Scheda Tecnica ITR9909 Interruttore Ottico - Package 4.0mm - Lunghezza d'Onda 940nm - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'ITR9909 è un modulo interruttore ottico compatto progettato per applicazioni di rilevamento a contatto zero. Integra un diodo emettitore a infrarossi (IRED) e un fototransistor al silicio NPN all'interno di un unico alloggiamento termoplastico nero. I componenti sono posizionati affiancati su assi ottici convergenti. Il principio di funzionamento fondamentale prevede che il fototransistor riceva normalmente la radiazione dall'emettitore IR co-locato. Quando un oggetto opaco attraversa lo spazio tra di essi, interrompe questo fascio a infrarossi, causando una variazione rilevabile nello stato di uscita del fototransistor, consentendo così il rilevamento di oggetti, la sensibilità di posizione o funzioni di commutazione.

1.1 Caratteristiche e Vantaggi Principali

• Tempo di Risposta Rapido:Consente il rilevamento di oggetti in rapido movimento.
• Alta Sensibilità:Il fototransistor al silicio fornisce una forte risposta elettrica alla luce infrarossa.
• Lunghezza d'Onda Specifica:L'IRED emette a una lunghezza d'onda di picco (λp) di 940nm, invisibile all'occhio umano e utile per mitigare le interferenze della luce ambientale visibile.
• Conformità Ambientale:Il dispositivo è prodotto senza piombo, conforme agli standard RoHS, REACH UE e privo di alogeni (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm).
• Integrazione Compatta:Il package combinato semplifica la progettazione e l'assemblaggio del PCB per applicazioni di sensibilità a fessura.

1.2 Applicazioni Target

L'ITR9909 è adatto per una varietà di applicazioni che richiedono un rilevamento affidabile e a contatto zero:

• Encoder rotativi e sensori di posizione in mouse per computer e fotocopiatrici.
• Rilevamento carta e sensibilità del bordo in scanner e stampanti.
• Rilevamento presenza dischi in unità floppy disk e altri lettori di supporti.
• Commutazione a contatto zero generica.
• Sensibilità a livello di scheda dove è richiesto il montaggio diretto.

2. Specifiche Tecniche e Analisi Approfondita

2.1 Valori Massimi Assoluti

L'utilizzo del dispositivo oltre questi limiti può causare danni permanenti. Tutte le specifiche sono a Ta=25°C salvo diversa indicazione.

• Ingresso (IRED):
  • Dissipazione di Potenza (Pd): 75 mW
  • Tensione Inversa (VR): 5 V
  • Corrente Diretta Continua (IF): 50 mA
  • Corrente Diretta di Picco (IFP): 1 A (Larghezza impulso ≤100μs, Ciclo di lavoro 1%)
• Uscita (Fototransistor):
  • Dissipazione di Potenza del Collettore (Pd): 75 mW
  • Corrente del Collettore (IC): 50 mA
  • Tensione Collettore-Emettitore (BV_CEO): 30 V
  • Tensione Emettitore-Collettore (BV_ECO): 5 V
• Ambientali:
  • Temperatura di Funzionamento (T_opr): -25°C a +85°C
  • Temperatura di Stoccaggio (T_stg): -40°C a +85°C
  • Temperatura di Saldatura dei Terminali (T_sol): 260°C per 5 secondi (1/16 di pollice dal corpo)

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

I parametri di prestazione tipici a Ta=25°C definiscono il comportamento operativo del dispositivo.

• Caratteristiche di Ingresso (IRED):
  • Tensione Diretta (V_F): Tipicamente 1.2V a IF=20mA (Max 1.5V). Aumenta con correnti pulsate più elevate.
  • Lunghezza d'Onda di Picco (λ_P): 940 nm (tipico) quando pilotato a 20mA.
• Caratteristiche di Uscita (Fototransistor):
  • Corrente di Buio (I_CEO): Massimo 100 nA a V_CE=20V in completa oscurità. Questa è la corrente di dispersione che definisce il rumore di fondo dello stato \"spento\".
  • Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(sat)): Massimo 0.4V a I_C=2mA sotto illuminazione sufficiente (1mW/cm²). Un basso V_CE(sat)è desiderabile per una commutazione digitale pulita.
  • Corrente del Collettore (I_C(ON)): Minimo 200 µA a V_CE=5V e I_F=20mA. Questa è la fotocorrente minima garantita in condizioni di test standard.
• Caratteristiche Dinamiche:
  • Tempo di Salita (t_r) & Tempo di Discesa (t_f): Tipicamente 15 µs ciascuno. Questi parametri, misurati in condizioni di carico specifiche (V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ), determinano la frequenza di commutazione massima che il dispositivo può gestire in modo affidabile.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diversi grafici che illustrano le relazioni chiave tra i parametri operativi. Queste curve sono essenziali per comprendere il comportamento del dispositivo in condizioni non standard.

