Hoja de Datos del Fotointerruptor LTH-306-09S - Sustitución de Interruptores Mecánicos - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTH-306-09S es un fotointerruptor, un tipo de dispositivo optoelectrónico diseñado para detectar la interrupción de un haz de luz. Sirve como un reemplazo directo y de estado sólido para los interruptores mecánicos tradicionales en diversas aplicaciones de detección. Su ventaja principal radica en su funcionamiento sin contacto, lo que elimina problemas relacionados con el desgaste mecánico, el rebote de contactos y la degradación física con el tiempo. Esto lo hace altamente confiable para aplicaciones que requieren activación frecuente o funcionamiento en entornos donde el polvo, la humedad o las vibraciones podrían comprometer los contactos mecánicos. El dispositivo es adecuado para un amplio mercado, incluyendo automatización industrial (detección de posición, finales de carrera), electrónica de consumo (detección de papel en impresoras, sensado de bandeja de discos) y sistemas de seguridad (detección de enclavamiento de puertas).

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

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

• LED de Entrada:
  • Disipación de Potencia:75 mW. Esta es la potencia continua máxima que el LED puede manejar a la temperatura ambiente especificada.
  • Corriente Directa de Pico:1 A (en condiciones de pulso: 300 pps, ancho de pulso de 10 μs). Esta especificación es crucial para excitar el LED con pulsos cortos y de alta intensidad.
  • Corriente Directa Continua:50 mA. La corriente DC máxima para un funcionamiento confiable a largo plazo.
  • Voltaje Inverso:5 V. Exceder este valor puede dañar la unión del LED.
• Fototransistor de Salida:
  • Disipación de Potencia:100 mW.
  • Voltaje Colector-Emisor (V_CE):30 V. El voltaje máximo que se puede aplicar entre el colector y el emisor.
  • Voltaje Emisor-Colector:5 V.
  • Corriente de Colector:20 mA. La corriente máxima que la salida del fototransistor puede absorber.
• Ambientales:
  • Rango de Temperatura de Operación:-25°C a +85°C. El rango de temperatura ambiente para el funcionamiento normal del dispositivo.
  • Rango de Temperatura de Almacenamiento:-40°C a +100°C.
  • Temperatura de Soldadura de Terminales:260°C durante 5 segundos (para terminales a 1.6mm de la carcasa). Esto define la restricción del perfil de soldadura por reflujo.

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.

• Características del LED de Entrada:
  • 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 requerida: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • Corriente Inversa (I_R):Máximo 100 μA a un voltaje inverso de 5V.
• Características del Fototransistor de Salida:
  • 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). Un valor bajo es deseable para una buena relación señal-ruido.
  • Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)):Típicamente 0.4V a I_C=0.25mA e I_F=20mA. Esta es la caída de voltaje a través del fototransistor cuando está completamente "encendido".
  • Corriente de Colector en Estado de Conducción (I_C(ON)):Mínimo 0.5 mA a V_CE=5V e I_F=20mA. Esto especifica la corriente de salida mínima cuando la trayectoria de la luz está despejada.
• Característica del Acoplador:
  • Ángulo de Acción:8° a 14°. Este es un parámetro crítico que define el desplazamiento angular del objeto interceptor (por ejemplo, un brazo de palanca) necesario para cambiar de manera confiable el estado de salida. Un ángulo más pequeño indica una mayor sensibilidad al movimiento.

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, su propósito estándar se analiza a continuación.

• Corriente Directa vs. Voltaje Directo (Curva I_F-V_F):Este gráfico muestra la relación no lineal entre la corriente y el voltaje del LED. Ayuda a los diseñadores a comprender la resistencia dinámica del LED y garantizar una excitación de corriente estable.
• Corriente de Colector vs. Voltaje Colector-Emisor (Curvas I_C-V_CE):Estas curvas, trazadas para diferentes corrientes de excitación del LED (I_F), ilustran las características de salida del fototransistor. Muestran la región de saturación (donde I_Ces relativamente constante) y la región lineal/activa, que es importante para aplicaciones de detección analógica.
• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa:La CTR es la relación entre la corriente de colector del fototransistor (I_C) y la corriente directa del LED (I_F), típicamente expresada como un porcentaje. Esta curva muestra cómo cambia la eficiencia con la corriente de excitación y es clave para optimizar el circuito de excitación para el rango de salida deseado.
• Curvas de Dependencia de la Temperatura:Los gráficos que muestran cómo parámetros como V_F, I_C(ON)y la corriente de oscuridad varían con la temperatura ambiente son esenciales para diseñar sistemas robustos que operen en todo el rango de temperatura especificado.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

La hoja de datos incluye un dibujo de las dimensiones del encapsulado (no reproducido aquí). Las consideraciones mecánicas clave incluyen:

• Dimensiones de la Ranura:El espacio crítico a través del cual pasa el objeto interceptor. Su ancho y profundidad determinan la compatibilidad con el objeto objetivo.
• Espaciado y Forma de los Terminales:La disposición de los pines (probablemente una configuración estándar de 4 pines: ánodo, cátodo para el LED; colector, emisor para el fototransistor) y su espaciado son vitales para el diseño de la huella en la PCB.
• Tamaño General del Encapsulado:La longitud, anchura y altura externas limitan la ubicación del dispositivo dentro de un ensamblaje.
• Identificación de Polaridad:El encapsulado tendrá marcas (como un punto o un borde biselado) para identificar el Pin 1, que debe alinearse correctamente con la huella de la PCB.
• Brazos de Palanca Personalizados:Una característica destacada es la capacidad de diseñar brazos de palanca personalizados que se acoplen al objeto interceptor, permitiendo adaptar el sensor a movimientos mecánicos específicos y aumentando su flexibilidad de aplicación.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

El manejo adecuado es crucial para la fiabilidad.

• Soldadura por Reflujo:El límite especificado es de 260°C durante 5 segundos, medido a 1.6mm del cuerpo del encapsulado. Esto se alinea con los perfiles típicos de reflujo sin plomo. Los diseñadores deben asegurarse de que el perfil térmico de su horno de reflujo no exceda este límite para evitar daños en la resina epoxi interna o en las uniones semiconductoras.
• Soldadura Manual:Si es necesaria la soldadura manual, se debe usar un cautín con control de temperatura y el tiempo de soldadura por terminal debe minimizarse (típicamente < 3 segundos).
• Limpieza:Utilice agentes de limpieza apropiados y no corrosivos compatibles con el encapsulado plástico del dispositivo.
• Condiciones de Almacenamiento:Almacene en un entorno seco y antiestático dentro del rango especificado de -40°C a +100°C para prevenir la absorción de humedad (que puede causar "efecto palomita" durante el reflujo) y daños por descarga electrostática (ESD).

6. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La configuración más común es la de un interruptor digital. El LED se excita con una corriente constante (por ejemplo, 20mA a través de una resistencia en serie). El colector del fototransistor se conecta a una resistencia de "pull-up" (R_pull-up) a la tensión de alimentación lógica (por ejemplo, 5V), y el emisor se conecta a tierra. La señal de salida se toma del nodo del colector.

• Haz Continuo (Objeto Ausente):La luz incide en la base del fototransistor, haciendo que conduzca. El voltaje del colector se lleva a nivel bajo (cercano a V_CE(SAT)).
• Haz Interrumpido (Objeto Presente):El fototransistor se apaga. La resistencia de "pull-up" lleva el voltaje del colector a nivel alto (a la tensión de alimentación).

El valor de R_pull-upes un compromiso: un valor más bajo proporciona tiempos de subida más rápidos y mejor inmunidad al ruido, pero consume más corriente cuando la salida está en bajo. Debe elegirse en función de la velocidad de conmutación requerida y las características de entrada de la siguiente etapa lógica.

6.2 Consideraciones de Diseño

• Selección de la Corriente del LED:Operar a los típicos 20mA proporciona una buena corriente de salida. Corrientes más bajas ahorran energía pero reducen I_C(ON)y el margen de ruido. No exceda la corriente directa continua máxima.
• Inmunidad a la Luz Ambiente:El dispositivo es sensible a la longitud de onda específica de su LED interno. Sin embargo, en entornos con luz ambiente fuerte (especialmente luz solar que contiene IR), una señal de excitación del LED modulada (pulsada) con detección síncrona en el circuito receptor puede mejorar enormemente la inmunidad.
• Tiempo de Respuesta:La velocidad de conmutación (tiempo de subida/bajada) está limitada por la capacitancia del fototransistor y el valor de la resistencia de "pull-up". Para aplicaciones de alta velocidad, consulte los gráficos de características dinámicas específicas si están disponibles.
• Características del Objeto:La opacidad, el grosor y el color del objeto interceptor afectan la cantidad de luz bloqueada. Para un funcionamiento confiable, el objeto debe ser suficientemente opaco para reducir la corriente del fototransistor por debajo de su umbral para el estado "apagado".
• Alineación:Es necesaria una alineación mecánica precisa del objeto dentro de la ranura del sensor para un funcionamiento consistente, especialmente dado el ángulo de acción definido.

7. Comparativa Técnica y Ventajas

En comparación con los microinterruptores mecánicos, el fotointerruptor LTH-306-09S ofrece varias ventajas clave:

• Longevidad y Fiabilidad:No tiene contactos móviles que se desgasten, produzcan arcos o se oxiden. La vida útil es típicamente órdenes de magnitud mayor.
• Operación de Alta Velocidad:Puede conmutar mucho más rápido que los interruptores mecánicos, que están limitados por el rebote de contactos y la inercia mecánica.
• Rendimiento Consistente:La resistencia de contacto no es un factor. Las características de salida permanecen estables con el tiempo.
• Sellado Ambiental:El encapsulado plástico puede sellarse más fácilmente contra polvo y humedad en comparación con un interruptor mecánico con un actuador externo.
• Funcionamiento Silencioso:Completamente silencioso, a diferencia del clic audible de un interruptor mecánico.

