Fiche technique LTH-301-07P5 - Interrupteur optique à fente - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTH-301-07P5 est un interrupteur optique à fente, un type de composant optoélectronique conçu pour des applications de commutation sans contact. Il intègre une diode électroluminescente (DEL) infrarouge et un phototransistor dans un boîtier fendu compact. Le principe de fonctionnement fondamental repose sur l'interruption du faisceau lumineux infrarouge entre l'émetteur et le détecteur par un objet externe, ce qui provoque un changement correspondant du signal de sortie du phototransistor. Cette conception offre une méthode fiable et précise pour détecter la présence, l'absence ou la position d'objets sans contact physique.

L'avantage principal de ce dispositif réside dans sa nature sans contact, ce qui élimine l'usure mécanique, conduisant à une haute fiabilité et une longue durée de vie opérationnelle. Il présente des vitesses de commutation rapides, le rendant adapté aux applications nécessitant une détection rapide. Le composant est conçu pour un montage direct sur circuit imprimé (PCB) ou pour une utilisation avec une prise double en ligne, offrant une flexibilité dans la conception et l'assemblage du système.

Les marchés et applications cibles typiques incluent, sans s'y limiter, les équipements de bureautique tels que les télécopieurs, photocopieurs, imprimantes et scanners. Il est également largement utilisé dans divers systèmes d'automatisation industrielle, d'électronique grand public et d'instrumentation où une détection précise d'objets est requise.

2. Interprétation approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

Les valeurs maximales absolues définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Ces valeurs sont spécifiées à une température ambiante (TA) de 25°C et ne doivent jamais être dépassées, même momentanément, dans des conditions de fonctionnement normales.

DEL d'entrée :Le courant direct continu est limité à 50 mA, avec un courant direct crête de 1 A autorisé en conditions pulsées (300 impulsions par seconde, largeur d'impulsion de 10 μs). La dissipation de puissance maximale pour la DEL est de 80 mW. La capacité de tenue en tension inverse est de 5 V, un paramètre critique pour protéger la DEL d'une polarisation inverse accidentelle.

Phototransistor de sortie :La tension collecteur-émetteur (V_CE) nominale est de 30 V, tandis que la tension émetteur-collecteur (V_EC) est de 5 V. Le courant collecteur maximal est de 20 mA, et la limite de dissipation de puissance est de 100 mW. Le respect de ces limites est essentiel pour assurer la longévité et le fonctionnement stable du phototransistor.

Limites environnementales :Le dispositif est conçu pour une plage de température de fonctionnement de -25°C à +85°C. La plage de température de stockage est plus large, de -40°C à +100°C. La température de soudage des broches est spécifiée à 260°C pendant 5 secondes, mesurée à 1,6 mm du boîtier, ce qui est une information cruciale pour les processus d'assemblage.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ces caractéristiques définissent les performances attendues du dispositif dans des conditions de fonctionnement normales à 25°C. Elles fournissent les paramètres clés pour la conception du circuit.

Caractéristiques de la DEL d'entrée :La tension directe typique (V_F) est de 1,2 V à un courant direct (I_F) de 20 mA, avec un maximum de 1,6 V. Ce paramètre est vital pour concevoir la résistance de limitation de courant pour le circuit de commande de la DEL. Le courant inverse (I_R) est au maximum de 100 μA à une tension inverse (V_R) de 5 V, indiquant la fuite de la DEL à l'état bloqué.

Caractéristiques du phototransistor de sortie :Le courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO) est au maximum de 100 nA à V_CE=10V, représentant le courant de fuite de sortie lorsque la DEL est éteinte (pas de lumière). Les tensions de claquage (BV_CEOet BV_ECO) confirment les valeurs maximales absolues.

Caractéristiques du coupleur (système) :Ces paramètres décrivent la performance combinée de la DEL et du phototransistor. Le courant collecteur à l'état passant (I_C(ON)) est garanti d'être d'au moins 0,6 mA lorsque la DEL est alimentée avec I_F=20mA et V_CE=5V. C'est le niveau de signal de sortie clé lorsque la fente est dégagée. La tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(SAT)) est au maximum de 0,4 V dans les mêmes conditions avec I_C=0,2mA, indiquant une bonne caractéristique d'état "passant". Les temps de réponse, avec un temps de montée typique (T_r) de 3 μs et un temps de descente (T_f) de 4 μs (dans des conditions de test spécifiques), définissent la capacité de vitesse de commutation du dispositif.

3. Informations mécaniques et d'emballage

3.1 Dimensions de contour

Le LTH-301-07P5 présente un boîtier traversant standard. Le dessin mécanique détaillé est fourni dans la fiche technique. Toutes les dimensions sont spécifiées en millimètres. La tolérance standard pour les dimensions non spécifiées est de ±0,25 mm. Les dimensions clés incluent la longueur, la largeur et la hauteur totales du boîtier, la largeur et la profondeur de la fente (qui définit l'espace où passe l'objet interrupteur), ainsi l'espacement et le diamètre des broches. Le composant est conçu pour les processus de soudage à la vague ou de soudage manuel.

