Scheda Tecnica Sensore Ottico LTR-X130P - Sensore Integrato di Prossimità e Luce Ambientale - Interfaccia I2C - 1.7V a 3.6V - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTR-X130P è un sensore ottico altamente integrato e a bassa tensione che combina le funzionalità di rilevamento di prossimità (PS) e di misurazione della luce ambientale (ALS) all'interno di un unico, minuscolo package ChipLED a montaggio superficiale e senza piombo. La sua filosofia di progettazione si concentra sull'abilitazione di rilevamento sofisticato di oggetti e misurazione della luce in applicazioni alimentate a batteria e con vincoli di spazio.

Il vantaggio principale del sensore risiede nella sua integrazione a livello di sistema. Include un emettitore a infrarossi (LED) integrato, fotodiodi per luce visibile e infrarossa, convertitori analogico-digitali (ADC), un controller di interrupt programmabile e una completa interfaccia digitale I2C. Questa integrazione riduce significativamente il numero di componenti esterni e semplifica il layout del PCB. Una caratteristica di prestazione chiave è l'eccellente soppressione della luce ambientale, capace di operare accuratamente in condizioni di luce solare diretta fino a 100.000 lux, rendendolo adatto per ambienti esterni o interni molto illuminati. La funzione di interrupt programmabile consente al microcontrollore host di entrare in modalità di sospensione a basso consumo, risvegliandosi solo quando vengono superate specifiche soglie di prossimità, ottimizzando così l'efficienza energetica complessiva del sistema—un fattore critico per dispositivi mobili e portatili.

Il mercato target comprende un'ampia gamma di dispositivi elettronici di consumo e informatici. Le sue applicazioni principali includono la regolazione automatica della retroilluminazione e il controllo della luminosità del display in smartphone, tablet, laptop e monitor, dove migliora l'esperienza utente e risparmia energia. Inoltre, la sua capacità di rilevamento oggetti fino a 10 cm è utilizzata per funzionalità come il controllo gestuale senza contatto, il rilevamento di presenza (es. spegnere il display quando l'utente si allontana) e l'evitamento semplice di ostacoli in vari dispositivi.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Specifiche Elettriche e Ottiche

Tutte le specifiche sono tipicamente misurate a VDD = 2.8V e una temperatura di funzionamento (T_ope) di 25°C, salvo diversa indicazione.

Caratteristiche di Alimentazione:
Il sensore opera con un ampio intervallo di tensione di alimentazione da 1.7V a 3.6V, compatibile con le uscite delle batterie comuni e i rail di alimentazione regolati. La corrente di alimentazione tipica durante la misurazione attiva è di 95 µA al massimo duty cycle. Una caratteristica significativa per il risparmio energetico è la modalità standby (spegnimento), che assorbe appena 1 µA. Il tempo di risveglio da questa modalità standby alla prontezza di misurazione attiva è tipicamente di 10 ms, consentendo una risposta rapida mantenendo un consumo energetico medio molto basso.

Caratteristiche del Sensore di Prossimità (PS):
La funzione PS è altamente configurabile. La risoluzione effettiva è selezionabile tra 8, 9, 10 e 11 bit, permettendo ai progettisti di bilanciare precisione di misura e velocità di conversione. L'emettitore IR integrato opera a una lunghezza d'onda di picco di 940 nm. La corrente di pilotaggio del LED è programmabile a step: 2.5, 5, 10, 25, 50, 75, 100 e 125 mA, consentendo di regolare la portata di rilevamento e il consumo energetico. Il LED emette impulsi a una frequenza da 60 kHz a 100 kHz con un duty cycle del 50%. Il numero di impulsi per ciclo di misura è configurabile da 1 a 255, influenzando direttamente il tempo di integrazione e la sensibilità. In condizioni tipiche (32 impulsi, 60 kHz, 100 mA di pilotaggio, target cartoncino grigio al 18%), il sensore può rilevare oggetti a una distanza fino a 10 cm. Il suo rifiuto della luce ambientale è specificato fino a 100 klux di luce solare diretta.

