Hoja de Datos del Fotointerruptor LTH-209-01 - Sensor Reflectivo de Objetos - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTH-209-01 es un módulo fotointerruptor de tipo reflectivo diseñado para aplicaciones de conmutación sin contacto. Este dispositivo optoelectrónico integra un diodo emisor de infrarrojos (IRED) y un fototransistor dentro de un único encapsulado compacto. Su función principal es detectar la presencia o ausencia de un objeto reflectivo colocado dentro de su brecha de detección. El módulo está diseñado para montaje directo en placas de circuito impreso (PCB) o para uso con zócalos de doble línea, ofreciendo flexibilidad en la integración del sistema. Sus ventajas principales incluyen la operación sin contacto, que elimina el desgaste mecánico y garantiza una fiabilidad a largo plazo, y velocidades de conmutación rápidas adecuadas para diversas tareas de detección y conteo. El mercado objetivo incluye equipos de automatización, electrónica de consumo, sistemas de seguridad y controles industriales donde se requiere una detección de objetos precisa y fiable.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

Operar el dispositivo más allá de estos límites puede causar daños permanentes. Los parámetros clave incluyen:

• Corriente Directa Continua del Diodo IR (I_F):Máximo 50 mA. Esto define el límite superior para la corriente continua que puede pasar continuamente a través del LED IR.
• Voltaje Inverso del Diodo IR (V_R):Máximo 5 V. Exceder este voltaje de polarización inversa puede dañar la unión del LED.
• Corriente del Colector del Fototransistor (I_C):Máximo 20 mA. Esta es la corriente continua máxima que el transistor de salida puede absorber.
• Voltaje Colector-Emisor del Fototransistor (V_CEO):Máximo 30 V. Este es el voltaje máximo que se puede aplicar entre los pines de colector y emisor del fototransistor.
• Rango de Temperatura de Operación:-35°C a +65°C. Se garantiza que el dispositivo opere dentro de las especificaciones en este rango de temperatura ambiente.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas:260°C durante 5 segundos a una distancia de 1,6 mm de la carcasa. Esto es crítico para procesos de soldadura por ola o de reflujo.

Nota sobre la Reducción de Potencia (Derating):La disipación de potencia máxima tanto para el diodo IR (75 mW) como para el fototransistor (100 mW) debe reducirse linealmente a una tasa de 1,33 mW/°C para temperaturas ambiente superiores a 25°C. Esto es esencial para la gestión térmica y la fiabilidad a largo plazo.

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.

2.2.1 Características del Diodo IR de Entrada

• Voltaje Directo (V_F):Típicamente de 1,2V a 1,6V a una corriente directa (I_F) de 20 mA. Este parámetro es crucial para diseñar el circuito limitador de corriente para el LED.
• Corriente Inversa (I_R):Máximo 100 µA a un voltaje inverso (V_R) de 5V. Una corriente inversa baja indica una buena calidad de la unión.

2.2.2 Características del Fototransistor de Salida

• Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO):Mínimo 30V a I_C=1mA. Este alto voltaje de ruptura permite el uso de voltajes de "pull-up" más altos en el circuito de salida.
• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (I_CEO):Máximo 100 nA a V_CE=10V. Esta es la corriente de fuga cuando el diodo IR está apagado (sin iluminación). Una corriente de oscuridad baja es esencial para una buena relación señal-ruido, especialmente en aplicaciones de baja luz o alta ganancia.

2.2.3 Características del Acoplador (Sistema)

Estos parámetros describen el rendimiento del sistema sensor completo (LED IR + fototransistor).

• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)):Máximo 0,4V a I_C=0,08mA e I_F=20mA. Este bajo voltaje de saturación indica que el fototransistor puede actuar como un interruptor eficiente, llevando la salida cerca de tierra cuando se activa.
• Corriente del Colector en Estado de Conducción (I_C(ON)):Mínimo 0,16 mA a V_CE=5V e I_F=20mA.Condición de Prueba:Este parámetro crítico se mide con una superficie reflectante estándar (papel blanco con reflectancia difusa del 90%) colocada a 3,81 mm (0,15 pulgadas) de la cara del sensor. Esta distancia y superficie estandarizadas definen la "brecha de detección" y la "reflectividad mínima detectable" para el rendimiento especificado del dispositivo.

