Hoja de Datos del Sensor Fotointerruptor LTH-309-08 - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTH-309-08 es un fotointerruptor reflexivo, un tipo de sensor optoelectrónico que combina un diodo emisor de luz (LED) infrarrojo y un fototransistor en un único encapsulado compacto. Su función principal es detectar la presencia o ausencia de un objeto sin contacto físico, mediante la interrupción del haz de luz infrarroja reflejada desde una superficie. Este dispositivo está diseñado para montaje directo en PCB (Placa de Circuito Impreso) o inserción en un zócalo estándar de doble línea, lo que lo hace muy versátil para procesos de montaje automatizado.

La ventaja principal de este sensor radica en su capacidad de conmutación sin contacto, lo que elimina el desgaste mecánico, garantizando una alta fiabilidad y una larga vida operativa. Es especialmente adecuado para aplicaciones que requieren tiempos de respuesta rápidos y detección precisa de objetos en espacios reducidos. Los mercados objetivo típicos incluyen equipos de automatización de oficinas (impresoras, copiadoras), automatización industrial (contadores de cintas transportadoras, detección de posición), electrónica de consumo y diversos dispositivos de instrumentación donde la detección fiable de objetos es crítica.

2. Análisis en Profundidad 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.

• LED de Entrada:La corriente directa continua no debe superar los 50 mA, permitiéndose una corriente directa de pico de 1 A en condiciones pulsadas (300 pps, ancho de pulso de 10 µs). La disipación de potencia máxima para el LED es de 75 mW. Debe evitarse una tensión inversa superior a 5 V.
• Fototransistor de Salida:La corriente de colector está limitada a 20 mA. La tensión colector-emisor puede soportar hasta 30 V, mientras que la tensión emisor-colector está limitada a 5 V. La disipación de potencia del fototransistor no debe superar los 100 mW.
• Límites Ambientales:El dispositivo está clasificado para operar dentro de un rango de temperatura ambiente de -25°C a +85°C. El almacenamiento puede ser de -55°C a +100°C. Para la soldadura, los terminales pueden soportar 260°C durante 5 segundos cuando se mide a 1,6 mm del cuerpo del encapsulado.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

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

• Tensión Directa del LED de Entrada (V_F):Típicamente de 1,2V a 1,6V cuando se alimenta con una corriente directa (I_F) de 20 mA. Este parámetro es crucial para diseñar la resistencia limitadora de corriente en el circuito de excitación.
• Corriente de Oscuridad del Fototransistor de Salida (I_CEO):La corriente de fuga cuando no incide luz sobre el sensor, especificada como un máximo de 100 nA a V_CE=10V. Una corriente de oscuridad baja es esencial para una buena relación señal-ruido, especialmente en aplicaciones de baja luz o alta ganancia.
• Corriente de Colector en Estado de Conducción (I_C(ON)):La corriente de colector mínima es de 0,5 mA cuando el LED se excita a I_F=20mA y V_CE=5V. Este parámetro indica la sensibilidad del fototransistor.
• Tensión de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)):La caída de tensión a través del fototransistor cuando está completamente "encendido", típicamente 0,4V a I_C=0,25mA e I_F=20mA. Una tensión de saturación baja es deseable para la interfaz con circuitos lógicos de baja tensión.
• Tiempo de Respuesta:La velocidad de conmutación del sensor se caracteriza por el tiempo de subida (T_R) y el tiempo de bajada (T_F). Los valores típicos son de 3-15 µs para el tiempo de subida y de 4-20 µs para el tiempo de bajada en condiciones de prueba de V_CE=5V, I_C=2mA y R_L=100Ω. Esta conmutación rápida permite la detección de 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, se puede explicar su propósito general y las ideas que ofrecen.

Estas curvas suelen representar parámetros clave frente a variables como la temperatura o la corriente de excitación. Por ejemplo, una curva que muestre I_C(ON)frente a I_F(corriente directa del LED) ayudaría al diseñador a comprender la relación entre la potencia de entrada y la fuerza de la señal de salida, permitiendo optimizar la excitación del LED para la sensibilidad y el consumo de energía deseados. Otra curva común es I_C(ON)frente a la temperatura ambiente, lo cual es crítico para entender cómo se degrada o varía el rendimiento del sensor en temperaturas extremas, asegurando un funcionamiento fiable en todo el rango especificado de -25°C a +85°C. Estos gráficos son esenciales para un diseño de sistema robusto más allá de las especificaciones del punto nominal de 25°C.

4. Información Mecánica y de Encapsulado

El LTH-309-08 está diseñado para una integración compacta. Las dimensiones del encapsulado se proporcionan en la hoja de datos con todas las medidas en milímetros (y pulgadas entre paréntesis). Las notas mecánicas clave incluyen:

• Se aplica una tolerancia general de ±0,25 mm (±0,010") a menos que se especifique lo contrario.
• La separación de terminales se mide en el punto donde los terminales salen del cuerpo de plástico del encapsulado, lo cual es crítico para el diseño de la huella en la PCB.
• El encapsulado es del tipo de orificio pasante estándar, facilitando tanto los procesos de soldadura manual como por ola.

