Hoja de Datos del Fotointerruptor LTH-301-27P1 - Conmutación sin Contacto - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTH-301-27P1 es un fotointerruptor reflectivo, un tipo de sensor fotoeléctrico. Su función principal es detectar la presencia o ausencia de un objeto sin contacto físico. Lo logra combinando un diodo emisor de luz infrarroja (LED IR) y un fototransistor dentro de una sola carcasa compacta. Cuando un objeto entra en la ranura entre el emisor y el detector, interrumpe el haz de luz infrarroja, provocando un cambio en el estado de salida del fototransistor. Esto lo hace ideal para aplicaciones que requieren detección fiable y no mecánica, como detección de posición, interruptores de límite y conteo de objetos.

El dispositivo está diseñado para montarse directamente en placas de circuito impreso (PCB) o en zócalos estándar de doble línea, facilitando su integración en ensamblajes electrónicos. Sus principales ventajas incluyen inmunidad al rebote de contactos, larga vida operativa debido a la ausencia de partes móviles y velocidades de conmutación rápidas adecuadas para aplicaciones de conteo o temporización de alta velocidad.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

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

• Corriente Directa Continua del Diodo IR (I_F):50 mA. Esta es la corriente máxima en estado estacionario que se puede aplicar al LED infrarrojo.
• Voltaje Inverso del Diodo IR (V_R):5 V. Exceder este voltaje de polarización inversa en el LED puede causar ruptura.
• Corriente del Colector del Fototransistor (I_C):40 mA. La corriente máxima que puede manejar el colector del fototransistor.
• 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:-35°C a +65°C. El rango de temperatura ambiente para un funcionamiento confiable.
• Temperatura de Soldadura de Terminales:260°C durante 5 segundos a una distancia de 1.6mm de la carcasa. Esto es crítico para procesos de soldadura por ola o reflujo para prevenir daños térmicos.

Nota sobre Reducción de Potencia:Tanto la disipación de potencia del transistor (100 mW) como la del diodo (75 mW) deben reducirse linealmente a una tasa de 1.33 mW/°C para temperaturas ambiente superiores a 25°C. Esto significa que la potencia permitida disminuye a medida que aumenta la temperatura para evitar sobrecalentamiento.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros se miden a 25°C y definen el rendimiento típico del dispositivo bajo condiciones de prueba especificadas.

2.2.1 Características del LED IR de Entrada

• Voltaje Directo (V_F):Típicamente 1.6V (máx. 1.6V) a una corriente directa (I_F) de 20 mA. Se utiliza para calcular el valor de la resistencia limitadora de corriente: R = (V_{de alimentación}- V_F) / I_F.
• 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 inversamente.

2.2.2 Características del Fototransistor de Salida

• Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO):Mínimo 30V. Este es el voltaje al cual el fototransistor 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 cuando el fototransistor está en estado "apagado" (sin luz incidente). Un valor bajo es deseable para una buena relación señal-ruido.

2.2.3 Características del Acoplador (Sistema)

Estos parámetros describen el rendimiento del par combinado LED-fototransistor.

• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)):Máximo 0.4V cuando el fototransistor es llevado a saturación (I_C=0.25mA, I_F=20mA). Un bajo voltaje de saturación es clave para la interfaz con circuitos lógicos.
• Corriente del Colector en Estado de Conducción (I_C(ON)):Mínimo 1.5 mA cuando el fototransistor está iluminado (V_CE=5V, I_F=20mA). Esta es la fotocorriente generada y define la sensibilidad del sensor. La corriente real puede ser mayor dependiendo de la reflectividad del objeto interrumpidor y la alineación.

3. Información Mecánica y de Empaquetado

El LTH-301-27P1 está alojado en un encapsulado estándar de doble línea de 4 pines. Las dimensiones exactas se proporcionan en el dibujo del paquete dentro de la hoja de datos. Las notas mecánicas clave incluyen:

• Todas las dimensiones están en milímetros, con una tolerancia estándar de ±0.25mm a menos que se especifique lo contrario.
• El paquete presenta una ranura o espacio entre el emisor IR y el fotodetector. El objeto a detectar pasa a través de esta ranura.
• La polaridad está claramente marcada. Se identifican los pines del ánodo y cátodo del LED IR, así como los pines del colector y emisor del fototransistor. La orientación correcta durante el montaje en PCB es esencial.
• El dispositivo es adecuado tanto para montaje en PCB como en zócalo, ofreciendo flexibilidad en el ensamblaje y posibilidad de reemplazo en campo.

4. Directrices de Soldadura y Montaje

El manejo adecuado es crucial para la fiabilidad.

