Scheda Tecnica del Sensore Ottico Riflettente ITR8307/L24/TR8 - Senza Piombo, Conforme RoHS e REACH - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'ITR8307/L24/TR8 è un interruttore ottico riflettente compatto a montaggio superficiale, progettato per applicazioni di rilevamento a corta distanza. Integra un trasmettitore a diodo emettitore di luce (LED) infrarosso (IR) in GaAs e un ricevitore a fototransistor al silicio NPN ad alta sensibilità all'interno di un unico package plastico affiancato. Questa configurazione gli consente di rilevare la presenza o l'assenza di una superficie riflettente misurando l'intensità della luce IR riflessa sul ricevitore.

Il dispositivo è caratterizzato da un tempo di risposta rapido, un'elevata sensibilità alla luce infrarossa e una risposta spettrale che taglia le lunghezze d'onda visibili, rendendolo immune alle interferenze della luce ambientale visibile. È prodotto senza piombo (Pb-free), conforme alle direttive UE RoHS e REACH e soddisfa i requisiti alogeni-free (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm).

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

I vantaggi principali di questo sensore includono il suo profilo sottile, l'ingombro compatto e la rapida risposta ottica, elementi critici per applicazioni ad alta velocità e con spazio limitato. Il suo design lo rende adatto a vari dispositivi elettronici di consumo e apparecchiature controllate da microcomputer dove è richiesto un rilevamento oggetti affidabile e senza contatto.

Le applicazioni tipiche di riferimento includono il rilevamento di posizione in dispositivi come fotocamere digitali (per il rilevamento dell'obiettivo o del coperchio), videoregistratori (VCR), unità floppy disk, registratori a cassetta e altri sistemi di controllo automatizzati.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo non deve essere operato oltre questi limiti per prevenire danni permanenti. I valori chiave includono una dissipazione di potenza in ingresso (LED) di 75 mW a 25°C in aria libera, una corrente diretta massima (IF) di 50 mA e una corrente diretta di picco (IFP) di 1 A per impulsi ≤100μs con un duty cycle dell'1%. Per l'uscita (fototransistor), la dissipazione di potenza massima del collettore è di 75 mW, la corrente di collettore (IC) è di 50 mA e la tensione collettore-emettitore (BV_CEO) è di 30 V. L'intervallo di temperatura operativa va da -40°C a +85°C.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri sono specificati a una temperatura ambiente (T_a) di 25°C e definiscono le prestazioni del dispositivo in condizioni operative normali.

2.2.1 Caratteristiche dell'Ingresso (LED IR)

• Tensione Diretta (V_F):Tipicamente 1,2 V a una corrente diretta (I_F) di 20 mA, con un massimo di 1,6 V. Questo è cruciale per progettare il circuito di pilotaggio del LED.
• Lunghezza d'Onda di Picco (λ_P):940 nm, posizionando la sua emissione saldamente nello spettro del vicino infrarosso.

2.2.2 Caratteristiche dell'Uscita (Fototransistor)

• Corrente di Buio (I_CEO):La corrente di dispersione quando non incide luce, con un massimo di 100 nA a V_CE=10V. Un valore più basso indica una migliore prestazione nello stato di OFF.
• Corrente di Luce (I_C(ON)):La corrente di collettore quando il LED è attivo e la luce viene riflessa sul ricevitore. Ha un ampio intervallo da 0,5 mA a 15,0 mA in condizioni di test di V_CE=2V e I_F=4mA. Questo parametro dipende fortemente dalla riflettività e dalla distanza dell'oggetto target.
• Tempo di Salita/Discesa (t_r, t_f):Tipicamente 20 μsec ciascuno, definisce la velocità di commutazione del sensore.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diversi grafici che illustrano la relazione tra parametri chiave in condizioni variabili. Questi sono essenziali per comprendere il comportamento nel mondo reale oltre il tipico punto a 25°C.

3.1 Caratteristiche del LED IR

Le curve mostrano come la corrente diretta varia con la temperatura ambiente e la tensione diretta. La tensione diretta ha un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che diminuisce all'aumentare della temperatura. La curva di distribuzione spettrale conferma l'emissione di picco a 940 nm, con la lunghezza d'onda di picco stessa che si sposta leggermente con la temperatura.

3.2 Caratteristiche del Fototransistor

Le curve importanti includono Corrente di Buio del Collettore vs. Temperatura Ambiente (che aumenta esponenzialmente con la temperatura), Corrente del Collettore vs. Irradianza (che mostra la risposta del fototransistor all'intensità luminosa) e Corrente del Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore. La curva di sensibilità spettrale mostra che il ricevitore è più sensibile alla luce infrarossa intorno agli 800-900 nm, ben abbinata all'uscita a 940 nm del LED.

