Hoja de Datos del Fotointerruptor LTH-872-T55T1 - Interruptor Óptico Ranurado - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTH-872-T55T1 es un fotointerruptor de tipo ranurado, un componente optoelectrónico fundamental diseñado para aplicaciones de detección sin contacto. Integra un diodo emisor de luz infrarroja (LED) y un fototransistor dentro de una sola carcasa, separados por una ranura física. El principio operativo central implica la interrupción del haz de luz infrarroja que viaja desde el emisor al detector. Cuando un objeto opaco pasa por esta ranura, bloquea la luz, provocando un cambio significativo en la corriente de salida del fototransistor. Este cambio se detecta electrónicamente, proporcionando una señal de conmutación digital fiable. Los fotointerruptores son apreciados por su alta fiabilidad, precisión e inmunidad a factores ambientales como el polvo o la contaminación superficial en comparación con los interruptores mecánicos.

Ventajas Principales:Las principales ventajas de este dispositivo incluyen la conmutación verdaderamente sin contacto, lo que elimina el desgaste mecánico y garantiza una larga vida operativa. Ofrece tiempos de respuesta rápidos, permitiendo la detección de eventos de alta velocidad. Su diseño es adecuado para montaje directo en PCB o uso con un zócalo de doble línea, proporcionando flexibilidad en el ensamblaje. Su construcción proporciona una protección inherente contra la interferencia de la luz ambiente.

Mercado Objetivo y Aplicaciones:Este componente se utiliza ampliamente en diversos equipos de automatización de oficina y electrónica de consumo. Los escenarios de aplicación típicos incluyen la detección de papel en máquinas de fax, impresoras y fotocopiadoras, donde detecta la presencia o ausencia de papel, atascos de papel o la posición de los cabezales de impresión y carros. También se encuentra en escáneres, máquinas expendedoras, automatización industrial para detección de posición, y cualquier dispositivo que requiera una detección de objetos precisa y fiable sin contacto físico.

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 en o bajo estos límites.

• LED de Entrada:
  • Disipación de Potencia (P_D):75 mW. Esta es la potencia máxima que el chip LED puede disipar como calor a una temperatura ambiente (T_A) de 25°C. Exceder esto puede provocar fuga térmica y fallo.
  • Corriente Directa Continua (I_F):50 mA. La corriente continua máxima que puede pasar continuamente a través del LED.
  • Corriente Directa de Pico:1 A (ancho de pulso = 10 µs, 300 pps). Este valor permite pulsos breves de alta corriente, útiles para excitar el LED con una salida óptica instantánea más alta sin exceder la potencia media nominal.
  • Voltaje Inverso (V_R):5 V. El voltaje de polarización inversa máximo que se puede aplicar al LED. Exceder esto puede causar ruptura de la unión.
• Fototransistor de Salida:
  • Disipación de Potencia (P_D):100 mW.
  • Voltaje Colector-Emisor (V_CEO):30 V. El voltaje máximo que se puede aplicar entre el colector y el emisor cuando la base (entrada de luz) está abierta.
  • Corriente del Colector (I_C):20 mA. La corriente máxima que puede fluir a través de la ruta colector-emisor.
• Límites Térmicos:
  • Rango de Temperatura de Operación:-25°C a +85°C. El rango de temperatura ambiente en el que se especifica que el dispositivo funciona correctamente.
  • Rango de Temperatura de Almacenamiento:-55°C a +100°C.
  • Temperatura de Soldadura de Terminales:260°C durante 5 segundos (a 1.6mm del cuerpo del encapsulado). Esto define la restricción del perfil de soldadura por reflujo para evitar daños en el encapsulado plástico y las conexiones internas.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros se miden bajo condiciones de prueba estándar (T_A=25°C) y definen el rendimiento típico del dispositivo.

