Hoja de Datos del Interruptor Óptico ITR20403 - Paquete 4.0x3.0x2.0mm - Voltaje Directo 1.6V - Disipación de Potencia 75mW - Infrarrojo 940nm - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El ITR20403 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 dentro de una sola carcasa negra de termoplástico de factor de forma reducido. La función principal del dispositivo es detectar la interrupción de un haz de luz infrarroja entre sus componentes emisor y receptor.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

El dispositivo ofrece varias ventajas clave que lo hacen adecuado para aplicaciones de precisión. Su tiempo de respuesta rápido y alta sensibilidad permiten una detección fiable de movimientos rápidos de objetos. Su paquete delgado y pequeño facilita la integración en diseños con espacio limitado, comunes en electrónica de consumo y equipos de automatización de oficinas. Una característica técnica significativa es el diseño de la carcasa, que permite al fototransistor recibir radiación principalmente del LED IR integrado, minimizando así la interferencia y el ruido de fuentes de luz ambiente. Los mercados objetivo principales incluyen dispositivos de imagen, sistemas de manejo de documentos y varios controles de automatización que requieren detección precisa de posición o presencia.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona una interpretación objetiva y detallada de las especificaciones eléctricas, ópticas y térmicas del dispositivo, tal como se definen en la hoja de datos.

2.1 Especificaciones Máximas Absolutas

Las especificaciones máximas absolutas definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. Estas no son condiciones de operación recomendadas.

• Disipación de Potencia de Entrada (IRED) (Pd):75 mW máximo a 25°C o menos de temperatura ambiente libre. Exceder este límite arriesga daño térmico al chip del LED.
• Voltaje Inverso de Entrada (VR):5 V máximo. Aplicar un voltaje inverso mayor puede causar ruptura de la unión.
• Corriente Directa Continua (IF):50 mA máximo. Esta es la corriente continua más alta que el IRED puede soportar.
• Disipación de Potencia de Salida (Fototransistor) (Pd):75 mW máximo a 25°C o menos.
• Corriente de Colector (IC):20 mA máximo para la salida del fototransistor.
• Voltaje Colector-Emisor (BV_CEO):30 V máximo. Este es el voltaje de ruptura con la base abierta.
• Temperatura de Operación (T_opr):-25°C a +80°C. Se garantiza que el dispositivo funcione dentro de este rango de temperatura ambiente.
• Temperatura de Almacenamiento (T_stg):-40°C a +85°C.
• Temperatura de Soldadura de Terminales (T_sol):260°C máximo durante 5 segundos, medido a 3mm del cuerpo del paquete. Esto es crítico para el control del proceso de ensamblaje.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros se miden bajo condiciones de prueba estándar (Ta=25°C) y representan el rendimiento típico del dispositivo.

• Voltaje Directo (V_F):Típicamente 1.23V, con un máximo de 1.6V a I_F=20mA. Este parámetro es esencial para diseñar el circuito limitador de corriente para el IRED.
• Longitud de Onda Pico (λ_P):940 nm. Esta es la longitud de onda nominal de la luz infrarroja emitida, que coincide con la sensibilidad pico del fototransistor receptor.
• Corriente de Oscuridad del Colector (I_CEO):Máximo 100 nA a V_CE=20V con iluminación cero. Esta corriente de fuga determina el nivel de ruido del sensor en estado "apagado".
• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(sat)):Máximo 0.4V a I_C=2mA y una irradiancia (E_e) de 1 mW/cm². Un voltaje de saturación bajo es deseable para aplicaciones de conmutación digital.
• Corriente de Colector en Estado de Conducción (I_C(on)):Varía desde un mínimo de 0.2 mA hasta un máximo de 5.0 mA bajo las condiciones de prueba de V_CE=5V e I_F=20mA. Este amplio rango indica la variación en la relación de transferencia de corriente (CTR) entre dispositivos, lo que debe tenerse en cuenta en el diseño del circuito.
• Tiempo de Subida/Bajada (t_r, t_f):Típicamente 15 µseg cada uno bajo condiciones de conmutación especificadas. Esto define la frecuencia máxima de conmutación alcanzable para el dispositivo.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos incluye curvas características típicas que proporcionan información sobre el comportamiento del dispositivo bajo condiciones variables.

3.1 Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente

Esta curva ilustra la reducción necesaria de la corriente directa del IRED a medida que aumenta la temperatura ambiente. Para evitar exceder la temperatura máxima de unión y garantizar la fiabilidad a largo plazo, la corriente de operación debe reducirse cuando el dispositivo se usa en entornos de alta temperatura. Los diseñadores deben consultar este gráfico para determinar la corriente de operación segura para la temperatura ambiente máxima de su aplicación específica.

