Hoja de Datos del Interruptor Óptico ITR9909 - Paquete 4.0mm - Longitud de Onda 940nm - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El ITR9909 es un módulo interruptor óptico compacto diseñado para aplicaciones de detección sin contacto. Integra un diodo emisor de infrarrojos (IRED) y un fototransistor de silicio NPN dentro de una única carcasa termoplástica negra. Los componentes están posicionados uno al lado del otro sobre ejes ópticos convergentes. El principio de funcionamiento fundamental implica que el fototransistor recibe normalmente la radiación del emisor IR colocado junto a él. Cuando un objeto opaco pasa por la ranura entre ellos, interrumpe este haz infrarrojo, provocando un cambio detectable en el estado de salida del fototransistor, lo que permite la detección de objetos, el sensado de posición o funciones de conmutación.

1.1 Características y Ventajas Principales

• Tiempo de Respuesta Rápido:Permite la detección de objetos en movimiento rápido.
• Alta Sensibilidad:El fototransistor de silicio proporciona una fuerte respuesta eléctrica a la luz infrarroja.
• Longitud de Onda Específica:El IRED emite en una longitud de onda pico (λp) de 940nm, que es invisible para el ojo humano y ayuda a mitigar la interferencia de la luz ambiental visible.
• Cumplimiento Ambiental:El dispositivo se fabrica sin plomo, cumpliendo con las normas RoHS, REACH de la UE y libre de halógenos (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm).
• Integración Compacta:El paquete combinado simplifica el diseño de PCB y el ensamblaje para aplicaciones de sensado tipo ranura.

1.2 Aplicaciones Objetivo

El ITR9909 es adecuado para una variedad de aplicaciones que requieren detección fiable y sin contacto:

• Codificadores rotativos y sensores de posición en ratones de ordenador y fotocopiadoras.
• Detección de papel y sensado de borde en escáneres e impresoras.
• Detección de presencia de disco en unidades de disquete y otras unidades de medios.
• Conmutación sin contacto de propósito general.
• Sensado a nivel de placa donde se requiere montaje directo.

2. Especificaciones Técnicas y Análisis en Profundidad

2.1 Límites Absolutos Máximos

Operar el dispositivo más allá de estos límites puede causar daños permanentes. Todas las especificaciones son a Ta=25°C a menos que se indique lo contrario.

• Entrada (IRED):
  • Disipación de Potencia (Pd): 75 mW
  • Voltaje Inverso (VR): 5 V
  • Corriente Directa Continua (IF): 50 mA
  • Corriente Directa Pico (IFP): 1 A (Ancho de pulso ≤100μs, Ciclo de trabajo 1%)
• Salida (Fototransistor):
  • Disipación de Potencia del Colector (Pd): 75 mW
  • Corriente del Colector (IC): 50 mA
  • Voltaje Colector-Emisor (BV_CEO): 30 V
  • Voltaje Emisor-Colector (BV_ECO): 5 V
• Ambientales:
  • Temperatura de Operación (T_opr): -25°C a +85°C
  • Temperatura de Almacenamiento (T_stg): -40°C a +85°C
  • Temperatura de Soldadura de Terminales (T_sol): 260°C durante 5 segundos (a 1/16 de pulgada del cuerpo)

2.2 Características Electro-Ópticas

Los parámetros de rendimiento típicos a Ta=25°C definen el comportamiento operativo del dispositivo.

• Características de Entrada (IRED):
  • Voltaje Directo (V_F): Típicamente 1.2V a IF=20mA (Máx. 1.5V). Aumenta con corrientes pulsadas más altas.
  • Longitud de Onda Pico (λ_P): 940 nm (típico) cuando se excita a 20mA.
• Características de Salida (Fototransistor):
  • Corriente de Oscuridad (I_CEO): Máximo 100 nA a V_CE=20V en completa oscuridad. Esta es la corriente de fuga que define el piso de ruido del estado \"apagado\".
  • Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(sat)): Máximo 0.4V a I_C=2mA bajo iluminación suficiente (1mW/cm²). Un V_CE(sat)bajo es deseable para una conmutación digital limpia.
  • Corriente del Colector (I_C(ON)): Mínimo 200 µA a V_CE=5V y I_F=20mA. Esta es la fotocorriente mínima garantizada bajo condiciones de prueba estándar.
• Características Dinámicas:
  • Tiempo de Subida (t_r) y Tiempo de Bajada (t_f): Típicamente 15 µs cada uno. Estos parámetros, medidos bajo condiciones de carga específicas (V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ), determinan la frecuencia máxima de conmutación que el dispositivo puede manejar de manera fiable.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varios gráficos que ilustran las relaciones clave entre los parámetros de operación. Estas curvas son esenciales para comprender el comportamiento del dispositivo en condiciones no estándar.

