Hoja de Datos del Interruptor Fotoeléctrico Reflectivo ITR1502SR40A/TR8 - Tamaño 4.0x3.0x2.0mm - Tensión Directa 1.2V - Disipación de Potencia 75mW - Lente Negro Transparente - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El ITR1502SR40A/TR8 es un interruptor fotoeléctrico reflectivo de montaje superficial altamente integrado, diseñado para aplicaciones de detección sin contacto. Combina un emisor infrarrojo y un detector de fototransistor de silicio dentro de un único encapsulado compacto con lente negro transparente. El dispositivo está diseñado para una detección fiable de presencia o movimiento de objetos, con una distancia de detección óptima especificada de 4 mm. Su encapsulado sin patillas está específicamente diseñado para ser compatible con los procesos modernos de soldadura por reflujo, lo que lo hace adecuado para el ensamblaje automatizado de alto volumen.

1.1 Características y Ventajas Principales

• Alta Sensibilidad:El fototransistor de silicio proporciona una respuesta eléctrica fuerte a la luz infrarroja reflejada, permitiendo una detección fiable.
• Bloqueo de Luz Visible:El material de la lente negro transparente bloquea eficazmente la luz visible ambiental, minimizando el riesgo de falsos disparos por fuentes de luz del entorno.
• Factor de Forma Compacto:Con dimensiones de 4.0 mm x 3.0 mm x 2.0 mm, es ideal para diseños de PCB con espacio limitado.
• Soldable por Reflujo:El encapsulado sin patillas (en cinta y carrete) permite el montaje SMT estándar, soportando temperaturas máximas de soldadura de hasta 260°C durante 5 segundos.
• Cumplimiento Ambiental:El dispositivo cumple con los estándares libres de halógenos (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm), las regulaciones REACH de la UE y es compatible con RoHS.
• Distancia Focal Larga:Para su familia de encapsulados, ofrece una distancia de detección óptima relativamente larga de 4 mm.

1.2 Mercado Objetivo y Aplicaciones

Este componente está dirigido a diseñadores de electrónica de consumo, automatización de oficinas y sistemas de control industrial que requieren una detección de objetos fiable y de bajo coste. Su función principal es detectar la presencia, ausencia o paso de un objeto sin contacto físico.

• Impresoras y Fotocopiadoras:Detección de atascos de papel, estado de la bandeja o presencia de medio.
• Unidades de Almacenamiento Óptico (ej., CD/DVD):Detección de la posición de la bandeja del disco o presencia de un disco.
• Proyectores y Pantallas:Monitorización del estado del filtro, posición de la cubierta u otros mecanismos internos.
• Máquinas Expendedoras y Quioscos:Detección de dispensación de productos o interacción del usuario.
• Electrodomésticos:Detección de posición en cerraduras inteligentes, cafeteras u otros dispositivos automatizados.

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

El rendimiento del ITR1502SR40A/TR8 está definido por un conjunto completo de parámetros eléctricos y ópticos. Comprenderlos es fundamental para un diseño de circuito adecuado y un funcionamiento fiable del sistema.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los niveles de estrés más allá de los cuales puede producirse un daño permanente en el dispositivo. No se garantiza el funcionamiento en estas condiciones.

• Disipación de Potencia de Entrada (Pd):75 mW a una temperatura ambiente libre de 25°C o inferior.
• Corriente Directa (IF):50 mA (continua).
• Corriente Directa de Pico (IFP):1 A para pulsos ≤100μs con un ciclo de trabajo del 1%.
• Tensión Inversa (VR):5 V.
• Disipación de Potencia del Colector (PC):75 mW.
• Corriente del Colector (IC):25 mA.
• Tensión Colector-Emisor (V_CEO):30 V.
• Tensión Emisor-Colector (V_ECO):5 V.
• Temperatura de Funcionamiento (T_opr):-25°C a +85°C.
• Temperatura de Almacenamiento (T_stg):-40°C a +100°C.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas:260°C durante 5 segundos (a 1/16 de pulgada del cuerpo).

2.2 Características Electro-Ópticas (Ta=25°C)

Estos son los parámetros de rendimiento garantizados bajo condiciones de prueba especificadas.

