Hoja de Datos del Sensor Óptico Reflectivo ITR8307/F43 - LED Infrarrojo y Fototransistor - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El ITR8307/F43 es un sensor óptico reflectivo compacto de montaje superficial, diseñado para la detección de objetos a corta distancia. Integra un diodo emisor de luz infrarroja (LED IR) y un fototransistor de silicio NPN de alta sensibilidad en un único encapsulado de plástico. Su función principal es detectar la presencia o ausencia de un objeto emitiendo luz infrarroja desde el LED y midiendo la cantidad de luz reflejada de vuelta al fototransistor.

Las ventajas principales de este dispositivo incluyen su tiempo de respuesta rápido, su alta sensibilidad a la luz infrarroja y su capacidad para filtrar las interferencias de la luz visible, garantizando un funcionamiento fiable. Su factor de forma delgado y compacto lo hace adecuado para aplicaciones con espacio limitado en electrónica de consumo y equipos controlados por microordenador.

El dispositivo se fabrica sin plomo (Pb-free), cumple con el reglamento REACH de la UE y se adhiere a los estándares libres de halógenos (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). También está diseñado para mantenerse dentro de las especificaciones de la directiva RoHS.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Valores Absolutos Máximos

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

• Disipación de Potencia de Entrada (LED IR) (Pd):75 mW a una temperatura ambiente de 25°C o inferior. Superar este valor puede sobrecalentar la unión del LED.
• Tensión Inversa del LED (VR):5 V. Aplicar una tensión inversa mayor puede causar ruptura.
• Corriente Directa del LED (IF):50 mA continua. La corriente directa de pico (IFP) es de 1 A para pulsos de 100 µs de ancho en un período de 10 ms.
• Disipación de Potencia del Colector (Salida - Fototransistor) (PC):75 mW.
• Corriente del Colector (IC):50 mA máximo.
• Tensión Colector-Emisor (V_CEO):30 V. Esta es la tensión máxima que se puede aplicar entre el colector y el emisor con la base abierta.
• Temperatura de Funcionamiento (T_opr):-25°C a +85°C. El dispositivo es funcional dentro de este rango de temperatura ambiente.
• Temperatura de Almacenamiento (T_stg):-30°C a +100°C.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas (T_sol):260°C durante un máximo de 5 segundos. Esto es crítico para los procesos de soldadura por ola o por reflujo.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros se miden a Ta=25°C y definen el rendimiento típico del dispositivo.

• Tensión Directa del LED (V_F):Típicamente 1,2 V, con un máximo de 1,6 V a una corriente directa (I_F) de 20 mA. Esto es importante para diseñar el circuito de excitación limitador de corriente.
• Longitud de Onda de Pico del LED (λ_P):940 nm. Esta es la longitud de onda a la que el LED IR emite la mayor potencia óptica, coincidiendo con la sensibilidad máxima del fototransistor de silicio.
• Corriente de Oscuridad del Fototransistor (I_CEO):Máximo 100 nA a V_CE=10V sin iluminación (E_e=0). Esta es la corriente de fuga cuando el sensor está 'apagado' y debe minimizarse para una buena relación señal-ruido.
• Corriente del Colector (I_C(ON)):Mínimo 0,1 mA bajo la condición de prueba de V_CE=5V e I_F=20mA. Esta es la fotocorriente generada cuando el LED está activo y un objeto está dentro del rango de detección.
• Tiempo de Subida/Bajada (t_r, t_f):Típicamente 20 µs cada uno. Esto define la velocidad de conmutación del fototransistor, crucial para detectar objetos en movimiento rápido o para transmisión de datos de alta velocidad en algunas aplicaciones.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos incluye varias curvas características que proporcionan una comprensión más profunda del comportamiento del dispositivo en condiciones variables. Aunque los gráficos específicos no se reproducen aquí, se explican sus implicaciones típicas.

3.1 Características del LED IR

Las curvas para el emisor infrarrojo suelen mostrar la relación entre la tensión directa y la corriente directa (curva I-V), que no es lineal. También ilustran la intensidad radiante relativa frente a la corriente directa, mostrando cómo aumenta la salida óptica con la corriente de excitación, y el efecto de la temperatura ambiente en esta salida, que generalmente disminuye al aumentar la temperatura.

3.2 Características del Fototransistor

Las curvas para el receptor suelen representar la corriente del colector frente a la tensión colector-emisor para diferentes niveles de irradiancia (potencia óptica de entrada). Esta familia de curvas es similar a las características de salida de un transistor bipolar, donde la irradiancia actúa como la corriente de base. Otras curvas pueden mostrar la corriente del colector frente a la distancia a una superficie reflectante o frente a la corriente de excitación del LED, definiendo la función de transferencia del sensor.

