Datenblatt des Foto-Unterbrechers LTH-872-N55T1 - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTH-872-N55T1 ist ein reflektierender Foto-Unterbrecher, eine Art optoelektronisches Bauteil, das eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) und einen Fototransistor in einem einzigen, kompakten Gehäuse vereint. Seine Hauptfunktion besteht darin, die An- oder Abwesenheit eines Objekts berührungslos zu erfassen, indem es die Unterbrechung des vom Objekt zum Sensor reflektierten Lichtstrahls detektiert. Diese Komponente ist für Anwendungen konzipiert, die eine zuverlässige, schnelle und nicht-invasive Objekterkennung oder Positionserfassung erfordern.

1.1 Kernvorteile

Die wesentlichen Vorteile dieses Foto-Unterbrechers ergeben sich aus seinem grundlegenden Funktionsprinzip und Design.Berührungsloses Schaltenbeseitigt mechanischen Verschleiß und erhöht die Betriebslebensdauer und Zuverlässigkeit im Vergleich zu mechanischen Schaltern erheblich. Dies ist in Hochlastanwendungen entscheidend. Darüber hinaus bietet er einehohe Schaltgeschwindigkeit, mit typischen Anstiegs- und Abfallzeiten im Mikrosekundenbereich, wodurch er sich zur Erkennung schnell bewegender Objekte oder hochfrequenter Ereignisse eignet. Das integrierte Gehäuse gewährleistet eine präzise Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger, vereinfacht die Montage und verbessert die Konsistenz.

1.2 Zielmarkt und Anwendung

Die primären Zielmärkte für diese Komponente sind die Büroautomatisierung und die Präzisionsmesstechnik. Ihre hauptsächlich dokumentierte Anwendung liegt inScannern und Druckern. In diesen Geräten werden Foto-Unterbrecher häufig für Funktionen wie Papiererfassung (z.B. Erkennung der Vorderkante eines Blattes), Papierstauerkennung, Schlitten- oder Druckkopfpositionserfassung und die Erkennung der Home-Position beweglicher Mechanismen verwendet. Die schnelle Reaktionszeit ist entscheidend für den hohen Durchsatz moderner Scan- und Druckgeräte.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Das Verständnis der elektrischen und optischen Kenngrößen ist entscheidend für einen korrekten Schaltungsentwurf und einen zuverlässigen Betrieb innerhalb der spezifizierten Grenzen des Bauteils.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Eingangs-LED:
  • Verlustleistung (P_D): maximal 75 mW.
  • Dauer-Durchlassstrom (I_F): maximal 50 mA. Dies ist der absolute Höchststrom, der durch die LED fließen darf.
  • Sperrspannung (V_R): maximal 5 V. Eine Überschreitung kann den LED-Übergang zerstören.
• Ausgangs-Fototransistor:
  • Verlustleistung (P_C): maximal 100 mW.
  • Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO): maximal 30 V. Dies ist die maximale Spannung, die im Dunkelzustand (Basis offen) zwischen Kollektor und Emitter des Fototransistors anliegen darf.
  • Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO): maximal 5 V (Sperrspannungsfestigkeit).
  • Kollektorstrom (I_C): maximal 20 mA.
• Umgebung:
  • Betriebstemperatur (T_opr): -25°C bis +85°C.
  • Lagertemperatur (T_stg): -55°C bis +100°C.
  • Löt-Temperatur der Anschlüsse (T_sol): maximal 260°C für 5 Sekunden (für Anschlüsse 1,6mm vom Gehäuse entfernt).

