Fiche technique de l'interrupteur optique ITR20403 - Boîtier 4,0x3,0x2,0mm - Tension directe 1,6V - Puissance dissipée 75mW - Infrarouge 940nm - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

L'ITR20403 est un module interrupteur optique compact conçu pour les applications de détection sans contact. Il intègre une diode électroluminescente infrarouge (IRED) et un phototransistor au silicium dans un seul boîtier en thermoplastique noir de petit format. La fonction principale du dispositif est de détecter l'interruption d'un faisceau lumineux infrarouge entre ses composants émetteur et récepteur.

1.1 Avantages clés et marché cible

Le dispositif offre plusieurs avantages clés qui le rendent adapté aux applications de précision. Son temps de réponse rapide et sa haute sensibilité permettent une détection fiable des mouvements rapides d'objets. Son boîtier fin et petit facilite l'intégration dans des conceptions à espace restreint, courantes dans l'électronique grand public et les équipements de bureau. Une caractéristique technique importante est la conception du boîtier, qui permet au phototransistor de recevoir le rayonnement principalement de la LED IR intégrée, minimisant ainsi les interférences et le bruit des sources de lumière ambiante. Les marchés cibles principaux incluent les dispositifs d'imagerie, les systèmes de traitement de documents et divers contrôles d'automatisation nécessitant une détection précise de position ou de présence.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Cette section fournit une interprétation objective et détaillée des spécifications électriques, optiques et thermiques du dispositif telles que définies dans la fiche technique.

2.1 Caractéristiques maximales absolues

Les caractéristiques maximales absolues définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Ce ne sont pas des conditions de fonctionnement recommandées.

• Puissance dissipée en entrée (IRED) (Pd) :75 mW maximum à une température d'air libre de 25°C ou inférieure. Dépasser cette limite risque d'endommager thermiquement la puce LED.
• Tension inverse en entrée (VR) :5 V maximum. L'application d'une tension inverse plus élevée peut provoquer une rupture de jonction.
• Courant direct continu (IF) :50 mA maximum. C'est le courant continu le plus élevé que l'IRED peut supporter.
• Puissance dissipée en sortie (Phototransistor) (Pd) :75 mW maximum à 25°C ou moins.
• Courant de collecteur (IC) :20 mA maximum pour la sortie du phototransistor.
• Tension collecteur-émetteur (BV_CEO) :30 V maximum. C'est la tension de claquage avec la base ouverte.
• Température de fonctionnement (T_opr) :-25°C à +80°C. Le fonctionnement du dispositif est garanti dans cette plage de température ambiante.
• Température de stockage (T_stg) :-40°C à +85°C.
• Température de soudure des broches (T_sol) :260°C maximum pendant 5 secondes, mesurée à 3 mm du corps du boîtier. Ceci est critique pour le contrôle du processus d'assemblage.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres sont mesurés dans des conditions de test standard (Ta=25°C) et représentent la performance typique du dispositif.

• Tension directe (V_F) :Typiquement 1,23V, avec un maximum de 1,6V à I_F=20mA. Ce paramètre est essentiel pour concevoir le circuit de commande à limitation de courant pour l'IRED.
• Longueur d'onde de crête (λ_P) :940 nm. C'est la longueur d'onde nominale de la lumière infrarouge émise, qui correspond à la sensibilité de crête du phototransistor récepteur.
• Courant d'obscurité du collecteur (I_CEO) :Maximum 100 nA à V_CE=20V avec un éclairement nul. Ce courant de fuite détermine le bruit de fond du capteur à l'état "éteint".
• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(sat)) :Maximum 0,4V à I_C=2mA et un éclairement (E_e) de 1 mW/cm². Une faible tension de saturation est souhaitable pour les applications de commutation numérique.
• Courant de collecteur à l'état passant (I_C(on)) :S'étend d'un minimum de 0,2 mA à un maximum de 5,0 mA dans les conditions de test V_CE=5V et I_F=20mA. Cette large plage indique la variation du rapport de transfert (CTR) entre les dispositifs, qui doit être prise en compte dans la conception du circuit.
• Temps de montée/descente (t_r, t_f) :Typiquement 15 µsec chacun dans des conditions de commutation spécifiées. Ceci définit la fréquence de commutation maximale réalisable pour le dispositif.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique inclut des courbes caractéristiques typiques qui donnent un aperçu du comportement du dispositif dans différentes conditions.