3.2 Sensibilidad Espectral

Se proporcionan curvas de sensibilidad espectral separadas tanto para el emisor IR como para el fototransistor. La curva del IRED muestra la intensidad radiante relativa frente a la longitud de onda, con un pico en 940 nm. La curva del fototransistor muestra su respuesta relativa frente a la longitud de onda de la luz incidente, con un pico diseñado para alinearse con la salida del emisor. La respuesta estrecha y coincidente minimiza la sensibilidad a la luz ambiente visible, una característica clave para una operación estable en condiciones de iluminación variables.

3.3 Corriente Directa vs. Voltaje Directo

Esta curva IV para el IRED muestra la relación no lineal entre el voltaje directo y la corriente. Es crucial para seleccionar un esquema de limitación de corriente apropiado (por ejemplo, resistencia, fuente de corriente constante) para garantizar una salida IR estable en el rango de temperatura de operación y a través de las variaciones de producción.

4. Información Mecánica y de Empaquetado

4.1 Dimensiones del Paquete

El dispositivo está contenido en un paquete compacto. Las dimensiones clave incluyen un ancho de cuerpo de aproximadamente 4.0 mm, una profundidad de 3.0 mm y una altura de 2.0 mm. La separación entre terminales es de 2.54 mm (0.1 pulgadas), que es un paso estándar para montaje en PCB de orificio pasante. Todas las tolerancias dimensionales son ±0.25 mm a menos que se especifique lo contrario. Los terminales se miden donde emergen del cuerpo del paquete.

4.2 Identificación de Polaridad y Montaje

El componente tiene cuatro terminales. La convención estándar para tales interruptores ópticos es que los dos terminales de un lado pertenecen al emisor infrarrojo (ánodo y cátodo), y los dos del lado opuesto pertenecen al fototransistor (emisor y colector). La asignación exacta de pines debe verificarse en el diagrama del paquete. Al montar, los orificios de la PCB deben estar alineados con precisión con las posiciones de los terminales para evitar imponer tensión mecánica en el cuerpo de epoxi durante la inserción, lo que puede degradar el rendimiento o causar fallas.

5. Guías de Soldadura y Ensamblaje

El manejo adecuado es crítico para mantener la integridad y el rendimiento del dispositivo.

5.1 Formado de Terminales

Si se requiere doblar los terminales, debe realizarseantesde la soldadura. La curvatura debe hacerse a una distancia mayor de 3 mm desde la parte inferior del cuerpo del paquete de epoxi. El marco de terminales debe sujetarse firmemente durante el doblado para evitar que la tensión se transmita a la frágil ampolla de epoxi, lo que podría causar grietas o daños internos. El corte de terminales debe realizarse a temperatura ambiente.

5.2 Proceso de Soldadura

Debe mantenerse una distancia mínima de 3 mm entre la unión de soldadura y la ampolla de epoxi. Las condiciones recomendadas son:

• Soldadura Manual:Temperatura máxima de la punta del soldador 300°C (para un soldador de 30W), tiempo máximo de soldadura 3 segundos por terminal.
• Soldadura por Ola/Inmersión:Temperatura máxima de precalentamiento 100°C hasta 60 segundos. Temperatura máxima del baño de soldadura 260°C con un tiempo de permanencia máximo de 5 segundos.

Evite aplicar cualquier tensión mecánica a los terminales mientras el dispositivo está a temperatura elevada. La soldadura por inmersión o manual no debe realizarse más de una vez. Después de soldar, el dispositivo debe protegerse de golpes o vibraciones mecánicas hasta que vuelva a temperatura ambiente. No se recomiendan procesos de enfriamiento rápido.

5.3 Limpieza y Almacenamiento

La limpieza ultrasónica está prohibida, ya que las vibraciones de alta frecuencia pueden dañar los componentes internos o el sellado de epoxi. Para el almacenamiento, los dispositivos deben mantenerse a 10-30°C y 70% HR o menos hasta 3 meses después del envío. Para almacenamiento más prolongado (hasta un año), se recomienda un contenedor sellado con atmósfera de nitrógeno a 10-25°C y 20-60% HR. Después de abrir el embalaje sensible a la humedad, los dispositivos deben usarse dentro de las 24 horas o lo antes posible, y los componentes restantes deben resellarse inmediatamente.

6. Información de Embalaje y Pedido

La especificación de embalaje estándar es 120 piezas por tubo, 96 tubos por caja y 2 cajas por cartón. La etiqueta en el embalaje incluye campos para Número de Parte del Cliente (CPN), Número de Parte del Fabricante (P/N), Cantidad de Empaque (QTY), Referencia (REF) y Número de Lote (LOT No.).

