LED-Strom (I_F) zeigt dieses Diagramm die Ausgangskennlinien des Fototransistors, ähnlich den Ausgangskurven eines Bipolartransistors. Es veranschaulicht den Übergang vom aktiven Bereich zur Sättigung.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom:CTR ist das Verhältnis I_C/ I_F(oft in Prozent angegeben). Dies ist ein kritischer Effizienzparameter für den Koppler. Die Kurve zeigt typischerweise, dass der CTR bei einem spezifischen I_Fein Maximum erreicht und bei höheren Strömen aufgrund von Erwärmung oder anderen Effekten abnimmt.
• Temperaturkennlinien:Kurven, die zeigen, wie Parameter wie I_C(ON), V_F und CTR über den Betriebstemperaturbereich (-25°C bis +85°C) variieren. Die Verstärkung von Fototransistoren nimmt generell mit steigender Temperatur ab, was in Designs mit stabiler Leistung über den Temperaturbereich berücksichtigt werden muss.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Abmessungen

Das Bauteil hat ein Standard-Durchsteckgehäuse mit einem kunststoffgeformten Körper, der den Schlitz enthält. Wichtige Abmessungshinweise aus dem Datenblatt:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern (mm) angegeben.
• Die Standardtoleranz für nicht spezifizierte Abmessungen beträgt ±0,25 mm.
• Die spezifische Schlitzbreite, Körperhöhe und Anschlussabstände sind in der Abmessungszeichnung definiert (im Text nicht vollständig detailliert). Diese Information ist kritisch für die mechanische Integration, um sicherzustellen, dass das zu erfassende Objekt durch den Schlitz passt, und für das Leiterplatten-Layout.

4.2 Polaritätskennzeichnung & Pinbelegung

Für einen korrekten Betrieb ist die richtige Pin-Identifikation essenziell. Das Gehäuse verwendet eine Standard-Pinanordnung für Schlitz-Foto-Unterbrecher: ein Pinpaar für die Infrarot-LED (Anode und Kathode) und ein weiteres Paar für den Fototransistor (Kollektor und Emitter). Die Datenblattzeichnung spezifiziert die Pinnummern. Typischerweise sind die Pins, wenn man das Bauteil von oben (Schlitzseite) betrachtet, gegen den Uhrzeigersinn nummeriert. Der Entwickler muss die Zeichnung konsultieren, um Anode, Kathode, Kollektor und Emitter korrekt anzuschließen.

5. Löt- & Montagerichtlinien

Die Einhaltung dieser Richtlinien ist notwendig, um Schäden während des Fertigungsprozesses zu verhindern.

• Reflow-Löten:Der absolute Maximalwert spezifiziert das Löten der Anschlüsse bei 260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper. Dies entspricht einem Standard-Reflow-Profil für bedrahtete Bauteile. Das Kunststoffgehäuse hat eine begrenzte Wärmekapazität, daher muss ein längerer Aufenthalt bei hohen Temperaturen vermieden werden, um Risse oder interne Schäden zu verhindern.
• Handlöten:Falls Handlöten notwendig ist, verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötspitze. Erwärmen Sie den Anschluss/Pin, nicht den Kunststoffkörper, und schließen Sie die Lötstelle innerhalb von 3-5 Sekunden pro Anschluss ab.
• Reinigung:Verwenden Sie Reinigungslösungsmittel, die mit dem Kunststoffmaterial des Bauteils kompatibel sind, um Spannungsrisse oder Materialabbau zu vermeiden.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer Umgebung innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs (-55°C bis +100°C) und bei niedriger Luftfeuchtigkeit. Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile sollten bis zur Verwendung in versiegelter, trockener Verpackung aufbewahrt werden.

