Fiche technique LTH-872-T55T1 Photo-interrupteur - Interrupteur optique à fente - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTH-872-T55T1 est un photo-interrupteur à fente, un composant optoélectronique fondamental conçu pour les applications de détection sans contact. Il intègre une diode électroluminescente infrarouge (DEL) et un phototransistor dans un seul boîtier, séparés par un espace ou une fente physique. Le principe de fonctionnement central implique l'interruption du faisceau lumineux infrarouge voyageant de l'émetteur au détecteur. Lorsqu'un objet opaque traverse cette fente, il bloque la lumière, provoquant un changement significatif du courant de sortie du phototransistor. Ce changement est détecté électroniquement, fournissant un signal de commutation numérique fiable. Les photo-interrupteurs sont appréciés pour leur haute fiabilité, leur précision et leur immunité aux facteurs environnementaux comme la poussière ou la contamination de surface par rapport aux interrupteurs mécaniques.

Avantages principaux :Les principaux avantages de ce dispositif incluent une commutation véritablement sans contact, ce qui élimine l'usure mécanique et garantit une longue durée de vie opérationnelle. Il offre des temps de réponse rapides, permettant la détection d'événements à haute vitesse. Sa conception convient au montage direct sur PCB ou à l'utilisation avec une prise double en ligne, offrant une flexibilité d'assemblage. Sa construction offre une protection inhérente contre les interférences de la lumière ambiante.

Marché cible et applications :Ce composant est largement utilisé dans divers équipements d'automatisation de bureau et d'électronique grand public. Les scénarios d'application typiques incluent la détection de papier dans les télécopieurs, imprimantes et photocopieurs, où il détecte la présence ou l'absence de papier, les bourrages papier, ou la position des têtes d'impression et des chariots. On le trouve également dans les scanners, les distributeurs automatiques, l'automatisation industrielle pour la détection de position, et tout appareil nécessitant une détection d'objet précise et fiable sans contact physique.

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 à ou sous ces limites n'est pas garanti.

• DEL d'entrée :
  • Puissance dissipée (P_D) :75 mW. C'est la puissance maximale que la puce de la DEL peut dissiper sous forme de chaleur à une température ambiante (T_A) de 25°C. Dépasser cette valeur peut entraîner un emballement thermique et une défaillance.
  • Courant direct continu (I_F) :50 mA. Le courant continu maximal qui peut traverser la DEL en continu.
  • Courant direct de crête :1 A (largeur d'impulsion = 10 µs, 300 pps). Cette valeur permet de brèves impulsions à courant élevé, utiles pour piloter la DEL avec une puissance optique instantanée plus élevée sans dépasser la puissance moyenne nominale.
  • Tension inverse (V_R) :5 V. La tension de polarisation inverse maximale qui peut être appliquée aux bornes de la DEL. La dépasser peut provoquer un claquage de la jonction.
• Phototransistor de sortie :
  • Puissance dissipée (P_D) :100 mW.
  • Tension collecteur-émetteur (V_CEO) :30 V. La tension maximale qui peut être appliquée entre le collecteur et l'émetteur lorsque la base (entrée lumineuse) est ouverte.
  • Courant collecteur (I_C) :20 mA. Le courant maximal qui peut circuler dans le chemin collecteur-émetteur.
• Limites thermiques :
  • Plage de température de fonctionnement :-25°C à +85°C. La plage de température ambiante dans laquelle le dispositif est spécifié pour fonctionner correctement.
  • Plage de température de stockage :-55°C à +100°C.
  • Température de soudure des broches :260°C pendant 5 secondes (à 1,6 mm du corps du boîtier). Cela définit la contrainte du profil de soudure par refusion pour éviter d'endommager le boîtier plastique et les connexions internes.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