• Soldadura:Los terminales pueden soportar una temperatura de 260°C durante un máximo de 5 segundos, medidos a 1.6mm del cuerpo de la carcasa de plástico. Esta directriz es crítica para procesos de soldadura por ola. Para soldadura por reflujo, se recomienda un perfil estándar con una temperatura máxima por debajo de 260°C.
• Limpieza:Utilice agentes de limpieza suaves compatibles con la carcasa de plástico. Evite la limpieza ultrasónica con potencia excesiva, ya que puede dañar los componentes internos.
• Almacenamiento:Almacene en un entorno dentro del rango de temperatura de almacenamiento especificado de -40°C a +100°C, preferiblemente en condiciones de baja humedad para prevenir la absorción de humedad.
• Precauciones contra ESD:Aunque no se declara explícitamente como sensible, se deben seguir los procedimientos estándar de manejo ESD (Descarga Electroestática) para dispositivos semiconductores durante el ensamblaje.

5. Sugerencias de Aplicación

5.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La configuración más común es conectar el LED IR en serie con una resistencia limitadora de corriente a una fuente de voltaje (ej., 5V). El fototransistor se conecta típicamente en configuración de emisor común: el colector se conecta a un voltaje de alimentación (ej., 5V) a través de una resistencia de carga (R_L), y el emisor se conecta a tierra. La señal de salida se toma del nodo del colector.

• Cuando el haz no está bloqueado, la luz incide sobre el fototransistor, haciendo que conduzca y bajando el voltaje del colector (cerca de V_CE(SAT)).
• Cuando un objeto bloquea el haz, el fototransistor se apaga y el voltaje del colector sube a través de la resistencia de carga.
• El valor de la resistencia de carga (R_L) determina la velocidad de conmutación y el consumo de corriente. Una R_Lmás pequeña permite una conmutación más rápida pero consume más corriente cuando el transistor está encendido.

5.2 Consideraciones de Diseño

• Alineación:La alineación mecánica precisa de la trayectoria del objeto con la ranura del sensor es crítica para un funcionamiento confiable.
• Luz Ambiente:Dado que el sensor utiliza luz infrarroja, puede ser susceptible a interferencias de fuentes fuertes de IR ambiente (ej., luz solar, bombillas incandescentes). El uso de una señal IR modulada y un circuito detector sincronizado puede mejorar enormemente la inmunidad.
• Características del Objeto:La efectividad del sensor depende de la capacidad del objeto para reflejar o absorber el haz IR. Los objetos oscuros y no reflectantes pueden no detectarse tan confiablemente como los de color claro. Se recomienda probar con el material objetivo real.
• Eliminación de Rebotes:Aunque el sensor en sí no tiene rebote de contacto, la salida eléctrica aún puede tener ruido. Puede ser necesario un filtrado de rebotes por software o hardware (ej., un simple filtro RC o una entrada con disparador Schmitt) para obtener señales digitales limpias.

6. Principio de Funcionamiento

El fotointerruptor opera bajo el principio de interrupción de un haz óptico. Internamente, un LED infrarrojo emite luz a una longitud de onda típicamente alrededor de 940nm, invisible para el ojo humano. Directamente opuesto, se posiciona un fototransistor de silicio para recibir esta luz. El fototransistor actúa como un interruptor controlado por luz. Cuando los fotones del LED IR golpean su región base, generan pares electrón-hueco, lo que a su vez permite que fluya una corriente de colector mucho mayor: este es el efecto fotoeléctrico. La magnitud de esta corriente de colector es proporcional a la intensidad de la luz incidente. Cuando un objeto opaco entra en la ranura entre el LED y el fototransistor, la trayectoria de la luz se bloquea. La intensidad de la luz en el fototransistor cae drásticamente, haciendo que su corriente de colector caiga a un valor muy bajo (esencialmente la corriente de oscuridad). Este cambio brusco en la corriente (o el cambio de voltaje correspondiente a través de una resistencia de carga) es detectado por el circuito externo e interpretado como un evento de conmutación.

7. Curvas de Rendimiento y Análisis

La hoja de datos incluye curvas características típicas que proporcionan información valiosa más allá de los valores mín/típ/máx tabulados.