3.1 Courant direct vs Température ambiante

Cette courbe illustre la dégradation nécessaire du courant direct de l'IRED lorsque la température ambiante augmente. Pour éviter de dépasser la température de jonction maximale et assurer une fiabilité à long terme, le courant de fonctionnement doit être réduit lorsque le dispositif est utilisé dans des environnements à haute température. Les concepteurs doivent consulter ce graphique pour déterminer le courant de fonctionnement sûr pour la température ambiante maximale de leur application spécifique.

3.2 Sensibilité spectrale

Des courbes de sensibilité spectrale distinctes sont fournies pour l'émetteur IR et le phototransistor. La courbe de l'IRED montre l'intensité rayonnante relative en fonction de la longueur d'onde, avec un pic à 940 nm. La courbe du phototransistor montre sa réponse relative en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente, avec un pic conçu pour s'aligner sur la sortie de l'émetteur. La réponse étroite et adaptée minimise la sensibilité à la lumière ambiante visible, une caractéristique clé pour un fonctionnement stable dans des conditions d'éclairage variables.

3.3 Courant direct vs Tension directe

Cette courbe IV pour l'IRED montre la relation non linéaire entre la tension directe et le courant. Elle est cruciale pour sélectionner un schéma de limitation de courant approprié (par exemple, résistance, source de courant constant) pour assurer une sortie IR stable sur la plage de température de fonctionnement et les variations de production.

4. Informations mécaniques et de conditionnement

4.1 Dimensions du boîtier

Le dispositif est logé dans un boîtier compact. Les dimensions clés incluent une largeur de corps d'environ 4,0 mm, une profondeur de 3,0 mm et une hauteur de 2,0 mm. L'espacement des broches est de 2,54 mm (0,1 pouce), ce qui est un pas standard pour le montage traversant sur PCB. Toutes les tolérances dimensionnelles sont de ±0,25 mm sauf indication contraire. Les broches sont mesurées à l'endroit où elles sortent du corps du boîtier.

4.2 Identification de la polarité et montage

Le composant a quatre broches. La convention standard pour de tels interrupteurs optiques est que les deux broches d'un côté appartiennent à l'émetteur infrarouge (anode et cathode), et les deux du côté opposé appartiennent au phototransistor (émetteur et collecteur). Le brochage exact doit être vérifié à partir du diagramme du boîtier. Lors du montage, les trous du PCB doivent être parfaitement alignés avec les positions des broches pour éviter d'imposer une contrainte mécanique sur le corps en époxy lors de l'insertion, ce qui pourrait dégrader les performances ou provoquer une défaillance.

5. Directives de soudure et d'assemblage

Une manipulation appropriée est essentielle pour maintenir l'intégrité et les performances du dispositif.

5.1 Formage des broches

Si un pliage des broches est nécessaire, il doit être effectuéavantla soudure. Le pli doit être effectué à une distance supérieure à 3 mm du bas du corps du boîtier en époxy. Le cadre de broches doit être maintenu de manière sécurisée pendant le pliage pour éviter que la contrainte ne soit transmise à l'ampoule en époxy fragile, ce qui pourrait provoquer des fissures ou des dommages internes. La coupe des broches doit être effectuée à température ambiante.