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detección de Papel en Impresoras/Fotocopiadoras/Escáneres:Detectar la presencia de papel, atascos de papel o el borde delantero/trasero de un documento.
• Detección de Posición de Tapa de Lente o Filtro en Cámaras:Detectar si una tapa de lente está puesta o si una rueda de filtros está en la posición correcta.
• Detección de Fin de Carrera sin Contacto:Utilizado en escáneres, plotters o mesas automatizadas para detectar la posición de inicio o límite sin contacto físico.
• Conteo o Clasificación de Objetos:Detectar objetos en una cinta transportadora cuando interrumpen el haz infrarrojo.
• Detección de Disco de Codificador Rotativo:Leer ranuras en un disco giratorio para medir velocidad o posición (aunque los módulos de codificador dedicados suelen ser más adecuados para tareas de alta resolución).

7.2 Consideraciones de Diseño e Interfaz del Circuito

Al diseñar con el ITR20403, se deben considerar varios factores:

1. Limitación de Corriente para el IRED:Se debe calcular una resistencia en serie basada en el voltaje de alimentación (V_CC), la corriente directa deseada (I_F, típicamente 20mA para salida nominal), y la caída de voltaje directo (V_F~1.23V). R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. Circuito de Interfaz de Salida:El fototransistor puede usarse en dos configuraciones comunes:
   • Modo Conmutación:Conectar una resistencia de pull-up (por ejemplo, 1kΩ a 10kΩ) desde el colector a V_CC. El emisor se conecta a tierra. La salida en el colector será baja (cerca de V_CE(sat)) cuando el haz no esté bloqueado (transistor ENCENDIDO) y alta (V_CC) cuando el haz esté bloqueado (transistor APAGADO).
   • Modo Analógico:El fototransistor puede usarse en una configuración de emisor común con una resistencia de colector para producir un voltaje proporcional a la intensidad de la luz. Sin embargo, la respuesta no lineal y la dependencia de la temperatura lo hacen menos ideal para mediciones analógicas precisas en comparación con fotodiodos con circuitos de amplificador operacional.
3. Inmunidad al Ruido:Aunque es resistente a la luz ambiente, el circuito aún puede captar ruido eléctrico. Se recomiendan condensadores de desacoplamiento (0.1 µF) cerca de los pines de alimentación del dispositivo y un diseño cuidadoso de la PCB. Para cables largos o entornos ruidosos, el blindaje o el uso de la salida para excitar una entrada de disparador Schmitt puede mejorar la fiabilidad.
4. Diseño de Apertura y Ranura:El objeto que interrumpe el haz debe ser opaco al infrarrojo. La resolución y repetibilidad de la detección dependen del ancho del objeto en relación con el ancho de la ranura en la carcasa del dispositivo. Para la detección de bordes, una paleta o bandera con un borde afilado proporciona el tiempo más preciso.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

El ITR20403 se diferencia principalmente por su factor de forma compacto y delgado, lo que es ventajoso en electrónica de consumo miniaturizada. Su tiempo de respuesta rápido de 15 µs es adecuado para detectar eventos de velocidad moderadamente alta. La carcasa integrada que coincide espectralmente con el emisor y el receptor proporciona un rechazo inherente a la luz ambiente, una característica que simplifica el diseño en comparación con el uso de componentes discretos. En comparación con sensores de objeto reflectantes, los interruptores ofrecen mayor precisión posicional y son menos sensibles al color o reflectividad del objeto objetivo. En comparación con interruptores ópticos ranurados con espacios más anchos, el espacio estrecho de este dispositivo permite la detección de objetos más pequeños o una detección de bordes más precisa.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

9.1 ¿Cuál es la corriente de operación típica para el LED IR?

Las características electro-ópticas se prueban a I_F= 20 mA, que es un punto de operación común y recomendado para lograr la corriente de colector en estado de conducción especificada. El circuito debe diseñarse para no exceder la especificación máxima absoluta de 50 mA.

9.2 ¿Por qué hay un rango tan amplio (0.2mA a 5.0mA) para la Corriente de Colector en Estado de Conducción?

Este rango representa la variación de dispositivo a dispositivo en la Relación de Transferencia de Corriente (CTR), que es la relación entre la corriente de salida del fototransistor (I_C) y la corriente de entrada del IRED (I_F). Esta variación es inherente al proceso de fabricación de optoacopladores e interruptores. El circuito debe diseñarse para funcionar correctamente con el I_C(on)mínimo especificado (0.2mA) para garantizar la fiabilidad en todas las unidades de producción.

9.3 ¿Se puede usar este sensor en exteriores?