Identification de la polarité :Le dispositif a un brochage spécifique. Typiquement, la broche la plus longue ou un marquage spécifique sur le boîtier indique l'anode de la DEL. Il est crucial de consulter le dessin dimensionnel pour l'identification exacte des broches (par ex., la broche 1 est souvent l'anode de la DEL, la broche 2 la cathode de la DEL, la broche 3 l'émetteur du phototransistor et la broche 4 le collecteur) pour assurer une orientation correcte lors de l'assemblage sur PCB. Une polarité incorrecte empêchera le dispositif de fonctionner.

4. Directives de soudage et d'assemblage

Une manipulation appropriée pendant le soudage est essentielle pour éviter d'endommager le boîtier plastique et la puce semi-conductrice interne.

Précautions générales :Le boîtier ne doit pas être trempé dans la soudure. Aucune contrainte externe ne doit être appliquée au cadre de broches lorsque le produit est à haute température pendant le soudage, car cela peut provoquer des fissures internes ou un désalignement.

Soudage manuel/des broches :Pour le soudage manuel, la température maximale recommandée du fer est de 350°C. Le temps de soudage par broche ne doit pas dépasser 3 secondes, et cela ne doit être effectué qu'une seule fois par broche. Le point de soudure ne doit pas être à moins de 2 mm de la base du boîtier du composant pour éviter les dommages thermiques.

Soudage à la vague :Pour le soudage à la vague automatisé, un profil spécifique est recommandé. La température de préchauffage ne doit pas dépasser 100°C, avec un temps de préchauffage allant jusqu'à 60 secondes. La température de la vague de soudure doit être au maximum de 260°C, avec un temps de contact ne dépassant pas 5 secondes. La position d'immersion ne doit pas être inférieure à 2 mm de la base du boîtier. Le respect de ce profil évite les chocs thermiques et assure des joints de soudure fiables sans compromettre l'intégrité du boîtier plastique.

5. Conditions de stockage et précautions

Pour maintenir la soudabilité et prévenir la dégradation des performances, des conditions de stockage spécifiques doivent être respectées.

L'environnement de stockage idéal est à une température inférieure à 30°C et une humidité relative inférieure à 70%. Les composants doivent être assemblés dans les 3 mois suivant la date de livraison. Pour prolonger la durée de stockage tant que les pièces restent dans leur emballage d'origine sensible à l'humidité, elles doivent être stockées dans un conteneur scellé avec un dessicant approprié ou dans un dessiccateur purgé à l'azote. Cependant, le stockage ne doit pas dépasser un an dans ces conditions contrôlées.

Une fois l'emballage scellé d'origine ouvert, les composants doivent être utilisés dans les 3 mois et doivent être conservés dans un environnement contrôlé à <25°C et <60% d'humidité relative. Les transitions rapides de température ambiante, en particulier dans des environnements à forte humidité, doivent être évitées pour prévenir la condensation, qui peut entraîner l'oxydation des broches du composant. Si les conditions de stockage ne répondent pas aux critères spécifiés, la soudabilité des broches peut être compromise. Dans ce cas, une évaluation de la soudabilité et un tri potentiel des composants doivent être effectués avant leur utilisation en production.

6. Suggestions d'application

6.1 Scénarios d'application typiques

Le LTH-301-07P5 est polyvalent et trouve son utilité dans de nombreuses applications :

• Détection de papier dans les imprimantes/copieurs/scanners :Détection de la présence de papier, des bourrages papier ou de la fin d'une bobine de papier.
• Détection de position :Détection de la position de repos ou de la limite de course dans des mécanismes en mouvement (par ex., chariots d'imprimante, bras robotisés).
• Codage rotatif :Utilisé avec une roue fendue pour mesurer la vitesse ou la position d'un arbre rotatif.
• Comptage d'objets :Comptage d'articles sur un convoyeur lorsqu'ils passent à travers la fente.
• Systèmes de sécurité :Comme élément d'un capteur à rupture de faisceau pour la détection d'intrusion.