5.2 Processus de soudure

Une distance minimale de 3 mm doit être maintenue entre le joint de soudure et l'ampoule en époxy. Les conditions recommandées sont :

• Soudure manuelle :Température de la pointe du fer maximum 300°C (pour un fer de 30W), temps de soudure maximum 3 secondes par broche.
• Soudure à la vague/par immersion :Température de préchauffage maximum 100°C pendant jusqu'à 60 secondes. Température du bain de soudure maximum 260°C avec un temps d'immersion maximum de 5 secondes.

Évitez d'appliquer toute contrainte mécanique aux broches pendant que le dispositif est à température élevée. La soudure par immersion ou manuelle ne doit pas être effectuée plus d'une fois. Après la soudure, le dispositif doit être protégé des chocs ou vibrations mécaniques jusqu'à ce qu'il revienne à température ambiante. Les processus de refroidissement rapide ne sont pas recommandés.

5.3 Nettoyage et stockage

Le nettoyage par ultrasons est interdit, car les vibrations à haute fréquence peuvent endommager les composants internes ou le joint en époxy. Pour le stockage, les dispositifs doivent être conservés à 10-30°C et 70% d'HR ou moins jusqu'à 3 mois après l'expédition. Pour un stockage plus long (jusqu'à un an), un conteneur scellé avec une atmosphère d'azote à 10-25°C et 20-60% d'HR est recommandé. Après ouverture de l'emballage sensible à l'humidité, les dispositifs doivent être utilisés dans les 24 heures ou dès que possible, et les composants restants doivent être rescellés rapidement.

6. Conditionnement et informations de commande

La spécification d'emballage standard est de 120 pièces par tube, 96 tubes par boîte et 2 boîtes par carton. L'étiquette sur l'emballage comprend des champs pour le numéro de pièce client (CPN), le numéro de pièce fabricant (P/N), la quantité d'emballage (QTY), la référence (REF) et le numéro de lot (LOT No.).

7. Suggestions d'application

7.1 Scénarios d'application typiques

• Détection de papier dans les imprimantes/photocopieurs/scanners :Détecter la présence de papier, les bourrages papier, ou le bord d'attaque/de fuite d'un document.
• Détection de position de capot d'objectif ou de filtre dans les appareils photo :Détecter si un capot d'objectif est en place ou si une roue à filtres est en position correcte.
• Détection de fin de course sans contact :Utilisé dans les scanners, traceurs ou plateformes automatisées pour détecter la position d'origine ou limite sans contact physique.
• Comptage ou tri d'objets :Détecter des objets sur un tapis roulant lorsqu'ils interrompent le faisceau infrarouge.
• Détection de disque d'encodeur rotatif :Lire les fentes dans un disque rotatif pour mesurer la vitesse ou la position (bien que des modules d'encodeur dédiés soient souvent plus adaptés aux tâches haute résolution).

7.2 Considérations de conception et interface de circuit

Lors de la conception avec l'ITR20403, plusieurs facteurs doivent être pris en compte :

1. Limitation de courant pour l'IRED :Une résistance série doit être calculée sur la base de la tension d'alimentation (V_CC), du courant direct souhaité (I_F, typiquement 20mA pour la sortie nominale), et de la chute de tension directe (V_F~1,23V). R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. Circuit d'interface de sortie :Le phototransistor peut être utilisé dans deux configurations courantes :
   • Mode interrupteur :Connectez une résistance de rappel (par exemple, 1kΩ à 10kΩ) du collecteur à V_CC. L'émetteur est connecté à la masse. La sortie au collecteur sera basse (proche de V_CE(sat)) lorsque le faisceau n'est pas obstrué (transistor PASSANT) et haute (V_CC) lorsque le faisceau est bloqué (transistor BLOQUÉ).
   • Mode analogique :Le phototransistor peut être utilisé dans une configuration à émetteur commun avec une résistance de collecteur pour produire une tension proportionnelle à l'intensité lumineuse. Cependant, la réponse non linéaire et la dépendance à la température le rendent moins idéal pour les mesures analogiques précises par rapport aux photodiodes avec circuits à ampli-op.
3. Immunité au bruit :Bien que résistant à la lumière ambiante, le circuit peut encore capter du bruit électrique. Des condensateurs de découplage (0,1 µF) près des broches d'alimentation du dispositif et une conception de PCB soignée sont recommandés. Pour des câbles longs ou des environnements bruyants, un blindage ou l'utilisation de la sortie pour piloter une entrée à déclencheur de Schmitt peut améliorer la fiabilité.
4. Conception de l'ouverture et de la fente :L'objet interrompant le faisceau doit être opaque à l'infrarouge. La résolution et la répétabilité de la détection dépendent de la largeur de l'objet par rapport à la largeur de la fente dans le boîtier du dispositif. Pour la détection de bord, une palette ou un drapeau avec un bord net fournit le déclenchement le plus précis.