3.1 Curve dell'Emettitore a Infrarossi (IRED)

• Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente:Mostra la derating della corrente diretta massima ammissibile all'aumentare della temperatura ambiente oltre i 25°C.
• Sensibilità Spettrale:Un grafico dell'intensità radiante relativa rispetto alla lunghezza d'onda, con picco a 940nm e che mostra la banda stretta dell'emettitore.
• Intensità Radiante Relativa vs. Corrente Diretta:Dimostra la relazione non lineare tra corrente di pilotaggio e emissione luminosa, che tende a saturarsi a correnti più elevate.
• Intensità Radiante Relativa vs. Spostamento Angolare:Illustra il diagramma di emissione o l'angolo di visione dell'IRED, cruciale per l'allineamento ottico.

3.2 Curve del Fototransistor (PT)

• Dissipazione di Potenza del Collettore vs. Temperatura Ambiente:Fornisce la curva di derating della potenza per l'uscita del fototransistor.
• Sensibilità Spettrale:Mostra la responsività del fototransistor alle varie lunghezze d'onda, con sensibilità di picco tipicamente nella regione del vicino infrarosso, corrispondente all'emettitore a 940nm.
• Corrente del Collettore Relativa vs. Temperatura Ambiente:Indica come il guadagno o la responsività del fototransistor cambia con la temperatura.
• Corrente del Collettore vs. Irradianza:Una curva fondamentale che mostra la relazione lineare (o quasi lineare) tra la potenza della luce incidente (irradianza) sul fototransistor e la conseguente corrente del collettore.
• Corrente di Buio del Collettore vs. Temperatura Ambiente:Mostra come la corrente di dispersione (I_CEO) aumenti esponenzialmente con l'aumento della temperatura, il che può influenzare il rapporto segnale-rumore nelle applicazioni ad alta temperatura.
• Corrente del Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore:Simile a una caratteristica di uscita di un transistor, mostra le regioni operative per diversi livelli di illuminazione.

3.3 Curva del Modulo Completo (ITR)

• Corrente del Collettore Relativa vs. Distanza tra i Sensori:Questa è una curva critica a livello di sistema. Mostra come il segnale ricevuto (corrente del collettore) varia al variare della distanza tra l'oggetto interruttore e la fessura del sensore. Definisce la portata di sensibilità effettiva e la relazione tra posizione dell'oggetto e intensità del segnale di uscita.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

L'ITR9909 è disponibile in un package standard a foro passante. Le dimensioni chiave dal disegno includono:

• Larghezza e altezza complessive del corpo che definiscono le dimensioni della fessura.
• Spaziatura e diametro dei terminali per il montaggio su PCB.
• La larghezza della fessura tra l'IRED interno e il fototransistor, che determina la dimensione dell'oggetto rilevabile.
• Il disegno dimensionale specifica una tolleranza standard di ±0.25mm salvo diversa indicazione.

4.2 Identificazione della Polarità

Il dispositivo utilizza una configurazione di piedinatura standard comune a molti interruttori ottici: Anodo e Catodo per l'ingresso IRED, e Collettore ed Emettitore per l'uscita del fototransistor. L'alloggiamento ha tipicamente una marcatura o un intaglio per indicare il pin 1.

5. Linee Guida per l'Assemblaggio e la Manipolazione

5.1 Raccomandazioni per la Saldatura

Il valore massimo assoluto specifica che i terminali possono essere saldati a 260°C per un massimo di 5 secondi, con la condizione che il punto di saldatura sia ad almeno 1/16 di pollice (circa 1.6mm) dal corpo in plastica. Questo per prevenire danni termici all'alloggiamento in epossidico e ai fili di collegamento interni. Per la saldatura a onda o a rifusione, è necessario seguire i profili standard per componenti a foro passante con limiti termici simili.