6.2 Considérations de conception

Lors de la conception d'un circuit avec cet interrupteur optique, plusieurs facteurs doivent être pris en compte :

• Courant de commande de la DEL :Le courant de fonctionnement recommandé est de 20 mA. Une résistance série doit être calculée sur la base de la tension d'alimentation (V_CC) et de la tension directe de la DEL (V_F) en utilisant la loi d'Ohm : R = (V_CC- V_F) / I_F. En utilisant la V_Ftypique de 1,2V et une alimentation de 5V, la résistance serait d'environ (5V - 1,2V) / 0,02A = 190 Ohms. Une résistance standard de 200 Ohms serait appropriée.
• Polarisation du phototransistor :La sortie du phototransistor peut être utilisée dans une configuration à émetteur commun (émetteur à la masse, collecteur relié à V_CCvia une résistance de charge, R_L) ou comme interrupteur. La valeur de R_Laffecte l'excursion de tension de sortie et la vitesse de commutation. Une R_Lplus petite offre une réponse plus rapide mais un changement de tension de sortie plus faible. La condition de test de la fiche technique utilise R_L=100Ω.
• Conditionnement du signal :La sortie est un courant analogique qui varie avec l'intensité lumineuse. Pour les applications de commutation numérique, un comparateur ou un circuit à déclencheur de Schmitt peut être nécessaire après la résistance de charge pour fournir un signal numérique propre, surtout si l'objet interrupteur ne bloque pas complètement le faisceau lumineux.
• Immunité à la lumière ambiante :Comme le dispositif utilise de la lumière infrarouge, il est quelque peu immunisé contre la lumière ambiante visible. Cependant, des sources fortes de lumière infrarouge (par ex., soleil, ampoules à incandescence) peuvent affecter les performances. L'utilisation d'un signal de commande de DEL modulé et d'une détection synchrone peut grandement améliorer l'immunité à la lumière ambiante.
• Alignement mécanique :L'objet interrupteur doit passer de manière fiable à travers la fente et interrompre complètement le faisceau pour un fonctionnement cohérent. Les dimensions de la fente, la taille et la trajectoire de l'objet doivent être soigneusement prises en compte.

7. Comparaison et différenciation technique

Les interrupteurs optiques comme le LTH-301-07P5 rivalisent avec d'autres technologies de détection telles que les micro-interrupteurs mécaniques, les capteurs à effet Hall et les capteurs optiques réfléchissants.

vs. Interrupteurs mécaniques :L'avantage principal est l'absence totale de contact physique, conduisant à une durée de vie mécanique pratiquement infinie, pas de rebond de contact, un fonctionnement silencieux et une fiabilité plus élevée dans des environnements sales ou poussiéreux. L'inconvénient peut être un coût légèrement plus élevé et la nécessité d'un circuit de commande électronique.

vs. Capteurs optiques réfléchissants :Les interrupteurs optiques à fente offrent une précision et une cohérence de position plus élevées car l'émetteur et le détecteur sont précisément alignés dans une géométrie fixe. Ils sont moins sensibles aux variations de la réflectivité de l'objet cible. Les capteurs réfléchissants sont mieux adaptés pour détecter des objets à distance ou lorsqu'une fente physique n'est pas réalisable.

vs. Capteurs à effet Hall :Les capteurs Hall détectent les champs magnétiques, pas l'interruption de lumière. Ils sont utilisés pour détecter la position d'aimants. Le choix dépend entièrement de l'application : détecter tout objet opaque (interrupteur optique) vs détecter un champ magnétique (capteur Hall).

La différenciation spécifique du LTH-301-07P5 réside dans son ensemble équilibré de caractéristiques électriques (tension directe, courant de sortie, vitesse), son boîtier mécanique robuste adapté au soudage à la vague, et ses exigences de stockage et de manipulation clairement définies, en faisant un choix fiable pour la fabrication en volume.

8. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

Q : Quel est l'objectif de la valeur "Courant direct crête" pour la DEL ?

R : Cette valeur (1A à 300pps, 10μs) permet à la DEL d'être pulsée avec un courant beaucoup plus élevé que sa valeur continue (50mA) pendant de courtes durées. Cela peut être utilisé pour obtenir une impulsion optique plus brillante, ce qui peut améliorer le rapport signal/bruit ou permettre un cycle de service plus faible, réduisant la consommation moyenne d'énergie et la génération de chaleur.

Q : Le I_C(ON)est spécifié comme un minimum de 0,6mA. Qu'est-ce que cela signifie pour ma conception de circuit ?

R : C'est une limite inférieure garantie. Dans les conditions de test standard (I_F=20mA, V_CE=5V), le phototransistor absorberaau moins0,6mA lorsque la fente est dégagée. Le courant réel dans votre application peut être plus élevé. Vous devez concevoir votre résistance de charge (R_L) et toute porte logique suivante pour reconnaître un niveau de tension correspondant à ce courant minimum. Par exemple, avec R_L=1kΩ, la tension de sortie chuterait au maximum à V_CE= 5V - (0,6mA * 1kΩ) = 4,4V lorsque le faisceau n'est pas bloqué.

Q : Pourquoi les conditions de stockage sont-elles si strictes, surtout après ouverture du sachet ?