3.3 Caratteristiche del Sensore Completo (ITR)

Questi grafici modellano il comportamento del sensore in una configurazione riflettente pratica. LaCorrente di Collettore Relativa vs. Distanzaè critica per il design del sistema, mostrando come il segnale di uscita decade all'aumentare del gap tra il sensore e una superficie riflettente (come vetro evaporato all'alluminio). Un'altra curva mostra la variazione dell'uscita mentre una scheda si muove attraverso il campo visivo del sensore, utile per il rilevamento di bordi o fessure. Il grafico Tempo di Risposta vs. Resistenza di Carico aiuta nella selezione di una resistenza di pull-up appropriata per ottimizzare la velocità.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo è fornito in un package compatto a montaggio superficiale. La scheda tecnica fornisce disegni dimensionali dettagliati con misure critiche come lunghezza totale, larghezza, altezza, passo dei terminali e dimensioni dei pad. Tutte le tolleranze sono tipicamente ±0,1 mm salvo diversa specifica. Gli ingegneri devono fare riferimento a questi disegni esatti per il design dell'impronta PCB per garantire una corretta saldatura e allineamento meccanico.

4.2 Identificazione della Polarità

Il package include marcature o una forma specifica per indicare il pin 1. L'orientamento corretto durante l'assemblaggio è vitale, poiché un collegamento inverso può danneggiare il dispositivo. Il pinout identifica l'anodo e il catodo del LED IR e il collettore e l'emettitore del fototransistor.

5. Linee Guida per Saldatura, Assemblaggio e Conservazione

5.1 Sensibilità all'Umidità e Conservazione

Il dispositivo è classificato Livello di Sensibilità all'Umidità (MSL) 4. Le istruzioni chiave di manipolazione includono:

• Durata di conservazione nella busta barriera all'umidità originale sigillata: 12 mesi a <40°C e <90% UR.
• Dopo l'apertura della busta, i dispositivi devono essere montati entro 72 ore se conservati in condizioni di fabbrica (<30°C/60%UR), o conservati in un ambiente secco (<20% UR).
• Se la scheda indicatrice di umidità (HIC) supera il 20% UR, è necessaria la cottura (baking) prima della saldatura a rifusione (es. 24 ore a 125°C).

5.2 Condizioni di Saldatura a Rifusione

Viene fornito un profilo di temperatura di rifusione consigliato per saldatura senza piombo. Le precauzioni chiave includono:

• Limitare la saldatura a rifusione a un massimo di due cicli.
• Evitare stress meccanici sul package durante il riscaldamento.
• Prevenire l'incurvamento del PCB dopo la saldatura.

5.3 Riparazione

La riparazione dopo la saldatura è sconsigliata. Se inevitabile, dovrebbe essere utilizzato un saldatore a doppia testa per riscaldare simultaneamente entrambi i lati del componente, minimizzando lo stress termico. Il potenziale impatto sulle caratteristiche del dispositivo deve essere valutato preventivamente.

6. Informazioni su Imballo e Ordine

6.1 Specifiche di Imballo

Il flusso di imballo standard è: 1000 pezzi per bobina, 15 bobine per scatola e 2 scatole per cartone.

6.2 Dimensioni del Nastro e della Bobina

Vengono forniti disegni dettagliati per il nastro portacomponenti (dimensioni della tasca, passo) e per la bobina (diametro, dimensione del mozzo) per l'uso nella programmazione delle macchine pick-and-place automatizzate.

6.3 Specifiche dell'Etichetta

Le etichette di imballaggio includono campi per il Numero Parte Cliente (CPN), il Numero Prodotto (P/N), la Quantità (QTY) e il Numero di Lotto (LOT No.), tra gli altri, per la tracciabilità.

7. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progetto

7.1 Circuiti Applicativi Tipici

Un circuito applicativo di base prevede il collegamento di una resistenza limitatrice di corrente in serie con l'anodo del LED IR. Il fototransistor è tipicamente collegato con il collettore a una resistenza di pull-up (V_CC) e l'emettitore a massa. La tensione al nodo del collettore funge da segnale di uscita digitale o analogico. Il valore della resistenza di pull-up (R_L) influisce sia sull'escursione della tensione di uscita che sul tempo di risposta, come mostrato nelle curve della scheda tecnica.

7.2 Considerazioni di Progetto

• Riflettività dell'Oggetto:L'uscita del sensore (I_C(ON)) è direttamente proporzionale alla riflettività della superficie target. Materiali altamente riflettenti (es. plastica bianca, metallo) forniscono un segnale forte, mentre materiali scuri o assorbenti potrebbero non farlo.
• Distanza e Allineamento:La distanza di rilevamento è breve (tipicamente pochi millimetri). Un preciso allineamento meccanico tra il sensore e il percorso del target è critico per un funzionamento costante.
• Immunità alla Luce Ambiente:Sebbene la sensibilità spettrale del ricevitore tagli la luce visibile, forti sorgenti infrarosse ambientali (es. luce solare, lampade a incandescenza) possono causare interferenze. In tali ambienti possono essere necessarie schermature ottiche o tecniche di modulazione/demodulazione.
• Rumore Elettrico:In ambienti rumorosi, sono consigliati condensatori di bypass vicino al dispositivo e un'attenta disposizione del PCB.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

Rispetto a fototransistor o fotodiodi più semplici, l'ITR8307 integra sia emettitore che ricevitore, semplificando il design ottico e l'allineamento. Rispetto ai sensori trasmissivi (che richiedono che un oggetto interrompa un fascio tra componenti separati), i sensori riflettenti consentono un design meccanico più semplice con il rilevamento su un lato dell'oggetto. I suoi fattori di differenziazione chiave sono il package SMD compatto, la conformità alle moderne normative ambientali (senza piombo, alogeni-free) e le prestazioni ben documentate su tutta la gamma di temperatura.

