Hoja de Datos del Sensor Óptico LTR-X1503 - ALS y PS Integrados - Interfaz I2C - 3.0-3.6V - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTR-X1503 es un sensor óptico altamente integrado y de bajo voltaje que combina un sensor de luz ambiental (ALS) y un sensor de proximidad (PS) con un emisor infrarrojo integrado, todo en un único encapsulado superficial miniatura, sin plomo y sin chip. Esta integración simplifica el diseño y ahorra espacio en la placa de circuitos de dispositivos electrónicos compactos.

La ventaja principal de este sensor radica en su doble funcionalidad. El ALS proporciona una respuesta fotométrica lineal en un amplio rango dinámico, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que van desde condiciones de iluminación ambiental muy oscuras hasta extremadamente brillantes. Simultáneamente, el sensor de proximidad integrado puede detectar la presencia o ausencia de un objeto a una distancia configurable por el usuario, permitiendo funciones como el apagado de la pantalla durante llamadas telefónicas o la desactivación de pantallas táctiles.

El dispositivo está dirigido principalmente a los mercados de dispositivos móviles, informática y electrónica de consumo. Su factor de forma ultra pequeño, bajo consumo de energía con capacidad de modo de suspensión e interfaz digital I2C lo hacen ideal para smartphones, tablets, portátiles, wearables y dispositivos IoT donde la gestión eficiente de la energía y el espacio son limitaciones críticas.

1.1 Características y Ventajas Principales

• Doble Detección en un Solo Paquete:Integra tanto la detección de luz ambiental (ALS) como la de proximidad (PS), reduciendo el número de componentes y la huella en la PCB.
• Interfaz Digital I2C:Soporta modo Estándar (100kHz) y modo Rápido (400kHz) para una comunicación sencilla con microcontroladores host.
• Operación de Potencia Ultra Baja:Incluye modos activo y en espera. La corriente de suministro activa típica es de 160 uA para ambos sensores, mientras que la corriente en espera cae a solo 1 uA, extendiendo significativamente la duración de la batería.
• Función de Interrupción Programable:El PS incluye un sistema de interrupción con umbrales superior e inferior programables e histéresis. Esto elimina la necesidad de que el procesador host sondee continuamente el sensor, mejorando la eficiencia general del sistema y el ahorro de energía.
• ALS de Alto Rendimiento:Ofrece una resolución efectiva de 16 bits, una respuesta lineal en un amplio rango y una respuesta espectral cercana a la del ojo humano. Incluye rechazo automático del parpadeo de iluminación de 50Hz/60Hz para garantizar lecturas estables bajo luz artificial.
• Detección de Proximidad Robusta:Incluye un controlador LED integrado, alta capacidad de supresión de luz ambiental (hasta 10 klux), resolución de 16 bits y algoritmos de cancelación de diafonía para una detección de objetos confiable.
• Calibración de Fábrica:Un ajuste único en fábrica minimiza la variación entre unidades, garantizando un rendimiento consistente y facilitando los requisitos de calibración en la fabricación para los clientes finales.
• Amplio Rango de Operación:Opera desde 3.0V hasta 3.6V y en un rango de temperatura de -40°C a +85°C, con un circuito de compensación de temperatura integrado para una operación estable.

2. Análisis Profundo de Especificaciones Técnicas

2.1 Límites Absolutos Máximos

Tensiones más allá de estos límites pueden causar daños permanentes al dispositivo.

• Tensión de Alimentación (VDD):3.6 V
• Pines de E/S Digital (SCL, SDA, INT):-0.5 V a 3.6 V
• Tensión del Ánodo del LED (V_LED):-0.5 V a 4.6 V
• Tensión del Pin del Controlador LED (V_LDR):-0.5 V a 3.6 V
• Temperatura de Almacenamiento:-40°C a 100°C
• Protección ESD (HBM):2000 V

2.2 Condiciones Recomendadas de Operación

Para el funcionamiento normal del dispositivo.

• Tensión de Alimentación (VDD):3.0 V a 3.6 V
• Tensión de Alimentación del LED (V_LED):2.8 V a 4.0 V
• Temperatura de Operación:-40°C a 85°C
• Entrada de Alto Nivel I2C:1.5 V a VDD
• Entrada de Bajo Nivel I2C:0 V a 0.4 V

2.3 Especificaciones Eléctricas y Ópticas

Las especificaciones se dan típicamente con VDD = 1.8V y Ta = 25°C.