3.1 Curvas del Emisor Infrarrojo (IRED)

• Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente:Muestra la reducción de la corriente directa máxima permitida a medida que aumenta la temperatura ambiente por encima de 25°C.
• Sensibilidad Espectral:Un gráfico de la intensidad radiante relativa frente a la longitud de onda, con un pico en 940nm y que muestra el ancho de banda estrecho del emisor.
• Intensidad Radiante Relativa vs. Corriente Directa:Demuestra la relación no lineal entre la corriente de excitación y la salida de luz, que tiende a saturarse a corrientes más altas.
• Intensidad Radiante Relativa vs. Desplazamiento Angular:Ilustra el patrón de emisión o ángulo de visión del IRED, crucial para el alineamiento óptico.

3.2 Curvas del Fototransistor (PT)

• Disipación de Potencia del Colector vs. Temperatura Ambiente:Proporciona la curva de reducción de potencia para la salida del fototransistor.
• Sensibilidad Espectral:Muestra la responsividad del fototransistor a través de las longitudes de onda, con una sensibilidad máxima típicamente en la región del infrarrojo cercano, coincidiendo con el emisor de 940nm.
• Corriente del Colector Relativa vs. Temperatura Ambiente:Indica cómo cambia la ganancia o responsividad del fototransistor con la temperatura.
• Corriente del Colector vs. Irradiancia:Una curva fundamental que muestra la relación lineal (o casi lineal) entre la potencia de la luz incidente (irradiancia) sobre el fototransistor y la corriente de colector resultante.
• Corriente de Oscuridad del Colector vs. Temperatura Ambiente:Muestra cómo la corriente de fuga (I_CEO) aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura, lo que puede afectar la relación señal-ruido en aplicaciones de alta temperatura.
• Corriente del Colector vs. Voltaje Colector-Emisor:Similar a una característica de salida de un transistor, muestra las regiones de operación para diferentes niveles de iluminación.

3.3 Curva del Módulo Completo (ITR)

• Corriente del Colector Relativa vs. Distancia entre Sensores:Esta es una curva crítica a nivel de sistema. Muestra cómo varía la señal recibida (corriente del colector) a medida que cambia la distancia entre el objeto interceptor y la ranura del sensor. Define el rango efectivo de sensado y la relación entre la posición del objeto y la fuerza de la señal de salida.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Dimensiones del Paquete

El ITR9909 viene en un paquete estándar de orificio pasante. Las dimensiones clave del dibujo incluyen:

• Ancho y alto total del cuerpo que definen el tamaño de la ranura.
• Espaciado y diámetro de los terminales para el montaje en PCB.
• El ancho de la ranura entre el IRED interno y el fototransistor, que determina el tamaño del objeto que se puede detectar.
• El dibujo dimensional especifica una tolerancia estándar de ±0.25mm a menos que se indique lo contrario.

4.2 Identificación de Polaridad

El dispositivo utiliza una configuración de patillaje estándar común a muchos interruptores ópticos: Ánodo y Cátodo para la entrada del IRED, y Colector y Emisor para la salida del fototransistor. La carcasa suele tener una marca o muesca para indicar el pin 1.

5. Pautas de Ensamblaje y Manipulación

5.1 Recomendaciones de Soldadura

El límite absoluto máximo especifica que los terminales se pueden soldar a 260°C durante un máximo de 5 segundos, con la estipulación de que el punto de soldadura esté al menos a 1/16 de pulgada (aproximadamente 1.6mm) del cuerpo de plástico. Esto es para prevenir daños térmicos a la carcasa de epoxi y a las uniones de alambre internas. Para soldadura por ola o de reflujo, se deben seguir los perfiles estándar para componentes de orificio pasante con límites térmicos similares.