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

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

• Kenngrößen der Eingangs-LED:
  • Durchlassspannung (V_F): typisch 1,2V bis 1,6V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA. Dies ist der Spannungsabfall über der leuchtenden LED.
  • Sperrstrom (I_R): maximal 100 µA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dies ist der geringe Leckstrom bei Sperrpolung der LED.
• Kenngrößen des Ausgangs-Fototransistors:
  • Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO): maximal 100 nA bei V_CE=10V. Dies ist der Leckstrom, wenn der Fototransistor in völliger Dunkelheit ist (kein Licht von der LED). Ein niedriger Wert ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis wünschenswert.
  • Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)): maximal 0,4V bei I_C=0,25mA und I_F=20mA. Dies ist die Spannung über dem Transistor, wenn er vollständig "eingeschaltet" (gesättigt) ist. Eine niedrige Sättigungsspannung minimiert den Leistungsverlust im Schaltelement.
  • Eingeschalteter Kollektorstrom (I_C(ON)): mindestens 0,5 mA bei V_CE=5V und I_F=20mA. Dies spezifiziert den minimalen Ausgangsstrom, wenn die LED angesteuert wird und kein Objekt den Strahl unterbricht (reflektiver Modus angenommen).
• Koppler (System) Ansprechzeit:
  • Anstiegszeit (T_R): 3 µs (typisch) bis 15 µs (maximal). Dies ist die Zeit, die der Ausgang des Fototransistors benötigt, um von 10% auf 90% seines Endwertes anzusteigen, wenn die LED eingeschaltet wird.
  • Abfallzeit (T_F): 4 µs (typisch) bis 20 µs (maximal). Dies ist die Zeit, die der Ausgang benötigt, um von 90% auf 10% abzufallen, wenn die LED ausgeschaltet wird. Diese kurzen Zeiten sind entscheidend für das genannte Merkmal "hohe Schaltgeschwindigkeit".
  • Testbedingungen: V_CE=5V, I_C=2mA, R_L=100 Ω.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektrische/optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Graphen im Text nicht bereitgestellt werden, besteht ihr Zweck darin, die Beziehung zwischen Schlüsselparametern unter variierenden Bedingungen zu veranschaulichen, was für ein robustes Design unerlässlich ist.

3.1 Abgeleitete Kennlinieninformationen

Basierend auf der gängigen Praxis für solche Komponenten würden die typischen Kennlinien wahrscheinlich Folgendes umfassen:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I_F-V_F):Diese Kurve zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen dem Strom durch die LED und der Spannung darüber. Sie hilft bei der Bestimmung des erforderlichen Vorwiderstandswertes, um einen gewünschten Treiberstrom aus einer gegebenen Versorgungsspannung zu erreichen.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE):Für den Fototransistor würde diese Kurvenschar für verschiedene Pegel des einfallenden Lichts (oder verschiedene LED-Treiberströme, I_F) aufgezeichnet werden. Sie definiert die Arbeitsbereiche des Transistors (Sperrbereich, aktiver Bereich, Sättigung) unter Beleuchtungsbedingungen.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom:CTR ist das Verhältnis des Ausgangskollektorstroms des Fototransistors (I_C) zum Eingangs-Durchlassstrom der LED (I_F), typischerweise in Prozent ausgedrückt. Diese Kurve zeigt, wie sich der Wirkungsgrad mit dem Treiberstrom ändert, und ist entscheidend für den Entwurf der Schnittstellenschaltung, um einen ausreichenden Ausgangssignalhub sicherzustellen.
• Temperaturabhängigkeit:Kurven, die zeigen, wie Parameter wie Durchlassspannung (V_F), Dunkelstrom (I_CEO) und CTR mit der Umgebungstemperatur variieren. Dies ist entscheidend für einen stabilen Betrieb über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich (-25°C bis +85°C).

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

Die Gehäuseabmessungen werden referenziert, sind aber im bereitgestellten Text nicht detailliert. Die Hinweise geben an, dass alle Maße in Millimetern (mit Zoll in Klammern) angegeben sind und die allgemeine Toleranz ±0,25mm beträgt, sofern nicht anders angegeben. Die Teilenummer LTH-872-N55T1 deutet auf einen spezifischen, für reflektierende Foto-Unterbrecher üblichen Gehäusestil hin, der typischerweise einen Kunststoffgehäusekörper mit einem Schlitz aufweist. Sender und Empfänger sind über diesen Schlitz hinweg in die gleiche Richtung ausgerichtet, sodass sie ein Objekt erfassen können, das das emittierte Licht zurückreflektiert.

4.1 Polaritätskennzeichnung und Pinbelegung

Obwohl die genaue Pinbelegung nicht aufgeführt ist, haben Standard-Foto-Unterbrechergehäuse 4 Pins: zwei für die Anode und Kathode der Infrarot-LED und zwei für den Kollektor und Emitter des NPN-Fototransistors. Das Datenblatt würde typischerweise ein Diagramm mit Draufsicht und Pinnummerierung enthalten (z.B. 1: Anode, 2: Kathode, 3: Kollektor, 4: Emitter). Ein korrekter Polanschluss für die LED ist zwingend erforderlich, um Schäden zu vermeiden.

5. Löt- & Montagerichtlinien

Das Datenblatt liefert einen kritischen Parameter für die Montage: die maximale Löttemperatur der Anschlüsse. Für Anschlüsse, die 1,6mm (0,063 Zoll) vom Kunststoffgehäuse entfernt positioniert sind, darf die Temperatur260°C für 5 Sekundennicht überschreiten. Dies ist ein Standardwert für Wellen- oder Handlötung. Für Reflow-Lötung muss die Komponente mit dem spezifischen verwendeten Reflow-Profil kompatibel sein, das typischerweise eine Spitzentemperatur von etwa 240-250°C aufweist. Das Überschreiten dieser thermischen Grenzwerte kann zu internen Schäden an den Halbleiterübergängen oder zu Verformungen des Kunststoffgehäuses führen, was die optische Ausrichtung und Leistung beeinträchtigt.