3. Información Mecánica y del Encapsulado

3.1 Dimensiones del Encapsulado

El LTH-209-01 viene en una carcasa estilo DIP (Dual In-line Package) de 4 pines estándar. Todas las dimensiones se proporcionan en milímetros con una tolerancia por defecto de ±0,25 mm a menos que se especifique lo contrario en el plano dimensional. El encapsulado está diseñado para montaje en PCB de orificios pasantes. El plano dimensional exacto, que incluye la longitud, anchura, altura del cuerpo, el espaciado de pines y el diámetro de los pines, es esencial para el diseño de la huella en la PCB y la integración mecánica en la carcasa del producto final.

3.2 Diagrama de Pines e Identificación de Polaridad

El dispositivo tiene cuatro pines. Típicamente, dos pines son para el ánodo y el cátodo del diodo emisor IR, y los otros dos son para el colector y el emisor del fototransistor NPN. La identificación correcta es vital para prevenir daños. Se debe consultar el diagrama de pines de la hoja de datos. El encapsulado a menudo incluye una muesca, un punto o un borde biselado para indicar el pin 1. El diodo IR es sensible a la polaridad, y el colector y el emisor del fototransistor deben conectarse correctamente para una operación de conmutación adecuada.

4. Guías de Soldadura y Montaje

Soldadura Manual:Utilice un soldador con control de temperatura. El valor máximo absoluto especifica que las patillas pueden someterse a 260°C durante 5 segundos cuando se mide a 1,6 mm de la carcasa de plástico. Se recomienda utilizar la temperatura más baja y el tiempo más corto posible para hacer una unión de soldadura fiable y minimizar el estrés térmico en los componentes internos y la carcasa de plástico.

Soldadura por Ola:Es posible, pero se debe adherir estrictamente al mismo perfil de temperatura/tiempo (260°C durante 5 segundos a 1,6 mm de la carcasa). Se recomienda precalentar para reducir el choque térmico.

Limpieza:Si es necesaria la limpieza después de la soldadura, utilice métodos y disolventes compatibles con el material plástico del dispositivo para evitar el agrietamiento o el empañamiento de la ventana óptica.

Condiciones de Almacenamiento:Almacene en un entorno dentro del rango de temperatura de almacenamiento especificado de -40°C a +100°C. Es aconsejable mantener los dispositivos en sus bolsas originales con barrera de humedad hasta su uso para prevenir la contaminación de las superficies ópticas.

5. Sugerencias de Aplicación

5.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La configuración de circuito más común utiliza el LTH-209-01 como un interruptor digital. El diodo IR se alimenta con una fuente de corriente constante o una resistencia limitadora de corriente desde una fuente de voltaje (por ejemplo, 5V). Se utiliza una I_Ftípica de 20 mA según las condiciones de prueba. El fototransistor se conecta en una configuración de emisor común: el colector se conecta al voltaje de alimentación (V_CC, hasta 30V) a través de una resistencia de "pull-up" (R_L), y el emisor se conecta a tierra. La señal de salida se toma del nodo del colector. Cuando no hay un objeto reflectante presente, el fototransistor está apagado (salida alta). Cuando un objeto reflectante entra en la brecha de detección, la luz IR se refleja en el fototransistor, encendiéndolo y llevando la salida a un nivel bajo.