2.2 Valori Massimi Assoluti e Condizioni di Funzionamento

Valori Massimi Assoluti:Questi sono limiti di stress che non devono essere superati, nemmeno momentaneamente, per prevenire danni permanenti. La tensione di alimentazione (VDD) non deve superare 4.0V. I pin I/O digitali (SCL, SDA, INT) e il pin LDR hanno un intervallo di tensione da -0.5V a +4.0V. Il dispositivo può essere conservato a temperature comprese tra -40°C e +100°C.

Condizioni Operative Raccomandate:Queste definiscono l'ambiente operativo normale per prestazioni affidabili. VDD dovrebbe essere mantenuta tra 1.7V e 3.6V. L'alimentazione dell'anodo del LED (VLED) richiede una sorgente separata da 3.0V a 4.5V. L'interfaccia I2C riconosce un livello logico alto (V_I2Chigh) a ≥1.5V e un livello logico basso (V_I2Clow) a ≤0.4V. L'intero intervallo di temperatura operativa è da -40°C a +85°C, garantendo la funzionalità in ambienti ostili.

2.3 Caratteristiche Elettriche in AC (Interfaccia I2C)

Il sensore supporta la comunicazione I2C sia in modalità Standard (100 kHz) che Fast (400 kHz). I parametri temporali chiave includono: frequenza clock SCL (f_SCL) da 0 a 400 kHz, tempo di bus libero (t_BUF) minimo di 1.3 µs, periodo basso SCL (t_LOW) minimo di 1.3 µs, periodo alto SCL (t_HIGH) minimo di 0.6 µs, e tempo di setup dati (t_SU:DAT) minimo di 100 ns. I tempi di salita e discesa per i segnali SDA e SCL devono essere inferiori a 300 ns. Un filtro di ingresso sopprime disturbi più brevi di 50 ns.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce grafici di prestazione tipici essenziali per la progettazione.

Conteggio PS vs. Distanza:Questa curva illustra la relazione tra l'output digitale grezzo (conteggio PS) del sensore e la distanza da un cartoncino grigio standard con riflettanza del 18%. La curva è tipicamente non lineare, mostrando un rapido aumento del conteggio quando la distanza diminuisce molto vicino al sensore, seguita da un declino più graduale all'aumentare della distanza. Questo grafico è cruciale per calibrare il sensore e impostare appropriate soglie di interrupt per specifici intervalli di rilevamento in un'applicazione.

Risposta Angolare dell'Emettitore:Questo diagramma raffigura il diagramma di radiazione spaziale del LED a infrarossi integrato. Mostra l'intensità della luce IR emessa in funzione dell'angolo dall'asse centrale (solitamente un grafico polare). Un diagramma tipico per questo package potrebbe mostrare una distribuzione ampia, simile a Lambertiana. Comprendere questo diagramma è vitale per il design meccanico, poiché influenza il campo visivo effettivo e la zona di rilevamento del sensore di prossimità. Un corretto allineamento di qualsiasi finestra di copertura o lente con questo diagramma è necessario per raggiungere la portata specificata di 10 cm.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

Il LTR-X130P è contenuto in un package ChipLED a montaggio superficiale a 8 pin. Le dimensioni di contorno sono fornite nella scheda tecnica con tutte le misure in millimetri. La tolleranza dimensionale per caratteristiche non specificate è di ±0.2 mm. Il package è progettato per i processi standard di saldatura a rifusione e pick-and-place automatizzati comuni nella produzione elettronica di alto volume.

5. Linee Guida per la Saldatura e l'Assemblaggio

Sebbene profili di rifusione specifici non siano dettagliati nell'estratto fornito, il dispositivo è destinato all'assemblaggio standard con tecnologia a montaggio superficiale (SMT). Si raccomanda di seguire le linee guida JEDEC J-STD-020 per i profili di saldatura a rifusione senza piombo. Il livello di sensibilità all'umidità (MSL) dovrebbe essere confermato dalla specifica completa del package. I dispositivi sono tipicamente forniti in una busta asciutta con essiccante e dovrebbero essere sottoposti a baking secondo le procedure standard se la scheda indicatrice di umidità della busta mostra un'eccessiva esposizione all'umidità prima dell'uso.