9. Domande Frequenti (FAQ) Basate sui Parametri Tecnici

D: Qual è la distanza di rilevamento tipica?

R: La distanza non è una specifica fissa ma dipende dalla riflettività del target e dalla corrente di uscita richiesta. Il grafico "Corrente di Collettore Relativa vs. Distanza" mostra che il segnale decade significativamente oltre 1-2 mm per una superficie riflettente standard. Progettare per la distanza affidabile più breve.

D: Posso pilotare il LED direttamente con una sorgente di tensione?

R: No. Un LED è un dispositivo pilotato in corrente. È necessario utilizzare una resistenza limitatrice di corrente in serie per impostare la corrente diretta (I_F) al valore desiderato (es. 20 mA) in base alla tensione di alimentazione (V_CC) e alla tensione diretta del LED (V_F≈ 1,2V). R_limit= (V_CC- V_F) / I_F.

D: Perché c'è un intervallo così ampio per la Corrente di Luce (da 0,5 a 15,0 mA)?

R: Questo intervallo tiene conto delle normali variazioni di produzione sia nella potenza di uscita del LED che nella sensibilità del fototransistor. Sottolinea anche la forte dipendenza di questo parametro dal target riflettente specifico e dalla distanza nell'applicazione. I progetti di circuito devono adattarsi a questo intervallo, spesso utilizzando un comparatore con una soglia regolabile piuttosto che affidarsi a un valore di corrente assoluto.

D: Come interpreto la classificazione MSL 4?

R: MSL 4 significa che il package può assorbire livelli dannosi di umidità dall'aria dopo 72 ore di esposizione alle condizioni standard del pavimento di fabbrica. Per evitare il "popcorning" o la delaminazione durante il processo di rifusione ad alta temperatura, è necessario seguire le rigide linee guida di conservazione, manipolazione e cottura (baking) delineate nella Sezione 5.1.

10. Esempio Applicativo Pratico

Scenario: Rilevamento Carta in una Stampante.

Il sensore può essere montato vicino al percorso di alimentazione della carta. Una striscia riflettente è posizionata su un rullo o su una superficie fissa opposta alla posizione del sensore. Quando la carta non è presente, la luce IR si riflette dalla striscia sul ricevitore, generando un'uscita alta (logica HIGH). Quando un foglio di carta passa tra il sensore e la striscia, blocca o riduce significativamente la luce riflessa, causando il calo dell'uscita (logica LOW). Questa transizione può essere rilevata da un microcontrollore per confermare la presenza della carta, rilevare inceppamenti o contare le pagine. Il tempo di risposta rapido (20 μs) consente il rilevamento anche ad alte velocità di alimentazione della carta.

11. Principio di Funzionamento

Il dispositivo opera sul principio della riflessione della luce modulata. Il LED IR interno emette un fascio di luce infrarossa a 940 nm. Questa luce viaggia verso l'esterno dal package. Se un oggetto riflettente è a breve distanza e nel campo visivo sia del LED che del fototransistor, una parte della luce emessa verrà riflessa indietro. Il fototransistor NPN agisce come una sorgente di corrente controllata dalla luce. Quando i fotoni infrarossi riflessi colpiscono la sua regione di base, generano coppie elettrone-lacuna, creando effettivamente una corrente di base. Questa corrente di base viene amplificata dal guadagno del transistor, risultando in una corrente di collettore molto più grande (I_C). L'ampiezza di questa corrente di collettore è proporzionale all'intensità della luce riflessa, che a sua volta dipende dalla distanza e dalla riflettività dell'oggetto target. Monitorando I_C(o la tensione ai capi di una resistenza di carico), il sistema può determinare la presenza o la prossimità dell'oggetto.

12. Tendenze Tecnologiche

Sensori ottici riflettenti come l'ITR8307 rappresentano una tecnologia matura e affidabile per il rilevamento di oggetti a corto raggio e a basso costo. Le tendenze attuali nel settore includono un'ulteriore miniaturizzazione dei package per adattarsi a dispositivi di consumo sempre più piccoli, l'integrazione di circuiti di condizionamento del segnale (amplificatori, trigger di Schmitt, interfacce digitali) all'interno dello stesso package per semplificare il design del sistema e migliorare l'immunità al rumore, e lo sviluppo di sensori con consumi ancora più bassi per dispositivi IoT alimentati a batteria. C'è anche una spinta continua verso una maggiore sensibilità e un migliore rigetto della luce ambiente attraverso design ottici e tecniche di filtraggio migliorati.