Entrada (Emisor Infrarrojo - Chip IR GaAs):

• Tensión Directa (V_F):Típicamente 1.2V, máximo 1.4V a I_F= 20 mA. Esto define la caída de tensión en el LED cuando se polariza.
• Corriente Inversa (I_R):Máximo 10 μA a V_R= 6V.
• Longitud de Onda de Pico (λ_P):940 nm (nominal) a I_F= 10 mA. Esto está en el espectro del infrarrojo cercano, invisible para el ojo humano.

Salida (Fototransistor - Chip de Silicio):

• Dark Current (I_CEO):Típicamente 1 nA, máximo 100 nA a V_CE= 20V. Esta es la corriente de fuga cuando no incide luz sobre el detector.
• Características de Transferencia - Corriente del Colector (I_C(ON)):Mínimo 60 μA, típico, máximo 450 μA bajo condiciones de prueba: V_CE=2V, I_F=4mA, y un objetivo reflectante a d=4mm. Este es el parámetro clave que indica la sensibilidad.
• Características de Transferencia - Corriente en Estado de Corte (I_C(OFF)):Máximo 600 nA bajo las mismas condiciones de prueba pero sin reflexión (o con un objetivo absorbente).
• Tiempo de Respuesta (t_r, t_f):Típicamente 20 μs, máximo 100 μs tanto para el tiempo de subida como de bajada. Probado a V_CE=2V, I_C=100μA, R_L=1kΩ, d=4mm. Esto define la velocidad de conmutación.

Nota: La corriente de oscuridad en funcionamiento puede verse afectada por el entorno circundante (ej., fuentes de IR ambientales).

2.3 Rangos de Clasificación (Bin) de la Corriente del Colector

Los dispositivos se clasifican ("binned") en función de su corriente de colector medida (I_C(ON)) bajo condiciones de prueba estándar. Esto permite a los diseñadores seleccionar componentes con una sensibilidad consistente para su aplicación.

• Bin A:60 μA ≤ I_C(ON)< 120 μA
• Bin B:100 μA ≤ I_C(ON)< 220 μA
• Bin C:180 μA ≤ I_C(ON)< 350 μA
• Bin D:310 μA ≤ I_C(ON)≤ 450 μA

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

Las curvas características proporcionadas ofrecen información valiosa sobre el comportamiento del dispositivo en condiciones variables, lo cual es esencial para un diseño de sistema robusto.

3.1 Características Eléctricas

Corriente Directa vs. Tensión Directa:Esta curva muestra la característica IV típica del LED emisor infrarrojo. Es no lineal, similar a un diodo estándar. La tensión directa típica es de aproximadamente 1.2V a 20mA.

Corriente Directa vs. Corriente del Colector:Esta es la curva de transferencia, que muestra cómo la corriente de salida del fototransistor (I_C) aumenta con la corriente de polarización del LED de entrada (I_F). La relación es aproximadamente lineal en la región de funcionamiento, demostrando la ganancia del dispositivo.

Corriente del Colector vs. Tensión Colector-Emisor:Esta familia de curvas muestra I_Ca diferentes niveles de I_F(ej., 5mA, 10mA, 20mA, 50mA) a medida que varía V_CE. Ilustra que el fototransistor actúa como una fuente de corriente; por encima de cierta V_CE(tensión de saturación, típicamente baja), I_Cestá determinada principalmente por la luz incidente (y por tanto por I_F).

3.2 Características de Temperatura

Tensión Directa vs. Temperatura Ambiente:La tensión directa del LED tiene un coeficiente de temperatura negativo, disminuyendo ligeramente al aumentar la temperatura (de aproximadamente 1.21V a -20°C a 1.16V a 80°C).

Corriente del Colector Relativa vs. Temperatura Ambiente:Esta es una curva crítica. La corriente del colector (sensibilidad) disminuye significativamente al aumentar la temperatura. A 80°C, la salida relativa es solo alrededor del 80% de su valor a 25°C. Esto debe tenerse en cuenta en diseños que operen a altas temperaturas para garantizar un margen de señal suficiente.

Corriente de Oscuridad del Colector vs. Temperatura Ambiente:La corriente de oscuridad aumenta exponencialmente con la temperatura (de ~0.1nA a -40°C a casi 1000nA a 100°C). En aplicaciones de alta temperatura, esta fuga aumentada puede convertirse en una parte significativa de la señal, reduciendo potencialmente la relación señal-ruido.

Disipación de Potencia vs. Temperatura Ambiente:Esta curva de reducción de potencia muestra que la disipación de potencia máxima permitida para el dispositivo disminuye linealmente a medida que la temperatura ambiente aumenta por encima de 25°C, alcanzando 0 mW a 100°C.