6. Anwendungsdesign-Überlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltung

Eine Standard-Schnittstellenschaltung besteht aus zwei Hauptteilen:

1. LED-Treiber:Ein Vorwiderstand (R_LIMIT) ist in Reihe mit der LED geschaltet. Sein Wert wird berechnet als R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F. Für eine 5V-Versorgung, V_F=1,2V und I_F=20mA, ergibt sich R_LIMIT= (5 - 1,2) / 0,02 = 190Ω. Ein 180Ω- oder 200Ω-Widerstand wäre geeignet.
2. Fototransistor-Ausgang:Der Fototransistor ist typischerweise als Emitterschalter geschaltet. Ein Pull-up-Widerstand (R_L) ist zwischen dem Kollektor und der positiven Versorgung (V_CC) geschaltet. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Wenn Licht auf den Transistor fällt (freier Schlitz), schaltet er EIN und zieht die Kollektorspannung auf ein niedriges Niveau (nahe V_CE(SAT)). Wenn das Licht blockiert ist, schaltet der Transistor AUS, und die Kollektorspannung wird durch R_L auf ein hohes Niveau gezogen. Der Wert von R_L bestimmt den Ausgangsspannungshub und die Geschwindigkeit. Ein kleinerer R_L ermöglicht eine schnellere Reaktion, zieht aber mehr Strom. Die Verwendung der Testbedingung R_L=100Ω als Ausgangspunkt ist üblich.

6.2 Design-Herausforderungen & Lösungen

• Unempfindlichkeit gegen Umgebungslicht:Obwohl das Schlitzdesign einen gewissen Schutz bietet, kann starkes Umgebungslicht (insbesondere Infrarot) den Fototransistor beeinflussen. Die Verwendung eines modulierten LED-Ansteuersignals und synchroner Detektion in der Empfängerschaltung kann die Störfestigkeit stark erhöhen. Alternativ kann das Abschirmen des Schlitzes helfen.
• Temperaturkompensation:Da die Verstärkung des Fototransistors mit der Temperatur abnimmt, sinkt auch I_C(ON). Für kritische Anwendungen sollte die Schaltung so ausgelegt werden, dass bei der höchsten Betriebstemperatur ausreichend Marge vorhanden ist, oder es sollte ein Komparator mit einstellbarer Schwelle anstelle einer einfachen Pull-up-Widerstand-Schnittstelle verwendet werden.
• Objekteigenschaften:Das Objekt, das den Strahl unterbricht, muss für die emittierte Infrarot-Wellenlänge (~940nm) undurchsichtig sein. Dünne oder durchscheinende Materialien können möglicherweise nicht zuverlässig erfasst werden. Die Größe des Objekts muss ausreichen, um den Strahl innerhalb des Schlitzes vollständig zu blockieren.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Im Vergleich zu anderen Erfassungstechnologien:

• vs. Mechanische Mikroschalter:Foto-Unterbrecher bieten überlegene Zuverlässigkeit (keine beweglichen Teile, die verschleißen), schnellere Reaktion und geräuschlosen Betrieb. Sie sind immun gegen Kontaktprellen.
• vs. Reflektive optische Sensoren:Schlitztypen sind im Allgemeinen zuverlässiger für Kantenerkennung oder präzise Positionserfassung, da sie weniger anfällig für Variationen in der Reflektivität oder Farbe des Zielobjekts sind. Der Strahl ist entweder vollständig blockiert oder frei.
• vs. Hall-Effekt-Sensoren:Hall-Sensoren erfassen Magnetfelder, nicht Lichtunterbrechung. Sie werden für andere physikalische Phänomene verwendet (z.B. Erfassung eines Magneten). Foto-Unterbrecher dienen der Erfassung beliebiger undurchsichtiger Objekte.
• Innerhalb der Foto-Unterbrecher:Die spezifische Differenzierung des LTH-872-T55T1 liegt in seiner Kombination aus elektrischen Werten (z.B. V_CEO=30V, I_C(ON)min=0,5mA), Gehäuseabmessungen und Kosteneffizienz für hochvolumige Büroautomatisierungsanwendungen.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

