Hoja de Datos del Sensor Óptico LTR-X130P - Sensor Integrado de Proximidad y Luz Ambiente - Interfaz I2C - 1.7V a 3.6V - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTR-X130P es un sensor óptico altamente integrado y de bajo voltaje que combina las funcionalidades de detección de proximidad (PS) y medición de luz ambiente (ALS) dentro de un único encapsulado ChipLED miniatura, sin plomo y para montaje superficial. Su filosofía de diseño central se enfoca en habilitar la detección sofisticada de objetos y la medición de luz en aplicaciones con restricciones de espacio y alimentadas por batería.

La ventaja principal del sensor radica en su integración a nivel de sistema. Cuenta con un emisor infrarrojo (LED) integrado, fotodiodos para luz visible e infrarroja, convertidores analógico-digitales (ADC), un controlador de interrupciones programable y una interfaz digital I2C completa. Esta integración reduce significativamente el número de componentes externos y simplifica el diseño del PCB. Una característica clave de rendimiento es su excelente supresión de luz ambiente, capaz de operar con precisión bajo condiciones de luz solar directa de hasta 100.000 lux, lo que lo hace adecuado para entornos exteriores o interiores muy iluminados. La función de interrupción programable permite que el microcontrolador principal entre en modos de bajo consumo, despertando solo cuando se superan umbrales específicos de proximidad, optimizando así la eficiencia energética general del sistema, un factor crítico para dispositivos móviles y portátiles.

El mercado objetivo abarca una amplia gama de dispositivos electrónicos de consumo y computación. Sus aplicaciones principales incluyen el atenuado automático del brillo de la retroiluminación de pantallas en teléfonos inteligentes, tabletas, portátiles y monitores, donde mejora la experiencia del usuario y ahorra energía. Además, su capacidad de detección de objetos de hasta 10 cm se utiliza para funciones como el control por gestos sin contacto, la detección de presencia (por ejemplo, apagar una pantalla cuando el usuario se aleja) y la simple evitación de obstáculos en varios dispositivos.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Especificaciones Eléctricas y Ópticas

Todas las especificaciones se miden típicamente con VDD = 2.8V y una temperatura de operación (T_ope) de 25°C, salvo que se indique lo contrario.

Características de Potencia:
El sensor opera con un amplio rango de voltaje de alimentación de 1.7V a 3.6V, compatible con salidas de batería comunes y líneas de alimentación reguladas. La corriente de alimentación típica durante la medición activa es de 95 µA con el ciclo de trabajo máximo. Una característica importante para el ahorro de energía es el modo de espera (apagado), que consume apenas 1 µA. El tiempo de activación desde este modo de espera hasta estar listo para medir es típicamente de 10 ms, permitiendo una respuesta rápida manteniendo un consumo de potencia promedio muy bajo.

Características del Sensor de Proximidad (PS):
La función PS es altamente configurable. La resolución efectiva es seleccionable entre 8, 9, 10 y 11 bits, permitiendo a los diseñadores intercambiar precisión de medición por velocidad de conversión. El emisor IR integrado opera en una longitud de onda pico de 940 nm. La corriente de accionamiento del LED es programable en pasos: 2.5, 5, 10, 25, 50, 75, 100 y 125 mA, permitiendo ajustar el rango de detección y el uso de energía. El LED emite pulsos a una frecuencia de 60 kHz a 100 kHz con un ciclo de trabajo del 50%. El número de pulsos por ciclo de medición es configurable de 1 a 255, influyendo directamente en el tiempo de integración y la sensibilidad. Bajo condiciones típicas (32 pulsos, 60 kHz, 100 mA de accionamiento, objetivo de tarjeta gris al 18%), el sensor puede detectar objetos a una distancia de hasta 10 cm. Su rechazo a la luz ambiente está especificado para hasta 100 klux de luz solar directa.