3.3 Características Combinadas del Sensor

Estas curvas representan el rendimiento del conjunto completo del sensor. Un gráfico clave es la corriente del colector frente a la distancia a una superficie reflectante estándar (a menudo una tarjeta blanca) para una corriente fija del LED. Esta curva define el rango de detección efectivo y la respuesta no lineal con la distancia, lo cual es crítico para el diseño de detección por umbral.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

El dispositivo viene en un encapsulado compacto de montaje superficial. Las dimensiones exactas se proporcionan en el dibujo del encapsulado de la hoja de datos. Las notas clave del dibujo especifican que todas las dimensiones están en milímetros y la tolerancia general es de ±0,15 mm a menos que se indique lo contrario. La colocación lado a lado del LED IR y el fototransistor está optimizada para la detección reflectiva. El encapsulado incluye marcas de polaridad para asegurar la orientación correcta durante el montaje en PCB.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

El valor absoluto máximo para la temperatura de soldadura de las patillas es de 260°C durante 5 segundos. Este parámetro debe cumplirse estrictamente durante los procesos de soldadura por reflujo o por ola para evitar daños en el encapsulado de plástico o en las conexiones internas de alambre. Los perfiles estándar IPC/JEDEC J-STD-020 para soldadura sin plomo son generalmente aplicables, pero se debe controlar la temperatura máxima y el tiempo por encima del líquido. Se debe evitar la exposición prolongada a alta humedad antes de la soldadura, y se recomiendan los procedimientos de manejo del nivel de sensibilidad a la humedad (MSL), aunque la clasificación MSL específica no se indica en el contenido proporcionado.

6. Información de Embalaje y Pedido

El embalaje estándar es el siguiente:

1. 160 piezas por tubo.
2. 18 tubos por caja interior.
3. 12 cajas interiores por caja maestra (exterior).

La etiqueta en el embalaje incluye campos para el Número de Producción del Cliente (CPN), Número de Pieza (P/N), Cantidad de Embalaje (QTY), Categorías (CAT), Longitud de Onda de Pico (HUE), Referencia (REF), Número de Lote (LOT No.) y Lugar de Producción.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

La hoja de datos enumera varias aplicaciones clásicas: cámaras (por ejemplo, para detectar la presencia de película o cinta), videograbadoras, unidades de disquete, grabadoras de casete y varios equipos de control por microordenador. Las aplicaciones modernas incluyen detección de papel en impresoras, detección de monedas en máquinas expendedoras, detección de bordes, conteo de objetos y detección de proximidad en dispositivos de consumo donde se requiere detección sin contacto.

7.2 Consideraciones de Diseño

• Limitación de Corriente:Debe usarse una resistencia en serie con el LED IR para limitar la corriente directa (I_F) a un valor seguro, típicamente 20 mA para operación estándar, calculada usando la tensión de alimentación y la tensión directa del LED (V_F).
• Resistencia de Carga:La salida del fototransistor requiere una resistencia de pull-up o de carga (R_L) conectada entre el colector y la alimentación positiva. Su valor determina la excursión de tensión de salida y la velocidad de respuesta. Una resistencia más pequeña proporciona una respuesta más rápida pero menor sensibilidad (cambio de tensión más pequeño).
• Inmunidad a la Luz Ambiente:Aunque el dispositivo bloquea la luz visible, fuentes de infrarrojos ambientales fuertes (luz solar, bombillas incandescentes) pueden afectar al rendimiento. El blindaje mecánico, los filtros ópticos o las técnicas de modulación/demodulación (pulsar el LED y leer la salida de forma síncrona) pueden mejorar la fiabilidad.
• Reflectividad:El rango de detección y la fuerza de la señal dependen en gran medida de la reflectividad, el color y la textura superficial del objeto objetivo. Puede ser necesaria una calibración o umbrales ajustables.

8. Comparativa Técnica

El ITR8307/F43 ofrece un conjunto específico de características. En comparación con fototransistores o fotodiodos más simples, proporciona una solución integrada y alineada para detección reflectiva. En comparación con sensores modernos de salida digital con lógica incorporada, es un componente analógico que requiere circuitos externos para el acondicionamiento de señal, ofreciendo mayor flexibilidad de diseño pero más complejidad. Sus diferenciadores clave son su tamaño compacto, tiempo de respuesta rápido (20 µs) y cumplimiento de normativas medioambientales (RoHS, REACH, Libre de Halógenos).

9. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuál es la distancia de detección típica?