6. Anwendungsvorschläge & Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltung

Eine grundlegende Schnittstellenschaltung besteht aus zwei Hauptteilen:

1. LED-Treiber:Ein strombegrenzender Widerstand ist in Reihe mit der LED geschaltet. Der Widerstandswert (R_series) wird berechnet als: R_series= (V_CC- V_F) / I_F. Unter Verwendung des typischen V_Fvon 1,4V und einem gewünschten I_Fvon 20mA mit einer 5V-Versorgung ergibt sich R_series= (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ω. Ein Standard-180Ω- oder 220Ω-Widerstand wäre geeignet. Das Betreiben der LED mit einem Konstantstrom anstelle einer Konstantspannung sorgt für eine stabilere Lichtausgabe.
2. Fototransistor-Ausgang:Der Fototransistor wird typischerweise in einer Emitterschaltung verwendet. Ein Lastwiderstand (R_L) ist zwischen den Kollektor und die positive Versorgungsspannung (V_CC) geschaltet. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Wenn Licht auf den Transistor fällt, schaltet er ein und zieht die Kollektorspannung auf einen niedrigen Pegel (in Richtung V_CE(SAT)). Im Dunkelzustand ist der Transistor ausgeschaltet, und die Kollektorspannung wird durch R_CCauf einen hohen Pegel nahe V_Lgezogen. Der Wert von R_Lbestimmt den Ausgangsspannungshub und die Geschwindigkeit; ein kleinerer R_Lergibt eine schnellere Reaktion, aber einen kleineren Hub. Das Datenblatt testet mit R_L=100Ω.

6.2 Designüberlegungen

• Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht:Als reflektierender Sensor kann er anfällig für Umgebungslicht sein (insbesondere Sonnenlicht oder helles Innenraumlicht, das Infrarot enthält). Die Verwendung eines modulierten LED-Ansteuersignals und einer synchronen Detektion in der Empfängerschaltung kann die Störfestigkeit gegenüber solchen Einflüssen erheblich verbessern.
• Objektreflexionsgrad:Der effektive Erfassungsabstand und die Signalstärke hängen stark vom Reflexionsgrad des Zielobjekts ab. Hochreflektierende Oberflächen (wie weißes Papier) funktionieren am besten, während dunkle oder matte Oberflächen möglicherweise nicht genug Licht reflektieren.
• Ausrichtung und Spalt:Der optimale Erfassungsabstand (Spalt zwischen Sensor und reflektierendem Objekt) ist üblicherweise im vollständigen Datenblatt spezifiziert. Das mechanische Design muss sicherstellen, dass dieser Spalt konstant eingehalten wird.
• Elektrisches Rauschen:Für lange Kabelwege oder rauschbehaftete Umgebungen können eine ordnungsgemäße Abschirmung und Filterung des Ausgangssignals erforderlich sein, da der Fototransistorausgang im ausgeschalteten Zustand einen hochohmigen Knoten darstellt und empfindlich gegenüber Störeinstrahlung sein kann.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Im Vergleich zu anderen Erfassungstechnologien bietet dieser Foto-Unterbrecher spezifische Vorteile:

• vs. Mechanische Schalter:Kein Kontaktprellen, deutlich längere Lebensdauer (Millionen vs. Tausende von Schaltzyklen), schnellere Reaktion und geräuschlose Betriebsweise.
• vs. Transmissive Foto-Unterbrecher (Schlitz-Optokoppler):Reflektierende Typen wie der LTH-872-N55T1 erfordern nicht, dass ein Objekt durch einen Schlitz geführt wird; sie können Objekte in einem Abstand erfassen. Dies vereinfacht das mechanische Design für Anwendungen wie die Papiererfassung, bei der das Papier entlang einer Oberfläche läuft.
• vs. Moderne Sensoren (z.B. Hall-Effekt, Ultraschall):Foto-Unterbrecher sind für einfache Anwesenheits-/Abwesenheitserkennung im Allgemeinen einfacher und kostengünstiger. Sie benötigen keine Magnete (wie Hall-Sensoren) und sind weniger komplex als Ultraschallsensoren, obwohl sie bei nicht reflektierenden Zielen möglicherweise weniger effektiv sind.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck der Dunkelstrom (I_CEO)-Spezifikation?