• Características del LED de Entrada:
  • Voltaje Directo (V_F):Típicamente 1.2V, con un máximo de 1.6V a I_F= 20 mA. Este parámetro es crucial para diseñar la resistencia limitadora de corriente para el circuito excitador del LED. Un diseño típico apuntaría a I_F=20mA, usando V_F~1.2V para el cálculo.
  • Corriente Inversa (I_R):Máximo 100 µA a V_R= 5V. Esto indica la calidad de la unión PN del LED bajo polarización inversa.
• Características del Fototransistor de Salida:
  • Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO):Mínimo 30V a I_C=1mA. Esto asegura un buen margen de seguridad para circuitos lógicos típicos de 5V o 12V.
  • 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 esencial para un estado "APAGADO" bien definido, especialmente en circuitos de alta ganancia.
• Características del Acoplador (Sistema):
  • Corriente del Colector en Estado de Conducción (I_C(ON)):Mínimo 0.5 mA cuando V_CE= 5V e I_F= 20 mA. Este es el parámetro clave de sensibilidad. Define la corriente de salida mínima cuando la ranura está despejada. Los diseñadores deben asegurarse de que la resistencia de carga (R_L) se elija para que esta corriente produzca una oscilación de voltaje utilizable.
  • Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)):Máximo 0.4V a I_C= 0.25mA e I_F= 20mA. Este bajo voltaje de saturación indica un buen rendimiento cuando el fototransistor se lleva a saturación (completamente ENCENDIDO), permitiéndole llevar una línea muy cerca de tierra.
  • Tiempo de Respuesta:
    • Tiempo de Subida (T_r):Típicamente 3 µs, máximo 15 µs.
    • Tiempo de Bajada (T_f):Típicamente 4 µs, máximo 20 µs.
    Medido bajo V_CC=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω. Estos tiempos limitan la frecuencia máxima de conmutación. Los tiempos asimétricos son comunes en fototransistores. Para un diseño conservador, asuma una frecuencia máxima de 1/(T_r+T_f) ~ 1/40µs = 25 kHz.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a curvas de rendimiento típicas. Aunque los gráficos específicos no se proporcionan en el texto, sus interpretaciones estándar son las siguientes:

• Corriente Directa vs. Voltaje Directo (I_F-V_F):Esta curva muestra la relación exponencial típica de un diodo. Ayuda a comprender la variación de V_Fcon la temperatura y la corriente.
• Corriente del Colector vs. Voltaje Colector-Emisor (I_C-V_CE):Para una corriente de LED dada (I_F), este gráfico muestra las características de salida del fototransistor, similares a las curvas de salida de un transistor bipolar. Ilustra la transición de la región activa a la saturación.
• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa:CTR es la relación I_C/ I_F(a menudo expresada como porcentaje). Este es un parámetro crítico de eficiencia para el acoplador. La curva típicamente muestra que el CTR alcanza un pico en un I_Fespecífico y disminuye a corrientes más altas debido al calentamiento u otros efectos.
• Características de Temperatura:Curvas que muestran cómo parámetros como I_C(ON), V_Fy CTR varían en el rango de temperatura de operación (-25°C a +85°C). La ganancia del fototransistor generalmente disminuye al aumentar la temperatura, lo que debe tenerse en cuenta en diseños que requieren un rendimiento estable en temperatura.

4. Información Mecánica y de Empaquetado

4.1 Dimensiones de Contorno

El dispositivo presenta un encapsulado estándar de orificio pasante con un cuerpo plástico moldeado que contiene la ranura. Notas dimensionales clave de la hoja de datos:

• Todas las dimensiones se proporcionan en milímetros (mm).
• La tolerancia por defecto para dimensiones no especificadas es ±0.25 mm.
• El ancho específico de la ranura, la altura del cuerpo y el espaciado de terminales se definen en el dibujo dimensional (no detallado completamente en el texto). Esta información es crítica para la integración mecánica, asegurando que el objeto a detectar quepa en la ranura y para el diseño de la huella en la PCB.

4.2 Identificación de Polaridad y Pinout

Para un funcionamiento correcto, la identificación precisa de los pines es esencial. El encapsulado utiliza una disposición de pines estándar para fotointerruptores ranurados: un par de pines para el LED infrarrojo (ánodo y cátodo) y otro par para el fototransistor (colector y emisor). El dibujo de la hoja de datos especifica los números de pin. Típicamente, al ver el dispositivo desde arriba (lado de la ranura), los pines se numeran en sentido antihorario. El diseñador debe consultar el dibujo para conectar correctamente el ánodo, cátodo, colector y emisor.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

El cumplimiento de estas directrices es necesario para prevenir daños durante el proceso de fabricación.