5.2 Consideraciones de Diseño y Mejores Prácticas

• Selección de la Resistencia de "Pull-up" (R_L):El valor de R_Ldetermina la corriente de salida y la excursión de voltaje. Debe elegirse en función de la I_C(ON)requerida y de las características de entrada de la carga (por ejemplo, un GPIO de un microcontrolador). Una R_Lmás pequeña proporciona una conmutación más rápida y una mejor inmunidad al ruido, pero consume más potencia. Asegúrese de que I_Cno exceda los 20mA: R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20mA.
• Minimización del Ruido Eléctrico:Coloque un condensador de desacoplo (por ejemplo, 0,1µF) cerca de los pines de alimentación del dispositivo. Mantenga las trazas de señal cortas, especialmente la línea de salida del fototransistor, para reducir la susceptibilidad a interferencias electromagnéticas (EMI).
• Consideraciones Ópticas:El rendimiento de detección depende de la reflectividad, el color y la distancia del objeto objetivo. La I_C(ON)especificada es para una superficie blanca con un 90% de reflectividad a 3,81 mm. Los objetos más oscuros o más distantes producirán una señal de salida más pequeña. Para una operación consistente, diseñe el umbral de detección del sistema (por ejemplo, el voltaje de referencia de un comparador) en consecuencia. Evite que fuentes de luz ambiente (especialmente la luz solar o bombillas incandescentes ricas en IR) incidan directamente en la apertura del sensor, ya que esto puede causar falsos disparos. Se puede utilizar una señal IR modulada y detección síncrona en entornos con mucha luz ambiente.
• Alineación Mecánica:Asegúrese de que la trayectoria del objeto objetivo sea consistente y pase dentro de la brecha de detección óptima (alrededor de los 3,81 mm especificados) para una detección fiable.

6. Comparación y Diferenciación Técnica

El LTH-209-01, como fotointerruptor reflectivo, se diferencia de otros tipos de sensores ópticos:

• vs. Fotointerruptores Transmisivos (Optoacopladores Ranurados):Los tipos transmisivos tienen una brecha física entre el emisor y el detector; un objeto se detecta cuando bloquea la trayectoria de la luz. Los tipos reflectivos como el LTH-209-01 detectan un objeto cuando reflejan la luz de vuelta. Los sensores reflectivos a menudo son más simples de montar ya que requieren acceso desde un solo lado, pero su rendimiento depende más de las propiedades de la superficie del objeto.
• vs. Sensores Fotológicos:Algunos fotointerruptores incluyen circuitos lógicos integrados (disparador Schmitt, amplificador) para proporcionar una salida digital limpia. El LTH-209-01 proporciona una salida analógica simple de fototransistor, ofreciendo más flexibilidad pero requiriendo circuitos externos (como un comparador) para crear una señal digital robusta en entornos ruidosos.
• Ventajas Clave de este Modelo:La combinación de un voltaje de ruptura colector-emisor relativamente alto (30V), un bajo voltaje de saturación y una condición de prueba estandarizada para la sensibilidad proporciona un buen equilibrio para aplicaciones generales de detección reflectiva.

7. Preguntas Frecuentes (FAQs)

P1: ¿Cuál es la distancia óptima para detectar un objeto?

R1: La hoja de datos especifica la Corriente en Estado de Conducción (I_C(ON)) con el objetivo a 3,81 mm (0,15"). Esta es la distancia de prueba estandarizada. La distancia óptima real depende de la reflectividad del objetivo. Para un objetivo altamente reflectante, la detección puede funcionar a distancias ligeramente mayores. Para un diseño fiable, utilice 3,81 mm como punto de operación nominal.

P2: ¿Puedo alimentar el LED IR directamente con una fuente de voltaje?

R2: No. Un LED IR, como todos los diodos, debe ser alimentado por corriente. Conectarlo directamente a una fuente de voltaje causará un flujo de corriente excesivo, pudiendo destruir el dispositivo. Utilice siempre una resistencia limitadora de corriente en serie. Calcule el valor de la resistencia como R = (V_{alimentación}- V_F) / I_F. Para una alimentación de 5V, V_F=1,4V, e I_F=20mA: R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ohmios.

P3: ¿Por qué mi señal de salida es inestable o ruidosa?

R3: Las causas comunes incluyen: 1) Valor insuficiente de la resistencia de "pull-up" que conduce a un tiempo de subida lento, 2) Captación de ruido eléctrico en trazas de salida largas (use un condensador de desacoplo y un enrutamiento más corto), 3) Interferencia de luz IR ambiente (proteja el sensor o use modulación), 4) El objeto objetivo tiene reflectividad variable o está a una distancia inconsistente.

