Fiche technique LTH-209-01 Photo-interrupteur - Capteur réfléchissant - Document technique français

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTH-209-01 est un module photo-interrupteur de type réfléchissant conçu pour les applications de commutation sans contact. Ce dispositif optoélectronique intègre une diode électroluminescente infrarouge (IRED) et un phototransistor dans un seul boîtier compact. Sa fonction principale est de détecter la présence ou l'absence d'un objet réfléchissant placé dans son espace de détection. Le module est conçu pour un montage direct sur des cartes de circuits imprimés (PCB) ou pour une utilisation avec des supports DIL, offrant une flexibilité d'intégration système. Ses principaux avantages incluent un fonctionnement sans contact, ce qui élimine l'usure mécanique et assure une fiabilité à long terme, ainsi que des vitesses de commutation rapides adaptées à diverses tâches de détection et de comptage. Le marché cible comprend les équipements d'automatisation, l'électronique grand public, les systèmes de sécurité et les contrôles industriels où une détection d'objet précise et fiable est requise.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

Faire fonctionner le dispositif au-delà de ces limites peut causer des dommages permanents. Les paramètres clés incluent :

• Courant direct continu de la diode IR (I_F) :50 mA maximum. Ceci définit la limite supérieure du courant continu pouvant traverser en permanence la LED IR.
• Tension inverse de la diode IR (V_R) :5 V maximum. Dépasser cette tension de polarisation inverse peut endommager la jonction de la LED.
• Courant collecteur du phototransistor (I_C) :20 mA maximum. C'est le courant continu maximal que le transistor de sortie peut absorber.
• Tension collecteur-émetteur du phototransistor (V_CEO) :30 V maximum. C'est la tension maximale pouvant être appliquée entre les broches collecteur et émetteur du phototransistor.
• Plage de température de fonctionnement :-35°C à +65°C. Le dispositif est garanti pour fonctionner dans ses spécifications sur cette plage de température ambiante.
• Température de soudure des broches :260°C pendant 5 secondes à une distance de 1,6 mm du boîtier. Ceci est critique pour les procédés de soudure à la vague ou par refusion.

Note sur la déclassement en puissance :La dissipation de puissance maximale pour la diode IR (75 mW) et le phototransistor (100 mW) doit être déclassée linéairement à un taux de 1,33 mW/°C pour des températures ambiantes supérieures à 25°C. Ceci est essentiel pour la gestion thermique et la fiabilité à long terme.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ces paramètres sont spécifiés à une température ambiante (T_A) de 25°C et définissent la performance typique du dispositif.

2.2.1 Caractéristiques de la diode IR d'entrée

• Tension directe (V_F) :Typiquement 1,2V à 1,6V à un courant direct (I_F) de 20 mA. Ce paramètre est crucial pour concevoir le circuit de commande à limitation de courant pour la LED.
• Courant inverse (I_R) :Maximum 100 µA à une tension inverse (V_R) de 5V. Un faible courant inverse indique une bonne qualité de jonction.

2.2.2 Caractéristiques du phototransistor de sortie

• Tension de claquage collecteur-émetteur (V_(BR)CEO) :Minimum 30V à I_C=1mA. Cette tension de claquage élevée permet l'utilisation de tensions de rappel plus élevées dans le circuit de sortie.
• Courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO) :Maximum 100 nA à V_CE=10V. C'est le courant de fuite lorsque la diode IR est éteinte (pas d'illumination). Un faible courant d'obscurité est essentiel pour un bon rapport signal/bruit, en particulier dans les applications à faible luminosité ou à gain élevé.

2.2.3 Caractéristiques du coupleur (système)

Ces paramètres décrivent la performance du système de capteur complet (LED IR + phototransistor).

• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(SAT)) :Maximum 0,4V à I_C=0,08mA et I_F=20mA. Cette faible tension de saturation indique que le phototransistor peut agir comme un interrupteur efficace, tirant la sortie près de la masse lorsqu'il est activé.
• Courant collecteur à l'état passant (I_C(ON)) :Minimum 0,16 mA à V_CE=5V et I_F=20mA.Condition de test :Ce paramètre critique est mesuré avec une surface réfléchissante standard (papier blanc à réflectance diffuse de 90%) placée à 3,81 mm (0,15 pouces) de la face du capteur. Cette distance et cette surface standardisées définissent l'"espace de détection" et la "réflectivité minimale détectable" pour la performance spécifiée du dispositif.

3. Informations mécaniques et sur le boîtier

3.1 Dimensions du boîtier

Le LTH-209-01 est fourni dans un boîtier standard de type DIP (Dual In-line Package) à 4 broches. Toutes les dimensions sont fournies en millimètres avec une tolérance par défaut de ±0,25 mm sauf indication contraire sur le dessin dimensionnel. Le boîtier est conçu pour un montage traversant sur PCB. Le dessin dimensionnel exact, incluant la longueur, la largeur, la hauteur du corps, l'espacement des broches et leur diamètre, est essentiel pour la conception de l'empreinte PCB et l'intégration mécanique dans le boîtier du produit final.

3.2 Brochage et identification de la polarité

Le dispositif possède quatre broches. Typiquement, deux broches sont pour l'anode et la cathode de la diode IR émettrice, et les deux autres pour le collecteur et l'émetteur du phototransistor NPN. Une identification correcte est vitale pour éviter les dommages. Il faut consulter le diagramme de brochage de la fiche technique. Le boîtier comporte souvent une encoche, un point ou un chanfrein pour indiquer la broche 1. La diode IR est sensible à la polarité, et le collecteur et l'émetteur du phototransistor doivent être connectés correctement pour un fonctionnement de commutation approprié.

4. Recommandations de soudure et d'assemblage

Soudure manuelle :Utilisez un fer à souder à température contrôlée. La valeur maximale absolue spécifie que les broches peuvent être soumises à 260°C pendant 5 secondes lorsqu'elle est mesurée à 1,6 mm du boîtier plastique. Il est recommandé d'utiliser la température la plus basse et le temps le plus court possible pour réaliser une soudure fiable afin de minimiser la contrainte thermique sur les composants internes et le boîtier plastique.

Soudure à la vague :Possible, mais le même profil température/temps (260°C pendant 5 sec à 1,6 mm du boîtier) doit être strictement respecté. Un préchauffage est recommandé pour réduire le choc thermique.

Nettoyage :Si un nettoyage est nécessaire après soudure, utilisez des méthodes et des solvants compatibles avec le matériau plastique du dispositif pour éviter la fissuration ou l'opacification de la fenêtre optique.

Conditions de stockage :Stockez dans un environnement situé dans la plage de température de stockage spécifiée de -40°C à +100°C. Il est conseillé de conserver les dispositifs dans leurs sacs barrières à l'humidité d'origine jusqu'à leur utilisation pour éviter la contamination des surfaces optiques.

5. Suggestions d'application

5.1 Circuits d'application typiques

La configuration de circuit la plus courante utilise le LTH-209-01 comme un interrupteur numérique. La diode IR est pilotée par une source de courant constant ou une résistance de limitation de courant à partir d'une alimentation (par ex. 5V). Un I_Ftypique de 20mA est utilisé selon les conditions de test. Le phototransistor est connecté en configuration émetteur commun : le collecteur est connecté à la tension d'alimentation (V_CC, jusqu'à 30V) via une résistance de rappel (R_L), et l'émetteur est connecté à la masse. Le signal de sortie est prélevé au nœud collecteur. Lorsqu'aucun objet réfléchissant n'est présent, le phototransistor est bloqué (sortie haute). Lorsqu'un objet réfléchissant entre dans l'espace de détection, la lumière IR se réfléchit sur le phototransistor, le mettant en conduction et tirant la sortie à l'état bas.

5.2 Considérations de conception et bonnes pratiques

• Sélection de la résistance de rappel (R_L) :La valeur de R_Ldétermine le courant de sortie et l'amplitude de la tension. Elle doit être choisie en fonction du I_C(ON)requis et des caractéristiques d'entrée de la charge (par ex., une entrée GPIO d'un microcontrôleur). Une R_Lplus petite offre une commutation plus rapide et une meilleure immunité au bruit mais consomme plus de puissance. Assurez-vous que I_Cne dépasse pas 20mA : R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20mA.
• Minimisation du bruit électrique :Placez un condensateur de découplage (par ex., 0,1µF) près des broches d'alimentation du dispositif. Gardez les pistes de signal courtes, en particulier la ligne de sortie du phototransistor, pour réduire la sensibilité aux interférences électromagnétiques (IEM).
• Considérations optiques :La performance de détection dépend de la réflectivité, de la couleur et de la distance de l'objet cible. Le I_C(ON)spécifié est pour une surface blanche réfléchissante à 90% à 3,81mm. Des objets plus sombres ou plus éloignés produiront un signal de sortie plus faible. Pour un fonctionnement cohérent, concevez le seuil de détection du système (par ex., tension de référence d'un comparateur) en conséquence. Évitez que des sources de lumière ambiante (en particulier la lumière du soleil ou des ampoules à incandescence riches en IR) ne brillent directement dans l'ouverture du capteur, car cela peut provoquer des déclenchements intempestifs. Un signal IR modulé et une détection synchrone peuvent être utilisés dans des environnements à forte lumière ambiante.
• Alignement mécanique :Assurez-vous que la trajectoire de l'objet cible est constante et passe dans l'espace de détection optimal (autour des 3,81mm spécifiés) pour une détection fiable.

6. Comparaison et différenciation technique

Le LTH-209-01, en tant que photo-interrupteur réfléchissant, diffère des autres types de capteurs optiques :

• vs. Photo-interrupteurs transmissifs (Optocoupleurs à fente) :Les types transmissifs ont un espace physique entre l'émetteur et le détecteur ; un objet est détecté lorsqu'il bloque le trajet lumineux. Les types réfléchissants comme le LTH-209-01 détectent un objet lorsqu'il réfléchit la lumière. Les capteurs réfléchissants sont souvent plus simples à monter car ils ne nécessitent un accès que d'un seul côté, mais leur performance dépend davantage des propriétés de surface de l'objet.
• vs. Capteurs photologiques :Certains photo-interrupteurs intègrent des circuits logiques (trigger de Schmitt, amplificateur) pour fournir une sortie numérique propre. Le LTH-209-01 fournit une simple sortie analogique de phototransistor, offrant plus de flexibilité mais nécessitant un circuit externe (comme un comparateur) pour créer un signal numérique robuste dans des environnements bruyants.
• Avantages clés de ce modèle :La combinaison d'une tension de claquage collecteur-émetteur relativement élevée (30V), d'une faible tension de saturation et d'une condition de test standardisée pour la sensibilité offre un bon équilibre pour les applications générales de détection réfléchissante.

7. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q1 : Quelle est la distance optimale pour détecter un objet ?

R1 : La fiche technique spécifie le Courant à l'état passant (I_C(ON)) avec la cible à 3,81 mm (0,15"). C'est la distance de test standardisée. La distance optimale réelle dépend de la réflectivité de la cible. Pour une cible très réfléchissante, la détection peut fonctionner à des distances légèrement plus grandes. Pour une conception fiable, utilisez 3,81 mm comme point de fonctionnement nominal.

Q2 : Puis-je piloter la LED IR directement avec une source de tension ?

R2 : Non. Une LED IR, comme toutes les diodes, doit être pilotée en courant. La connecter directement à une source de tension provoquera un courant excessif, risquant de détruire le dispositif. Utilisez toujours une résistance de limitation de courant en série. Calculez la valeur de la résistance comme R = (V_alim- V_F) / I_F. Pour une alimentation de 5V, V_F=1,4V, et I_F=20mA : R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ohms.

Q3 : Pourquoi mon signal de sortie est-il instable ou bruyant ?

R3 : Les causes courantes incluent : 1) Une valeur de résistance de rappel insuffisante conduisant à un temps de montée lent, 2) Une captation de bruit électrique sur de longues pistes de sortie (utilisez un condensateur de découplage et un routage plus court), 3) Des interférences de lumière IR ambiante (protégez le capteur ou utilisez une modulation), 4) L'objet cible a une réflectivité variable ou se trouve à une distance inconstante.

Q4 : Que signifie la note "Déclassement linéaire 1,33 mW/°C" ?

R4 : C'est une règle de déclassement thermique. La dissipation de puissance maximale autorisée (75 mW pour la diode, 100 mW pour le transistor) est spécifiée à 25°C. Pour chaque degré Celsius d'augmentation de la température ambiante au-dessus de 25°C, vous devez réduire la puissance maximale autorisée de 1,33 mW. Par exemple, à 65°C (40°C au-dessus de 25°C), la puissance maximale déclassée pour le transistor est de 100 mW - (40 * 1,33 mW) = 100 - 53,2 = 46,8 mW.

8. Étude de cas d'application pratique

Scénario : Détection de papier dans une imprimante.

Le LTH-209-01 peut être utilisé pour détecter le bord d'attaque du papier lors de son passage dans un mécanisme d'imprimante. Le capteur est monté sur la carte principale avec sa face de détection orientée vers le chemin du papier. Une bande réfléchissante ou le papier lui-même (s'il est suffisamment réfléchissant) agit comme cible. Lorsqu'aucun papier n'est présent, la sortie est haute. Lorsque le bord du papier passe sous le capteur, la lumière IR réfléchie active le phototransistor, tirant la sortie à l'état bas. Ce signal numérique informe le microcontrôleur de l'imprimante de la position du papier, lui permettant de contrôler précisément le timing d'impression. Les points clés de conception ici incluent le choix d'une résistance de rappel pour interfacer proprement avec la logique 3,3V ou 5V du MCU, s'assurer que le chemin du papier est mécaniquement stable pour maintenir l'espace de détection correct, et éventuellement ajouter un simple filtre RC sur la sortie pour éliminer les rebonds causés par la texture du papier.

9. Principe de fonctionnement

Le LTH-209-01 fonctionne sur le principe de la réflexion de lumière modulée et de la conversion photovoltaïque. En interne, une diode électroluminescente infrarouge (IRED) émet de la lumière à une longueur d'onde typiquement autour de 940 nm, invisible à l'œil humain. Cette lumière est projetée vers l'avant du dispositif. Lorsqu'un objet suffisamment réfléchissant entre dans le champ de vision et se trouve dans la portée effective, une partie du rayonnement IR émis se réfléchit sur la surface de l'objet et retourne vers le dispositif. Un phototransistor NPN au silicium, positionné à côté de l'IRED dans le même boîtier, reçoit cette lumière réfléchie. Les photons incidents sur la région de base du phototransistor génèrent des paires électron-trou, créant effectivement un courant de base. Ce courant de base photogénéré est amplifié par le gain du transistor, résultant en un courant collecteur beaucoup plus important qui peut être mesuré extérieurement. Ce changement de courant collecteur (d'un très faible courant d'obscurité au I_C(ON)spécifié) est le mécanisme de détection fondamental. Le dispositif convertit ainsi un événement optique (la présence d'un objet réfléchissant) en un signal électrique.

10. Tendances et contexte industriel

Les photo-interrupteurs réfléchissants comme le LTH-209-01 représentent une technologie mature et fiable au sein du marché plus large des capteurs optoélectroniques. La tendance générale dans ce domaine est la miniaturisation, l'intégration accrue et l'amélioration des fonctionnalités. Les dispositifs plus récents peuvent présenter des boîtiers CMS (Composant Monté en Surface) pour l'assemblage automatisé, une consommation d'énergie réduite et des circuits de conditionnement de signal intégrés fournissant des sorties numériques (I2C, PWM) ou analogiques avec une linéarité améliorée. Il y a également une tendance à utiliser des longueurs d'onde spécifiques ou à incorporer des filtres optiques pour améliorer l'immunité à la lumière ambiante. De plus, le développement des matériaux et des techniques d'encapsulation continue d'améliorer la plage de température, la résistance à l'humidité et la stabilité à long terme de ces composants. Bien que des alternatives avancées existent, le capteur réfléchissant à sortie phototransistor discret et traversant reste une solution économique et très polyvalente pour d'innombrables applications de détection sans contact où la simplicité, la robustesse et les performances éprouvées sont primordiales.