Hoja de Datos del Fotointerruptor LTH-306-01 - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTH-306-01 es un interruptor óptico compacto y sin contacto, diseñado para la detección fiable de objetos y el sensado de posición. Su función principal se basa en un diodo emisor de luz infrarroja (LED IR) emparejado con un fototransistor, alojados en un solo encapsulado. Cuando un objeto pasa por la ranura entre el emisor y el detector, interrumpe el haz de luz IR, provocando un cambio en el estado de salida del fototransistor. Este principio permite una conmutación precisa y sin desgaste, sin contacto físico.

El dispositivo está diseñado para montarse directamente en placas de circuito impreso (PCB) o en zócalos estándar de doble línea, ofreciendo una gran flexibilidad de diseño. Sus principales ventajas incluyen una velocidad de conmutación rápida, crucial para aplicaciones de conteo y temporización de alta velocidad, y su naturaleza sin contacto, que elimina el desgaste mecánico y garantiza una fiabilidad a largo plazo. Los mercados objetivo típicos incluyen la automatización industrial, la electrónica de consumo (por ejemplo, impresoras, fotocopiadoras), sistemas de seguridad y máquinas expendedoras donde se requiere detección de objetos, sensado de atasco de papel o detección de ranuras.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los umbrales de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No se garantiza el funcionamiento bajo estas condiciones. Los límites clave incluyen:

• Corriente Directa Continua del Diodo IR (I_F): 60 mA. Esta es la corriente continua máxima que se puede aplicar continuamente al LED.
• Corriente Directa Pico del Diodo IR: 1 A para un ancho de pulso de 10 μs a 300 pulsos por segundo. Esto permite pulsos breves y de alta intensidad para mejorar la detección de señal.
• Voltaje Colector-Emisor del Fototransistor (V_CEO): 30 V. El voltaje máximo que se puede aplicar entre los pines del colector y el emisor.
• Rango de Temperatura de Operación: -25°C a +85°C. Especifica el rango de temperatura ambiente para un funcionamiento fiable.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas: 260°C durante 5 segundos a una distancia de 1,6 mm de la carcasa. Esto es crucial para los procesos de montaje en PCB.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros se especifican a una temperatura ambiente (T_A) de 25°C y definen el rendimiento típico del dispositivo en condiciones normales de funcionamiento.

2.2.1 Características de Entrada (LED IR)

• Voltaje Directo (V_F): Típicamente de 1,2V a 1,6V a una corriente directa (I_F) de 20 mA. Se utiliza para calcular el valor de la resistencia limitadora de corriente para el circuito de excitación del LED.
• Corriente Inversa (I_R): Máximo 100 μA a un voltaje inverso (V_R) de 5V. Esto indica la corriente de fuga del LED cuando está polarizado en inversa.

2.2.2 Características de Salida (Fototransistor)

• Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO): Mínimo 30V. Garantiza que el transistor pueda soportar el voltaje colector-emisor especificado.
• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (I_CEO): Máximo 100 nA a V_CE=10V. Esta es la corriente de fuga cuando el LED está apagado (sin luz), lo que afecta al nivel de señal del "estado apagado".

2.2.3 Características del Acoplador (Combinadas)

• Corriente de Colector en Estado Conducción (I_C(ON)): Mínimo 5,0 mA a V_CE=5V e I_F=20mA. Esta es la corriente de salida del fototransistor cuando el LED está completamente iluminado y sin obstrucción, indicando su sensibilidad.
• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)): Máximo 0,4V a I_C=2,5mA e I_F=20mA. Un voltaje de saturación bajo es deseable cuando el fototransistor se utiliza como interruptor en modo de saturación, minimizando la caída de voltaje.
• Tiempo de Respuesta: El tiempo de subida (t_r) es típicamente de 3-15 μs, y el tiempo de bajada (t_f) es típicamente de 4-20 μs bajo las condiciones de prueba especificadas (V_CE=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Estos parámetros definen la velocidad de conmutación y el ancho de banda del dispositivo, críticos para detectar objetos en movimiento rápido.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a curvas típicas de características eléctricas/ópticas. Aunque los gráficos específicos no se proporcionan en el texto, las curvas estándar para estos dispositivos suelen incluir:

• Corriente Directa vs. Voltaje Directo (I_F-V_F) para el LED IR: Muestra la relación no lineal, ayudando a determinar el punto de operación.
• Corriente de Colector vs. Voltaje Colector-Emisor (I_C-V_CE) para el Fototransistor: A diferentes niveles de irradiancia (corriente del LED), esto muestra el comportamiento del transistor de salida, similar a las características de salida de un transistor bipolar.
• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa: CTR es la relación entre la corriente de colector del fototransistor (I_C) y la corriente directa del LED (I_F). Esta curva muestra cómo cambia la eficiencia con la corriente de excitación.
• Dependencia con la Temperatura de la Corriente de Oscuridad (I_CEO) y la Corriente en Estado Conducción (I_C(ON)): Ilustra cómo el rendimiento se degrada o varía con los cambios en la temperatura ambiente, lo cual es vital para diseñar sistemas estables en todo el rango de operación especificado.