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

• Caractéristiques de la DEL d'entrée :
  • Tension directe (V_F) :Typiquement 1,2V, avec un maximum de 1,6V à I_F= 20 mA. Ce paramètre est crucial pour concevoir la résistance de limitation de courant pour le circuit de pilotage de la DEL. Une conception typique viserait I_F=20mA, en utilisant V_F~1,2V pour le calcul.
  • Courant inverse (I_R) :Maximum 100 µA à V_R= 5V. Cela indique la qualité de la jonction PN de la DEL sous polarisation inverse.
• Caractéristiques du phototransistor de sortie :
  • Tension de claquage collecteur-émetteur (V_(BR)CEO) :Minimum 30V à I_C=1mA. Cela assure une bonne marge de sécurité pour les circuits logiques typiques 5V ou 12V.
  • Courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO) :Maximum 100 nA à V_CE=10V. C'est le courant de fuite lorsque la DEL est éteinte (pas de lumière). Une valeur faible est essentielle pour un état "OFF" bien défini, surtout dans les circuits à gain élevé.
• Caractéristiques du coupleur (système) :
  • Courant collecteur à l'état passant (I_C(ON)) :Minimum 0,5 mA lorsque V_CE= 5V et I_F= 20 mA. C'est le paramètre de sensibilité clé. Il définit le courant de sortie minimum lorsque la fente est dégagée. Les concepteurs doivent s'assurer que la résistance de charge (R_L) est choisie de sorte que ce courant produise une excursion de tension utilisable.
  • Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(SAT)) :Maximum 0,4V à I_C= 0,25mA et I_F= 20mA. Cette faible tension de saturation indique de bonnes performances lorsque le phototransistor est saturé (complètement ON), lui permettant de tirer une ligne très près de la masse.
  • Temps de réponse :
    • Temps de montée (T_r) :Typiquement 3 µs, maximum 15 µs.
    • Temps de descente (T_f) :Typiquement 4 µs, maximum 20 µs.
    Mesuré sous V_CC=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω. Ces temps limitent la fréquence de commutation maximale. Les temps asymétriques sont courants dans les phototransistors. Pour une conception conservatrice, supposons une fréquence maximale de 1/(T_r+T_f) ~ 1/40µs = 25 kHz.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fait référence à des courbes de performance typiques. Bien que les graphiques spécifiques ne soient pas fournis dans le texte, leurs interprétations standard sont les suivantes :

• Courant direct vs Tension directe (I_F-V_F) :Cette courbe montre la relation exponentielle typique d'une diode. Elle aide à comprendre la variation de V_Favec la température et le courant.
• Courant collecteur vs Tension collecteur-émetteur (I_C-V_CE) :Pour un courant de DEL donné (I_F), ce graphique montre les caractéristiques de sortie du phototransistor, similaires aux courbes de sortie d'un transistor bipolaire. Il illustre la transition de la région active à la saturation.
• Taux de transfert de courant (CTR) vs Courant direct :Le CTR est le rapport I_C/ I_F(souvent exprimé en pourcentage). C'est un paramètre d'efficacité critique pour le coupleur. La courbe montre généralement que le CTR atteint un pic à un I_Fspécifique et diminue à des courants plus élevés en raison de l'échauffement ou d'autres effets.
• Caractéristiques thermiques :Courbes montrant comment des paramètres comme I_C(ON), V_F, et CTR varient sur la plage de température de fonctionnement (-25°C à +85°C). Le gain du phototransistor diminue généralement avec l'augmentation de la température, ce qui doit être pris en compte dans les conceptions nécessitant une performance stable sur la température.

4. Informations mécaniques et de conditionnement

4.1 Dimensions de contour

Le dispositif présente un boîtier traversant standard avec un corps plastique moulé contenant la fente. Notes dimensionnelles clés de la fiche technique :

• Toutes les dimensions sont fournies en millimètres (mm).
• La tolérance par défaut pour les dimensions non spécifiées est de ±0,25 mm.
• La largeur spécifique de la fente, la hauteur du corps et l'espacement des broches sont définis dans le dessin dimensionnel (non entièrement détaillé dans le texte). Ces informations sont cruciales pour l'intégration mécanique, garantissant que l'objet à détecter passe dans la fente et pour la conception de l'empreinte PCB.

4.2 Identification de polarité et brochage

Pour un fonctionnement correct, l'identification correcte des broches est essentielle. Le boîtier utilise un agencement de broches standard pour les photo-interrupteurs à fente : une paire de broches pour la DEL infrarouge (anode et cathode) et une autre paire pour le phototransistor (collecteur et émetteur). Le dessin de la fiche technique spécifie les numéros de broches. Typiquement, en regardant le dispositif du dessus (côté fente), les broches sont numérotées dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le concepteur doit consulter le dessin pour connecter correctement l'anode, la cathode, le collecteur et l'émetteur.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le respect de ces recommandations est nécessaire pour éviter les dommages pendant le processus de fabrication.