P4: ¿Qué significa la nota "Reducir Linealmente 1,33 mW/°C"?

R4: Esta es una regla de reducción de potencia térmica (derating). La disipación de potencia máxima permitida (75 mW para el diodo, 100 mW para el transistor) se especifica a 25°C. Por cada grado Celsius que aumente la temperatura ambiente por encima de 25°C, debe reducir la potencia máxima permitida en 1,33 mW. Por ejemplo, a 65°C (40°C por encima de 25°C), la potencia máxima reducida para el transistor es 100 mW - (40 * 1,33 mW) = 100 - 53,2 = 46,8 mW.

8. Caso Práctico de Aplicación

Escenario: Detección de Papel en una Impresora.

El LTH-209-01 puede utilizarse para detectar el borde delantero del papel a medida que se alimenta a través del mecanismo de una impresora. El sensor se monta en la placa principal con su cara de detección orientada hacia la trayectoria del papel. Una banda reflectante o el propio papel (si es suficientemente reflectante) actúa como objetivo. Cuando no hay papel presente, la salida está en nivel alto. Cuando el borde del papel pasa bajo el sensor, la luz IR reflejada activa el fototransistor, llevando la salida a un nivel bajo. Esta señal digital informa al microcontrolador de la impresora sobre la posición del papel, permitiéndole controlar con precisión el tiempo de impresión. Los puntos clave de diseño aquí incluyen elegir una resistencia de "pull-up" para una interfaz limpia con la lógica de 3,3V o 5V del MCU, asegurar que la trayectoria del papel sea mecánicamente estable para mantener la brecha de detección correcta, y posiblemente añadir un filtro RC simple en la salida para eliminar los rebotes de la señal causados por la textura del papel.

9. Principio de Funcionamiento

El LTH-209-01 opera bajo el principio de reflexión de luz modulada y conversión fotoelectrónica. Internamente, un diodo emisor de luz infrarroja (IRED) emite luz a una longitud de onda típicamente alrededor de 940 nm, que es invisible para el ojo humano. Esta luz se proyecta hacia el frente del dispositivo. Cuando un objeto suficientemente reflectante entra en el campo de visión y está dentro del rango efectivo, una porción de la radiación IR emitida se refleja en la superficie del objeto y regresa hacia el dispositivo. Un fototransistor NPN de silicio, posicionado adyacente al IRED dentro del mismo encapsulado, recibe esta luz reflejada. Los fotones incidentes en la región de la base del fototransistor generan pares electrón-hueco, creando efectivamente una corriente de base. Esta corriente de base fotogenerada es amplificada por la ganancia del transistor, resultando en una corriente de colector mucho mayor que puede medirse externamente. Este cambio en la corriente del colector (de una corriente de oscuridad muy baja a la I_C(ON)especificada) es el mecanismo fundamental de detección. Por lo tanto, el dispositivo convierte un evento óptico (la presencia de un objeto reflectante) en una señal eléctrica.

10. Tendencias y Contexto de la Industria

Los fotointerruptores reflectivos como el LTH-209-01 representan una tecnología madura y fiable dentro del amplio mercado de sensores optoelectrónicos. La tendencia general en este campo es hacia la miniaturización, una mayor integración y una funcionalidad mejorada. Los dispositivos más nuevos pueden presentar encapsulados de montaje superficial (SMD) para el montaje automatizado, un menor consumo de energía y circuitos integrados de acondicionamiento de señal incorporados que proporcionan salidas digitales (I2C, PWM) o salidas analógicas con una linealidad mejorada. También hay un movimiento hacia el uso de longitudes de onda específicas o la incorporación de filtros ópticos para mejorar la inmunidad a la luz ambiente. Además, el desarrollo de materiales y técnicas de encapsulado continúa mejorando el rango de temperatura, la resistencia a la humedad y la estabilidad a largo plazo de estos componentes. Si bien existen alternativas avanzadas, el sensor reflectivo de salida de fototransistor discreto y de orificio pasante sigue siendo una solución rentable y muy versátil para innumerables aplicaciones de detección sin contacto donde la simplicidad, la robustez y el rendimiento probado son primordiales.