R : Les broches du composant sont sensibles à l'oxydation lorsqu'elles sont exposées à l'air humide. Les broches oxydées ont une mauvaise soudabilité, conduisant à des joints de soudure faibles ou inexistants ("démouillage"). L'emballage sensible à l'humidité et les règles de stockage strictes sont des pratiques standard de l'industrie (conformes aux normes IPC/JEDEC) pour assurer un rendement d'assemblage élevé et une fiabilité à long terme.

Q : Puis-je utiliser ce capteur en extérieur ?

R : La plage de température de fonctionnement est de -25°C à +85°C, ce qui couvre de nombreuses conditions extérieures. Cependant, une exposition directe au soleil (une source forte de rayonnement infrarouge) peut saturer le phototransistor, provoquant un déclenchement erroné. Le dispositif n'est pas non plus étanche à l'eau ou à la poussière. Pour une utilisation en extérieur, il nécessiterait une protection optique soigneuse contre la lumière ambiante et une protection environnementale, ou une technologie de capteur différente pourrait être plus appropriée.

9. Introduction au principe de fonctionnement

L'interrupteur optique fonctionne sur un principe optoélectronique simple. Il contient deux composants principaux logés l'un en face de l'autre de part et d'autre d'un espace physique (la fente) :

1. Émetteur infrarouge (DEL) :Il s'agit d'une diode semi-conductrice qui émet de la lumière infrarouge (invisible à l'œil nu) lorsqu'elle est polarisée en direct avec un courant approprié (par ex., 20mA).
2. Phototransistor :Il s'agit d'un transistor photosensible. Lorsque les photons de l'émetteur infrarouge frappent sa région de base, ils génèrent des paires électron-trou, qui agissent comme un courant de base. Ce courant de base induit par la lumière est amplifié par le gain du transistor, résultant en un courant collecteur beaucoup plus important circulant du collecteur vers l'émetteur.

États de fonctionnement :

- Dégagé (Faisceau présent) :La lumière infrarouge de l'émetteur tombe directement sur le phototransistor. Le phototransistor s'active, permettant un courant collecteur significatif (I_C(ON)) de circuler. Dans un circuit à émetteur commun avec une résistance de tirage, la tension de sortie au collecteur est tirée vers le bas (proche de V_CE(SAT)).

- Obstrué (Faisceau bloqué) :Un objet opaque placé dans la fente bloque la lumière infrarouge. Aucune lumière n'atteint la base du phototransistor, donc il se bloque. Seul un minuscule courant de fuite (I_CEO, le courant d'obscurité) circule. La tension de sortie au collecteur monte jusqu'à près de la tension d'alimentation (V_CC).

Cette transition entre une tension de sortie haute (faisceau bloqué) et une tension de sortie basse (faisceau dégagé) fournit un signal numérique propre pour la logique de détection.

10. Tendances d'évolution

Le domaine des capteurs optoélectroniques, y compris les interrupteurs optiques, continue d'évoluer. Les tendances objectives observables dans l'industrie incluent :

• Miniaturisation :Il y a une constante poussée vers des tailles de boîtier plus petites (par ex., composants montés en surface avec un encombrement réduit et un profil plus bas) pour permettre des produits finaux plus compacts et une densité d'assemblage sur PCB plus élevée.
• Performance améliorée :Les améliorations des matériaux semi-conducteurs et de l'emballage visent à fournir une sensibilité plus élevée (permettant des courants de commande de DEL plus faibles pour réduire la consommation), des temps de réponse plus rapides pour les applications haute vitesse et une meilleure stabilité thermique des paramètres.
• Intégration et fonctionnalités intelligentes :Certains interrupteurs optiques modernes intègrent le circuit de commande pour la DEL et le conditionnement de signal (amplificateur, comparateur, déclencheur de Schmitt) pour la sortie du phototransistor dans le même boîtier. Cela simplifie la conception du circuit externe et peut fournir une sortie directe au niveau logique numérique. L'intégration de multiples éléments de détection est également une tendance.
• Accent sur la fiabilité et la fabrication :Les conceptions privilégient de plus en plus la robustesse pour les processus d'assemblage automatisés comme le pick-and-place et le soudage par refusion. Les matériaux sont sélectionnés pour une meilleure résistance aux contraintes thermiques et aux facteurs environnementaux.
• Variantes spécifiques à l'application :Le développement se poursuit pour des capteurs adaptés à des besoins spécifiques du marché, tels que des capteurs ultra-minces pour la manipulation de papier dans les appareils portables, ou des capteurs avec des fentes très étroites pour la détection de bord à haute précision.

Le LTH-301-07P5 représente une technologie mature et fiable qui répond aux exigences fondamentales d'un large éventail d'applications standard, tandis que ces tendances plus larges façonnent le développement des dispositifs de nouvelle génération.