5.2 Almacenamiento y Manipulación

El dispositivo debe almacenarse dentro del rango de temperatura especificado de -40°C a +85°C en un ambiente seco. Se deben observar las precauciones estándar contra descargas electrostáticas (ESD) durante la manipulación, ya que los componentes semiconductores internos son susceptibles a daños por electricidad estática.

6. Información de Embalaje y Pedido

6.1 Especificación de Embalaje

La cantidad de embalaje estándar es la siguiente:

• 150 piezas por bolsa.
• 5 bolsas por caja.
• 10 cajas por cartón.

6.2 Información de la Etiqueta

La etiqueta del producto incluye varios códigos para trazabilidad y especificación:

• CPN:Número de Producto del Cliente.
• P/N:Número de Producto del Fabricante (ej., ITR9909).
• QTY:Cantidad en el paquete.
• CAT, HUE, REF:Probablemente se refieren a códigos internos de clasificación para parámetros como rango de intensidad luminosa, rango de longitud de onda dominante y rango de voltaje directo, aunque los detalles específicos de clasificación no se proporcionan en este extracto de la hoja de datos.
• LOT No:Número de lote de fabricación para trazabilidad.

7. Consideraciones de Diseño para la Aplicación

7.1 Diseño del Circuito

Diseñar con el ITR9909 implica dos circuitos principales:

1. Circuito de Excitación del IRED:Una simple resistencia limitadora de corriente en serie con el IRED es estándar. El valor de la resistencia se calcula como R = (V_CC- V_F) / I_F. Para un funcionamiento fiable y una larga vida útil, se recomienda excitar el IRED a o por debajo de los 20mA típicos, a menos que se necesite una excitación pulsada de alta corriente para requisitos específicos de relación señal-ruido.
2. Circuito de Salida del Fototransistor:El fototransistor se puede usar en dos configuraciones comunes:
   • Modo Conmutación (Salida Digital):Conecte una resistencia de pull-up desde el colector a V_CC. El emisor se conecta a tierra. Cuando la luz incide sobre el transistor, este se enciende, llevando el voltaje del colector a un nivel bajo (cerca de V_CE(sat)). Cuando el haz se interrumpe, el transistor se apaga y la resistencia de pull-up lleva el voltaje del colector a un nivel alto. El valor de la resistencia de pull-up determina la velocidad de conmutación y el consumo de corriente.
   • Modo Lineal (Salida Analógica):Usando el fototransistor en una configuración de emisor común con una resistencia en el colector, el voltaje en el colector variará aproximadamente de forma lineal con la cantidad de luz recibida, útil para el sensado analógico de posición.

7.2 Consideraciones Ópticas

• Alineación:La alineación mecánica precisa de la trayectoria del objeto con la ranura del sensor es crucial para un funcionamiento consistente.
• Luz Ambiente:Aunque el filtro de 940nm y el sensor emparejado proporcionan un buen rechazo a la luz visible, fuentes fuertes de luz infrarroja (por ejemplo, luz solar, bombillas incandescentes) pueden causar interferencia. El uso de una señal IR modulada y detección síncrona puede mejorar enormemente la inmunidad a la luz ambiente.
• Características del Objeto:El sensor detecta la interrupción del haz. El objeto debe ser opaco a la luz infrarroja de 940nm. Los materiales translúcidos pueden no detectarse de manera fiable.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

El ITR9909 representa una solución estándar y fiable en el mercado de interruptores ópticos. Sus diferenciadores clave son su combinación específica de un IRED de 940nm con un fototransistor de silicio en un paquete compacto de visión lateral. En comparación con los sensores reflectivos, los interruptores proporcionan una señal más definitiva de \"encendido/apagado\" ya que son menos susceptibles a variaciones en la reflectividad o el color del objeto. El tiempo de respuesta rápido especificado (15µs típico) lo hace adecuado para aplicaciones de sensado de velocidad o codificación, mientras que la alta sensibilidad garantiza una buena señal incluso con corrientes de excitación más bajas o en entornos polvorientos. El cumplimiento ambiental (RoHS, Libre de Halógenos) es un factor crítico para la fabricación moderna de electrónica.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

9.1 ¿Cuál es la velocidad o frecuencia máxima de sensado?

La frecuencia máxima de conmutación está limitada por los tiempos de subida y bajada (t_r, t_f), típicamente 15µs cada uno. Una estimación conservadora para un ciclo completo de encendido-apagado es aproximadamente 4 a 5 veces la suma de estos tiempos, lo que sugiere una frecuencia práctica máxima en el rango de 10-15 kHz. Esto es adecuado para la mayoría de las aplicaciones de codificación mecánica.

9.2 ¿Cómo elijo el valor de la resistencia limitadora de corriente del IRED?

Use la fórmula R = (Voltaje de Alimentación - V_F) / I_F. Para una alimentación de 5V y excitación en la condición de prueba típica de 20mA, con V_F~1.2V, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ohmios. Una resistencia estándar de 180 o 200 Ohmios sería apropiada. Siempre asegúrese de que la disipación de potencia calculada en la resistencia esté dentro de su especificación.

9.3 ¿Por qué la señal de salida es inestable o ruidosa?

Las causas potenciales incluyen: 1) Corriente de excitación insuficiente al IRED, resultando en una señal débil. 2) Altos niveles de luz infrarroja ambiental. 3) La corriente de oscuridad del fototransistor (que aumenta con la temperatura) volviéndose significativa en relación con la fotocorriente. 4) Ruido eléctrico en las líneas de alimentación. Las soluciones incluyen aumentar I_F(dentro de los límites), agregar blindaje óptico, implementar modulación de señal, usar una resistencia de pull-up de menor valor para una respuesta más rápida y asegurar un buen desacoplamiento de la fuente de alimentación.

9.4 ¿Puedo usar este sensor en exteriores?

La luz solar directa contiene una cantidad significativa de radiación infrarroja a 940nm, lo que puede saturar el fototransistor e impedir su correcto funcionamiento. Para uso en exteriores, se recomienda encarecidamente un filtrado óptico cuidadoso, un diseño de carcasa que bloquee la luz solar directa y el uso de señales IR moduladas.

10. Principio Operativo y Tendencias Tecnológicas

10.1 Principio de Funcionamiento

El ITR9909 opera bajo el principio de interrupción de luz transmitida. Una corriente eléctrica que circula a través del diodo emisor de luz infrarroja (IRED) hace que emita fotones a una longitud de onda pico de 940 nanómetros. Estos fotones viajan a través de un pequeño espacio de aire e inciden en la región de la base del fototransistor de silicio NPN. Los fotones generan pares electrón-hueco en la unión base-colector, que actúa efectivamente como un fotodiodo. Esta fotocorriente es luego amplificada por la acción del transistor del dispositivo, resultando en una corriente de colector mucho mayor que puede ser medida fácilmente por circuitos externos. Cuando un objeto bloquea físicamente la trayectoria entre el emisor y el detector, el flujo de fotones cesa, la fotocorriente cae a casi cero y el transistor se apaga, señalando la presencia del objeto.

10.2 Contexto y Tendencias Tecnológicas

Los interruptores ópticos como el ITR9909 son componentes maduros y bien comprendidos. Las tendencias actuales en el campo se centran en varias áreas:

• Miniaturización:Desarrollo de paquetes de montaje superficial (SMD) más pequeños para ahorrar espacio en placas en la electrónica de consumo moderna.
• Integración:Incorporación de circuitos adicionales en el chip, como disparadores Schmitt para salida digital, amplificadores para salida analógica, o incluso interfaces de nivel lógico completo (por ejemplo, salida de drenador abierto).
• Rendimiento Mejorado:Mejora de la velocidad para codificadores de mayor resolución, reducción del consumo de energía para dispositivos alimentados por batería y aumento de la sensibilidad para permitir corrientes de excitación más pequeñas o ranuras de sensado más grandes.
• Especialización:Creación de variantes con diferentes anchos de ranura, formas de apertura o respuestas espectrales para segmentos de mercado específicos como automoción, automatización industrial o dispositivos médicos.

El principio fundamental de interrupción óptica sigue siendo un método robusto y rentable para la detección sin contacto, asegurando su relevancia continua en una amplia gama de sistemas electromecánicos.