Hoja de Datos del Fotointerruptor LTH-301-32 - Interruptor Óptico Ranurado - Tensión Colector-Emisor 30V - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTH-301-32 es un interruptor óptico ranurado, comúnmente conocido como fotointerruptor. Se trata de un dispositivo de detección sin contacto que combina un diodo emisor de luz infrarroja (LED IR) y un fototransistor en un solo encapsulado, separados por una ranura física. Su función principal es detectar la presencia o ausencia de un objeto (como una lámina o bandera) que atraviesa esta ranura, interrumpiendo el haz de luz infrarroja. Esto lo hace ideal para aplicaciones que requieren detección de posición, conmutación de límite o detección de objetos sin contacto físico, eliminando así el desgaste mecánico y permitiendo operación a alta velocidad.

El dispositivo está diseñado para montaje directo en placas de circuito impreso (PCB) o en zócalos estándar de doble línea (DIP), ofreciendo flexibilidad en el ensamblaje y la integración. Sus principales ventajas incluyen una conmutación sin contacto fiable, inmunidad al rebote mecánico y un tiempo de respuesta rápido adecuado para sistemas digitales.

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

2.1 Especificaciones Máximas Absolutas

Estas especificaciones definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No se garantiza la operación bajo estas condiciones.

• Corriente Directa Continua del Diodo IR (I_F): 60 mA. Esta es la corriente máxima en estado estacionario que puede pasar a través del LED infrarrojo.
• Tensión Inversa del Diodo IR (V_R): 5 V. Exceder esta tensión de polarización inversa en el LED puede causar ruptura.
• Corriente de Colector del Transistor (I_C): 20 mA. La corriente continua máxima que el colector del fototransistor de salida puede manejar.
• Disipación de Potencia del Transistor (P_D): 75 mW. La potencia máxima que el fototransistor puede disipar, calculada como V_CE* I_C.
• Corriente Directa de Pico del Diodo IR: 1 A (ancho de pulso = 10 μs, 300 pps). Esto permite pulsos breves de alta corriente para lograr una salida de luz instantánea mayor, útil para la inmunidad al ruido, pero el ciclo de trabajo debe observarse estrictamente.
• Disipación de Potencia del Diodo: 100 mW. La potencia máxima que el LED IR puede disipar (V_F* I_F).
• Tensión Colector-Emisor del Fototransistor (V_CEO): 30 V. La tensión máxima que se puede aplicar entre el colector y el emisor del fototransistor.
• Tensión Emisor-Colector del Fototransistor (V_ECO): 5 V. La tensión inversa máxima entre emisor y colector.
• Rango de Temperatura de Operación: -25°C a +85°C. El rango de temperatura ambiente para una operación confiable.
• Rango de Temperatura de Almacenamiento: -40°C a +100°C.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas: 260°C durante 5 segundos, medido a 1,6 mm de la carcasa. Esto define los límites del perfil de soldadura por reflujo o manual.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

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

2.2.1 Características del LED de Entrada

• Tensión Directa (V_F): 1,2V (Mín), 1,6V (Típ) a I_F= 20mA. Esta es la caída de tensión en el LED IR cuando se excita con la corriente de operación típica. Se requiere una resistencia limitadora de corriente en serie con el LED.
• Corriente Inversa (I_R): 100 μA (Máx) a V_R= 5V. La pequeña corriente de fuga cuando el LED está polarizado inversamente.

2.2.2 Características del Fototransistor de Salida

• Tensión de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO): 30V (Mín). Se correlaciona con la especificación máxima absoluta.
• Tensión de Ruptura Emisor-Colector (V_(BR)ECO): 5V (Mín).
• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (I_CEO): 100 nA (Máx) a V_CE=10V. Esta es la corriente de fuga del fototransistor cuando no incide luz (es decir, la ranura está bloqueada). Determina el nivel de señal en estado "apagado".

2.2.3 Características del Acoplador (Sistema)

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

• Tensión de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)): 0,4V (Máx) a I_C=0,2mA e I_F=20mA. Esta es la tensión a través del fototransistor cuando está completamente "encendido" (luz sin obstrucción). Un V_CE(SAT)más bajo es mejor para la interfaz con circuitos lógicos.
• Corriente de Colector en Estado de Conducción (I_C(ON)): 0,6 mA (Mín) a V_CE=5V e I_F=20mA. Esta es la corriente fotoeléctrica mínima generada cuando la trayectoria de la luz está despejada. La corriente real puede ser mayor y depende de la corriente de excitación del LED y de la ganancia del dispositivo.
• Tiempo de Respuesta: Esto define la velocidad de conmutación.
  • Tiempo de Subida (t_r): 3 μS (Típ), 15 μS (Máx). Tiempo para que la salida pase del 10% al 90% de su valor final cuando el haz de luz se desbloquea.
  • Tiempo de Bajada (t_f): 4 μS (Típ), 20 μS (Máx). Tiempo para que la salida pase del 90% al 10% de su valor final cuando el haz de luz se bloquea.
  Estos tiempos se miden bajo condiciones específicas (V_CE=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω) y determinan la frecuencia máxima de detección de objetos.