5.2 Stoccaggio e Manipolazione

Il dispositivo deve essere conservato nell'intervallo di temperatura specificato da -40°C a +85°C in un ambiente asciutto. Durante la manipolazione devono essere osservate le normali precauzioni ESD (scarica elettrostatica), poiché i componenti semiconduttori all'interno sono suscettibili ai danni da elettricità statica.

6. Informazioni su Imballaggio e Ordine

6.1 Specifica di Imballaggio

La quantità di imballaggio standard è la seguente:

• 150 pezzi per busta.
• 5 buste per scatola.
• 10 scatole per cartone.

6.2 Informazioni sull'Etichetta

L'etichetta del prodotto include diversi codici per la tracciabilità e la specifica:

• CPN:Numero di Prodotto del Cliente.
• P/N:Numero di Prodotto del Produttore (es., ITR9909).
• QTY:Quantità nella confezione.
• CAT, HUE, REF:Probabilmente si riferiscono a codici interni di binning per parametri come il rango di intensità luminosa, il rango di lunghezza d'onda dominante e il rango di tensione diretta, sebbene dettagli specifici sul binning non siano forniti in questo estratto della scheda tecnica.
• LOT No:Numero di lotto di produzione per la tracciabilità.

7. Considerazioni per la Progettazione dell'Applicazione

7.1 Progettazione del Circuito

Progettare con l'ITR9909 coinvolge due circuiti principali:

1. Circuito di Pilotaggio IRED:È standard una semplice resistenza limitatrice di corrente in serie con l'IRED. Il valore della resistenza è calcolato come R = (V_CC- V_F) / I_F. Per un funzionamento affidabile e una lunga durata, si consiglia di pilotare l'IRED a o al di sotto dei tipici 20mA, a meno che non sia necessario un pilotaggio pulsato ad alta corrente per specifici requisiti di rapporto segnale-rumore.
2. Circuito di Uscita del Fototransistor:Il fototransistor può essere utilizzato in due configurazioni comuni:
   • Modalità Interruttore (Uscita Digitale):Collegare una resistenza di pull-up dal collettore a V_CC. L'emettitore è messo a massa. Quando la luce colpisce il transistor, questo si accende, portando la tensione del collettore bassa (vicino a V_CE(sat)). Quando il fascio viene interrotto, il transistor si spegne e la resistenza di pull-up porta la tensione del collettore alta. Il valore della resistenza di pull-up determina la velocità di commutazione e il consumo di corrente.
   • Modalità Lineare (Uscita Analogica):Utilizzando il fototransistor in una configurazione a emettitore comune con una resistenza di collettore, la tensione al collettore varierà approssimativamente in modo lineare con la quantità di luce ricevuta, utile per il rilevamento analogico della posizione.

7.2 Considerazioni Ottiche

• Allineamento:L'allineamento meccanico preciso del percorso dell'oggetto con la fessura del sensore è cruciale per un funzionamento costante.
• Luce Ambiente:Sebbene il filtro a 940nm e il sensore abbinato forniscano un buon rigetto della luce visibile, forti sorgenti di luce infrarossa (es. luce solare, lampadine a incandescenza) possono causare interferenze. L'uso di un segnale IR modulato e di un rilevamento sincrono può migliorare notevolmente l'immunità alla luce ambiente.
• Caratteristiche dell'Oggetto:Il sensore rileva l'interruzione del fascio. L'oggetto deve essere opaco alla luce infrarossa a 940nm. Materiali traslucidi potrebbero non essere rilevati in modo affidabile.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

L'ITR9909 rappresenta una soluzione standard e affidabile nel mercato degli interruttori ottici. I suoi principali fattori di differenziazione sono la specifica combinazione di un IRED a 940nm con un fototransistor al silicio in un package compatto a visione laterale. Rispetto ai sensori riflettenti, gli interruttori forniscono un segnale \"acceso/spento\" più definitivo in quanto sono meno suscettibili alle variazioni di riflettività o colore dell'oggetto. Il tempo di risposta rapido specificato (15µs tipico) lo rende adatto per applicazioni di sensibilità della velocità o di codifica, mentre l'alta sensibilità garantisce un buon segnale anche con correnti di pilotaggio inferiori o in ambienti polverosi. La conformità ambientale (RoHS, Senza Alogeni) è un fattore critico per la moderna produzione elettronica.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

9.1 Qual è la velocità o frequenza di sensibilità massima?

La frequenza di commutazione massima è limitata dai tempi di salita e discesa (t_r, t_f), tipicamente 15µs ciascuno. Una stima conservativa per un ciclo completo on-off è circa 4-5 volte la somma di questi tempi, suggerendo una frequenza pratica massima nell'intervallo di 10-15 kHz. Questo è adatto per la maggior parte delle applicazioni di codifica meccanica.