2.2 Límites Absolutos Máximos y Condiciones de Operación

Límites Absolutos Máximos:Estos son límites de estrés que no deben excederse, ni siquiera momentáneamente, para evitar daños permanentes. El voltaje de alimentación (VDD) no debe exceder 4.0V. Los pines de E/S digital (SCL, SDA, INT) y el pin LDR tienen un rango de voltaje de -0.5V a +4.0V. El dispositivo puede almacenarse a temperaturas entre -40°C y +100°C.

Condiciones Recomendadas de Operación:Estas definen el entorno operativo normal para un rendimiento confiable. VDD debe mantenerse entre 1.7V y 3.6V. La alimentación del ánodo del LED (VLED) requiere una fuente separada de 3.0V a 4.5V. La interfaz I2C reconoce un nivel lógico alto (V_I2Chigh) en ≥1.5V y un nivel lógico bajo (V_I2Clow) en ≤0.4V. El rango completo de temperatura de operación es de -40°C a +85°C, asegurando funcionalidad en entornos hostiles.

2.3 Características Eléctricas de CA (Interfaz I2C)

El sensor soporta comunicación I2C tanto en modo Estándar (100 kHz) como en modo Rápido (400 kHz). Los parámetros de temporización clave incluyen: frecuencia de reloj SCL (f_SCL) de 0 a 400 kHz, tiempo libre del bus (t_BUF) mínimo de 1.3 µs, período bajo de SCL (t_LOW) mínimo de 1.3 µs, período alto de SCL (t_HIGH) mínimo de 0.6 µs, y tiempo de preparación de datos (t_SU:DAT) mínimo de 100 ns. Los tiempos de subida y bajada para las señales SDA y SCL deben ser menores de 300 ns. Un filtro de entrada suprime picos de ruido más cortos de 50 ns.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona gráficos de rendimiento típicos esenciales para el diseño.

Cuenta PS vs. Distancia:Esta curva ilustra la relación entre la salida digital bruta (cuenta PS) del sensor y la distancia a una tarjeta gris estándar con reflectancia del 18%. La curva es típicamente no lineal, mostrando un aumento rápido en la cuenta a medida que la distancia disminuye muy cerca del sensor, seguido de un declive más gradual a medida que la distancia aumenta. Este gráfico es crucial para calibrar el sensor y establecer umbrales de interrupción apropiados para rangos de detección específicos en una aplicación.

Respuesta Angular del Emisor:Este diagrama representa el patrón de radiación espacial del LED infrarrojo integrado. Muestra la intensidad de la luz IR emitida en función del ángulo desde el eje central (generalmente un gráfico polar). Un patrón típico para este encapsulado podría mostrar una distribución amplia, similar a Lambertiana. Comprender este patrón es vital para el diseño mecánico, ya que influye en el campo de visión efectivo y la zona de detección del sensor de proximidad. Es necesario un alineamiento adecuado de cualquier ventana de cubierta o lente con este patrón para lograr el rango especificado de 10 cm.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

El LTR-X130P está alojado en un encapsulado ChipLED de 8 pines para montaje superficial. Las dimensiones de contorno se proporcionan en la hoja de datos con todas las medidas en milímetros. La tolerancia dimensional para características no especificadas es de ±0.2 mm. El encapsulado está diseñado para procesos estándar de soldadura por reflujo y colocación automática comunes en la fabricación de electrónica de alto volumen.

5. Directrices de Soldadura y Ensamblaje

Aunque los perfiles de reflujo específicos no se detallan en el extracto proporcionado, el dispositivo está destinado al ensamblaje con tecnología de montaje superficial (SMT) estándar. Se recomienda seguir las directrices JEDEC J-STD-020 para perfiles de soldadura por reflujo sin plomo. El nivel de sensibilidad a la humedad (MSL) debe confirmarse en la especificación completa del paquete. Los dispositivos se suministran típicamente en una bolsa seca con desecante y deben hornearse según los procedimientos estándar si la tarjeta indicadora de humedad de la bolsa muestra una exposición excesiva a la humedad antes de su uso.