3. Análisis de las Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a curvas de rendimiento típicas que ilustran gráficamente las relaciones clave. Aunque los gráficos específicos no se proporcionan en el texto, su contenido e interpretación típicos son los siguientes:

3.1 Características de Transferencia

Un gráfico de la Corriente de Colector de Salida (I_C) frente a la Corriente Directa del LED de Entrada (I_F) a una tensión colector-emisor constante (por ejemplo, V_CE=5V). Esta curva muestra la tendencia de la relación de transferencia de corriente (CTR), que es la relación I_C/ I_F. Ayuda a los diseñadores a seleccionar la corriente de excitación del LED apropiada para lograr el nivel de corriente de salida deseado para una carga o umbral lógico dado.

3.2 Dependencia de la Temperatura

Curvas que muestran cómo parámetros como I_C(ON)y la corriente de oscuridad (I_CEO) varían en el rango de temperatura de operación (-25°C a +85°C). La ganancia del fototransistor típicamente disminuye al aumentar la temperatura, mientras que la corriente de oscuridad aumenta. Comprender estos cambios es crítico para diseñar sistemas estables en todo el rango de temperatura, a menudo requiriendo margen en la I_Felegida y en los niveles de detección de umbral.

3.3 Tensión de Saturación de Salida

Una gráfica de V_CE(SAT)frente a I_Cpara diferentes valores de I_F. Esto es esencial para determinar la caída de tensión mínima cuando el transistor está encendido, asegurando la compatibilidad con familias lógicas de bajo voltaje.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El LTH-301-32 viene en un encapsulado estándar compacto de estilo DIP. Notas dimensionales clave de la hoja de datos:

• Todas las dimensiones se proporcionan en milímetros, con pulgadas entre paréntesis.
• La tolerancia por defecto es ±0,25mm (±0,010") a menos que una característica específica tenga una indicación diferente.

El encapsulado presenta un cuerpo moldeado con una ranura precisa. Las patillas tienen un paso estándar de 0,1" (2,54mm), compatible con zócalos DIP y diseños de PCB. La longitud, anchura, altura, anchura de la ranura y posición de las patillas exactas se definen en el dibujo dimensionado referenciado en la hoja de datos.

4.2 Identificación de Polaridad

Para un funcionamiento correcto, la identificación precisa de las patillas es crucial. El encapsulado utiliza marcas estándar: el cátodo del LED IR y el emisor del fototransistor típicamente están conectados a una patilla común o son adyacentes. Se debe consultar el diagrama de patillas de la hoja de datos para identificar:

1. Ánodo del LED IR.
2. Cátodo del LED IR.
3. Colector del fototransistor.
4. Emisor del fototransistor.

Una conexión incorrecta puede impedir el funcionamiento o dañar el dispositivo.

5. Directrices de Soldadura y Ensamblaje

5.1 Perfil de Soldadura

La especificación máxima absoluta especifica la soldadura de las patillas a 260°C durante 5 segundos, medido a 1,6 mm de la carcasa de plástico. Este es un parámetro crítico para la soldadura por ola o manual.

• Soldadura por Reflujo: Si se usa en un proceso de reflujo, generalmente se recomienda un perfil con una temperatura máxima que no exceda los 260°C y un tiempo por encima de 240°C (T_L) de menos de 10 segundos. El cuerpo de plástico es sensible al estrés térmico.
• Soldadura Manual: Utilice un soldador con control de temperatura. Aplique calor a la patilla, no al cuerpo, y complete la unión en 3-5 segundos por patilla para evitar que el calor penetre en el encapsulado.

5.2 Limpieza y Manipulación

Los procesos de limpieza estándar de PCB que utilizan alcohol isopropílico o solventes similares son típicamente aceptables. Evite la limpieza ultrasónica a menos que se verifique, ya que puede causar microgrietas en el plástico o en la unión interna del chip. Manipule el dispositivo por el cuerpo, no por las patillas, para evitar estrés mecánico en el sellado.