R: La hoja de datos no especifica una distancia máxima, ya que depende en gran medida de la reflectividad del objetivo y de la corriente de excitación del LED. La condición de prueba para I_C(ON)utiliza un espacio de 1mm, lo que indica que está optimizado para detección de muy corto alcance. Los rangos prácticos suelen ser de unos pocos milímetros a un par de centímetros.

P: ¿Puedo excitar el LED directamente con una fuente de tensión?

R: No. El LED debe ser excitado con una fuente limitada en corriente, casi siempre implementada con una resistencia en serie, para evitar la fuga térmica y la destrucción por sobrecorriente.

P: ¿Cómo conecto la salida a un microcontrolador?

R: La salida del colector del fototransistor es una tensión analógica que varía con la luz reflejada. Se puede conectar a un pin de convertidor analógico-digital (ADC) de un microcontrolador para una medición precisa, o a través de un circuito comparador para crear una señal digital de encendido/apagado para un pin GPIO.

P: ¿Cuál es el propósito de la característica 'Corte de longitud de onda visible'?

R: El fototransistor está diseñado para ser sensible principalmente a la luz infrarroja de 940 nm de su LED emparejado y menos sensible a la luz visible. Esto reduce los disparos falsos por cambios en la iluminación ambiental de la habitación.

10. Caso Práctico de Uso

Caso: Detección de Fin de Papel en una Impresora de Escritorio

El sensor se monta dentro de la impresora, orientado hacia la trayectoria del papel. Una bandera reflectante o el propio papel actúan como objetivo. Cuando hay papel, la luz infrarroja se refleja de vuelta al fototransistor, generando una corriente de colector alta y una tensión de salida baja (si se usa una resistencia de pull-up). Cuando se acaba el papel, la reflexión cesa, el fototransistor se apaga y la tensión de salida sube. Esta transición de tensión es detectada por la lógica de control de la impresora, activando una alerta de "papel agotado" para el usuario. El tiempo de respuesta rápido garantiza la detección incluso a altas velocidades de alimentación de papel.

11. Principio de Funcionamiento

El ITR8307/F43 funciona según el principio de reflexión de luz modulada. El LED infrarrojo interno de GaAs convierte la corriente eléctrica en luz infrarroja (940 nm). Esta luz se emite hacia un área objetivo. Si hay un objeto presente dentro del campo de detección, una parte de esta luz se refleja de vuelta. El fototransistor de silicio NPN integrado actúa como receptor. Cuando los fotones de la luz infrarroja reflejada golpean la unión base-colector del fototransistor, generan pares electrón-hueco. Esta corriente fotogenerada actúa como una corriente de base, que luego es amplificada por la ganancia del transistor, resultando en una corriente de colector mucho mayor (I_C). La magnitud de esta corriente de colector es proporcional a la intensidad de la luz infrarroja reflejada, que a su vez depende de la distancia y la reflectividad del objeto. Midiendo esta corriente de salida (o la tensión a través de una resistencia de carga), se puede determinar la presencia, ausencia o incluso la distancia aproximada de un objeto.

12. Tendencias Tecnológicas

Los sensores ópticos reflectivos como el ITR8307/F43 representan una tecnología madura y fiable. Las tendencias actuales en el campo incluyen una mayor miniaturización de los encapsulados, la integración del sensor con circuitos de interfaz analógica (amplificadores, ADCs) y lógica digital (interfaces I2C/SPI) en soluciones de un solo chip, reduciendo el número de componentes externos. También hay un enfoque en un menor consumo de energía para dispositivos alimentados por batería y algoritmos mejorados para cancelación de luz de fondo y medición de distancia. La demanda de componentes compatibles con el medio ambiente (verdes), que este dispositivo aborda, sigue siendo un fuerte impulsor en la industria electrónica.

13. Exención de Responsabilidad y Notas Importantes

Basándose en el contenido de la hoja de datos, las siguientes exenciones de responsabilidad y notas son críticas para los usuarios:

1. El fabricante se reserva el derecho de ajustar la mezcla de materiales del producto.
2. El producto cumple con sus especificaciones publicadas durante 12 meses a partir de la fecha de envío.
3. Los gráficos y valores típicos son solo para referencia y no representan límites mínimos o máximos garantizados.
4. El usuario es responsable de operar el dispositivo dentro de sus Valores Absolutos Máximos. El fabricante no asume ninguna responsabilidad por daños resultantes de un uso indebido.
5. El contenido de la hoja de datos tiene derechos de autor; su reproducción requiere consentimiento previo.
6. Advertencia Crítica:Este productono está destinadopara su uso en aplicaciones críticas para la seguridad, incluyendo equipos militares, de aviación, automotrices, médicos, de soporte vital o de salvamento. Para dichas aplicaciones, se debe obtener una autorización expresa.