6. Información de Empaquetado y Pedido

El empaquetado estándar para el LTR-X130P es en Cinta y Carrete, compatible con equipos de ensamblaje automático. Cada carrete contiene 8000 unidades. El número de parte es LTR-X130P.

7. Recomendaciones de Diseño de Aplicación

7.1 Circuito de Aplicación Típico

El circuito de aplicación recomendado destaca consideraciones críticas de diseño. Un requisito fundamental es la separación de la alimentación digital (VDD, 1.7-3.6V) y la alimentación del ánodo del LED (VLED, 3.0-4.5V). Esta separación es obligatoria para garantizar una corriente de accionamiento del LED estable y evitar que el ruido de los pulsos del LED se acople a las líneas de alimentación analógica y digital sensibles. El circuito incluye resistencias de pull-up (Rp1, Rp2, Rp3) en las líneas SDA, SCL e INT. Su valor (1 kΩ a 10 kΩ) debe seleccionarse en función de la capacitancia total del bus y el tiempo de subida deseado para cumplir con las especificaciones I2C. Los condensadores de desacoplamiento son esenciales: un condensador cerámico de 1 µF ±20% X7R/X5R (C1) debe colocarse lo más cerca posible del pin VDD, y también se recomienda un condensador de 0.1 µF (C2). Se utiliza un condensador similar de 1 µF (C3) en la línea VLED.

7.2 Configuración y Función de los Pines

• Pin 1 (SDA):Línea de datos serie I2C (bidireccional).
• Pin 2 (INT):Salida de interrupción activa en bajo. Se activa cuando ocurre un evento de proximidad programable.
• Pin 3 (LDR):Se conecta al cátodo del LED. Cuando se usa el controlador interno, este pin se conecta al Pin 4 (LEDK).
• Pin 4 (LEDK):Conexión del cátodo del LED.
• Pin 5 (LEDA):Conexión del ánodo del LED. Debe alimentarse desde la línea separada VLED (3.0-4.5V).
• Pin 6 (GND):Tierra del sistema.
• Pin 7 (SCL):Entrada de reloj serie I2C.
• Pin 8 (VDD):Entrada de alimentación digital (1.7-3.6V).

8. Comparación y Diferenciación Técnica

El LTR-X130P se diferencia por su alta integración y robusto rendimiento en condiciones desafiantes. En comparación con soluciones discretas (LED IR, fotodiodo y IC de acondicionamiento de señal separados), ofrece un tamaño drásticamente más pequeño, un proceso de diseño simplificado y una reducción de la lista de materiales (BOM). Frente a otros sensores de proximidad integrados, sus ventajas clave incluyen la muy alta inmunidad a la luz ambiente de 100 klux, superior a la de muchos competidores, y los ajustes flexibles y programables de corriente y número de pulsos del LED que permiten afinar para requisitos específicos de rango, potencia y tiempo de respuesta. El ajuste de fábrica garantiza una variación mínima entre unidades, mejorando el rendimiento de fabricación y la consistencia en los productos finales.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Por qué VDD y VLED deben ser líneas de alimentación separadas?
R: Los pulsos del LED pueden consumir una corriente significativa (hasta 125 mA). Compartir una línea de alimentación causaría grandes caídas de voltaje o ruido en la línea VDD, lo que podría desestabilizar el sensible front-end analógico y la lógica digital del sensor, llevando a lecturas inexactas o eventos de reinicio. Las líneas separadas aíslan este ruido.

P: ¿Cómo puedo aumentar el rango de detección más allá de 10 cm?
R: El rango está influenciado por la corriente del LED, el número de pulsos y la reflectancia del objetivo. Para aumentar el rango, puedes programar una corriente de LED más alta (hasta 125 mA) y/o aumentar el número de pulsos por medición (hasta 255). Ten en cuenta que esto aumentará el consumo de energía por ciclo de medición.

P: ¿Cómo ayuda la función de interrupción a ahorrar energía?
R: En lugar de que el microcontrolador principal sondee constantemente el sensor para obtener lecturas (manteniendo activos el bus I2C y la CPU), el sensor puede configurarse con umbrales superior e inferior de proximidad. El host pone el sensor y a sí mismo en modo de bajo consumo. Solo cuando un objeto entra o sale de la zona de proximidad definida, el sensor activa la línea INT, despertando al host para que actúe. Esto minimiza la actividad del sistema.