8. Comparaison et différenciation technique

L'ITR20403 se différencie principalement par son format compact et fin, ce qui est avantageux dans l'électronique grand public miniaturisée. Son temps de réponse rapide de 15 µs est adapté à la détection d'événements à vitesse modérément élevée. Le boîtier intégré qui adapte spectralement l'émetteur et le récepteur fournit un rejet inhérent de la lumière ambiante, une caractéristique qui simplifie la conception par rapport à l'utilisation de composants discrets. Comparé aux capteurs d'objets réfléchissants, les interrupteurs offrent une précision positionnelle plus élevée et sont moins sensibles à la couleur ou à la réflectivité de l'objet cible. Comparé aux interrupteurs optiques à fente avec des écarts plus larges, l'écart étroit de ce dispositif permet la détection d'objets plus petits ou une détection de bord plus précise.

9. Questions fréquemment posées (Basées sur les paramètres techniques)

9.1 Quel est le courant de fonctionnement typique pour la LED IR ?

Les caractéristiques électro-optiques sont testées à I_F= 20 mA, ce qui est un point de fonctionnement courant et recommandé pour atteindre le courant de collecteur à l'état passant spécifié. Le circuit doit être conçu pour ne pas dépasser la caractéristique maximale absolue de 50 mA.

9.2 Pourquoi existe-t-il une plage aussi large (0,2mA à 5,0mA) pour le courant de collecteur à l'état passant ?

Cette plage représente la variation d'un dispositif à l'autre du Rapport de Transfert de Courant (CTR), qui est le rapport entre le courant de sortie du phototransistor (I_C) et le courant d'entrée de l'IRED (I_F). Cette variation est inhérente au processus de fabrication des optocoupleurs et interrupteurs. Le circuit doit être conçu pour fonctionner correctement avec le I_C(on)minimum spécifié (0,2mA) pour garantir la fiabilité sur toutes les unités de production.

9.3 Ce capteur peut-il être utilisé en extérieur ?

Bien que le boîtier offre un bon rejet de la lumière ambiante, la lumière directe du soleil contient un rayonnement infrarouge significatif qui pourrait saturer le capteur. Pour une utilisation en extérieur, un filtrage optique supplémentaire, un blindage, ou un fonctionnement pulsé avec détection synchrone serait nécessaire pour une performance fiable. La plage de température de fonctionnement (-25°C à +80°C) limite également les applications en environnements extrêmes.

9.4 À quelle distance un objet doit-il se trouver pour interrompre le faisceau ?

Le dispositif a un écart étroit et focalisé. Un objet doit physiquement passer à travers la fente entre l'émetteur et le détecteur. Il n'y a pas de capacité de détection de "proximité" ; le faisceau doit être entièrement occulté pour que l'état de sortie change de manière fiable.

10. Étude de cas de conception et d'utilisation

Scénario : Capteur de fin de papier dans une imprimante de bureau.