3.3 Características Ópticas y Espaciales

Espectro de Longitud de Onda:La curva de intensidad radiante relativa muestra que la salida del emisor está centrada en 940 nm con un ancho espectral típico. La lente negro transparente transmite eficazmente esta luz IR mientras bloquea las longitudes de onda visibles más cortas.

Corriente del Colector Relativa vs. Distancia de Movimiento Z (Espejo):Esta curva define el perfil de detección. La corriente de salida es más alta cuando el objetivo reflectante está a la distancia óptima (4mm). La señal disminuye a medida que el objetivo se acerca o aleja, definiendo la ventana de detección práctica. La curva tiene una forma aproximadamente gaussiana.

Tiempo de Conmutación vs. Resistencia de Carga:Tanto el tiempo de subida (t_r) como el de bajada (t_f) aumentan con una mayor resistencia de carga (R_L). Para una conmutación más rápida, debe usarse una R_Lmás baja, pero esto también resultará en un menor rango de tensión de salida. Los diseñadores deben equilibrar velocidad y nivel de señal.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El dispositivo tiene un encapsulado compacto de montaje superficial sin patillas que mide 4.0 mm de largo, 3.0 mm de ancho y 2.0 mm de alto. Las notas dimensionales clave incluyen:

• Todas las dimensiones están en milímetros.
• Las tolerancias son de ±0.1mm a menos que se especifique lo contrario.
• La separación de patillas se mide donde la patilla emerge del encapsulado.
• La masa del producto es de aproximadamente 0.025 gramos.

4.2 Patrón de Pistas Recomendado para PCB

Se proporciona un diseño recomendado de almohadillas de soldadura para garantizar una soldadura fiable y estabilidad mecánica. Se enfatiza una regla de diseño crítica: la cantidad de soldadura debe controlarse cuidadosamente para evitar el ascenso por capilaridad o la filtración de soldadura en el espacio entre la PCB y el cuerpo del encapsulado. Un exceso de soldadura en esta área puede crear tensión, afectar la funcionalidad o reducir la fiabilidad a largo plazo. El diseño de la almohadilla suele incluir conexiones de alivio térmico y un área de cobre suficiente para una unión fuerte.

4.3 Polaridad y Orientación

El dispositivo tiene una orientación marcada (normalmente un punto o una muesca en la superficie superior) que indica el Pin 1. La asignación de pines es estándar para este tipo de dispositivos: el ánodo y el cátodo del emisor infrarrojo forman un par, y el colector y el emisor del fototransistor forman el otro. Se debe consultar el diagrama de la hoja de datos para la asignación exacta de pines. Una orientación incorrecta impedirá el funcionamiento del dispositivo.

5. Pautas de Soldadura, Ensamblaje y Almacenamiento

5.1 Condiciones de Soldadura por Reflujo

El ITR1502SR40A/TR8 está clasificado para procesos de soldadura por reflujo sin plomo (Pb-free). Se proporciona un perfil de temperatura recomendado, que normalmente incluye:

• Precalentamiento/Rampa de Subida:Un aumento controlado para activar el fundente.
• Zona de Remojo:Un período a una temperatura por debajo del líquido para garantizar un calentamiento uniforme.
• Zona de Reflujo:La temperatura máxima no debe superar los 260°C, y el tiempo por encima de 240°C debe ser limitado (ej., 30-60 segundos).
• Enfriamiento:Un período de enfriamiento controlado.

Nota Crítica:La soldadura por reflujo no debe realizarse más de dos veces en el mismo dispositivo para evitar daños por estrés térmico en los componentes internos y el compuesto de moldeo.

5.2 Sensibilidad a la Humedad y Almacenamiento (MSL 3)

El encapsulado es sensible a la humedad. Es necesario seguir los siguientes procedimientos para prevenir el "efecto palomita" (agrietamiento del encapsulado debido a la presión de vapor durante el reflujo).

• Almacenamiento con Bolsa Sin Abrir:Almacenar a ≤30°C y ≤90% HR. Usar dentro de un año desde el envío.
• Después de Abrir la Bolsa:Almacenar a ≤30°C y ≤70% HR.
• Vida Útil en Planta:Los dispositivos deben soldarse dentro de las 168 horas (7 días) posteriores a la apertura de la bolsa barrera de humedad.
• Secado:Si se excede la vida útil en planta o el indicador de humedad (desecante) muestra saturación, secar los dispositivos a 60°C ±5°C durante 24 horas antes de su uso para eliminar la humedad absorbida.