5.3 Condiciones de Almacenamiento

Almacene en un ambiente seco y antiestático dentro del rango de temperatura de almacenamiento especificado (-40°C a +100°C). El Nivel de Sensibilidad a la Humedad (MSL) no se indica explícitamente en el texto proporcionado, pero para almacenamiento a largo plazo, es una buena práctica mantener los componentes en sus bolsas barrera de humedad originales.

6. Sugerencias de Aplicación

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La configuración más común es usar el fotointerruptor como un interruptor digital.

1. Circuito de Excitación del LED: Una resistencia limitadora de corriente (R_LIMIT) se conecta en serie con el LED IR. R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F. Para una fuente de alimentación de 5V e I_F=20mA, R_LIMIT≈ (5V - 1,6V) / 0,02A = 170Ω (use el valor estándar de 180Ω).
2. Circuito de Salida del Fototransistor: El fototransistor se puede usar en dos configuraciones comunes:
   • Configuración con Resistencia de Pull-up: Conecte una resistencia (R_LOAD) desde el colector a V_CC. El emisor se conecta a tierra. La salida se toma del colector. Cuando la luz está bloqueada, el transistor está apagado y la salida se eleva a nivel alto (V_CC). Cuando hay luz, el transistor se enciende, llevando la salida a nivel bajo (cerca de V_CE(SAT)). El valor de R_LOADse elige en función de la I_Cy la velocidad deseadas; es común usar valores de 1kΩ a 10kΩ.
   • Configuración de Corriente a Tensión: Conecte el fototransistor en una configuración de emisor común con un amplificador operacional en una configuración de transimpedancia para convertir la corriente fotoeléctrica en una tensión precisa. Esto se usa para detección analógica.

6.2 Consideraciones de Diseño

• Inmunidad al Ruido: Para entornos con luz ambiente (especialmente infrarroja), use una señal de excitación del LED modulada y detección síncrona, o asegúrese de que la ranura esté físicamente protegida.
• Eliminación de Rebotes: Aunque el dispositivo en sí no tiene rebote mecánico, la señal de salida puede necesitar eliminación de rebotes por software si el objeto detectado puede vibrar en la ranura.
• Material del Objeto: El objeto que interrumpe el haz debe ser opaco a la luz infrarroja. Los materiales delgados o translúcidos pueden no detectarse de manera confiable.
• Alineación: Es necesaria una alineación mecánica precisa del objeto que pasa por la ranura para un funcionamiento consistente.

6.3 Escenarios de Aplicación Comunes

• Impresoras y Fotocopiadoras: Detección de falta de papel, sensado de nivel de tóner, posicionamiento del carro.
• Automatización Industrial: Interruptores de límite en actuadores lineales, detección de presencia de piezas en cintas transportadoras, sensado de álabes en ejes giratorios (tacómetro).
• Electrónica de Consumo:
• Sistemas de Seguridad: Sensado de posición de puertas/ventanas.
• Máquinas Expendedoras: Verificación de dispensación de monedas o productos.

7. Comparación Técnica y Guía de Selección

Al seleccionar un fotointerruptor, los factores diferenciadores clave incluyen:

• Anchura de la Ranura y Espacio: Determina el tamaño del objeto que se puede detectar. El LTH-301-32 tiene una dimensión de ranura específica.
• Tipo de Salida: Fototransistor (como aquí) frente a Fotodarlington (mayor ganancia, velocidad más lenta) frente a Salida Lógica (disparador Schmitt incorporado).
• Relación de Transferencia de Corriente (CTR): Una CTR más alta proporciona más corriente de salida para una corriente de entrada dada, permitiendo resistencias de pull-up de mayor valor o tramos de cable más largos.
• Velocidad (t_r, t_f): Crítico para aplicaciones de conteo o codificación de alta velocidad.
• Encapsulado y Montaje: Agujero pasante (DIP) frente a montaje superficial (SMD). El LTH-301-32 es un dispositivo de agujero pasante.
• Tensión de Operación: El V_(BR)CEOde 30V le permite interactuar con una amplia gama de tensiones de alimentación, desde sistemas de 3,3V hasta 24V.

El LTH-301-32 se posiciona como un dispositivo confiable de propósito general con un conjunto equilibrado de características adecuado para una amplia gama de aplicaciones de detección digital de velocidad media.

8. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

8.1 ¿Cuál es el propósito de la especificación de corriente directa de pico para el LED?