• Características de Transferencia (I_Cvs. I_F):Esta curva muestra cómo la corriente de salida del fototransistor (I_C) varía con la corriente de entrada del LED (I_F) a un voltaje colector-emisor fijo. Demuestra la relación lineal entre la excitación de entrada y la respuesta de salida bajo condiciones específicas, ayudando a optimizar la corriente de excitación del LED para la sensibilidad deseada.
• Características de Salida (I_Cvs. V_CE):Estas curvas, trazadas para diferentes niveles de luz incidente (o diferentes I_F), muestran cómo el fototransistor se comporta como una fuente de corriente. La corriente del colector permanece relativamente constante en un rango de V_CEhasta que alcanza la saturación.
• Dependencia de la Temperatura:Las curvas que muestran la variación de parámetros como el voltaje directo (V_F) o la corriente de oscuridad del colector (I_CEO) con la temperatura son cruciales para diseñar sistemas que operen en todo el rango de temperatura especificado. Por ejemplo, V_Ftípicamente disminuye al aumentar la temperatura, lo que podría afectar ligeramente la salida de luz del LED si es excitado por una fuente de voltaje constante.

8. Preguntas y Respuestas Frecuentes

P: ¿Cuál es el tiempo de respuesta típico de este sensor?

R: Aunque no se indica explícitamente en los datos proporcionados, fotointerruptores como este típicamente tienen tiempos de respuesta en el rango de microsegundos, lo que los hace adecuados para conteo de alta velocidad. La velocidad real está limitada por el tiempo de subida/bajada del fototransistor y la constante de tiempo RC del circuito externo.

P: ¿Puedo usar este sensor al aire libre?

R: Con precaución. La luz solar directa contiene componentes infrarrojos fuertes que pueden saturar el fototransistor, causando falsos disparos. Es necesario un blindaje físico o una carcasa para bloquear la luz ambiente, junto con técnicas de filtrado óptico o modulación de señal, para un uso confiable en exteriores.

P: ¿Cómo elijo el valor de la resistencia limitadora de corriente para el LED?

R: Use la fórmula: R = (V_CC- V_F) / I_F. Por ejemplo, con una fuente de 5V (V_CC), un V_Ftípico de 1.6V, y una I_Fdeseada de 20 mA: R = (5 - 1.6) / 0.02 = 170 Ω. Una resistencia estándar de 180 Ω sería apropiada, resultando en I_F≈ 18.9 mA.

P: ¿Cuál es el propósito de la especificación de Voltaje de Ruptura Emisor-Colector (V_(BR)ECO)?

R: Esta especificación (5V) es relevante si el fototransistor está conectado en una configuración invertida (emisor a un potencial mayor que el colector), lo cual es poco común. Garantiza que el dispositivo pueda soportar un pequeño voltaje inverso a través de la unión C-E sin dañarse.

9. Ejemplo Práctico de Uso

Aplicación: Detección de Papel en una Impresora

El LTH-301-27P1 puede usarse para detectar el borde delantero del papel en una impresora o fotocopiadora. El sensor se monta de modo que el papel pase a través de su ranura. Una bandera reflectante o el papel mismo interrumpe el haz. Cuando el haz no está bloqueado (sin papel), el fototransistor está encendido, emitiendo un voltaje bajo. Cuando el papel entra en la ranura, el haz se bloquea, el fototransistor se apaga y el voltaje de salida sube. Este flanco de subida puede enviarse a un microcontrolador para iniciar una secuencia de impresión, confirmar la presencia de papel o contar páginas. La naturaleza sin contacto garantiza que no haya desgaste en el papel o el sensor, y la respuesta rápida permite la detección incluso a altas velocidades de alimentación de papel. Las consideraciones de diseño incluirían asegurar que la trayectoria del papel esté alineada con precisión con la ranura del sensor y seleccionar una resistencia de carga que proporcione un cambio de voltaje limpio y rápido para el pin de entrada del microcontrolador.

10. Tendencias Tecnológicas

Los fotointerruptores siguen siendo una tecnología de detección fundamental debido a su simplicidad, fiabilidad y bajo coste. Las tendencias actuales se centran en la miniaturización, dando lugar a encapsulados de dispositivo de montaje superficial (SMD) que ahorran espacio en placas en la electrónica moderna. También existe la integración de circuitos adicionales, como disparadores Schmitt incorporados para histéresis y salida digital limpia, o incluso soluciones totalmente integradas con un controlador IR modulado y un IC detector sincronizado en un solo chip para un rechazo superior de la luz ambiente. Además, los avances en materiales y empaquetado están ampliando los rangos de temperatura de operación y mejorando la fiabilidad a largo plazo para aplicaciones automotrices e industriales. Si bien tecnologías más nuevas como los sensores de tiempo de vuelo (ToF) ofrecen medición de distancia, el papel del fotointerruptor básico para la detección simple y binaria de presencia en aplicaciones sensibles al coste sigue firmemente establecido.