6. Informazioni su Confezionamento e Ordinazione

Il confezionamento standard per il LTR-X130P è Tape and Reel, compatibile con le apparecchiature di assemblaggio automatizzato. Ogni bobina contiene 8000 unità. Il numero di parte è LTR-X130P.

7. Raccomandazioni per il Design dell'Applicazione

7.1 Circuito Applicativo Tipico

Il circuito applicativo raccomandato evidenzia considerazioni critiche di design. Un requisito fondamentale è la separazione dell'alimentazione digitale (VDD, 1.7-3.6V) e dell'alimentazione dell'anodo del LED (VLED, 3.0-4.5V). Questa separazione è obbligatoria per garantire una corrente di pilotaggio del LED stabile e prevenire che il rumore degli impulsi del LED si accoppi ai rail di alimentazione analogici e digitali sensibili. Il circuito include resistenze di pull-up (Rp1, Rp2, Rp3) sulle linee SDA, SCL e INT. Il loro valore (da 1 kΩ a 10 kΩ) dovrebbe essere selezionato in base alla capacità totale del bus e al tempo di salita desiderato per soddisfare le specifiche I2C. I condensatori di disaccoppiamento sono essenziali: un condensatore ceramico da 1 µF ±20% X7R/X5R (C1) dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile al pin VDD, ed è raccomandato anche un condensatore da 0.1 µF (C2). Un condensatore simile da 1 µF (C3) è utilizzato sulla linea VLED.

7.2 Configurazione e Funzione dei Pin

• Pin 1 (SDA):Linea dati seriale I2C (bidirezionale).
• Pin 2 (INT):Output di interrupt attivo basso. Si attiva quando si verifica un evento di prossimità programmabile.
• Pin 3 (LDR):Collegato al catodo del LED. Quando si utilizza il driver interno, questo pin è collegato al Pin 4 (LEDK).
• Pin 4 (LEDK):Collegamento catodo LED.
• Pin 5 (LEDA):Collegamento anodo LED. Deve essere alimentato dal rail separato VLED (3.0-4.5V).
• Pin 6 (GND):Massa del sistema.
• Pin 7 (SCL):Ingresso clock seriale I2C.
• Pin 8 (VDD):Ingresso alimentazione digitale (1.7-3.6V).

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

Il LTR-X130P si differenzia grazie all'alta integrazione e alle prestazioni robuste in condizioni difficili. Rispetto a soluzioni discrete (LED IR, fotodiodo e IC di condizionamento del segnale separati), offre un ingombro notevolmente ridotto, un processo di design-in semplificato e una distinta dei materiali (BOM) ridotta. Rispetto ad altri sensori di prossimità integrati, i suoi vantaggi chiave includono l'elevatissima immunità alla luce ambientale di 100 klux, superiore a molti concorrenti, e le impostazioni flessibili e programmabili della corrente del LED e del numero di impulsi che consentono la messa a punto per specifici requisiti di portata, potenza e tempo di risposta. La taratura in fabbrica garantisce una variazione minima tra unità, migliorando la resa produttiva e la coerenza nei prodotti finali.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Perché VDD e VLED devono essere rail di alimentazione separati?
R: Gli impulsi del LED possono assorbire una corrente significativa (fino a 125 mA). Condividere un rail di alimentazione causerebbe grandi cadute di tensione o rumore sulla linea VDD, che potrebbero destabilizzare il front-end analogico sensibile e la logica digitale del sensore, portando a letture inaccurate o eventi di reset. Rail separati isolano questo rumore.

D: Come posso aumentare la portata di rilevamento oltre i 10 cm?
R: La portata è influenzata dalla corrente del LED, dal numero di impulsi e dalla riflettanza del target. Per aumentare la portata, è possibile programmare una corrente del LED più alta (fino a 125 mA) e/o aumentare il numero di impulsi per misurazione (fino a 255). Nota che questo aumenterà il consumo energetico per ciclo di misura.