• Soudure par refusion :La valeur maximale absolue spécifie la soudure des broches à 260°C pendant 5 secondes, mesurée à 1,6 mm du corps du boîtier. Cela correspond à un profil de refusion standard pour composants à broches. Le boîtier plastique a une masse thermique limitée, donc une exposition prolongée à des températures élevées doit être évitée pour prévenir la fissuration ou les dommages internes.
• Soudure manuelle :Si une soudure manuelle est nécessaire, utilisez un fer à souder à température contrôlée. Appliquez la chaleur sur la broche, pas sur le corps plastique, et terminez la soudure en 3 à 5 secondes par broche.
• Nettoyage :Utilisez des solvants de nettoyage compatibles avec le matériau plastique du dispositif pour éviter la fissuration sous contrainte ou la dégradation.
• Conditions de stockage :Stockez dans un environnement situé dans la plage de température de stockage spécifiée (-55°C à +100°C) et à faible humidité. Les dispositifs sensibles à l'humidité doivent être conservés dans un emballage sec et scellé jusqu'à leur utilisation.

6. Considérations de conception d'application

6.1 Circuit d'application typique

Un circuit d'interface standard comporte deux parties principales :

1. Pilote de DEL :Une résistance de limitation de courant (R_LIMIT) est connectée en série avec la DEL. Sa valeur est calculée comme R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F. Pour une alimentation 5V, V_F=1,2V, et I_F=20mA, R_LIMIT= (5 - 1,2) / 0,02 = 190Ω. Une résistance de 180Ω ou 200Ω serait appropriée.
2. Sortie du phototransistor :Le phototransistor est généralement connecté comme un interrupteur à émetteur commun. Une résistance de rappel (R_L) est connectée entre le collecteur et l'alimentation positive (V_CC). L'émetteur est connecté à la masse. Lorsque la lumière atteint le transistor (fente dégagée), il s'allume, tirant la tension du collecteur vers le bas (près de V_CE(SAT)). Lorsque la lumière est bloquée, le transistor s'éteint, et la tension du collecteur est tirée vers le haut par R_L. La valeur de R_Ldétermine l'excursion de tension de sortie et la vitesse. Un R_Lplus petit offre une réponse plus rapide mais consomme plus de courant. Utiliser la condition de test R_L=100Ω comme point de départ est courant.

6.2 Défis de conception et solutions

• Immunité à la lumière ambiante :Bien que la conception à fente offre une certaine protection, une lumière ambiante forte (surtout infrarouge) peut affecter le phototransistor. Utiliser un signal de pilotage de DEL modulé et une détection synchrone dans le circuit récepteur peut grandement améliorer l'immunité. Alternativement, s'assurer que la fente est protégée peut aider.
• Compensation thermique :Comme le gain du phototransistor diminue avec la température, le I_C(ON)diminuera. Pour les applications critiques, concevez le circuit pour avoir une marge suffisante à la température de fonctionnement la plus élevée, ou utilisez un comparateur avec un seuil ajustable au lieu d'une simple interface à résistance de rappel.
• Caractéristiques de l'objet :L'objet interrompant le faisceau doit être opaque à la longueur d'onde infrarouge émise (~940nm). Les matériaux fins ou translucides peuvent ne pas être détectés de manière fiable. La taille de l'objet doit être suffisante pour bloquer complètement le faisceau dans la fente.

7. Comparaison et différenciation technique

Comparé à d'autres technologies de détection :

• vs. Micro-interrupteurs mécaniques :Les photo-interrupteurs offrent une fiabilité supérieure (pas de pièces mobiles à user), une réponse plus rapide et un fonctionnement silencieux. Ils sont immunisés contre le rebond de contact.
• vs. Capteurs optiques réfléchissants :Les types à fente sont généralement plus fiables pour la détection de bord ou la détection de position précise car ils sont moins sensibles aux variations de réflectivité ou de couleur de l'objet cible. Le faisceau est soit complètement bloqué, soit dégagé.
• vs. Capteurs à effet Hall :Les capteurs Hall détectent les champs magnétiques, pas l'interruption de la lumière. Ils sont utilisés pour différents phénomènes physiques (par exemple, détecter un aimant). Les photo-interrupteurs sont pour détecter tout objet opaque.
• Au sein des photo-interrupteurs :La différenciation spécifique du LTH-872-T55T1 réside dans sa combinaison de caractéristiques électriques (par exemple, V_CEO=30V, I_C(ON)min=0,5mA), de dimensions de boîtier et de rapport coût-efficacité pour les applications d'automatisation de bureau à grand volume.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