6. Información de Embalaje y Pedido

6.1 Especificaciones de Cinta y Carrete

El dispositivo se suministra en embalaje estándar de cinta y carrete compatible con EIA-481 para el ensamblaje automatizado pick-and-place.

• Cantidad por Embalaje:800 piezas por carrete.
• Carretes por Cartón:38 carretes por cartón exterior.
• Dimensiones del Cartón Exterior:409 mm (A) x 245 mm (B) x 360 mm (C).

El carrete tiene una etiqueta de orientación específica que indica la dirección progresiva. Se proporcionan dimensiones detalladas del carrete (diámetro del núcleo, ancho del carrete, etc.) para compatibilidad con el equipo de colocación.

6.2 Procedimiento de Embalaje

Los carretes se embalan en bolsas de aluminio selladas a prueba de humedad. Cada bolsa contiene un paquete desecante y una tarjeta indicadora de humedad para controlar los niveles de humedad. Luego, varias bolsas se empaquetan en un cartón de envío principal.

7. Consideraciones de Diseño de Aplicación

7.1 Circuito de Aplicación Típico

Un circuito de aplicación básico involucra dos partes principales:

1. Polarización del Emisor:Una resistencia limitadora de corriente en serie con el LED IR. El valor de la resistencia se calcula como R_limit= (V_CC- V_F) / I_F. Por ejemplo, con una alimentación de 5V y una I_Fdeseada de 20mA: R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω (usar una resistencia estándar de 200Ω). El LED puede polarizarse continuamente o en pulsos para un menor consumo de energía.
2. Interfaz del Detector:El fototransistor se conecta típicamente con una resistencia de pull-up (R_L) desde el colector a V_CC. El emisor se conecta a tierra. Sin luz reflejada, el transistor está en corte, y la tensión de salida en el colector es alta (V_CC). Cuando se detecta luz, el transistor se activa, llevando la tensión de salida a un nivel bajo hacia tierra. El valor de R_Lafecta tanto al rango de tensión de salida como a la velocidad de respuesta (ver curvas de rendimiento). Un valor común es de 1kΩ a 10kΩ.

7.2 Factores de Diseño para una Detección Fiable

• Reflectividad del Objetivo:La fuerza de la señal es directamente proporcional a la reflectividad de la superficie del objetivo. Una superficie blanca y reflectante producirá la señal más fuerte; una superficie negra y mate producirá la más débil. El sistema debe diseñarse para funcionar con el peor caso de objetivo.
• Distancia y Alineación del Objetivo:El sensor tiene un "punto óptimo" específico a 4mm. Las variaciones en las tolerancias de ensamblaje o la posición del objetivo afectarán el nivel de la señal. Diseñar fijaciones mecánicas para mantener una alineación consistente.
• Inmunidad a la Luz Ambiental:Aunque la lente negra bloquea la mayor parte de la luz visible, fuentes fuertes de luz infrarroja (luz solar, bombillas incandescentes) aún pueden causar interferencias. Usar una señal de polarización del LED modulada (en pulsos) y detección síncrona en el circuito receptor puede mejorar enormemente la inmunidad a la luz ambiental.
• Compensación de Temperatura:Como se muestra en las curvas, la sensibilidad disminuye con la temperatura. Para aplicaciones que operan en un amplio rango de temperaturas, el circuito debe incluir margen o compensación activa (ej., ajustar I_Fen función de la temperatura) para garantizar una detección fiable a altas temperaturas.
• Ruido Eléctrico:Mantener las trazas del sensor cortas y alejadas de líneas digitales o de alimentación ruidosas. Usar condensadores de desacoplo cerca del dispositivo tanto en V_CCcomo en la alimentación del LED si se usa en pulsos.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

El ITR1502SR40A/TR8 se diferencia en el mercado de sensores reflectivos a través de varios atributos clave:

• vs. Interruptores de Agujero Pasante Más Grandes:Su principal ventaja es su huella SMD ultracompacta de 4.0x3.0mm, que permite la miniaturización y el ensamblaje automatizado, algo que los dispositivos de agujero pasante más grandes no pueden igualar.
• vs. Otros Sensores Reflectivos SMD:La combinación de una distancia óptima de 4mm y una lente negro transparente para bloquear la luz visible dentro de este factor de forma pequeño es un punto de diseño específico. Algunos competidores pueden ofrecer distancias de detección más cortas o materiales de lente diferentes.
• vs. Salida Analógica vs. Sensores Digitales:Este dispositivo proporciona una salida analógica de fototransistor, dando al diseñador control total sobre el umbral y permitiendo mediciones analógicas de distancia/reflectividad. Esto ofrece más flexibilidad en comparación con sensores con lógica digital integrada que simplemente proporcionan una señal de encendido/apagado.
• vs. Pares Discretos de Emisor/Detector:El encapsulado integrado garantiza una alineación precisa y fija entre el emisor y el detector, algo difícil y costoso de lograr con dos componentes separados. También simplifica el diseño de la PCB y el ensamblaje.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P1: ¿Cuál es la diferencia entre las clasificaciones (A, B, C, D)? ¿Cómo elijo?

R: Las clasificaciones representan diferentes rangos de sensibilidad (I_C(ON)). Elija una clasificación en función del margen de señal requerido. Para aplicaciones con objetivos muy reflectantes o distancias cortas, una clasificación más baja (A o B) puede ser suficiente. Para objetivos de baja reflectividad, distancias más largas o funcionamiento a alta temperatura donde la sensibilidad cae, una clasificación más alta (C o D) proporciona más margen. La consistencia dentro de una clasificación también es importante para la producción.

P2: ¿Puedo polarizar el LED IR directamente con una tensión sin una resistencia limitadora de corriente?

R: No. La tensión directa del LED no es un valor fijo y varía con la temperatura y el dispositivo. Polarizarlo directamente desde una fuente de tensión resultará en una corriente no controlada, probablemente excediendo el Límite Absoluto Máximo y destruyendo el emisor. Siempre use una resistencia limitadora de corriente en serie.

P3: Mi sensor funciona de manera errática. ¿Cuál podría ser la causa?

R: Los problemas comunes incluyen: 1)Margen de señal insuficiente:Verifique I_C(ON)con su objetivo específico y asegúrese de que esté muy por encima del umbral de detección de su circuito, teniendo en cuenta la reducción por temperatura. 2)Interferencia de luz ambiental:Proteja el sensor de la luz brillante directa o implemente modulación. 3)Problemas en las soldaduras:Verifique que se utilizó el patrón de pistas recomendado e inspeccione en busca de puentes de soldadura o soldadura insuficiente. 4)Corriente de oscuridad excesiva:A temperaturas muy altas, la corriente de oscuridad puede volverse significativa; asegúrese de que su circuito pueda distinguirla de la señal real.

P4: ¿Cómo calculo la disipación de potencia del dispositivo?

R: La disipación de potencia total es la suma de la disipación de entrada (LED) y de salida (fototransistor). P_D(total)≈ (V_F* I_F) + (V_CE(sat)* I_C). Bajo condiciones típicas (I_F=20mA, V_F=1.2V, I_C=5mA, V_CE=0.2V), P_D≈ 24mW + 1mW = 25mW, que está muy por debajo de la clasificación de 75mW a 25°C. Recuerde reducir este valor si opera por encima de 25°C.

10. Principio de Funcionamiento

El ITR1502SR40A/TR8 opera según el principio de reflexión de luz modulada. El diodo emisor de luz infrarroja (LED IR) interno emite luz a una longitud de onda de pico de 940 nm. Esta luz sale del encapsulado a través de la lente, incide sobre un objeto objetivo frente al sensor y se refleja parcialmente de vuelta. El fototransistor de silicio integrado, que es sensible a la luz infrarroja, detecta esta luz reflejada. Cuando los fotones golpean la región de la base del fototransistor, generan pares electrón-hueco, que actúan como una corriente de base. Esta corriente de base fotogenerada es luego amplificada por la ganancia del transistor, resultando en una corriente de colector mucho mayor (I_C). Esta corriente de colector es la señal eléctrica de salida, que es proporcional a la intensidad de la luz reflejada. El material de la lente negro transparente es transparente a la luz IR de 940 nm pero opaco a la mayoría de la luz visible, proporcionando inmunidad a las fuentes de luz visible ambiental. La alineación fija y coplanar del emisor y el detector dentro del encapsulado moldeado crea una trayectoria óptica precisa optimizada para detectar objetos a una distancia específica (4mm) frente al sensor.