A: Dunkelstrom ist der geringe Leckstrom, der durch den Fototransistor fließt, wenn er völlig dunkel ist (kein Licht von der LED und kein Umgebungslicht). Im "Aus"-Zustand erzeugt dieser Strom, der durch den Lastwiderstand (R_L) fließt, einen kleinen Spannungsabfall. Ein hoher Dunkelstrom könnte zu einer Ausgangsspannung führen, die nicht vollständig auf dem "hohen" Logikpegel liegt, was möglicherweise zu einer Fehlinterpretation durch die nachfolgende Schaltung führt. Der spezifizierte Maximalwert von 100 nA ist sehr niedrig und gewährleistet ein sauberes Aus-Zustandssignal.

F: Wie wähle ich den richtigen LED-Treiberstrom (I_F)?

A: Der Treiberstrom beeinflusst die Lichtausgabe, was sich direkt auf den Ausgangsstrom des Fototransistors (I_C(ON)) und die Empfindlichkeit des Bauteils auswirkt. Der Betrieb unter den typischen Testbedingungen von 20mA ist ein guter Ausgangspunkt. Sie können den Strom reduzieren, um Energie zu sparen, wenn die Anwendung einen hohen Reflexionsgrad und einen kurzen Abstand aufweist. Eine Erhöhung des Stroms kann die Signalstärke für schwierige Ziele verbessern, erhöht jedoch die Verlustleistung und muss unter dem absoluten Maximum von 50mA bleiben. Konsultieren Sie zur Orientierung die typische CTR vs. I_F-Kurve.

F: Kann ich diesen Sensor im Freien verwenden?

A: Der Betriebstemperaturbereich (-25°C bis +85°C) ermöglicht den Einsatz in vielen Umgebungen. Direktes Sonnenlicht enthält jedoch starke Infrarotstrahlung, die den Fototransistor sättigen und eine ständige "Ein"-Erkennung verursachen kann. Für den Außeneinsatz werden optische Filterung (ein IR-Passfilter, der sichtbares Licht blockiert, aber die Wellenlänge der LED durchlässt) und/oder Signalmodulationstechniken dringend empfohlen, um Umgebungs-IR-Licht auszublenden.

9. Funktionsprinzip

Der LTH-872-N55T1 arbeitet nach dem Prinzip der internen Reflexionsmodulation. Eine Infrarot-LED emittiert Licht. In Abwesenheit eines reflektierenden Ziels im Erfassungsfeld dissipiert der größte Teil dieses Lichts. Wenn ein geeignet reflektierendes Objekt in das Feld eintritt, wird ein Teil des emittierten Lichts zurück zum Bauteil reflektiert. Der integrierte Fototransistor, der für dieselbe Infrarotwellenlänge empfindlich ist, detektiert dieses reflektierte Licht. Die einfallenden Photonen erzeugen im Basisbereich des Fototransistors Elektron-Loch-Paare und stellen effektiv einen Basisstrom bereit. Dies bewirkt, dass der Transistor einschaltet und einen Kollektorstrom (I_C) fließen lässt, der proportional zur Intensität des reflektierten Lichts ist. Diese Änderung des Ausgangsstroms/-spannung wird dann von der externen Schaltung genutzt, um die Anwesenheit des Objekts zu signalisieren.

10. Branchentrends

Während die grundlegende Foto-Unterbrecher-Technologie ausgereift ist, konzentrieren sich die Trends auf Miniaturisierung, Integration und erweiterte Funktionalität. Neuere Bauteile können folgende Merkmale aufweisen:

- Oberflächenmontage (SMD)-Gehäuse:Kleinere Bauraumbedürfnisse für die Hochdichte-Leiterplattenmontage.

- Integrierte ICs:Einige moderne Foto-Unterbrecher beinhalten Verstärkung, Schmitt-Trigger für Hysterese und sogar digitale Ausgänge (z.B. I2C) auf dem Chip, was den Schnittstellendesign vereinfacht.

- Höhere Geschwindigkeit:Die Entwicklung schreitet für noch schnellere Ansprechzeiten voran, um mit steigenden Maschinengeschwindigkeiten Schritt zu halten.

- Verbesserte Unterdrückung von Umgebungslicht:Fortschrittliche optische Designs und Modulationsverfahren werden eingesetzt, um Sensoren in anspruchsvollen Lichtumgebungen robuster zu machen. Das grundlegende reflektierende Erfassungsprinzip, wie es in Komponenten wie dem LTH-872-N55T1 verkörpert ist, bleibt eine zuverlässige und kosteneffektive Lösung für eine Vielzahl von berührungslosen Erfassungsaufgaben.