La contrapartida es la necesidad de electrónica de soporte (una fuente de corriente para el LED y una resistencia de "pull-up") y la posible sensibilidad a la luz ambiente extrema o a la contaminación de la trayectoria óptica.

8. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

• P: ¿Puedo excitar el LED directamente desde un pin de un microcontrolador de 5V?R: No. Debe usar una resistencia limitadora de corriente. Por ejemplo, con V_CC=5V, V_F~1.4V, y la I_Fdeseada =20mA: R = (5V - 1.4V) / 0.02A = 180Ω. Una resistencia de 180Ω o 220Ω es típica.
• P: ¿Qué significa el "Ángulo de Acción" de 8-14 grados para mi diseño?R: Significa que la palanca física o la lengüeta que interrumpe el haz debe rotar o moverse al menos 8 grados (y típicamente hasta 14 grados) a medida que pasa por la ranura para garantizar un cambio confiable del estado "encendido" al "apagado". Su diseño mecánico debe asegurar este recorrido angular.
• P: La corriente de colector de salida (I_C(ON)) es solo 0.5mA mín. ¿Es suficiente para excitar una entrada lógica?R: Sí, para entradas lógicas CMOS o TTL estándar, que tienen una impedancia de entrada muy alta (requiriendo solo microamperios), una capacidad de absorción de 0.5mA es más que suficiente. El nivel de voltaje (bajo = ~0.4V) es el parámetro crítico.
• P: ¿Cómo protejo el dispositivo de picos de voltaje en las líneas de alimentación?R: Use condensadores de desacoplamiento estándar a nivel de placa (por ejemplo, 100nF cerámicos) cerca del dispositivo. Para entornos hostiles, se pueden considerar diodos de supresión de voltaje transitorio (TVS) adicionales en el riel de alimentación.

9. Ejemplos Prácticos de Aplicación

• Detección de Papel en Impresora:Una lengüeta unida a la palanca de la bandeja de papel gira a través de la ranura del fotointerruptor. Cuando hay papel, la lengüeta está en una posición (haz continuo); cuando está vacía, se mueve a la otra posición (haz interrumpido), señalando al sistema de control.
• Conteo de Objetos en Cinta Transportadora Industrial:Los objetos en la cinta pasan por una puerta equipada con un fotointerruptor. Cada objeto rompe el haz, generando un pulso que es contado por un PLC o microcontrolador.
• Enclavamiento de Puerta de Seguridad:El fotointerruptor se monta en el marco de una puerta y una pestaña se monta en la puerta. Cuando la puerta está correctamente cerrada, la pestaña entra en la ranura, permitiendo que el haz pase y señalando una condición "segura". Si la puerta está abierta, el haz se bloquea, señalando una condición "insegura" que puede deshabilitar la maquinaria.
• Detección de Disco en Codificador Rotativo:Un disco ranurado unido al eje de un motor gira entre el emisor y el detector. La serie de pulsos de luz generados a medida que las ranuras pasan se utiliza para determinar la velocidad y la posición.

10. Principio de Funcionamiento

Un fotointerruptor es un optoacoplador con un espacio físico entre su emisor y su detector. Consiste en un Diodo Emisor de Luz (LED) infrarrojo en un lado y un Fototransistor de silicio en el lado opuesto, alineados a través de una ranura abierta. Cuando se aplica una corriente eléctrica al LED, éste emite luz infrarroja. Esta luz viaja a través del espacio e incide en la región de la base del fototransistor. Los fotones generan pares electrón-hueco en la base, actuando efectivamente como una corriente de base. Esta corriente fotogenerada es luego amplificada por la ganancia del transistor, permitiendo que fluya una corriente de colector mucho mayor. Cuando un objeto opaco entra en la ranura, bloquea la trayectoria de la luz. La corriente de base fotogenerada cesa, apagando el fototransistor y deteniendo la corriente de colector. Así, la presencia o ausencia de un objeto en la ranura controla digitalmente la conductividad del fototransistor de salida.

11. Tendencias Tecnológicas

La tecnología fundamental de los fotointerruptores es madura. Las tendencias actuales se centran en la integración y la miniaturización. Los dispositivos se están volviendo más pequeños en tamaño de encapsulado (tipos SMD) mientras mantienen o mejoran el rendimiento. También hay una tendencia hacia la integración de circuitos adicionales en el chip, como disparadores Schmitt para histéresis (para proporcionar conmutación digital limpia sin componentes externos), amplificadores para salida analógica, o incluso interfaces digitales completas (I2C). Esto reduce el número de componentes externos y simplifica el diseño. Además, los dispositivos con mayor sensibilidad permiten operar con corrientes de LED más bajas, reduciendo el consumo total de energía del sistema, lo cual es crítico para aplicaciones alimentadas por baterías. El desarrollo de materiales para la trayectoria óptica (lentes, filtros) también continúa mejorando el rechazo a la luz ambiente y la precisión de detección.