P: ¿Cuál es el propósito de la función de cancelación de diafonía?
R: En un encapsulado compacto, parte de la luz IR del emisor interno puede filtrarse o reflejarse internamente directamente hacia el fotodiodo sin golpear un objeto externo. Esto crea una señal de offset permanente o "diafonía". El sensor incluye circuitos para medir y restar digitalmente este offset, asegurando que la cuenta de proximidad represente verdaderamente la luz reflejada desde un objeto externo.

10. Estudios de Caso de Diseño y Uso

Estudio de Caso 1: Gestión de Pantalla en Teléfono Inteligente:En un teléfono inteligente, el LTR-X130P se coloca cerca del auricular. Cuando el usuario acerca el teléfono a su oído durante una llamada, el sensor detecta la proximidad de la cabeza (dentro de ~2-5 cm). Esto desencadena una interrupción al procesador de aplicaciones, que luego apaga la pantalla táctil para evitar toques accidentales con la mejilla y atenúa la retroiluminación para ahorrar energía. Cuando el teléfono se aleja, la pantalla se restaura.

Estudio de Caso 2: Detección de Presencia en Quiosco Interactivo:Un quiosco de información pública utiliza el sensor para detectar cuando una persona se acerca a menos de 50 cm. Al detectarlo, se activa desde un estado de bajo consumo, enciende la pantalla y muestra un bucle de atracción. Si no se detecta a nadie durante un período establecido, vuelve al modo de bajo consumo, reduciendo significativamente el consumo de energía en comparación con funcionar las 24 horas.

11. Principios de Funcionamiento

El LTR-X130P opera bajo el principio de detección de proximidad infrarroja activa y medición fotométrica de luz ambiente. Para la medición de proximidad, el microcontrolador interno activa el LED IR integrado para emitir una serie de pulsos modulados a 940 nm. Cualquier objeto frente al sensor refleja una porción de esta luz. El fotodiodo sensible al IR dedicado convierte la intensidad de la luz reflejada en una pequeña fotocorriente. Esta corriente se integra y convierte en un valor digital por un ADC de alta resolución. La fuerza de este valor digital (cuenta PS) es proporcional a la reflectividad y proximidad del objeto. El sensor mide simultáneamente la luz ambiente usando un fotodiodo de luz visible separado, cuya salida se procesa para restar el componente IR ambiental de la señal de proximidad, mejorando la precisión.

La comunicación I2C sigue protocolos estándar. El dispositivo tiene una dirección de esclavo fija de 7 bits: 0x53. El controlador maestro usa esta dirección para escribir en los registros de configuración (por ejemplo, establecer corriente del LED, número de pulsos, umbrales de interrupción) y para leer los datos de proximidad y luz ambiente. Los protocolos de lectura y escritura, incluyendo escrituras simples, escrituras secuenciales y lecturas en formato combinado (START repetido), se implementan según la especificación I2C.

12. Tendencias Tecnológicas

La evolución de sensores como el LTR-X130P sigue varias tendencias claras de la industria. Existe un impulso continuo hacia una mayor integración, combinando más funciones (por ejemplo, detección de color, reconocimiento de gestos) en un solo encapsulado mientras se reduce el tamaño. La eficiencia energética sigue siendo primordial, impulsando corrientes activas y en espera más bajas y esquemas de activación más inteligentes. El rendimiento en entornos extremos está mejorando, con mejor inmunidad a la luz solar y rangos de temperatura más amplios. Además, hay una tendencia hacia sensores "más inteligentes" con algoritmos integrados que proporcionan datos de mayor nivel y preprocesados (por ejemplo, banderas de "objeto presente/ausente" en lugar de cuentas brutas) para descargar el procesamiento del procesador de aplicaciones principal y simplificar el desarrollo de software.