9.2 Come scelgo il valore per la resistenza limitatrice di corrente dell'IRED?

Usa la formula R = (Tensione di Alimentazione - V_F) / I_F. Per un'alimentazione a 5V e un pilotaggio alla tipica condizione di test di 20mA, con V_F~1.2V, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ohm. Una resistenza standard da 180 o 200 Ohm sarebbe appropriata. Assicurarsi sempre che la dissipazione di potenza calcolata nella resistenza sia entro il suo rating.

9.3 Perché il segnale di uscita è instabile o rumoroso?

Le cause potenziali includono: 1) Corrente di pilotaggio insufficiente all'IRED, che risulta in un segnale debole. 2) Alti livelli di luce infrarossa ambiente. 3) La corrente di buio del fototransistor (che aumenta con la temperatura) diventa significativa rispetto alla fotocorrente. 4) Rumore elettrico sulle linee di alimentazione. Le soluzioni includono aumentare I_F(entro i limiti), aggiungere schermatura ottica, implementare la modulazione del segnale, utilizzare una resistenza di pull-up di valore inferiore per una risposta più rapida e garantire un buon disaccoppiamento dell'alimentazione.

9.4 Posso usare questo sensore all'aperto?

La luce solare diretta contiene una quantità significativa di radiazione infrarossa a 940nm, che può saturare il fototransistor e impedire il corretto funzionamento. Per l'uso all'aperto, si consiglia vivamente un'attenta filtrazione ottica, un design dell'alloggiamento per bloccare la luce solare diretta e l'uso di segnali IR modulati.

10. Principio Operativo e Tendenze Tecnologiche

10.1 Principio di Funzionamento

L'ITR9909 opera sul principio dell'interruzione della luce trasmessa. Una corrente pilotata attraverso il diodo a emissione di luce infrarossa (IRED) lo induce a emettere fotoni a una lunghezza d'onda di picco di 940 nanometri. Questi fotoni viaggiano attraverso un piccolo spazio d'aria e incidono sulla regione di base del fototransistor al silicio NPN. I fotoni generano coppie elettrone-lacuna nella giunzione base-collettore, che agisce efficacemente come un fotodiodo. Questa fotocorrente viene quindi amplificata dall'azione del transistor del dispositivo, risultando in una corrente di collettore molto più grande che può essere facilmente misurata dal circuito esterno. Quando un oggetto blocca fisicamente il percorso tra emettitore e rivelatore, il flusso di fotoni cessa, la fotocorrente scende a quasi zero e il transistor si spegne, segnalando la presenza dell'oggetto.

10.2 Contesto Tecnologico e Tendenze

Gli interruttori ottici come l'ITR9909 sono componenti maturi e ben compresi. Le tendenze attuali nel settore si concentrano su diverse aree:

• Miniaturizzazione:Sviluppo di package a montaggio superficiale (SMD) più piccoli per risparmiare spazio sulla scheda nell'elettronica di consumo moderna.
• Integrazione:Incorporazione di circuiti aggiuntivi sul chip, come trigger di Schmitt per l'uscita digitale, amplificatori per l'uscita analogica o persino interfacce a livello logico completo (es. uscita open-drain).
• Prestazioni Migliorate:Miglioramento della velocità per encoder ad alta risoluzione, riduzione del consumo energetico per dispositivi a batteria e aumento della sensibilità per consentire correnti di pilotaggio più piccole o spazi di sensibilità più ampi.
• Specializzazione:Creazione di varianti con diverse larghezze di fessura, forme di apertura o risposte spettrali per segmenti di mercato specifici come automotive, automazione industriale o dispositivi medici.

Il principio fondamentale dell'interruzione ottica rimane un metodo robusto ed economico per il rilevamento a contatto zero, garantendo una continua rilevanza in un'ampia gamma di sistemi elettromeccanici.