D: Come aiuta la funzione di interrupt a risparmiare energia?
R: Invece che il microcontrollore host interroghi costantemente il sensore per le letture (mantenendo attivi il bus I2C e la CPU), il sensore può essere configurato con soglie di prossimità superiore e inferiore. L'host mette il sensore e se stesso in modalità a basso consumo. Solo quando un oggetto entra o lascia la zona di prossimità definita, il sensore attiva la linea INT, risvegliando l'host per intraprendere un'azione. Questo minimizza l'attività del sistema.

D: Qual è lo scopo della funzione di cancellazione del crosstalk?
R: In un package compatto, parte della luce IR dall'emettitore interno può fuoriuscire direttamente o riflettersi internamente sul fotodiodo senza colpire un oggetto esterno. Questo crea un offset permanente o un segnale di "crosstalk". Il sensore include circuiti per misurare e sottrarre digitalmente questo offset, assicurando che il conteggio di prossimità rappresenti veramente la luce riflessa da un oggetto esterno.

10. Casi di Studio di Design e Utilizzo

Caso di Studio 1: Gestione Display Smartphone:In uno smartphone, il LTR-X130P è posizionato vicino all'auricolare. Quando l'utente avvicina il telefono all'orecchio durante una chiamata, il sensore rileva la prossimità della testa (entro ~2-5 cm). Attiva un interrupt al processore dell'applicazione, che poi spegne il touchscreen del display per prevenire tocchi accidentali della guancia e attenua la retroilluminazione per risparmiare energia. Quando il telefono viene allontanato, il display viene ripristinato.

Caso di Studio 2: Rilevamento Presenza Chiosco Interattivo:Un chiosco informativo pubblico utilizza il sensore per rilevare quando una persona si avvicina entro 50 cm. Al rilevamento, si risveglia da uno stato di sospensione a basso consumo, attiva il display e mostra un loop attrattivo. Se nessuno viene rilevato per un periodo impostato, ritorna in sospensione, riducendo significativamente il consumo energetico rispetto a un funzionamento 24/7.

11. Principi di Funzionamento

Il LTR-X130P opera sul principio del rilevamento di prossimità a infrarossi attivo e della misurazione fotometrica della luce ambientale. Per la misurazione di prossimità, il microcontrollore interno attiva il LED IR integrato per emettere una serie di impulsi modulati a 940 nm. Qualsiasi oggetto di fronte al sensore riflette una porzione di questa luce. Il fotodiodo dedicato sensibile agli IR converte l'intensità della luce riflessa in una piccola fotocorrente. Questa corrente viene integrata e convertita in un valore digitale da un ADC ad alta risoluzione. La forza di questo valore digitale (conteggio PS) è proporzionale alla riflettività e alla prossimità dell'oggetto. Il sensore misura simultaneamente la luce ambientale utilizzando un fotodiodo separato per la luce visibile, la cui uscita viene elaborata per sottrarre la componente IR ambientale dal segnale di prossimità, migliorando l'accuratezza.

La comunicazione I2C segue protocolli standard. Il dispositivo ha un indirizzo slave a 7 bit fisso di 0x53. Il controller master utilizza questo indirizzo per scrivere nei registri di configurazione (es. impostare corrente LED, numero di impulsi, soglie di interrupt) e per leggere i dati di prossimità e luce ambientale. I protocolli di lettura e scrittura, inclusi scritture singole, scritture sequenziali e letture in formato combinato (START ripetuto), sono implementati secondo la specifica I2C.

12. Tendenze Tecnologiche

L'evoluzione di sensori come il LTR-X130P segue diverse chiare tendenze del settore. C'è una spinta continua verso una maggiore integrazione, combinando più funzioni (es. rilevamento colore, riconoscimento gestuale) in package singoli riducendo l'ingombro. L'efficienza energetica rimane fondamentale, spingendo verso correnti attive e di standby più basse e schemi di risveglio più intelligenti. Le prestazioni in ambienti estremi stanno migliorando, con una migliore immunità alla luce solare e intervalli di temperatura più ampi. Inoltre, c'è una tendenza verso sensori "più intelligenti" con algoritmi integrati che forniscono dati di livello superiore, pre-elaborati (es. flag "oggetto presente/assente" invece di conteggi grezzi) per scaricare l'elaborazione dal processore dell'applicazione principale e semplificare lo sviluppo software.