La especificación de pico de 1A permite que el LED sea pulsado con una corriente mucho mayor que su especificación en CC (60mA). Esto se puede usar para generar un pulso de luz más brillante, mejorando la relación señal-ruido en entornos ruidosos o permitiendo un ciclo de trabajo más bajo para ahorrar energía. Se deben seguir estrictamente los límites de ancho de pulso (10μs) y tasa de repetición (300 pps) para evitar el sobrecalentamiento.

8.2 ¿Cómo elijo el valor de la resistencia de pull-up (R_LOAD)?

La elección implica un equilibrio entre consumo de energía, velocidad de conmutación e inmunidad al ruido. Una resistencia más pequeña (por ejemplo, 1kΩ) proporciona tiempos de subida más rápidos (menor constante de tiempo RC) y mejor inmunidad al ruido, pero consume más corriente cuando el transistor está encendido (I_C= V_CC/R_LOAD). Una resistencia más grande (por ejemplo, 10kΩ) ahorra energía pero es más lenta y más susceptible al ruido. Asegúrese de que la R_LOADelegida, a la tensión de alimentación mínima, aún permita suficiente I_Cpara llevar la salida por debajo del umbral de nivel bajo lógico del circuito receptor, considerando la I_C(ON) specification.

mínima._L8.3 ¿Por qué el tiempo de respuesta se especifica con una resistencia de carga (R

=100Ω)?_{La velocidad de conmutación del fototransistor está limitada por la capacitancia de su unión y la resistencia a través de la cual se carga/descarga. Especificarlo con una pequeña resistencia de carga (100Ω) muestra el límite de velocidad intrínseco del dispositivo. En un circuito real con una resistencia de pull-up más grande, el tiempo de subida será más lento debido a la mayor constante RC (t}subida_LOAD≈ R

* C). El tiempo de bajada está gobernado principalmente por la recombinación de portadores internos del dispositivo y depende menos de la resistencia externa.

8.4 ¿Cómo afecta la temperatura a la operación?

• A medida que aumenta la temperatura:_{La ganancia del fototransistor (y por lo tanto I}C(ON)_F) disminuye. Es posible que necesite aumentar I
• para compensar._CEOLa corriente de oscuridad (I
• ) aumenta. Esto eleva el nivel de tensión "apagado", pudiendo causar falsos disparos si el umbral de detección se establece demasiado ajustado._FLa tensión directa del LED (V

) disminuye ligeramente._{Los diseños para amplios rangos de temperatura deben tener en cuenta estos cambios, a menudo reduciendo la I}C(ON)_CEO.

utilizable y permitiendo margen para I

.

9. Principio de Operación

Un fotointerruptor opera bajo el principio de acoplamiento optoelectrónico. El dispositivo contiene dos componentes separados en una sola carcasa: un diodo emisor de luz infrarroja (LED IR) y un fototransistor de silicio. Se enfrentan entre sí a través de un espacio de aire (la ranura). Cuando se aplica energía al LED IR, emite luz infrarroja invisible. Esta luz viaja a través de la ranura e incide en la región de la base del fototransistor. Los fotones generan pares electrón-hueco en la base, que actúan como corriente de base, encendiendo el transistor. Esto permite que fluya una corriente de colector mucho mayor, limitada por el circuito externo.

Cuando se inserta un objeto opaco en la ranura, bloquea la trayectoria de la luz. La fotogeneración de corriente de base cesa y el fototransistor se apaga, deteniendo la corriente de colector. Por lo tanto, el estado eléctrico de la salida (encendido/apagado) es controlado directamente por el estado mecánico de la ranura (despejada/bloqueada), sin ningún contacto eléctrico entre la entrada (lado del LED) y la salida (lado del transistor). Esto proporciona un excelente aislamiento eléctrico, típicamente en el rango de cientos a miles de voltios.

• 10. Tendencias y Contexto de la IndustriaLos fotointerruptores como el LTH-301-32 representan una tecnología de sensado madura y fundamental. Las tendencias clave que influyen en este sector incluyen:
• Miniaturización:
• : Fuerte demanda de encapsulados de dispositivos de montaje superficial (SMD) más pequeños para ahorrar espacio en PCB en la electrónica moderna.Integración
• Mayor Velocidad: Desarrollo de dispositivos con tiempos de respuesta más rápidos (rango de nanosegundos) para codificadores de alta resolución y aplicaciones de comunicación de datos.
• Precisión Mejorada: Tolerancias más estrictas en las dimensiones de la ranura y la alineación óptica para un sensado de posición más preciso.

Tecnologías Alternativas