La identificación de polaridad correcta está implícita en la disposición de pines estándar para estos dispositivos: el ánodo y el cátodo del LED están en un lado, y el colector y el emisor del fototransistor están en el otro. Los diseñadores deben consultar el dibujo dimensional para confirmar la disposición exacta de los pines y la orientación para un diseño correcto de la PCB.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

La hoja de datos especifica un límite de temperatura de soldadura de terminales de 260°C durante 5 segundos, medido a 1,6 mm (0,063 pulgadas) del cuerpo del encapsulado. Este es un parámetro crítico para el control del proceso durante la soldadura por ola o manual.

• Soldadura por Reflujo:Aunque es principalmente un dispositivo de orificio pasante, si se usa en una placa de tecnología mixta, se debe tener extremo cuidado durante el reflujo. El encapsulado de plástico tiene una tolerancia térmica más baja que los componentes de montaje superficial. Generalmente no se recomienda para perfiles de reflujo por infrarrojos o convección estándar a menos que esté específicamente cualificado.
• Soldadura Manual:Utilice un soldador con control de temperatura. Aplique calor a la unión terminal/almohadilla de forma rápida y eficiente para minimizar la transferencia de calor al sensible dado semiconductor dentro del encapsulado. No aplique soldadura directamente a la punta del soldador en el terminal del componente durante un período prolongado.
• Limpieza:Utilice disolventes de limpieza compatibles con el plástico del encapsulado para evitar grietas o degradación.
• Condiciones de Almacenamiento:Almacene en un entorno seco y antiestático dentro del rango de temperatura especificado de -55°C a +100°C para prevenir la absorción de humedad (que puede causar "efecto palomita" durante la soldadura) y daños por descarga electrostática.

6. Sugerencias de Aplicación

6.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detección de Papel en Impresoras/Copiadoras:Detectar atascos de papel, condiciones de bandeja vacía o presencia de papel en puntos específicos a lo largo del camino del papel.
• Conteo de Objetos en Cintas Transportadoras:Contar productos, botellas o componentes a medida que pasan por un punto fijo.
• Detección de Posición:Detectar la posición de origen de un carro móvil (como en un escáner o plotter) o el estado abierto/cerrado de una puerta o tapa.
• Detección de Disco de Codificador Rotativo:Se utiliza junto con una rueda ranurada para crear un codificador óptico de baja resolución para retroalimentación de velocidad o posición.

6.2 Consideraciones de Diseño

• Excitación de Corriente del LED:Utilice una fuente de corriente constante o una resistencia limitadora en serie con el LED para mantener una I_F estable, típicamente alrededor de 20 mA según las condiciones de prueba, para una salida consistente. Pulsar el LED a una corriente más alta puede aumentar la distancia de detección, pero debe mantenerse dentro de los límites absolutos máximos.
• Polarización del Fototransistor:Una resistencia de pull-up (R_L) se conecta entre el colector y la tensión de alimentación (V_CC). El valor de R_Lafecta tanto al rango de tensión de salida como al tiempo de respuesta. Una R_Lmás pequeña da una respuesta más rápida pero un cambio de tensión de salida menor. El emisor se conecta típicamente a tierra.
• Interfaz de Salida:La salida del fototransistor puede conectarse directamente a una entrada de disparador Schmitt de un microcontrolador para detección digital, o a una entrada analógica para medir la intensidad de la luz reflejada. Para entornos ruidosos, añadir un pequeño condensador entre el colector y el emisor del fototransistor puede ayudar a filtrar el ruido de alta frecuencia.
• Superficie Objetivo:El rendimiento de la detección reflexiva depende en gran medida de la reflectividad, el color y la distancia del objetivo. Para un funcionamiento consistente, calibre el umbral de detección en función del material objetivo específico. La separación de detección debe minimizarse para obtener la mejor fuerza de señal.
• Inmunidad a la Luz Ambiente:Como el sensor utiliza luz infrarroja, es algo inmune a la luz ambiente visible. Sin embargo, fuentes fuertes de luz infrarroja (como la luz solar o bombillas incandescentes) pueden causar falsos disparos. El uso de una señal de LED modulada y detección síncrona en el circuito receptor puede mejorar enormemente la inmunidad a la luz ambiente.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los interruptores de límite mecánicos, el LTH-309-08 ofrece claras ventajas: sin partes móviles, mayor fiabilidad, respuesta más rápida y funcionamiento silencioso. Dentro de la categoría de fotointerruptores, sus diferenciadores clave se derivan de sus parámetros especificados. La velocidad de conmutación rápida (tiempo de subida de 3-15 µs) lo hace adecuado para aplicaciones de mayor velocidad que los fototransistores más lentos. La tensión de saturación relativamente baja (0,4V) permite una mejor compatibilidad con los sistemas lógicos modernos de 3,3V en comparación con dispositivos con V_CE(SAT) más alta. El encapsulado DIP de orificio pasante estándar ofrece robustez y facilidad para prototipado, aunque ocupa más espacio en la placa que las alternativas de montaje superficial. Los diseñadores elegirían este componente para aplicaciones que requieren un equilibrio entre velocidad, sensibilidad y fiabilidad probada en un formato de encapsulado estándar.

8. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

• P: ¿Puedo excitar el LED con lógica de 3,3V?R: Sí, pero debe calcular la resistencia en serie cuidadosamente. Con una V_F típica de 1,6V a 20mA, el valor de la resistencia sería (3,3V - 1,6V) / 0,02A = 85Ω. Utilice la V_F máxima de la hoja de datos para un diseño seguro.
• P: ¿Cuál es la distancia máxima de detección?R: La hoja de datos no especifica una distancia. Esto depende de la corriente de excitación del LED, la reflectividad del objetivo y la I_C(ON) requerida. Es mejor determinarlo empíricamente para su objetivo específico. Generalmente, los sensores reflexivos funcionan mejor a cortas distancias (unos pocos milímetros).
• P: ¿Cómo protejo el fototransistor de picos de tensión?R: Aunque tiene una V_(BR)CEO de 30V, para mayor fiabilidad en entornos inductivos, se puede añadir un pequeño diodo supresor de tensión transitoria (TVS) o un diodo regular en polarización inversa entre el colector y el emisor.
• P: ¿Puedo usarlo en un entorno polvoriento?R: La acumulación de polvo en la lente atenuará el haz de luz, reduciendo la sensibilidad y pudiendo causar fallos. El dispositivo no está sellado. Para entornos hostiles, considere un dispositivo con una ranura sellada o proporcione protección externa.

9. Caso Práctico de Aplicación

Escenario: Sensor de Falta de Papel en una Impresora de Escritorio.El LTH-309-08 está montado en la PCB principal cerca de la bandeja de alimentación de papel. Una palanca de plástico blanco, unida al mecanismo de la bandeja de papel, se mueve hacia la separación de detección del sensor cuando se agota la pila de papel. En el estado de "papel presente", la palanca está fuera de la separación, permitiendo que la luz infrarroja del LED se refleje en una superficie fija dentro de la impresora de vuelta al fototransistor, generando una I_C(ON) alta y una salida lógica BAJA en el colector (con una resistencia de pull-up). Cuando se acaba el papel, la palanca se mueve hacia la separación, bloqueando la trayectoria de la luz. El fototransistor se apaga, haciendo que la tensión del colector sea llevada a ALTA por la resistencia. El microcontrolador de la impresora detecta esta señal ALTA y activa una advertencia de "Falta de Papel" en la pantalla. El tiempo de respuesta rápido garantiza una detección inmediata, mientras que la naturaleza sin contacto asegura que el sensor no se desgaste durante la vida útil de la impresora.

10. Introducción al Principio de Funcionamiento

Un fotointerruptor funciona según el principio de detección de luz modulada. El LED infrarrojo interno emite luz cuando está polarizado directamente. Frente al LED hay un fototransistor. En un tipo reflexivo como el LTH-309-08, ambos elementos miran en la misma dirección. La luz emitida sale del encapsulado, golpea una superficie objetivo y una fracción se refleja de vuelta al encapsulado donde incide en el fototransistor. El fototransistor actúa como un interruptor controlado por luz. Cuando los fotones golpean su región base, generan pares electrón-hueco, proporcionando efectivamente corriente de base. Esto hace que el transistor se "encienda", permitiendo que fluya una corriente de colector (I_C) que es proporcional a la intensidad de la luz recibida. Cuando la trayectoria de la luz se bloquea (por ejemplo, por un objeto), el fototransistor se "apaga", y solo fluye una pequeña corriente de oscuridad. Este cambio de encendido/apagado en la corriente de colector se utiliza para generar una señal digital que indica la presencia o ausencia del objeto que interrumpe la trayectoria de la luz.

11. Tendencias Tecnológicas

La tendencia en sensores optoelectrónicos como los fotointerruptores es hacia la miniaturización, mayor integración y funcionalidad mejorada. Los encapsulados de dispositivo de montaje superficial (SMD) se están convirtiendo en la norma para ahorrar espacio en la PCB y permitir el montaje automatizado pick-and-place. También hay un movimiento hacia la integración del sensor con circuitos de acondicionamiento de señal (amplificadores, disparadores Schmitt, salidas lógicas) en un solo chip, creando sensores de salida digital que son más fáciles de conectar directamente con microcontroladores. Además, se están realizando avances en la mejora del rechazo a la luz ambiente mediante filtrado óptico y técnicas de modulación más inteligentes. Si bien el principio fundamental permanece inalterado, estas tendencias se centran en hacer que los sensores sean más pequeños, más inteligentes, más fiables y más fáciles de implementar en diseños electrónicos modernos.