Hoja de Datos del Fotointerruptor LTH-301-05 - Conmutación sin Contacto - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTH-301-05 es un fotointerruptor reflectante, un tipo de componente optoelectrónico que combina un diodo emisor de luz infrarroja (LED IR) y un fototransistor en un solo paquete compacto. Su función principal es detectar la presencia o ausencia de un objeto sin contacto físico, actuando como un interruptor sin contacto. La ventaja principal de este dispositivo radica en su fiabilidad y larga vida útil, ya que elimina el desgaste mecánico asociado a los interruptores tradicionales. Está diseñado para montaje directo en PCB (Placa de Circuito Impreso) o para uso con un zócalo de doble línea, ofreciendo flexibilidad en el montaje. Su alta velocidad de conmutación lo hace adecuado para aplicaciones que requieren detección rápida, como en impresoras, fotocopiadoras, máquinas expendedoras y equipos de automatización industrial donde se necesita detección de posición, conteo de objetos o detección de bordes.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los valores más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente al dispositivo. No son para operación continua. Los parámetros clave incluyen:

• Corriente Directa Continua del Diodo IR (I_F): 60 mA. Esta es la corriente máxima en estado estacionario que puede fluir a través del LED.
• Corriente Directa Pico del Diodo IR: 1 A (para pulsos de 10 μs de ancho a 300 pulsos por segundo). Esto permite pulsos breves de alta intensidad para mejorar la detección de señal.
• Corriente de Colector del Fototransistor (I_C): 20 mA. La corriente máxima que el transistor de salida puede manejar.
• Voltaje Colector-Emisor del Fototransistor (V_CEO): 30 V. El voltaje máximo que se puede aplicar entre el colector y el emisor del fototransistor.
• Rango de Temperatura de Operación: -25°C a +85°C. Esto define el rango de temperatura ambiente para una operación confiable.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas: 260°C durante 5 segundos a una distancia de 1.6mm de la carcasa. Esto es crítico para el montaje y prevenir daños térmicos.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros se miden a una temperatura ambiente (T_A) de 25°C y definen el rendimiento típico del dispositivo.

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. Esta es la caída de voltaje a través del LED cuando está encendido.
• Corriente Inversa (I_R): Máximo 100 μA a un voltaje inverso (V_R) de 5V. Esto indica la pequeña corriente de fuga cuando el LED está polarizado en inversa.

2.2.2 Características de Salida (Fototransistor)

• Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO): Mínimo 30V. El voltaje al cual el transistor se rompe cuando la base está abierta.
• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (I_CEO): Máximo 100 nA a V_CE=10V. Esta es la corriente de fuga del fototransistor cuando no incide luz (es decir, la corriente del estado "apagado"). Un valor bajo es deseable para un buen contraste entre los estados encendido y apagado.

2.2.3 Características del Acoplador (Combinadas)

Estos parámetros describen el comportamiento conjunto del LED y el fototransistor.

• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)): Máximo 0.4V cuando el fototransistor está completamente activado (I_C=0.25mA, I_F=20mA). Un voltaje de saturación bajo es bueno para la interfaz con lógica digital.
• Corriente de Colector en Estado Conducción (I_C(ON)): Mínimo 0.5 mA cuando el LED es excitado (I_F=20mA) y V_CE=5V. Esta es la fotocorriente generada, que determina la fuerza de la señal de salida.
• Tiempo de Respuesta: Esto define qué tan rápido reacciona la salida a un cambio en la luz de entrada.
  • Tiempo de Subida (t_r): Típicamente 3 μs, máximo 15 μs. El tiempo que tarda la corriente de salida en subir del 10% al 90% de su valor final cuando se enciende el LED.
  • Tiempo de Bajada (t_f): Típicamente 4 μs, máximo 20 μs. El tiempo que tarda la corriente de salida en caer del 90% al 10% de su valor inicial cuando se apaga el LED.

3. Información Mecánica y de Empaquetado

3.1 Dimensiones del Paquete

El dispositivo presenta un paquete estándar de orificio pasante con cuatro patillas. Las dimensiones exactas se proporcionan en los dibujos de la hoja de datos. Notas clave incluyen:

• Todas las dimensiones están en milímetros, con pulgadas entre paréntesis.
• La tolerancia estándar es de ±0.25mm (±0.010") a menos que una nota específica indique lo contrario.
• El paquete está diseñado para estabilidad durante los procesos de soldadura por ola o soldadura manual.

3.2 Identificación de Polaridad

La orientación correcta es crucial. El diagrama de la hoja de datos indica claramente los pines ánodo y cátodo para el LED IR y los pines colector y emisor para el fototransistor. Montar el dispositivo incorrectamente puede provocar que no funcione o un daño permanente.

4. Directrices de Soldadura y Montaje

Un manejo adecuado garantiza la fiabilidad y longevidad del dispositivo.

