Fiche technique LTH-306-09S Photo-interrupteur - Remplacement de commutateur mécanique - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTH-306-09S est un photo-interrupteur, un type de composant optoélectronique conçu pour détecter l'interruption d'un faisceau lumineux. Il sert de remplacement direct et à semi-conducteurs aux commutateurs mécaniques traditionnels dans diverses applications de détection. Son avantage principal réside dans son fonctionnement sans contact, ce qui élimine les problèmes liés à l'usure mécanique, au rebondissement des contacts et à la dégradation physique dans le temps. Cela le rend très fiable pour les applications nécessitant une activation fréquente ou un fonctionnement dans des environnements où la poussière, l'humidité ou les vibrations pourraient compromettre les contacts mécaniques. Le dispositif convient à un large marché, incluant l'automatisation industrielle (détection de position, fin de course), l'électronique grand public (détection de papier d'imprimante, détection de tiroir de lecteur) et les systèmes de sécurité (détection de verrouillage de porte).

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Limites absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au composant peuvent survenir. Le fonctionnement dans ces conditions n'est pas garanti.

• LED d'entrée :
  • Dissipation de puissance :75 mW. C'est la puissance continue maximale que la LED peut supporter à la température ambiante spécifiée.
  • Courant direct de crête :1 A (en conditions pulsées : 300 pps, largeur d'impulsion de 10 μs). Cette valeur est cruciale pour piloter la LED avec des impulsions courtes et de haute intensité.
  • Courant direct continu :50 mA. Le courant continu maximal pour un fonctionnement fiable à long terme.
  • Tension inverse :5 V. Le dépassement de cette valeur peut endommager la jonction de la LED.
• Phototransistor de sortie :
  • Dissipation de puissance :100 mW.
  • Tension collecteur-émetteur (V_CE) :30 V. La tension maximale pouvant être appliquée entre le collecteur et l'émetteur.
  • Tension émetteur-collecteur :5 V.
  • Courant collecteur :20 mA. Le courant maximal que la sortie du phototransistor peut absorber.
• Environnement :
  • Plage de température de fonctionnement :-25°C à +85°C. La plage de température ambiante pour le fonctionnement normal du dispositif.
  • Plage de température de stockage :-40°C à +100°C.
  • Température de soudure des broches :260°C pendant 5 secondes (pour des broches à 1,6 mm du boîtier). Cela définit la contrainte du profil de soudure par refusion.

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.

• Caractéristiques de la LED d'entrée :
  • Tension directe (V_F) :Typiquement 1,2V à 1,6V à un courant direct (I_F) de 20 mA. Ceci est utilisé pour calculer la valeur de la résistance de limitation de courant requise : R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • Courant inverse (I_R) :Maximum 100 μA à une tension inverse de 5V.
• Caractéristiques du phototransistor de sortie :
  • Courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO) :Maximum 100 nA à V_CE=10V. C'est le courant de fuite lorsque la LED est éteinte (pas de lumière). Une valeur faible est souhaitable pour un bon rapport signal/bruit.
  • Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(SAT)) :Typiquement 0,4V à I_C=0,25mA et I_F=20mA. C'est la chute de tension aux bornes du phototransistor lorsqu'il est complètement "passant".
  • Courant collecteur à l'état passant (I_C(ON)) :Minimum 0,5 mA à V_CE=5V et I_F=20mA. Ceci spécifie le courant de sortie minimum lorsque le trajet lumineux n'est pas obstrué.
• Caractéristique du coupleur :
  • Angle d'action :8° à 14°. C'est un paramètre critique définissant le déplacement angulaire de l'objet interrupteur (par exemple, un bras de levier) nécessaire pour commuter de manière fiable l'état de sortie. Un angle plus petit indique une sensibilité plus élevée au mouvement.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fait référence à des courbes de caractéristiques électriques/optiques typiques. Bien que les graphiques spécifiques ne soient pas fournis dans le texte, leur objectif standard est analysé ci-dessous.

• Courant direct vs Tension directe (Courbe I_F-V_F) :Ce graphique montre la relation non linéaire entre le courant et la tension de la LED. Il aide les concepteurs à comprendre la résistance dynamique de la LED et à assurer un pilotage de courant stable.
• Courant collecteur vs Tension collecteur-émetteur (Courbes I_C-V_CE) :Ces courbes, tracées pour différents courants de commande de la LED (I_F), illustrent les caractéristiques de sortie du phototransistor. Elles montrent la région de saturation (où I_Cest relativement constant) et la région linéaire/active, importante pour les applications de détection analogique.
• Taux de transfert de courant (CTR) vs Courant direct :Le CTR est le rapport entre le courant collecteur du phototransistor (I_C) et le courant direct de la LED (I_F), généralement exprimé en pourcentage. Cette courbe montre comment l'efficacité change avec le courant de commande et est essentielle pour optimiser le circuit de commande pour l'amplitude de sortie souhaitée.
• Courbes de dépendance à la température :Les graphiques montrant comment des paramètres comme V_F, I_C(ON), et le courant d'obscurité varient avec la température ambiante sont essentiels pour concevoir des systèmes robustes fonctionnant sur toute la plage de température spécifiée.

4. Informations mécaniques et de boîtier

La fiche technique inclut un dessin des dimensions du boîtier (non reproduit ici). Les considérations mécaniques clés incluent :

• Dimensions de la fente :L'espace critique à travers lequel passe l'objet interrupteur. Sa largeur et sa profondeur déterminent la compatibilité avec l'objet cible.
• Espacement et forme des broches :La disposition des broches (probablement une configuration standard à 4 broches : anode, cathode pour la LED ; collecteur, émetteur pour le phototransistor) et leur espacement sont vitaux pour la conception de l'empreinte PCB.
• Taille globale du boîtier :La longueur, la largeur et la hauteur externes limitent le placement du dispositif dans un assemblage.
• Identification de polarité :Le boîtier aura des marquages (comme un point ou un chanfrein) pour identifier la broche 1, qui doit être correctement alignée avec l'empreinte PCB.
• Bras de levier personnalisés :Une caractéristique notable est la possibilité de concevoir des bras de levier personnalisés qui s'attachent à l'objet interrupteur, permettant d'adapter le capteur à des mouvements mécaniques spécifiques et d'augmenter sa flexibilité d'application.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Une manipulation correcte est cruciale pour la fiabilité.

• Soudure par refusion :La limite spécifiée est de 260°C pendant 5 secondes, mesurée à 1,6 mm du corps du boîtier. Cela correspond aux profils de refusion sans plomb typiques. Les concepteurs doivent s'assurer que le profil thermique de leur four de refusion ne dépasse pas cette limite pour éviter d'endommager la résine époxy interne ou les jonctions semi-conductrices.
• Soudure manuelle :Si une soudure manuelle est nécessaire, un fer à souder à température contrôlée doit être utilisé, et le temps de soudure par broche doit être minimisé (typiquement < 3 secondes).
• Nettoyage :Utiliser des agents de nettoyage appropriés, non corrosifs et compatibles avec le boîtier plastique du dispositif.
• Conditions de stockage :Stocker dans un environnement sec et antistatique dans la plage spécifiée de -40°C à +100°C pour éviter l'absorption d'humidité (qui peut provoquer l'effet "pop-corn" pendant la refusion) et les dommages par décharge électrostatique (ESD).

6. Suggestions d'application et considérations de conception

6.1 Circuits d'application typiques

La configuration la plus courante est un interrupteur numérique. La LED est pilotée par un courant constant (par exemple, 20mA via une résistance série). Le collecteur du phototransistor est connecté à une résistance de rappel (R_pull-up) vers la tension d'alimentation logique (par exemple, 5V), et l'émetteur est mis à la masse. Le signal de sortie est prélevé au nœud collecteur.

• Faisceau non interrompu (objet absent) :La lumière tombe sur la base du phototransistor, le faisant conduire. La tension du collecteur est tirée vers le bas (proche de V_CE(SAT)).
• Faisceau interrompu (objet présent) :Le phototransistor se bloque. La résistance de rappel tire la tension du collecteur vers le haut (jusqu'à la tension d'alimentation).

La valeur de R_pull-upest un compromis : une valeur plus faible offre des temps de montée plus rapides et une meilleure immunité au bruit, mais consomme plus de courant lorsque la sortie est basse. Elle doit être choisie en fonction de la vitesse de commutation requise et des caractéristiques d'entrée de l'étage logique suivant.

6.2 Considérations de conception

• Sélection du courant de la LED :Fonctionner au courant typique de 20mA fournit un bon courant de sortie. Des courants plus faibles économisent de l'énergie mais réduisent I_C(ON)et la marge de bruit. Ne pas dépasser le courant direct continu nominal.
• Immunité à la lumière ambiante :Le dispositif est sensible à la longueur d'onde spécifique de sa LED interne. Cependant, dans des environnements avec une forte lumière ambiante (surtout la lumière du soleil contenant de l'IR), un signal de commande de LED modulé (pulsé) avec une détection synchrone dans le circuit de réception peut grandement améliorer l'immunité.
• Temps de réponse :La vitesse de commutation (temps de montée/descente) est limitée par la capacité du phototransistor et la valeur de la résistance de rappel. Pour les applications haute vitesse, consulter les graphiques de caractéristiques dynamiques spécifiques si disponibles.
• Caractéristiques de l'objet :L'opacité, l'épaisseur et la couleur de l'objet interrupteur affectent la quantité de lumière bloquée. Pour un fonctionnement fiable, l'objet doit être suffisamment opaque pour réduire le courant du phototransistor en dessous de son seuil pour l'état "bloqué".
• Alignement :Un alignement mécanique précis de l'objet dans la fente du capteur est nécessaire pour un fonctionnement cohérent, surtout compte tenu de l'angle d'action défini.

7. Comparaison technique et avantages

Comparé aux micro-interrupteurs mécaniques, le photo-interrupteur LTH-306-09S offre plusieurs avantages clés :

• Longévité et fiabilité :Pas de contacts mobiles à user, à arquer ou à oxyder. La durée de vie est typiquement supérieure de plusieurs ordres de grandeur.
• Fonctionnement à haute vitesse :Peut commuter beaucoup plus vite que les interrupteurs mécaniques, qui sont limités par le rebondissement des contacts et l'inertie mécanique.
• Performance constante :La résistance de contact n'est pas un facteur. Les caractéristiques de sortie restent stables dans le temps.
• Étanchéité environnementale :Le boîtier plastique peut être plus facilement scellé contre la poussière et l'humidité comparé à un interrupteur mécanique avec un actionneur externe.
• Fonctionnement silencieux :Complètement silencieux, contrairement au clic audible d'un interrupteur mécanique.

Le compromis est la nécessité d'une électronique de support (une source de courant pour la LED et une résistance de rappel) et une sensibilité potentielle à une lumière ambiante extrême ou à la contamination du trajet optique.

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

• Q : Puis-je piloter la LED directement depuis une broche de microcontrôleur 5V ?R : Non. Vous devez utiliser une résistance de limitation de courant. Par exemple, avec V_CC=5V, V_F~1,4V, et un I_Fsouhaité =20mA : R = (5V - 1,4V) / 0,02A = 180Ω. Une résistance de 180Ω ou 220Ω est typique.
• Q : Que signifie l'"Angle d'action" de 8-14 degrés pour ma conception ?R : Cela signifie que le levier physique ou la palette qui interrompt le faisceau doit tourner ou se déplacer d'au moins 8 degrés (et typiquement jusqu'à 14 degrés) en traversant la fente pour garantir une commutation fiable de l'état "passant" à l'état "bloqué". Votre conception mécanique doit assurer ce déplacement angulaire.
• Q : Le courant collecteur de sortie (I_C(ON)) n'est que de 0,5mA min. Est-ce suffisant pour piloter une entrée logique ?R : Oui, pour les entrées logiques CMOS ou TTL standard, qui ont une impédance d'entrée très élevée (nécessitant seulement des microampères), une capacité d'absorption de 0,5mA est plus que suffisante. Le niveau de tension (bas = ~0,4V) est le paramètre critique.
• Q : Comment protéger le dispositif des surtensions sur les lignes d'alimentation ?R : Utilisez des condensateurs de découplage standard au niveau de la carte (par exemple, 100nF céramique) près du dispositif. Pour les environnements sévères, des diodes de suppression de tension transitoire (TVS) supplémentaires sur le rail d'alimentation peuvent être envisagées.

9. Exemples d'applications pratiques

• Détection de papier d'imprimante :Une palette attachée au levier du tiroir à papier tourne à travers la fente du photo-interrupteur. Lorsque du papier est présent, la palette est dans une position (faisceau non interrompu) ; lorsqu'il est vide, elle se déplace dans l'autre position (faisceau interrompu), signalant au système de contrôle.
• Comptage d'objets sur convoyeur industriel :Les objets sur le convoyeur passent à travers une porte équipée d'un photo-interrupteur. Chaque objet casse le faisceau, générant une impulsion qui est comptée par un API ou un microcontrôleur.
• Verrouillage de porte de sécurité :Le photo-interrupteur est monté sur un cadre de porte, et une languette est montée sur la porte. Lorsque la porte est correctement fermée, la languette entre dans la fente, permettant au faisceau de passer et signalant une condition "sécurisée". Si la porte est ouverte, le faisceau est bloqué, signalant une condition "non sécurisée" qui peut désactiver la machine.
• Détection de disque d'encodeur rotatif :Un disque à fentes attaché à un arbre de moteur tourne entre l'émetteur et le détecteur. La série d'impulsions lumineuses générées lorsque les fentes passent est utilisée pour déterminer la vitesse et la position.

10. Principe de fonctionnement

Un photo-interrupteur est un optocoupleur avec un espace physique entre son émetteur et son détecteur. Il se compose d'une diode électroluminescente infrarouge (LED) d'un côté et d'un phototransistor au silicium de l'autre côté, alignés de part et d'autre d'une fente ouverte. Lorsqu'un courant électrique est appliqué à la LED, elle émet de la lumière infrarouge. Cette lumière traverse l'espace et frappe la région de base du phototransistor. Les photons génèrent des paires électron-trou dans la base, agissant efficacement comme un courant de base. Ce courant photogénéré est ensuite amplifié par le gain du transistor, permettant à un courant collecteur beaucoup plus important de circuler. Lorsqu'un objet opaque entre dans la fente, il bloque le trajet lumineux. Le courant de base photogénéré cesse, bloquant le phototransistor et arrêtant le courant collecteur. Ainsi, la présence ou l'absence d'un objet dans la fente contrôle numériquement la conductivité du phototransistor de sortie.

11. Tendances technologiques

La technologie fondamentale des photo-interrupteurs est mature. Les tendances actuelles se concentrent sur l'intégration et la miniaturisation. Les dispositifs deviennent plus petits en taille de boîtier (types CMS) tout en maintenant ou en améliorant les performances. Il y a aussi une tendance à intégrer des circuits supplémentaires sur puce, tels que des déclencheurs de Schmitt pour l'hystérésis (pour fournir une commutation numérique propre sans composants externes), des amplificateurs pour une sortie analogique, ou même des interfaces numériques complètes (I2C). Cela réduit le nombre de composants externes et simplifie la conception. De plus, les dispositifs avec une sensibilité plus élevée permettent un fonctionnement avec des courants de LED plus faibles, réduisant la consommation électrique globale du système, ce qui est crucial pour les applications alimentées par batterie. Le développement de matériaux pour le trajet optique (lentilles, filtres) continue également d'améliorer le rejet de la lumière ambiante et la précision de détection.