• F: Was ist der typische Betriebsstrom für die LED?A: Die Standard-Testbedingung und ein üblicher Betriebspunkt ist I_F= 20 mA. Dies bietet eine gute Balance zwischen Lichtleistung, Stromverbrauch und Lebensdauer.
• F: Kann ich die LED direkt von einem Mikrocontroller-Pin ansteuern?A: Die meisten Mikrocontroller-GPIO-Pins können nicht kontinuierlich 20mA liefern oder aufnehmen. Es wird empfohlen, eine einfache Transistor- oder MOSFET-Treiberschaltung oder einen dedizierten LED-Treiber-IC zu verwenden, um den notwendigen Strom bereitzustellen.
• F: Wie schließe ich den Ausgang an einen digitalen Eingang an?A: Der Kollektor des Fototransistors (mit Pull-up-Widerstand) kann direkt an einen Standard-CMOS- oder TTL-Logikeingang angeschlossen werden. Wenn der Schlitz frei ist, liest der Eingang LOW. Wenn er blockiert ist, liest er HIGH. Stellen Sie sicher, dass die Pull-up-Spannung mit der Logikfamilie kompatibel ist (z.B. 5V für 5V-Logik, 3,3V für 3,3V-Logik).
• F: Warum schaltet mein Ausgang nicht vollständig auf die Versorgungsspannung, wenn er blockiert ist?A: Dies liegt wahrscheinlich am Dunkelstrom (I_CEO), der durch den Pull-up-Widerstand fließt. Bei einem sehr großen Pull-up-Widerstand (z.B. 100kΩ) können selbst 100nA Leckstrom einen signifikanten Spannungsabfall erzeugen. Verwenden Sie einen kleineren Pull-up-Widerstand (z.B. 1kΩ bis 10kΩ), um ein solides HIGH-Niveau zu gewährleisten, und wägen Sie Stromaufnahme und Geschwindigkeit ab.
• F: Was ist die empfohlene Leiterplatten-Layout-Praxis?A: Halten Sie die Leitungen des LED-Treibers und die Ausgangsleitungen des Fototransistors getrennt, um Störkopplung zu minimieren. Platzieren Sie den Vorwiderstand und den Pull-up-Widerstand nahe am Bauteil. Stellen Sie sicher, dass der Schlitzbereich auf der Leiterplatte frei von Lötstopplack oder Bauteilen ist, die den Infrarot-Strahlengang blockieren könnten.

9. Funktionsprinzip

Der Foto-Unterbrecher arbeitet nach dem Prinzip der direkten optischen Kopplung, die durch ein physikalisches Objekt unterbrochen wird. Eine Infrarot-LED emittiert Licht mit einer Wellenlänge von typischerweise etwa 940 nm, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Direkt gegenüber befindet sich ein Silizium-Fototransistor, der für diese Wellenlänge empfindlich ist. Im ungestörten Zustand trifft das Infrarotlicht auf die Basiszone des Fototransistors und erzeugt Elektronen-Loch-Paare. Dieser Fotostrom wirkt als Basisstrom und veranlasst den Transistor, einzuschalten und einen viel größeren Kollektorstrom (I_C(ON)) zu leiten. Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Schlitz eintritt, blockiert es den Lichtweg vollständig. Der Fotostrom hört auf, der effektive Basisstrom fällt auf null, und der Fototransistor schaltet ab, sodass nur noch ein winziger Leckstrom (I_CEO) fließt. Dieser deutliche Kontrast zwischen EIN- und AUS-Zustand liefert ein sauberes, zuverlässiges digitales Signal, das die An- oder Abwesenheit des Objekts anzeigt.

10. Branchentrends

Der Foto-Unterbrecher bleibt aufgrund seiner Einfachheit, Robustheit und niedrigen Kosten eine ausgereifte und weit verbreitete Technologie. Aktuelle Branchentrends konzentrieren sich auf mehrere Bereiche:

• Miniaturisierung:Entwicklung kleinerer Gehäusegrößen (z.B. SMD-Bauteile mit sehr schmalen Schlitzen), um in immer kompaktere Unterhaltungselektronik und Mobilgeräte zu passen.
• Leistungssteigerung:Verbesserung von Parametern wie höhere Geschwindigkeit für schnellere Maschinen, niedrigerer Stromverbrauch für batteriebetriebene Geräte und bessere Temperaturstabilität.
• Integration:Integration zusätzlicher Schaltungsteile innerhalb des Gehäuses, wie z.B. Schmitt-Trigger für Hysterese, Verstärker für schwächere Signale oder sogar digitale Schnittstellen (I2C), wodurch "intelligente Sensoren" entstehen, die das Systemdesign vereinfachen.
• Materialfortschritte:Verwendung fortschrittlicher Kunststoffe und Linsendesigns zur Verbesserung der Lichtkollimation, Steigerung der Kopplungseffizienz und Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie hoher Temperatur und Feuchtigkeit.

Trotz des Aufkommens neuerer Technologien wie Time-of-Flight (ToF)-Sensoren oder Bildverarbeitungssystemen bleibt der einfache Schlitz-Foto-Unterbrecher die optimale Lösung für unzählige einfache, zuverlässige und kostenbewusste Präsenzerfassungsanwendungen.