2.3.1 Características de Potencia

• Corriente de Alimentación (ALS y PS Activos):160 uA (Típico, con tasa de repetición de medición de 100ms).
• Corriente Activa del ALS:160 uA (Típico).
• Corriente Activa del PS:57 uA (Típico, con 8 pulsos, ciclo de trabajo 100%, ancho de pulso 32us).
• Corriente en Espera:1 uA (Típico).
• Tiempo de Activación desde Espera:0.25 ms (Típico).

2.3.2 Características del Sensor de Luz Ambiental (ALS)

• Resolución:Programable a 13, 14, 15 o 16 bits efectivos.
• Precisión en Lux:±10% (Típico, bajo iluminación LED blanca).
• Conteo de Nivel Oscuro:0 a 5 conteos (a 0 Lux, resolución de 16 bits, ganancia 512x, integración de 100ms).
• Tiempo de Integración:Programable de 0.2 ms a 200 ms.
• Rechazo de Ruido por Parpadeo:±5% de error para iluminación de 50Hz/60Hz.
• Respuesta Espectral:Cercana a la respuesta fotópica del ojo humano.

2.3.3 Características del Sensor de Proximidad (PS)

• Resolución:16 bits efectivos.
• Longitud de Onda Pico de Sensibilidad:940 nm (Típico, para el emisor IR integrado).
• Distancia de Detección:Hasta 20 cm (Típico, configurable según número de pulsos, ganancia y ajustes de corriente).
• Corriente de Pulso del LED:Programable, hasta 186 mA (Típico).
• Ancho de Pulso del LED:Programable: 8, 16, 32 o 64 us.
• Número de Pulsos del LED:Programable de 1 a 256 pulsos por medición.
• Supresión de Luz Ambiental:Hasta 10 klux (luz solar directa). Una función a prueba de fallos evita disparos falsos por encima de este nivel.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

3.1 Respuesta Espectral del ALS

El fotodiodo de luz ambiental del sensor está diseñado con un filtro para coincidir con la función de luminosidad fotópica CIE, que define la respuesta estándar del ojo humano a la luz. Esto garantiza que las lecturas de lux reportadas por el sensor representen con precisión el brillo percibido por una persona, en lugar de solo la energía radiante bruta. Esto es crucial para un control automático del brillo de la pantalla que se sienta natural para el usuario.

3.2 Rendimiento del PS vs. Distancia

El rendimiento del sensor de proximidad se caracteriza por la fuerza de la señal reflejada en función de la distancia a un objeto reflectante estándar (típicamente 88% de reflectancia). La relación no es lineal y sigue una ley del cuadrado inverso. La gráfica muestra que con ajustes típicos (ej., VDD=1.8V, corriente LED de 104mA, 16 pulsos), se obtiene una señal clara y medible, permitiendo establecer umbrales de detección confiables para distancias de aplicación específicas (ej., 5cm para detección de oreja en teléfonos).

3.3 Respuesta Angular del ALS

Las gráficas de respuesta angular del sensor (para los ejes X e Y) muestran cómo varía la intensidad de luz medida con el ángulo de incidencia. Una respuesta perfectamente coseno (Lambertiana) es ideal para la mayoría de aplicaciones de detección de luz ambiental. El LTR-X1503 exhibe una respuesta cercana a este ideal, asegurando lecturas precisas independientemente de la dirección de la fuente de luz principal relativa al sensor. Las desviaciones de la respuesta coseno ideal en ángulos extremos (> ±60 grados) son típicas en la mayoría de sensores debido a las limitaciones del encapsulado y el diseño óptico.

4. Información Mecánica y del Paquete

El LTR-X1503 está alojado en un encapsulado superficial ultra pequeño de 8 pines sin chip. Las dimensiones exactas del contorno se proporcionan en el dibujo dimensional de la hoja de datos, que incluye vistas superior, lateral e inferior con dimensiones críticas como longitud, ancho, altura del paquete, paso de los pines y tamaños de las almohadillas. Esta información es esencial para el diseño de la huella en la PCB y asegurar un ajuste mecánico adecuado dentro del producto final.

4.1 Configuración y Función de los Pines

• Pin 1 (VDD):Entrada de alimentación (3.0V - 3.6V).
• Pin 2 (SCL):Entrada de reloj serial I2C.
• Pin 3 (GND):Conexión a tierra.
• Pin 4 (LEDA):Conexión del ánodo para el LED infrarrojo integrado. Debe conectarse al riel de alimentación del LED (V_LED).
• Pin 5 (LDR):Conexión del controlador LED. Este pin debe dejarse sin conectar (NC) ya que el controlador es interno.
• Pin 6 (NC):Sin conexión interna. Puede dejarse sin conectar o conectado a tierra.
• Pin 7 (INT):Pin de salida de interrupción activo en bajo. Esta salida de drenador abierto se activa a nivel bajo cuando ocurre un evento de proximidad (detección/remoción de objeto) basado en los umbrales programados.
• Pin 8 (SDA):Entrada/salida de datos serial I2C (drenador abierto).