• Soldadura: Las patillas pueden soldarse a una temperatura máxima de 260°C, pero este calor solo debe aplicarse durante un máximo de 5 segundos. Es crítico mantener la distancia especificada (1.6mm / 0.063") desde el cuerpo de la carcasa de plástico para evitar la fusión o deformación del paquete.
• Limpieza: Utilice disolventes apropiados compatibles con el material plástico del dispositivo. Evite la limpieza ultrasónica con ciertas frecuencias que puedan causar tensiones internas o grietas.
• Condiciones de Almacenamiento: Para preservar el rendimiento, almacene los dispositivos en un entorno con un rango de temperatura de -40°C a +100°C y baja humedad, preferiblemente en empaque antiestático para prevenir daños por descarga electrostática (ESD).

5. Sugerencias de Aplicación

5.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detección de Papel en Impresoras/Fotocopiadoras: Detectar atascos de papel, fin de papel o alimentación múltiple.
• Conteo de Objetos: Contar artículos en una cinta transportadora o a través de una canaleta.
• Detección de Posición/Velocidad: Detectar ranuras en una rueda codificadora para determinar la posición rotacional o la velocidad de un motor.
• Máquinas Expendedoras: Verificar el paso de monedas o la dispensación de productos.
• Sistemas de Seguridad: Como parte de un sensor de interrupción de haz para detección de intrusión.

5.2 Consideraciones de Diseño

• Limitación de Corriente del LED: Siempre use una resistencia en serie con el LED IR para limitar la corriente directa (I_F) a un valor seguro, típicamente entre 10mA y 20mA para equilibrar la fuerza de la señal de salida y la vida útil del dispositivo. El valor de la resistencia se puede calcular usando R = (V_CC- V_F) / I_F.
• Polarización del Fototransistor: Una resistencia de pull-up se conecta típicamente entre el colector del fototransistor y el voltaje positivo de alimentación (V_CC). El emisor se conecta a tierra. El valor de esta resistencia (a menudo entre 1kΩ y 10kΩ) y el voltaje de alimentación determinan el rango de voltaje de salida y la velocidad de respuesta. Una resistencia más pequeña da una respuesta más rápida pero un rango de voltaje de salida menor (y un mayor consumo de energía cuando está encendido).
• Inmunidad a la Luz Ambiente: Dado que el dispositivo usa luz infrarroja, es algo inmune a la luz ambiente visible. Sin embargo, fuentes fuertes de radiación IR (como la luz solar o bombillas incandescentes) pueden causar falsos disparos. Usar una señal IR modulada y un circuito demodulador puede mejorar enormemente la inmunidad al ruido.
• Brecha y Reflectividad: La distancia de detección y la fuerza de la señal dependen de la reflectividad del objeto objetivo y del ancho de la brecha entre el sensor y el objeto. Los objetos oscuros y no reflectantes producirán una señal más débil.

6. Principio de Funcionamiento

El LTH-301-05 opera bajo un principio óptico simple. El LED IR interno emite un haz de luz infrarroja. Frente al LED hay un fototransistor. En el estado "sin interrupción", este haz de luz viaja a través de una pequeña brecha e incide en el fototransistor, haciendo que conduzca (se encienda). Cuando un objeto se inserta en esta brecha, bloquea la luz infrarroja. Al no incidir luz sobre el fototransistor, este deja de conducir (se apaga). Este cambio en el estado eléctrico del fototransistor (de conducción a no conducción, o viceversa) es detectado por el circuito externo, registrando la presencia del objeto. El fototransistor actúa esencialmente como una fuente de corriente controlada por la intensidad de la luz.

7. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos incluye curvas características típicas que son invaluables para un análisis de diseño detallado. Aunque los gráficos específicos no se reproducen en el texto, típicamente ilustran las siguientes relaciones:

• Corriente Directa vs. Voltaje Directo (I_F-V_F) para el LED: Muestra la relación no lineal, ayudando a determinar la caída de voltaje exacta a diferentes corrientes de operación.
• Corriente de Colector vs. Voltaje Colector-Emisor (I_C-V_CE) para el Fototransistor: A diferentes niveles de luz incidente (o diferentes corrientes de excitación del LED), estas curvas muestran las características de salida del transistor, similares a las curvas de salida de un transistor bipolar.
• Corriente de Colector vs. Corriente Directa (I_C-I_F): Esta curva de característica de transferencia es crucial. Muestra cómo la fotocorriente de salida (I_C) varía con la corriente de entrada del LED (I_F). Define la relación de transferencia de corriente (CTR), que es un parámetro clave de eficiencia para el acoplador.
• Dependencia de la Temperatura: Las curvas a menudo muestran cómo parámetros como el voltaje directo (V_F), la corriente de oscuridad (I_CEO), y la corriente en estado de conducción (I_C(ON)) varían con la temperatura ambiente. Esto es crítico para diseñar sistemas que operen en un amplio rango de temperaturas.