• Soldadura por Reflujo:El valor máximo absoluto especifica la soldadura de terminales a 260°C durante 5 segundos, medido a 1.6mm del cuerpo del encapsulado. Esto se traduce en un perfil de reflujo estándar para componentes con terminales. El encapsulado plástico tiene una masa térmica limitada, por lo que se debe evitar la exposición prolongada a altas temperaturas para prevenir grietas o daños internos.
• Soldadura Manual:Si es necesaria la soldadura manual, utilice un soldador con control de temperatura. Aplique calor al terminal/pin, no al cuerpo plástico, y complete la unión en 3-5 segundos por terminal.
• Limpieza:Utilice disolventes de limpieza compatibles con el material plástico del dispositivo para evitar grietas por tensión o degradación.
• Condiciones de Almacenamiento:Almacene en un entorno dentro del rango de temperatura de almacenamiento especificado (-55°C a +100°C) y con baja humedad. Los dispositivos sensibles a la humedad deben mantenerse en embalaje seco y sellado hasta su uso.

6. Consideraciones de Diseño para Aplicaciones

6.1 Circuito de Aplicación Típico

Un circuito de interfaz estándar involucra dos partes principales:

1. Excitador del LED:Una resistencia limitadora de corriente (R_LIMIT) se conecta en serie con el LED. Su valor se calcula como R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F. Para una fuente de 5V, V_F=1.2V, e I_F=20mA, R_LIMIT= (5 - 1.2) / 0.02 = 190Ω. Una resistencia de 180Ω o 200Ω sería adecuada.
2. Salida del Fototransistor:El fototransistor se conecta típicamente como un interruptor de emisor común. Una resistencia de pull-up (R_L) se conecta entre el colector y la fuente positiva (V_CC). El emisor se conecta a tierra. Cuando la luz incide en el transistor (ranura despejada), se enciende, llevando el voltaje del colector a bajo (cerca de V_CE(SAT)). Cuando la luz es bloqueada, el transistor se apaga, y el voltaje del colector es llevado a alto por R_L. El valor de R_Ldetermina la oscilación de voltaje de salida y la velocidad. Una R_Lmás pequeña proporciona una respuesta más rápida pero consume más corriente. Usar la condición de prueba de R_L=100Ω como punto de partida es común.

6.2 Desafíos y Soluciones de Diseño

• Inmunidad a la Luz Ambiente:Aunque el diseño ranurado ofrece cierta protección, la luz ambiente fuerte (especialmente infrarroja) puede afectar al fototransistor. Usar una señal de excitación del LED modulada y detección síncrona en el circuito receptor puede mejorar enormemente la inmunidad. Alternativamente, asegurar que la ranura esté protegida puede ayudar.
• Compensación de Temperatura:Dado que la ganancia del fototransistor disminuye con la temperatura, la I_C(ON)caerá. Para aplicaciones críticas, diseñe el circuito para tener un margen suficiente a la temperatura de operación más alta, o use un comparador con un umbral ajustable en lugar de una simple interfaz de resistencia de pull-up.
• Características del Objeto:El objeto que interrumpe el haz debe ser opaco a la longitud de onda infrarroja emitida (~940nm). Los materiales delgados o translúcidos pueden no detectarse de manera fiable. El tamaño del objeto debe ser suficiente para bloquear completamente el haz dentro de la ranura.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

Comparado con otras tecnologías de detección:

• vs. Microinterruptores Mecánicos:Los fotointerruptores ofrecen una fiabilidad superior (sin partes móviles que se desgasten), respuesta más rápida y funcionamiento silencioso. Son inmunes al rebote de contactos.
• vs. Sensores Ópticos Reflectivos:Los tipos ranurados son generalmente más fiables para detección de bordes o detección de posición precisa porque son menos susceptibles a variaciones en la reflectividad o color del objeto objetivo. El haz está completamente bloqueado o desbloqueado.
• vs. Sensores de Efecto Hall:Los sensores Hall detectan campos magnéticos, no interrupción de luz. Se usan para diferentes fenómenos físicos (ej., detectar un imán). Los fotointerruptores son para detectar cualquier objeto opaco.
• Dentro de los Fotointerruptores:La diferenciación específica del LTH-872-T55T1 radica en su combinación de valores nominales eléctricos (ej., V_CEO=30V, I_C(ON)min=0.5mA), dimensiones del encapsulado y rentabilidad para aplicaciones de automatización de oficina de alto volumen.