Estas curvas son esenciales para que los diseñadores optimicen el punto de operación, aseguren la integridad de la señal en función de la temperatura y comprendan las limitaciones del dispositivo.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

El LTH-306-01 está diseñado para montaje en PCB o en zócalo. Las dimensiones del encapsulado se proporcionan en la hoja de datos con todas las medidas en milímetros (y pulgadas). Las notas mecánicas clave incluyen:

• Se aplica una tolerancia estándar de ±0,25 mm (±0,010") a menos que se especifique lo contrario en el plano dimensionado.
• El encapsulado presenta un cuerpo moldeado con una ranura precisa entre el emisor IR y el fototransistor. Las dimensiones exactas de esta ranura, la altura total, el ancho, la longitud y el espaciado de las patillas son críticos para la integración mecánica en el producto final.
• Las patillas suelen estar hechas de un material soldable y están conformadas para montaje a través de orificio.

La identificación de polaridad es crucial. El dispositivo tendrá marcas (como un punto, una muesca o diferentes longitudes de patilla) para identificar el ánodo y el cátodo del LED IR y el colector y el emisor del fototransistor. Una conexión de polaridad incorrecta puede dañar los componentes.

5. Guías de Soldadura y Montaje

Los límites absolutos máximos especifican una temperatura de soldadura de las patillas de 260°C durante un máximo de 5 segundos, medida a 1,6 mm (0,063") de la carcasa de plástico. Este es un parámetro crítico para los procesos de soldadura por ola o soldadura manual.

Recomendaciones:

6. Sugerencias de Aplicación

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

Un circuito de aplicación básico implica:

1. Circuito de Excitación del LED: Una resistencia limitadora de corriente en serie con el LED IR. El valor de la resistencia (R_limit) se calcula como (Voltaje de Alimentación - V_F) / I_F. Para una alimentación de 5V e I_F=20mA, con V_F~1,4V, R_limit≈ (5-1,4)/0,02 = 180Ω.
2. Circuito de Salida del Fototransistor: El fototransistor se puede utilizar en dos configuraciones comunes:
   • Modo Interruptor (Saturación): Conecte una resistencia de pull-up desde el colector a una alimentación positiva (por ejemplo, 5V). El emisor se conecta a tierra. Cuando la luz incide en el transistor, este se activa fuertemente (satura), llevando el voltaje del colector a un nivel bajo (cercano a V_CE(SAT)). Cuando la luz se bloquea, el transistor se desactiva y el voltaje del colector es llevado a un nivel alto por la resistencia. La salida es una señal digital.
   • Modo Lineal: Utilice el fototransistor en una configuración de amplificador de emisor común con una resistencia en el colector. El voltaje de salida varía linealmente con la intensidad de la luz recibida, útil para sensado analógico.

6.2 Consideraciones de Diseño

• Inmunidad a la Luz Ambiente: El dispositivo utiliza luz IR modulada, pero fuentes fuertes de IR ambiente (luz solar, bombillas incandescentes) pueden causar falsos disparos. El uso de una excitación pulsada del LED y detección síncrona, o la adición de un filtro óptico, pueden mejorar la inmunidad.
• Características del Objeto: La fiabilidad de la detección depende de la opacidad del objeto a la longitud de onda IR. Materiales muy finos o translúcidos pueden no interrumpir completamente el haz.
• Alineación: Es necesaria una alineación mecánica precisa de la trayectoria del objeto con la ranura del sensor para un funcionamiento consistente.
• Velocidad: Asegúrese de que la velocidad del objeto y el tiempo de respuesta requerido por el sistema sean compatibles con los tiempos de subida/bajada del dispositivo (rango de microsegundos).
• Ruido Eléctrico: En entornos ruidosos, mantenga las trazas de señal cortas, utilice condensadores de desacoplo cerca del dispositivo y considere el uso de blindaje.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los microinterruptores mecánicos, el LTH-306-01 ofrece claras ventajas: sin rebote de contacto, sin desgaste mecánico, mayor velocidad de conmutación y mayor fiabilidad durante millones de ciclos. En comparación con otros sensores ópticos como los sensores reflectivos, los fotointerruptores transmisivos (acopladores ranurados) son generalmente más inmunes a las variaciones en la reflectividad y el color de la superficie del objeto, proporcionando una señal de encendido/apagado más consistente basada únicamente en la interrupción del haz.

Sus diferenciadores clave dentro de la categoría de fotointerruptores serían su tamaño de encapsulado específico (que permite diseños compactos), sus características eléctricas (sensibilidad definida por I_C(ON), velocidad definida por t_r/t_f), y sus especificaciones robustas para soldadura y temperatura de operación.

8. Preguntas Frecuentes (FAQs)

P: ¿Cuál es la vida útil típica de este dispositivo?