• Q : Quel est le courant de fonctionnement typique pour la DEL ?R : La condition de test standard et un point de fonctionnement courant est I_F= 20 mA. Cela offre un bon équilibre entre puissance optique, consommation et longévité.
• Q : Puis-je piloter la DEL directement depuis une broche de microcontrôleur ?R : La plupart des broches GPIO des microcontrôleurs ne peuvent pas fournir ou absorber 20mA en continu. Il est recommandé d'utiliser un simple circuit de pilotage à transistor ou MOSFET, ou un circuit intégré de pilotage de DEL dédié, pour fournir le courant nécessaire.
• Q : Comment connecter la sortie à une entrée numérique ?R : Le collecteur du phototransistor (avec résistance de rappel) peut être connecté directement à une entrée logique CMOS ou TTL standard. Lorsque la fente est dégagée, l'entrée lira BAS. Lorsqu'elle est bloquée, elle lira HAUT. Assurez-vous que la tension de rappel est compatible avec la famille logique (par exemple, 5V pour la logique 5V, 3,3V pour la logique 3,3V).
• Q : Pourquoi ma sortie ne commute-t-elle pas complètement vers le rail d'alimentation lorsqu'elle est bloquée ?R : Cela est probablement dû au courant d'obscurité (I_CEO) traversant la résistance de rappel. Avec une très grande résistance de rappel (par exemple, 100kΩ), même 100nA de fuite peuvent créer une chute de tension significative. Utilisez une résistance de rappel plus petite (par exemple, 1kΩ à 10kΩ) pour assurer un niveau HAUT solide, en équilibrant la consommation de courant et la vitesse.
• Q : Quelle est la pratique recommandée pour la conception de PCB ?R : Gardez les pistes du pilote de DEL et les pistes de sortie du phototransistor séparées pour minimiser le couplage de bruit. Placez les résistances de limitation et de rappel près du dispositif. Assurez-vous que la zone de la fente sur le PCB est exempte de masque de soudure ou de composants qui pourraient obstruer le chemin du faisceau infrarouge.

9. Principe de fonctionnement

Le photo-interrupteur fonctionne sur le principe du couplage optique direct interrompu par un objet physique. Une DEL 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 sensible à cette longueur d'onde. À l'état dégagé, la lumière infrarouge frappe la région de base du phototransistor, générant des paires électron-trou. Ce photocourant agit comme un courant de base, faisant conduire le transistor et générant un courant collecteur beaucoup plus important (I_C(ON)). Lorsqu'un objet opaque entre dans la fente, il bloque complètement le chemin lumineux. Le photocourant cesse, le courant de base effectif tombe à zéro, et le phototransistor s'éteint, ne laissant circuler qu'un faible courant de fuite (I_CEO). Ce contraste marqué entre les états ON et OFF fournit un signal numérique propre et fiable indiquant la présence ou l'absence de l'objet.

10. Tendances de l'industrie

Le photo-interrupteur reste une technologie mature et largement utilisée en raison de sa simplicité, sa robustesse et son faible coût. Les tendances actuelles de l'industrie se concentrent sur plusieurs domaines :

• Miniaturisation :Développement de tailles de boîtier plus petites (par exemple, dispositifs CMS avec des fentes très étroites) pour s'adapter à l'électronique grand public et aux appareils mobiles de plus en plus compacts.
• Performance améliorée :Amélioration de paramètres tels qu'une vitesse plus élevée pour des machines plus rapides, une consommation d'énergie plus faible pour les appareils à piles et une meilleure stabilité thermique.
• Intégration :Incorporation de circuits supplémentaires dans le boîtier, tels que des déclencheurs de Schmitt pour l'hystérésis, des amplificateurs pour les signaux faibles, ou même des interfaces numériques (I2C), créant des "capteurs intelligents" qui simplifient la conception du système.
• Avancées matérielles :Utilisation de plastiques avancés et de conceptions de lentilles pour améliorer la collimation de la lumière, augmenter l'efficacité du couplage et renforcer la résistance aux facteurs environnementaux comme la haute température et l'humidité.

Malgré l'avènement de technologies plus récentes comme les capteurs de temps de vol (ToF) ou les systèmes de vision, le photo-interrupteur à fente basique continue d'être la solution optimale pour d'innombrables applications de détection de présence simples, fiables et sensibles au coût.