5. Circuito de Aplicación y Guías de Diseño

5.1 Circuito de Aplicación Recomendado

Un circuito de aplicación típico incluye el sensor, los condensadores de desacoplamiento necesarios y las resistencias de pull-up I2C.

• Desacoplamiento de Potencia:Un condensador cerámico de 1uF (C1) debe colocarse lo más cerca posible entre VDD y GND. Se puede añadir un condensador adicional de 0.1uF (C2) para suprimir ruido de alta frecuencia.
• Desacoplamiento de la Alimentación del LED:Se recomienda un condensador de 1uF (C3) entre el pin LEDA (y el riel V_LED) y GND.
• Resistencias de Pull-up I2C:Se requieren resistencias (Rp1, Rp2) con valores entre 1 kΩ y 10 kΩ en las líneas SCL y SDA. El valor exacto depende de la capacitancia del bus y el tiempo de subida deseado; valores más bajos proporcionan un pull-up más fuerte pero aumentan el consumo de corriente. Puede ser necesaria una resistencia de pull-up similar en la línea INT si se utiliza.

5.2 Secuencia de Encendido

Requisito Crítico:Debe seguirse la secuencia de encendido adecuada para evitar posibles latch-up o daños.

• Encendido:VDD (alimentación principal de lógica) debe encenderseantesde V_LED (alimentación del LED).
• Apagado:V_LED debe apagarseantes VDD.

de VDD.

6. Guías de Soldadura y Ensamblaje

El componente es un dispositivo de montaje superficial (SMD) diseñado para procesos de soldadura por reflujo comunes en la fabricación electrónica de alto volumen.

6.1 Perfil de Soldadura por Reflujo

• Aunque la hoja de datos específica puede no detallar un perfil, es aplicable un perfil de reflujo estándar sin plomo (conforme a RoHS). Esto típicamente implica:Precalentamiento/Rampa:
• Una rampa gradual (1-3°C/segundo) hasta ~150-200°C para activar el fundente y minimizar el choque térmico.Zona de Remojo:
• Una meseta a 150-200°C durante 60-120 segundos para asegurar una temperatura uniforme en toda la placa y evaporar volátiles.Zona de Reflujo:
• Un aumento rápido a la temperatura pico. La temperatura pico no debe exceder la máxima clasificación del paquete (probablemente 260°C por un tiempo corto, ej., 10-30 segundos por encima de 245°C).Enfriamiento:

Una fase de enfriamiento controlado.

Consulte el nivel de sensibilidad a la humedad (MSL) del paquete y siga los procedimientos apropiados de horneado y manejo si el dispositivo ha estado expuesto a humedad ambiental más allá de su umbral nominal.

6.2 Condiciones de Almacenamiento

Los dispositivos deben almacenarse en sus bolsas barrera de humedad originales con desecante en un ambiente controlado (típicamente <40°C y <90% humedad relativa) para prevenir oxidación y absorción de humedad.

7. Información de Empaquetado y Pedido

• El LTR-X1503 se suministra en formato de cinta y carrete, adecuado para máquinas de ensamblaje pick-and-place automatizadas.Número de Parte:
• LTR-X1503Tipo de Paquete:
• Paquete de 8 pines sin chip.Empaquetado:
• Cinta y Carrete.Cantidad Estándar por Carrete:

3,000 piezas.

8. Sugerencias de Aplicación

• 8.1 Escenarios de Aplicación TípicosSmartphones/Tablets:
• Ajuste automático del brillo de la pantalla (ALS) y apagado de pantalla/desactivación táctil durante llamadas cuando el dispositivo se lleva al oído (PS).Portátiles y Monitores:
• Ajuste dinámico de retroiluminación para ahorro de energía y comodidad visual basado en la luz ambiental.Dispositivos Wearables:
• Activación por gesto o activación de pantalla cuando el usuario mira el dispositivo (PS), y gestión del brillo.Electrónica de Consumo:

Control automático de encendido/apagado en electrodomésticos, interruptores sin contacto y detección de presencia.