8. Preguntas Frecuentes (FAQ)

• P: ¿Cuál es la corriente de operación típica para el LED?R: La condición de prueba estándar y un punto de operación común es I_F= 20 mA. Esto proporciona un buen equilibrio entre salida óptica, consumo de energía y longevidad.
• P: ¿Puedo excitar el LED directamente desde un pin de un microcontrolador?R: La mayoría de los pines GPIO de microcontroladores no pueden suministrar o absorber 20mA continuamente. Se recomienda usar un circuito excitador simple con transistor o MOSFET, o un CI excitador de LED dedicado, para proporcionar la corriente necesaria.
• P: ¿Cómo conecto la salida a una entrada digital?R: El colector del fototransistor (con resistencia de pull-up) puede conectarse directamente a una entrada lógica CMOS o TTL estándar. Cuando la ranura está despejada, la entrada leerá BAJO. Cuando está bloqueada, leerá ALTO. Asegúrese de que el voltaje de pull-up sea compatible con la familia lógica (ej., 5V para lógica de 5V, 3.3V para lógica de 3.3V).
• P: ¿Por qué mi salida no conmuta completamente al riel de alimentación cuando está bloqueada?R: Esto probablemente se deba a la corriente de oscuridad (I_CEO) que fluye a través de la resistencia de pull-up. Con una resistencia de pull-up muy grande (ej., 100kΩ), incluso 100nA de fuga pueden crear una caída de voltaje significativa. Use una resistencia de pull-up más pequeña (ej., 1kΩ a 10kΩ) para asegurar un nivel ALTO sólido, equilibrando el consumo de corriente y la velocidad.
• P: ¿Cuál es la práctica recomendada para el diseño de PCB?R: Mantenga separadas las trazas del excitador del LED y las trazas de salida del fototransistor para minimizar el acoplamiento de ruido. Coloque las resistencias limitadoras y de pull-up cerca del dispositivo. Asegúrese de que el área de la ranura en la PCB esté libre de máscara de soldadura o componentes que puedan obstruir la trayectoria del haz infrarrojo.

9. Principio de Funcionamiento

El fotointerruptor opera bajo el principio de acoplamiento óptico directo interrumpido por un objeto físico. Un LED infrarrojo emite luz a una longitud de onda típicamente alrededor de 940 nm, invisible para el ojo humano. Directamente opuesto, un fototransistor de silicio es sensible a esta longitud de onda. En el estado despejado, la luz infrarroja incide en la región de la base del fototransistor, generando pares electrón-hueco. Esta fotocorriente actúa como corriente de base, haciendo que el transistor se encienda y conduzca una corriente de colector mucho mayor (I_C(ON)). Cuando un objeto opaco entra en la ranura, bloquea completamente la trayectoria de la luz. La fotocorriente cesa, la corriente de base efectiva cae a cero, y el fototransistor se apaga, permitiendo que solo fluya una pequeña corriente de fuga (I_CEO). Este contraste marcado entre los estados ENCENDIDO y APAGADO proporciona una señal digital limpia y fiable que indica la presencia o ausencia del objeto.

10. Tendencias de la Industria

El fotointerruptor sigue siendo una tecnología madura y ampliamente utilizada debido a su simplicidad, robustez y bajo coste. Las tendencias actuales en la industria se centran en varias áreas:

• Miniaturización:Desarrollo de tamaños de encapsulado más pequeños (ej., dispositivos de montaje superficial con ranuras muy estrechas) para encajar en dispositivos electrónicos de consumo y móviles cada vez más compactos.
• Rendimiento Mejorado:Mejora de parámetros como mayor velocidad para maquinaria más rápida, menor consumo de energía para dispositivos alimentados por batería y mejor estabilidad térmica.
• Integración:Incorporación de circuitos adicionales dentro del encapsulado, como disparadores Schmitt para histéresis, amplificadores para señales débiles o incluso interfaces digitales (I2C), creando "sensores inteligentes" que simplifican el diseño del sistema.
• Avances en Materiales:Uso de plásticos avanzados y diseños de lentes para mejorar la colimación de la luz, aumentar la eficiencia de acoplamiento y mejorar la resistencia a factores ambientales como alta temperatura y humedad.

A pesar de la llegada de tecnologías más nuevas como sensores de tiempo de vuelo (ToF) o sistemas de visión, el fotointerruptor ranurado básico continúa siendo la solución óptima para innumerables aplicaciones de detección de presencia simples, fiables y sensibles al coste.