8. Preguntas Frecuentes Basadas en Parámetros Técnicos

1. P: ¿Cuál es la distancia de detección típica?R: La distancia de detección no es un valor fijo único en la hoja de datos. Depende del diseño mecánico específico de la ranura, la corriente de excitación del LED (I_F), la sensibilidad del circuito receptor y la reflectividad del objeto interrumpidor. El diseñador debe determinarla en base al parámetro I_C(ON)y la configuración de la aplicación.
2. P: ¿Puedo excitar el LED directamente desde un pin de un microcontrolador?R: Posiblemente, pero debes verificar dos cosas: a) La capacidad máxima de suministro de corriente del pin del microcontrolador debe ser mayor que tu I_Fdeseada (ej., 20mA). b) DEBES incluir una resistencia limitadora de corriente en serie como se describe en las consideraciones de diseño. Nunca conectes un LED directamente a una fuente de voltaje.
3. P: ¿Cómo interfazo la salida con una entrada digital?R: El método más simple es usar una resistencia de pull-up en el colector. Cuando la trayectoria de la luz está despejada, el fototransistor está encendido, llevando el voltaje del colector a bajo (cerca de V_CE(SAT)). Cuando la luz está bloqueada, el transistor está apagado, y la resistencia de pull-up lleva el voltaje del colector a alto (a V_CC). Esto proporciona una señal limpia a nivel lógico.
4. P: ¿Por qué es importante el tiempo de respuesta?R: Los tiempos de respuesta rápidos (microsegundos) permiten al sensor detectar objetos que se mueven muy rápido o eventos secuenciales rápidos sin perder conteos. Esto es esencial en maquinaria de alta velocidad, aplicaciones de codificadores o sistemas de comunicación que usan luz pulsada.
5. P: ¿Qué sucede si excedo los límites absolutos máximos?R: Exceder estos límites, incluso brevemente, puede causar daño inmediato o latente al dispositivo. Esto puede incluir degradación de la salida de luz del LED, aumento de la corriente de oscuridad en el fototransistor o falla completa (circuito abierto o cortocircuito). Siempre diseñe con un margen de seguridad.

9. Caso Práctico de Diseño y Uso

Caso: Medición de RPM de un Pequeño Motor de Corriente Continua

Un diseñador necesita medir la velocidad de rotación de un eje de motor. Se adjunta un pequeño disco ranurado al eje. El LTH-301-05 se monta de modo que el disco gire a través de su brecha de detección. Cada vez que una ranura pasa por la brecha, la luz llega al fototransistor, causando un pulso en la salida. El LED es excitado con una corriente constante de 15mA a través de una resistencia. El colector del fototransistor se conecta a una fuente de 5V a través de una resistencia de pull-up de 4.7kΩ y también a un pin de entrada con capacidad de interrupción de un microcontrolador.

El firmware del microcontrolador está programado para contar el número de pulsos (flanco de subida o bajada) recibidos dentro de una ventana de tiempo fija (ej., un segundo). Dado que el disco tiene, por ejemplo, 20 ranuras, el número de pulsos por segundo dividido por 20 da las revoluciones por segundo, que se convierten fácilmente a RPM. Los rápidos tiempos de subida y bajada del sensor aseguran que incluso a altas velocidades del motor, los pulsos sean limpios y contados con precisión, sin perder flancos debido a una respuesta lenta del sensor.

10. Tendencias de Desarrollo

Fotointerruptores como el LTH-301-05 representan una tecnología madura y confiable. Las tendencias actuales en el campo más amplio de sensores optoelectrónicos se centran en:

• Miniaturización: Desarrollo de paquetes de dispositivo de montaje superficial (SMD) aún más pequeños para ahorrar espacio en placas en la electrónica moderna.
• Integración:
  • Integrar la resistencia limitadora de corriente para el LED internamente.
  • Incluir un disparador Schmitt o un comparador en el paquete para proporcionar directamente una salida digital limpia, simplificando el circuito de interfaz.
  • Añadir circuitos de rechazo de luz ambiente o lógica de modulación/demodulación en el chip para una inmunidad al ruido superior.
• Rendimiento Mejorado: Mejorar la relación de transferencia de corriente (CTR) para un menor consumo de energía o distancias de detección más largas, y reducir aún más los tiempos de respuesta para aplicaciones de ultra alta velocidad.
• Especialización: Crear variantes con brechas muy estrechas para detección precisa de bordes, o con diferentes longitudes de onda para detección de materiales específicos (ej., detección de películas transparentes).

A pesar de estos avances, el fotointerruptor reflectante fundamental sigue siendo una solución rentable y robusta para una gran variedad de aplicaciones de detección sin contacto, y comprender sus parámetros detallados como se describe en esta hoja de datos es el primer paso hacia un diseño exitoso.