• 8.2 Consideraciones de Diseño y Mejores PrácticasTrayectoria Óptica:
• Asegure una trayectoria óptica clara y sin obstrucciones hacia el entorno para el ALS. Para el PS, diseñe la ventana o apertura para permitir que la luz IR salga y la luz reflejada regrese eficientemente. Evite colocar el sensor detrás de materiales oscuros o que absorban IR.Contaminación IR:
• El sensor de proximidad utiliza luz IR de 940nm. La luz solar y algunas luces artificiales contienen componentes IR. La alta supresión de luz ambiental y la cancelación de diafonía del sensor ayudan, pero posicionarlo lejos de fuentes IR directas y fuertes mejora el rendimiento.Gestión del Bus I2C:
• Utilice la función de interrupción para poner el MCU host en modo de suspensión, despertándolo solo cuando ocurra un evento de proximidad. Sondee el ALS a una tasa moderada (ej., una vez por segundo) a menos que se necesite rastrear cambios rápidos de brillo.Calibración de Umbrales:

El umbral de detección del PS debe calibrarse en el recinto del producto final para tener en cuenta el grosor del vidrio de cobertura, reflectividad y reflexiones internas (diafonía). Esto se hace típicamente durante la fabricación.

9. Comparación y Diferenciación Técnica

• El LTR-X1503 compite en un mercado con otras soluciones integradas ALS/PS. Sus diferenciadores clave probablemente incluyen:Alto Nivel de Integración:
• Combinar el emisor IR dentro del mismo paquete que los sensores es una ventaja significativa, reduciendo la lista de materiales (BOM) y simplificando el alineamiento óptico en comparación con soluciones que requieren un LED IR discreto.Rendimiento:
• Características como resolución de 16 bits para ambos sensores, alto rechazo de luz ambiental (10 klux) y parámetros de medición programables ofrecen flexibilidad de diseño y rendimiento robusto.Eficiencia Energética:
• Corrientes activas y en espera competitivamente bajas son críticas para dispositivos alimentados por batería.Interfaz Digital:

La interfaz I2C es un bus estándar y ampliamente soportado, haciendo la integración sencilla.

10. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

10.1 ¿Cómo configuro la distancia de detección para el sensor de proximidad?

La distancia de detección no es un parámetro fijo único, sino el resultado de varios ajustes configurables: corriente de pulso del LED, ancho de pulso, número de pulsos y la ganancia del receptor. Al aumentar la corriente del LED, el conteo de pulsos o la ganancia, la fuerza de la señal reflejada aumenta, permitiendo detectar objetos a mayor distancia o con menor reflectividad. El umbral específico para "detección" lo establece el usuario en los registros de umbral de interrupción caracterizando el conteo de datos del PS a la distancia deseada en el producto final.

10.2 ¿Por qué es importante la secuencia de encendido entre VDD y V_LED?

Una secuencia incorrecta puede causar una gran corriente de entrada a través de las estructuras internas de protección ESD o circuitos lógicos, potencialmente llevando a latch-up, un estado de alta corriente que puede dañar el dispositivo. Seguir la secuencia especificada (VDD luego V_LED encendido; V_LED luego VDD apagado) asegura que los transistores internos estén polarizados correctamente antes de aplicar o remover la alimentación de mayor voltaje del LED.

10.3 ¿Qué significa "cancelación de diafonía" para el PS?

Diafonía se refiere a la reflexión interna dentro del módulo del dispositivo o su cubierta donde la luz IR del emisor llega directamente al fotodiodo del PS sin reflejarse en un objeto externo. Esto crea un offset de fondo que puede causar disparos falsos o reducir la sensibilidad. El LTR-X1503 incorpora algoritmos (a menudo involucrando una medición de línea base con el LED apagado) para medir y restar este componente de diafonía de los datos finales del PS, mejorando la precisión de la detección de objetos.

10.4 ¿Cómo logra el ALS el rechazo del parpadeo de 50/60Hz?

Las luces incandescentes y fluorescentes alimentadas por corriente alterna fluctúan en intensidad a 100Hz o 120Hz (el doble de la frecuencia de línea). Si el tiempo de integración del sensor es un múltiplo del período de parpadeo (ej., 10ms, 20ms, 100ms), promedia sobre ciclos completos de luz, cancelando la variación y proporcionando una lectura de lux estable. El tiempo de integración del sensor es programable para ser un múltiplo de estos períodos para permitir este rechazo.

11. Estudio de Caso de Diseño y Uso

11.1 Implementación de Control de Ahorro de Energía en Pantalla para un SmartwatchEscenario:

Un smartwatch necesita maximizar la duración de la batería. La pantalla debe ser brillante al aire libre, tenue en interiores y apagarse completamente cuando no se mira (ej., cuando el brazo del usuario está abajo).