Mise en œuvre :L'ITR20403 est monté sur le chemin d'alimentation en papier de l'imprimante. Un levier ou un drapeau, attaché à un ressort, repose dans la fente du capteur lorsqu'il n'y a pas de papier. Lorsqu'une feuille de papier est introduite, elle pousse le drapeau hors de la fente, permettant au faisceau infrarouge de passer et mettant le phototransistor à l'état PASSANT.

Conception du circuit :L'IRED est alimentée avec 20mA via une résistance de limitation de courant depuis l'alimentation logique 5V de l'imprimante. Le collecteur du phototransistor est connecté à une broche d'entrée d'un microcontrôleur 3,3V via une résistance de rappel de 4,7kΩ. L'émetteur est mis à la masse.

Logique logicielle :La broche du microcontrôleur est configurée comme une entrée numérique. Une lecture BASSE indique que le faisceau n'est pas obstrué (drapeau sorti, papier présent). Une lecture HAUTE indique que le faisceau est bloqué (drapeau rentré, pas de papier), déclenchant une alerte "Fin de papier" pour l'utilisateur. Une logique d'anti-rebond (par exemple, dans le logiciel) est ajoutée pour ignorer les vibrations mécaniques du drapeau.

Considérations clés pour ce cas :Le mécanisme du drapeau doit être conçu pour entrer de manière fiable et complète dans la fente du capteur. Le ressort doit fournir suffisamment de force pour un retour positif mais pas au point d'endommager le papier ou de provoquer une usure du capteur. La position du capteur doit être fixée de manière sécurisée pour maintenir l'alignement.

11. Principe de fonctionnement

L'ITR20403 fonctionne sur le principe de la transmission et de la détection de lumière modulée. Une diode électroluminescente infrarouge (IRED) est polarisée en direct avec un courant constant, ce qui la fait émettre des photons à une longueur d'onde de crête de 940 nm. Directement en face, dans le même boîtier, se trouve un phototransistor NPN au silicium. Lorsque le faisceau infrarouge traverse l'écart sans obstruction, il frappe la région de base du phototransistor. Les photons absorbés génèrent des paires électron-trou, qui agissent comme un courant de base, mettant le transistor à l'état PASSANT et permettant à un courant de collecteur (I_C) de circuler, proportionnel à l'intensité lumineuse. Lorsqu'un objet opaque entre dans l'écart, il bloque le faisceau, le courant de base photogénéré cesse et le transistor se met à l'état BLOQUÉ. Le circuit de sortie convertit ce changement d'état PASSANT/BLOQUÉ en un signal électrique utilisable. Le boîtier en thermoplastique noir sert à contenir le chemin lumineux, à empêcher la diaphonie optique et à bloquer la plupart de la lumière visible ambiante, dont les photons n'ont généralement pas assez d'énergie pour être absorbés par la bande interdite du phototransistor au silicium, fournissant ainsi un filtrage optique inhérent.

12. Tendances technologiques

Les interrupteurs optiques comme l'ITR20403 représentent une technologie mature et fiable. Les tendances actuelles dans le domaine se concentrent sur plusieurs domaines : une miniaturisation supplémentaire pour permettre l'intégration dans des dispositifs portables et portés de plus en plus petits ; le développement de versions de dispositifs à montage en surface (SMD) avec une compatibilité améliorée au soudage par refusion pour l'assemblage automatisé ; des vitesses de commutation accrues pour supporter des débits de données plus élevés dans les applications d'encodeur ou des machines plus rapides ; et une robustesse améliorée contre les facteurs environnementaux comme des températures plus élevées, l'humidité et la contamination. Il y a aussi une tendance à intégrer des fonctionnalités supplémentaires, telles que des déclencheurs de Schmitt intégrés sur la sortie pour l'hystérésis ou même des interfaces numériques (I2C, SPI) pour des modules de capteurs plus intelligents et adressables. Cependant, la conception de base en composant discret traversant, comme on le voit dans l'ITR20403, reste très rentable et largement utilisée dans les applications où ses performances et son format sont suffisants.