Aunque la carcasa proporciona un buen rechazo a la luz ambiente, la luz solar directa contiene radiación infrarroja significativa que podría saturar el sensor. Para uso en exteriores, sería necesario un filtrado óptico adicional, blindaje u operación pulsada con detección síncrona para un rendimiento fiable. El rango de temperatura de operación (-25°C a +80°C) también limita las aplicaciones en entornos extremos.

9.4 ¿Qué tan cerca debe estar un objeto para interrumpir el haz?

El dispositivo tiene un espacio estrecho y enfocado. Un objeto necesita pasar físicamente a través de la ranura entre el emisor y el detector. No tiene capacidad de detección de "proximidad"; el haz debe estar completamente ocluido para que el estado de salida cambie de manera fiable.

10. Estudio de Caso de Diseño y Uso

Escenario: Sensor de Falta de Papel en una Impresora de Escritorio.

Implementación:El ITR20403 está montado en la ruta de alimentación de papel de la impresora. Una palanca o bandera, unida a un resorte, descansa en la ranura del sensor cuando no hay papel. Cuando se alimenta una hoja de papel, empuja la bandera fuera de la ranura, permitiendo que el haz infrarrojo pase y encienda el fototransistor.

Diseño del Circuito:El IRED se excita con 20mA a través de una resistencia limitadora de corriente desde la fuente de alimentación lógica de 5V de la impresora. El colector del fototransistor se conecta a un pin de entrada de microcontrolador de 3.3V a través de una resistencia de pull-up de 4.7kΩ. El emisor se conecta a tierra.

Lógica de Software:El pin del microcontrolador se configura como una entrada digital. Una lectura BAJA indica que el haz no está bloqueado (bandera fuera, papel presente). Una lectura ALTA indica que el haz está bloqueado (bandera dentro, sin papel), activando una alerta de "Falta de Papel" al usuario. Se añade lógica de antirrebote (por ejemplo, en software) para ignorar las vibraciones mecánicas de la bandera.

Consideraciones Clave para este Caso:El mecanismo de la bandera debe diseñarse para entrar de manera fiable y completa en la ranura del sensor. El resorte debe proporcionar suficiente fuerza para un retorno positivo, pero no tanta que dañe el papel o cause desgaste en el sensor. La posición del sensor debe fijarse de manera segura para mantener la alineación.

11. Principio de Funcionamiento

El ITR20403 opera bajo el principio de transmisión y detección de luz modulada. Un diodo emisor de luz infrarroja (IRED) se polariza en directa con una corriente constante, lo que hace que emita fotones a una longitud de onda pico de 940 nm. Directamente opuesto, dentro de la misma carcasa, hay un fototransistor de silicio NPN. Cuando el haz infrarrojo viaja sin obstrucciones a través del espacio, golpea la región de la base del fototransistor. Los fotones absorbidos generan pares electrón-hueco, que actúan como corriente de base, encendiendo el transistor y permitiendo que fluya una corriente de colector (I_C) que es proporcional a la intensidad de la luz. Cuando un objeto opaco entra en el espacio, bloquea el haz, la corriente de base fotogenerada cesa y el transistor se apaga. El circuito de salida convierte este cambio de estado ENCENDIDO/APAGADO en una señal eléctrica utilizable. La carcasa negra de termoplástico sirve para contener la trayectoria de la luz, prevenir diafonía óptica y bloquear la mayor parte de la luz ambiente visible, cuyos fotones generalmente no tienen suficiente energía para ser absorbidos por el bandgap del fototransistor de silicio, proporcionando así un filtrado óptico inherente.

12. Tendencias Tecnológicas

Los interruptores ópticos como el ITR20403 representan una tecnología madura y fiable. Las tendencias actuales en el campo se centran en varias áreas: mayor miniaturización para permitir la integración en dispositivos portátiles y vestibles cada vez más pequeños; el desarrollo de versiones de dispositivo de montaje superficial (SMD) con mejor compatibilidad de soldadura por reflujo para ensamblaje automatizado; mayor velocidad de conmutación para soportar tasas de datos más altas en aplicaciones de codificador o maquinaria más rápida; y mayor robustez frente a factores ambientales como temperatura más alta, humedad y contaminación. También hay una tendencia hacia la integración de funcionalidad adicional, como disparadores Schmitt incorporados en la salida para histéresis o incluso interfaces digitales (I2C, SPI) para módulos de sensor más inteligentes y direccionables. Sin embargo, el diseño básico de componente discreto de orificio pasante, como se ve en el ITR20403, sigue siendo altamente rentable y ampliamente utilizado en aplicaciones donde su rendimiento y factor de forma son suficientes.