1. Implementación con LTR-X1503:Rol del ALS:
2. El ALS se configura con resolución de 16 bits y un tiempo de integración de 100ms (para rechazo de parpadeo). El MCU host lee los datos del ALS cada segundo vía I2C. Una tabla de búsqueda o algoritmo mapea el valor de lux a un ciclo de trabajo PWM correspondiente para la retroiluminación de la pantalla, proporcionando un ajuste automático de brillo suave.Rol del PS:
3. El PS se configura con una corriente y conteo de pulsos apropiados para la distancia esperada reloj-cara (ej., ~30cm). Los umbrales de interrupción se establecen: un umbral inferior para "objeto removido" (reloj no mirado) y un umbral superior para "objeto detectado" (reloj levantado para ver). El pin INT se conecta a un GPIO con capacidad de despertar en el MCU.
   • Flujo de Trabajo de Ahorro de Energía:
   • Cuando el usuario baja el brazo, el conteo del PS cae por debajo del umbral inferior, activando una interrupción.
   • El MCU se despierta del modo de suspensión, lee el estado de la interrupción y ordena a la pantalla entrar en un estado de apagado de baja potencia.
   • El MCU puede entonces ponerse a sí mismo y al sensor (excepto quizás un modo de monitoreo de PS de baja potencia) de nuevo en suspensión.

Cuando el usuario levanta el brazo para ver el reloj, el PS detecta el objeto, activa una interrupción, despierta al MCU, que luego enciende completamente la pantalla y el ALS, mostrando la hora correcta con un brillo apropiado.

Esta combinación reduce significativamente la potencia promedio del sistema en comparación con una pantalla siempre encendida o controlada solo por tiempo.

12. Introducción al Principio de Operación

12.1 Principio de Detección de Luz Ambiental

La función ALS se basa en un fotodiodo, un dispositivo semiconductor que genera una pequeña corriente proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre él. En el LTR-X1503, este fotodiodo está cubierto por un filtro que imita la sensibilidad del ojo humano a través del espectro visible. La fotocorriente generada es muy pequeña (picoamperios a nanoamperios). Un amplificador de transimpedancia integrado convierte esta corriente en un voltaje, que luego es digitalizado por un Convertidor Analógico-Digital (ADC) de alta resolución. El valor digital es procesado y puesto a disposición a través de los registros I2C, representando la iluminancia en conteos que pueden convertirse a unidades de lux usando una fórmula calibrada.

12.2 Principio de Detección de Proximidad

El PS opera bajo el principio de reflexión infrarroja activa. El LED infrarrojo integrado emite pulsos cortos de luz de 940nm, invisible para el ojo humano. Un fotodiodo separado y dedicado (diferente del diodo ALS) actúa como receptor. Cuando un objeto está dentro del rango, parte de la luz IR emitida se refleja en el objeto y regresa al fotodiodo receptor. El sensor mide la cantidad de luz reflejada recibida durante y después de cada pulso del LED. Comparando esta señal con el nivel de IR ambiental (medido cuando el LED está apagado), y después de la cancelación de diafonía, el sensor calcula un conteo de datos de proximidad. Un conteo más alto indica un objeto más cercano o más reflectante. Este conteo se compara con los umbrales programados por el usuario para activar interrupciones.

13. Tendencias Tecnológicas

• El mercado de sensores ópticos integrados como el LTR-X1503 está impulsado por varias tendencias claras en la industria electrónica:Miniaturización:
• Demanda continua de tamaños de paquete más pequeños (como sin chip) para caber en dispositivos cada vez más delgados con pantallas más grandes y baterías.Integración Aumentada:
• La tendencia va más allá de combinar ALS y PS. Futuros sensores pueden integrar sensores ambientales adicionales (color, gestos, tiempo de vuelo), reduciendo aún más la complejidad del sistema.Inteligencia en el Borde:
• Los sensores están ganando más capacidades de procesamiento en el chip. En lugar de solo proporcionar datos brutos, futuras versiones podrían realizar cálculos de lux, lógica de máquina de estados de proximidad y reconocimiento de gestos internamente, enviando solo notificaciones de eventos de alto nivel al procesador host, ahorrando aún más energía del sistema.Rendimiento Mejorado:
• Las expectativas de precisión, rango dinámico y consumo de energía continúan aumentando. Los avances en procesos de semiconductores y diseño óptico permiten menor ruido, ADCs de mayor resolución y LEDs más eficientes.Estandarización y Soporte de Software: