Fiche technique du photo-interrupteur LTH-301-27P1 - Commutation sans contact - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTH-301-27P1 est un photo-interrupteur à réflexion, un type de capteur optoélectronique. Sa fonction principale est de détecter la présence ou l'absence d'un objet sans contact physique. Il y parvient en combinant une diode électroluminescente infrarouge (LED IR) et un phototransistor dans un boîtier compact unique. Lorsqu'un objet pénètre dans l'espace entre l'émetteur et le détecteur, il interrompt le faisceau lumineux infrarouge, provoquant un changement de l'état de sortie du phototransistor. Cela le rend idéal pour les applications nécessitant une détection fiable et non mécanique, telles que la détection de position, les interrupteurs de fin de course et le comptage d'objets.

Le dispositif est conçu pour être monté directement sur des cartes de circuits imprimés (PCB) ou dans des supports standard double rangée, facilitant son intégration dans les assemblages électroniques. Ses principaux avantages incluent l'immunité au rebond de contact, une longue durée de vie opérationnelle grâce à l'absence de pièces mobiles et des vitesses de commutation rapides adaptées aux applications de comptage ou de chronométrage à haute vitesse.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

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

• Courant direct continu de la diode IR (I_F):50 mA. C'est le courant en régime permanent maximal qui peut être appliqué à la LED infrarouge.
• Tension inverse de la diode IR (V_R):5 V. Dépasser cette tension de polarisation inverse aux bornes de la LED peut provoquer un claquage.
• Courant collecteur du phototransistor (I_C):40 mA. Le courant maximal que le collecteur du phototransistor peut supporter.
• Tension collecteur-émetteur du phototransistor (V_CEO):30 V. La tension maximale qui peut être appliquée entre le collecteur et l'émetteur du phototransistor.
• Plage de température de fonctionnement:-35°C à +65°C. La plage de température ambiante pour un fonctionnement fiable.
• 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 pour éviter les dommages thermiques.

Note sur la déclassement de puissance:La dissipation de puissance du transistor (100 mW) et celle de la diode (75 mW) doivent être déclassées linéairement à un taux de 1,33 mW/°C pour des températures ambiantes supérieures à 25°C. Cela signifie que la puissance admissible diminue lorsque la température augmente pour éviter la surchauffe.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ces paramètres sont mesurés à 25°C et définissent la performance typique du dispositif dans des conditions de test spécifiées.

2.2.1 Caractéristiques de la LED IR d'entrée

• Tension directe (V_F):Typiquement 1,6V (max 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: R = (V_alim- V_F) / I_F.
• Courant inverse (I_R):Maximum 100 µA à une tension inverse (V_R) de 5V. Ceci indique le courant de fuite de la LED lorsqu'elle est polarisée en inverse.

2.2.2 Caractéristiques du phototransistor de sortie

• Tension de claquage collecteur-émetteur (V_(BR)CEO):Minimum 30V. C'est la tension à laquelle le phototransistor se claque lorsque la base est ouverte.
• Courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO):Maximum 100 nA à V_CE=10V. C'est le courant de fuite lorsque le phototransistor est à l'état "arrêté" (aucune lumière incidente). Une valeur faible est souhaitable pour un bon rapport signal/bruit.

2.2.3 Caractéristiques du coupleur (système)

Ces paramètres décrivent la performance de la paire combinée LED-phototransistor.

• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(SAT)):Maximum 0,4V lorsque le phototransistor est saturé (I_C=0,25mA, I_F=20mA). Une faible tension de saturation est essentielle pour l'interfaçage avec les circuits logiques.
• Courant collecteur à l'état passant (I_C(ON)):Minimum 1,5 mA lorsque le phototransistor est éclairé (V_CE=5V, I_F=20mA). C'est le photocourant généré et il définit la sensibilité du capteur. Le courant réel peut être plus élevé selon la réflectivité de l'objet interrompant et l'alignement.

3. Informations mécaniques et d'emballage

Le LTH-301-27P1 est logé dans un boîtier double rangée standard à 4 broches. Les dimensions exactes sont fournies dans le dessin de boîtier de la fiche technique. Les notes mécaniques clés incluent:

• Toutes les dimensions sont en millimètres, avec une tolérance standard de ±0,25 mm sauf indication contraire.
• Le boîtier comporte une fente ou un espace entre l'émetteur IR et le photodétecteur. L'objet à détecter passe à travers cet espace.
• La polarité est clairement indiquée. Les broches anode et cathode de la LED IR sont identifiées, ainsi que les broches collecteur et émetteur du phototransistor. Une orientation correcte lors du montage sur PCB est essentielle.
• Le dispositif convient à la fois au montage sur PCB et au montage sur support, offrant une flexibilité d'assemblage et un potentiel de remplacement sur le terrain.

4. Recommandations de soudure et d'assemblage

Une manipulation appropriée est cruciale pour la fiabilité.

• Soudure:Les broches peuvent supporter une température de 260°C pendant un maximum de 5 secondes, mesurée à 1,6 mm du corps du boîtier plastique. Cette recommandation est critique pour les procédés de soudure à la vague. Pour la soudure par refusion, un profil standard avec une température de pic inférieure à 260°C est recommandé.
• Nettoyage:Utilisez des agents de nettoyage doux compatibles avec le boîtier plastique. Évitez le nettoyage par ultrasons avec une puissance excessive, car cela pourrait endommager les composants internes.
• Stockage:Stockez dans un environnement situé dans la plage de température de stockage spécifiée de -40°C à +100°C, de préférence dans des conditions de faible humidité pour éviter l'absorption d'humidité.
• Précautions ESD:Bien que non explicitement déclaré comme sensible, les procédures de manipulation standard ESD (décharge électrostatique) pour les dispositifs à semi-conducteurs doivent être suivies pendant l'assemblage.

5. Suggestions d'application

5.1 Circuits d'application typiques

La configuration la plus courante consiste à connecter la LED IR en série avec une résistance de limitation de courant à une source de tension (par exemple, 5V). Le phototransistor est généralement connecté dans une configuration à émetteur commun: le collecteur est tiré vers une tension d'alimentation (par exemple, 5V) via une résistance de charge (R_L), et l'émetteur est connecté à la masse. Le signal de sortie est prélevé au niveau du nœud collecteur.

• Lorsque le faisceau n'est pas obstrué, la lumière tombe sur le phototransistor, le faisant conduire et tirant la tension du collecteur vers le bas (près de V_CE(SAT)).
• Lorsqu'un objet bloque le faisceau, le phototransistor s'éteint et la tension du collecteur est tirée vers le haut par la résistance de charge.
• La valeur de la résistance de charge (R_L) détermine la vitesse de commutation et la consommation de courant. Un R_Lplus petit permet une commutation plus rapide mais tire plus de courant lorsque le transistor est passant.

5.2 Considérations de conception

• Alignement:Un alignement mécanique précis du chemin de l'objet avec la fente du capteur est critique pour un fonctionnement fiable.
• Lumière ambiante:Comme le capteur utilise la lumière infrarouge, il peut être sensible aux interférences de sources IR ambiantes fortes (par exemple, la lumière du soleil, les ampoules à incandescence). L'utilisation d'un signal IR modulé et d'un circuit détecteur synchronisé peut grandement améliorer l'immunité.
• Caractéristiques de l'objet:L'efficacité du capteur dépend de la capacité de l'objet à réfléchir ou à absorber le faisceau IR. Les objets sombres et non réfléchissants peuvent ne pas être détectés aussi fiables que les objets clairs. Il est recommandé de tester avec le matériau cible réel.
• Anti-rebond:Bien que le capteur lui-même n'ait pas de rebond de contact, la sortie électrique peut encore avoir du bruit. Un anti-rebond logiciel ou matériel (par exemple, un simple filtre RC ou une entrée à déclencheur de Schmitt) peut être nécessaire pour des signaux numériques propres.

6. Principe de fonctionnement

Le photo-interrupteur fonctionne sur le principe de l'interruption d'un faisceau optique. En interne, une LED infrarouge émet de la lumière à une longueur d'onde typiquement autour de 940 nm, invisible à l'œil humain. Directement en face, un phototransistor au silicium est positionné pour recevoir cette lumière. Le phototransistor agit comme un interrupteur commandé par la lumière. Lorsque les photons de la LED IR frappent sa région de base, ils génèrent des paires électron-trou, ce qui permet à un courant de collecteur beaucoup plus important de circuler - c'est l'effet photodélectrique. L'amplitude de ce courant de collecteur est proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente. Lorsqu'un objet opaque pénètre dans l'espace entre la LED et le phototransistor, le trajet lumineux est bloqué. L'intensité de la lumière sur le phototransistor chute considérablement, provoquant la chute de son courant de collecteur à une valeur très faible (essentiellement le courant d'obscurité). Ce changement brusque de courant (ou le changement de tension correspondant aux bornes d'une résistance de charge) est détecté par le circuit externe et interprété comme un événement de commutation.

7. Courbes de performance et analyse

La fiche technique inclut des courbes caractéristiques typiques qui fournissent des informations précieuses au-delà des valeurs min/typ/max tabulées.

• Caractéristiques de transfert (I_Cen fonction de I_F):Cette courbe montre comment le courant de sortie du phototransistor (I_C) varie avec le courant d'entrée de la LED (I_F) à une tension collecteur-émetteur fixe. Elle démontre la relation linéaire entre l'excitation d'entrée et la réponse de sortie dans des conditions spécifiques, aidant à optimiser le courant de commande de la LED pour la sensibilité souhaitée.
• Caractéristiques de sortie (I_Cen fonction de V_CE):Ces courbes, tracées pour différents niveaux de lumière incidente (ou différents I_F), montrent comment le phototransistor se comporte comme une source de courant. Le courant de collecteur reste relativement constant sur une plage de V_CEjusqu'à ce qu'il atteigne la saturation.
• Dépendance à la température:Les courbes montrant la variation de paramètres comme la tension directe (V_F) ou le courant d'obscurité du collecteur (I_CEO) avec la température sont cruciales pour concevoir des systèmes fonctionnant sur toute la plage de température spécifiée. Par exemple, V_Fdiminue typiquement avec l'augmentation de la température, ce qui pourrait légèrement affecter la sortie lumineuse de la LED si elle est pilotée par une source de tension constante.

8. Questions et réponses courantes

Q: Quel est le temps de réponse typique de ce capteur?

R: Bien que non explicitement indiqué dans les données fournies, les photo-interrupteurs de ce type ont généralement des temps de réponse de l'ordre de la microseconde, les rendant adaptés au comptage à haute vitesse. La vitesse réelle est limitée par le temps de montée/descente du phototransistor et la constante de temps RC du circuit externe.

Q: Puis-je utiliser ce capteur en extérieur?

R: Avec prudence. La lumière directe du soleil contient de fortes composantes infrarouges qui peuvent saturer le phototransistor, provoquant un déclenchement erroné. Un écran physique ou un boîtier pour bloquer la lumière ambiante, ainsi que des techniques de filtrage optique ou de modulation de signal, sont nécessaires pour une utilisation fiable en extérieur.

Q: Comment choisir la valeur de la résistance de limitation de courant de la LED?

R: Utilisez la formule: R = (V_CC- V_F) / I_F. Par exemple, avec une alimentation de 5V (V_CC), une V_Ftypique de 1,6V, et un I_Fsouhaité de 20 mA: R = (5 - 1,6) / 0,02 = 170 Ω. Une résistance standard de 180 Ω serait appropriée, donnant I_F≈ 18,9 mA.

Q: Quel est le but de la valeur de tension de claquage Émetteur-Collecteur (V_(BR)ECO)?

R> Cette valeur (5V) est pertinente si le phototransistor est connecté dans une configuration inversée (émetteur à un potentiel plus élevé que le collecteur), ce qui est peu courant. Elle garantit que le dispositif peut supporter une petite tension inverse aux bornes de la jonction C-E sans dommage.

9. Exemple pratique d'utilisation

Application: Détection de papier dans une imprimante

Le LTH-301-27P1 peut être utilisé pour détecter le bord d'attaque du papier dans une imprimante ou un photocopieur. Le capteur est monté de sorte que le papier passe à travers son espace. Un drapeau réfléchissant ou le papier lui-même interrompt le faisceau. Lorsque le faisceau n'est pas obstrué (pas de papier), le phototransistor est passant, délivrant une tension basse. Lorsque le papier entre dans l'espace, le faisceau est bloqué, le phototransistor s'éteint et la tension de sortie passe à l'état haut. Ce front montant peut être envoyé à un microcontrôleur pour initier une séquence d'impression, confirmer la présence de papier ou compter les pages. La nature sans contact garantit l'absence d'usure sur le papier ou le capteur, et la réponse rapide permet la détection même à des vitesses d'alimentation en papier élevées. Les considérations de conception incluraient de s'assurer que le chemin du papier est parfaitement aligné avec la fente du capteur et de sélectionner une résistance de charge qui fournit une transition de tension propre et rapide pour la broche d'entrée du microcontrôleur.

10. Tendances technologiques

Les photo-interrupteurs restent une technologie de détection fondamentale en raison de leur simplicité, fiabilité et faible coût. Les tendances actuelles se concentrent sur la miniaturisation, conduisant à des boîtiers pour montage en surface (SMD) qui économisent de l'espace sur les cartes dans l'électronique moderne. Il y a également une intégration de circuits supplémentaires, tels que des déclencheurs de Schmitt intégrés pour l'hystérésis et une sortie numérique propre, ou même des solutions entièrement intégrées avec un pilote IR modulé et un circuit détecteur synchronisé sur une seule puce pour un rejet supérieur de la lumière ambiante. De plus, les progrès dans les matériaux et l'emballage étendent les plages de température de fonctionnement et améliorent la fiabilité à long terme pour les applications automobiles et industrielles. Bien que des technologies plus récentes comme les capteurs de temps de vol (ToF) offrent la mesure de distance, le rôle du photo-interrupteur de base pour la détection de présence binaire simple dans les applications sensibles au coût reste solidement établi.