R: Como dispositivo de estado sólido sin partes móviles, su vida útil está determinada principalmente por la degradación gradual de la salida del LED. Cuando se opera dentro de las especificaciones, típicamente supera con creces la vida útil de los interruptores mecánicos, a menudo clasificada para cientos de miles a millones de operaciones.

P: ¿Puedo excitar el LED directamente con una fuente de voltaje?

R: No. Un LED debe ser excitado con una fuente limitada en corriente. Conectarlo directamente a una fuente de voltaje que exceda su voltaje directo causará un flujo de corriente excesivo, pudiendo destruirlo. Utilice siempre una resistencia limitadora de corriente en serie o un excitador de corriente constante.

P: ¿Cómo interpreto el valor mínimo de "Corriente de Colector en Estado Conducción" (I_C(ON))?

R: Esta es una corriente de salida mínima garantizada bajo las condiciones de prueba especificadas (V_CE=5V, I_F=20mA). En su diseño, debe asegurarse de que su circuito (por ejemplo, el valor de su resistencia de pull-up) pueda funcionar de manera fiable con esta corriente mínima para producir un voltaje lógico bajo válido cuando el haz no está bloqueado.

P: El tiempo de respuesta está en microsegundos. ¿Es lo suficientemente rápido para mi aplicación?

R: Para la mayoría de las aplicaciones de conteo de objetos, sensado de posición y detección de papel, una respuesta en microsegundos es más que suficiente. Por ejemplo, para detectar un objeto que se mueve a 1 m/s a través de una ranura de 1 mm, el tiempo de interrupción es de 1 ms (1000 μs), que es mucho más largo que el tiempo de conmutación del dispositivo. Para aplicaciones de velocidad extremadamente alta, verifique el tiempo requerido.

9. Caso de Uso Práctico

Escenario: Detección de Atasco de Papel en una Impresora

El LTH-306-01 puede colocarse a lo largo de la trayectoria del papel. Una hoja de papel que pasa por la ranura permite que el haz IR llegue al fototransistor, manteniendo su salida en un estado (por ejemplo, bajo). Si ocurre un atasco, el papel se detiene en la ranura, bloqueando el haz y cambiando el estado de salida (por ejemplo, alto). Esta señal se envía al microcontrolador de la impresora, que luego puede detener la operación y alertar al usuario. El sensado sin contacto garantiza que no haya desgaste en el papel o el sensor, y el tiempo de respuesta rápido permite la detección incluso si el papel se mueve rápidamente.

10. Principio de Funcionamiento

El LTH-306-01 es un sensor óptico transmisivo. Contiene dos componentes principales en brazos opuestos de un encapsulado en forma de U: un diodo emisor de luz infrarroja (LED IR) y un fototransistor de silicio NPN. El LED IR emite luz infrarroja invisible cuando se polariza en directa con una corriente apropiada. El fototransistor está diseñado para ser sensible a esta longitud de onda IR específica. Cuando no hay ningún objeto en la ranura entre ellos, la luz IR incide directamente en la región de la base del fototransistor. Esta luz incidente genera pares electrón-hueco, que actúan como corriente de base, activando el transistor y permitiendo que fluya una corriente de colector significativa (I_C). Cuando un objeto opaco entra en la ranura, bloquea la trayectoria de la luz. El fototransistor no recibe luz (o la recibe muy reducida), la corriente de base efectiva cae a casi cero, y el transistor se desactiva, reduciendo la corriente de colector a un nivel de fuga muy bajo (I_CEO). Este cambio en la corriente/voltaje de salida es detectado por el circuito externo para registrar un evento de "objeto presente".

11. Tendencias Tecnológicas

El campo de los componentes optoelectrónicos como los fotointerruptores continúa evolucionando. Las tendencias generales observables en la industria incluyen:

• Miniaturización: Desarrollo de encapsulados aún más pequeños y de menor perfil para adaptarse a dispositivos industriales y de consumo cada vez más compactos.
• Integración Mejorada: Incorporación de circuitos adicionales en el chip, como disparadores Schmitt para histéresis, resistencias limitadoras de corriente integradas o incluso interfaces digitales (I2C), simplificando el diseño externo.
• Rendimiento Mejorado: Mayor sensibilidad (permitiendo corrientes de excitación del LED más bajas para ahorrar energía), tiempos de respuesta más rápidos para automatización de alta velocidad y mejor estabilidad térmica.
• Enfoque en la Eficiencia Energética: Diseños que permiten operación pulsada con ciclos de trabajo muy bajos para minimizar el consumo de potencia promedio, crucial para aplicaciones alimentadas por baterías.
• Robustez: Mejora de la resistencia a factores ambientales como polvo, humedad y golpes mecánicos.

Estas tendencias tienen como objetivo hacer que las soluciones de sensado óptico sean más fiables, más fáciles de implementar y adecuadas para una gama más amplia de aplicaciones.