ITR20403 Datasheet Tecnico - Interruttore Ottico - Package 4.0x3.0x2.0mm - Tensione Diretta 1.6V - Dissipazione 75mW - Infrarosso 940nm

1. Panoramica del Prodotto

L'ITR20403 è un modulo interruttore ottico compatto progettato per applicazioni di rilevamento senza contatto. Integra un diodo emettitore a infrarossi (IRED) e un fototransistor al silicio all'interno di un unico contenitore termoplastico nero di piccole dimensioni. La funzione principale del dispositivo è rilevare l'interruzione di un fascio di luce infrarossa tra i suoi componenti emettitore e ricevitore.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Il dispositivo offre diversi vantaggi chiave che lo rendono adatto ad applicazioni di precisione. Il suo tempo di risposta rapido e l'alta sensibilità consentono un rilevamento affidabile di movimenti rapidi degli oggetti. Il package sottile e piccolo facilita l'integrazione in design con spazio limitato, comuni nell'elettronica di consumo e nelle apparecchiature per l'automazione d'ufficio. Una caratteristica tecnica significativa è il design dell'involucro, che permette al fototransistor di ricevere radiazioni principalmente dal LED IR integrato, minimizzando così interferenze e rumore dalle sorgenti di luce ambientale. I mercati target principali includono dispositivi di imaging, sistemi di gestione documenti e vari controlli di automazione che richiedono un rilevamento accurato di posizione o presenza.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Questa sezione fornisce un'interpretazione dettagliata e oggettiva delle specifiche elettriche, ottiche e termiche del dispositivo come definite nel datasheet.

2.1 Specifiche Massime Assolute

Le specifiche massime assolute definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Queste non sono condizioni operative raccomandate.

• Dissipazione di Potenza in Ingresso (IRED) (Pd):Massimo 75 mW a o al di sotto di 25°C di temperatura dell'aria libera. Superare questo limite rischia di danneggiare termicamente il chip LED.
• Tensione Inversa in Ingresso (VR):Massimo 5 V. Applicare una tensione inversa più alta può causare la rottura della giunzione.
• Corrente Diretta Continua (IF):Massimo 50 mA. Questa è la massima corrente continua che l'IRED può sopportare.
• Dissipazione di Potenza in Uscita (Fototransistor) (Pd):Massimo 75 mW a o al di sotto di 25°C.
• Corrente di Collettore (IC):Massimo 20 mA per l'uscita del fototransistor.
• Tensione Collettore-Emettitore (BV_CEO):Massimo 30 V. Questa è la tensione di breakdown con la base aperta.
• Temperatura Operativa (T_opr):-25°C a +80°C. Il dispositivo è garantito per funzionare entro questo intervallo di temperatura ambiente.
• Temperatura di Conservazione (T_stg):-40°C a +85°C.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali (T_sol):Massimo 260°C per 5 secondi, misurata a 3mm dal corpo del package. Questo è critico per il controllo del processo di assemblaggio.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri sono misurati in condizioni di test standard (Ta=25°C) e rappresentano le prestazioni tipiche del dispositivo.

• Tensione Diretta (V_F):Tipicamente 1.23V, con un massimo di 1.6V a I_F=20mA. Questo parametro è essenziale per progettare il circuito di pilotaggio a limitazione di corrente per l'IRED.
• Lunghezza d'Onda di Picco (λ_P):940 nm. Questa è la lunghezza d'onda nominale della luce infrarossa emessa, che corrisponde alla sensibilità di picco del fototransistor ricevente.
• Corrente di Buio del Collettore (I_CEO):Massimo 100 nA a V_CE=20V con illuminazione zero. Questa corrente di dispersione determina il rumore di fondo del sensore nello stato "off".
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(sat)):Massimo 0.4V a I_C=2mA e un'irradianza (E_e) di 1 mW/cm². Una bassa tensione di saturazione è desiderabile per applicazioni di commutazione digitale.
• Corrente di Collettore in Stato ON (I_C(on)):Varia da un minimo di 0.2 mA a un massimo di 5.0 mA nelle condizioni di test di V_CE=5V e I_F=20mA. Questo ampio intervallo indica la variazione del rapporto di trasferimento di corrente (CTR) tra i dispositivi, che deve essere considerata nella progettazione del circuito.
• Tempo di Salita/Discesa (t_r, t_f):Tipicamente 15 µsec ciascuno in condizioni di commutazione specificate. Questo definisce la massima frequenza di commutazione raggiungibile per il dispositivo.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

Il datasheet include curve caratteristiche tipiche che forniscono informazioni sul comportamento del dispositivo in condizioni variabili.

3.1 Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente

Questa curva illustra la necessaria riduzione della corrente diretta dell'IRED all'aumentare della temperatura ambiente. Per evitare di superare la massima temperatura di giunzione e garantire l'affidabilità a lungo termine, la corrente operativa deve essere ridotta quando il dispositivo è utilizzato in ambienti ad alta temperatura. I progettisti devono consultare questo grafico per determinare la corrente operativa sicura per la massima temperatura ambiente specifica della loro applicazione.

3.2 Sensibilità Spettrale

Vengono fornite curve di sensibilità spettrale separate sia per l'emettitore IR che per il fototransistor. La curva dell'IRED mostra l'intensità radiante relativa rispetto alla lunghezza d'onda, con un picco a 940 nm. La curva del fototransistor mostra la sua risposta relativa rispetto alla lunghezza d'onda della luce incidente, con un picco progettato per allinearsi all'output dell'emettitore. La risposta stretta e corrispondente minimizza la sensibilità alla luce ambientale visibile, una caratteristica chiave per un funzionamento stabile in condizioni di illuminazione variabili.

3.3 Corrente Diretta vs. Tensione Diretta

Questa curva IV per l'IRED mostra la relazione non lineare tra tensione diretta e corrente. È cruciale per selezionare uno schema di limitazione della corrente appropriato (ad es., resistore, sorgente di corrente costante) per garantire un output IR stabile nell'intervallo di temperatura operativa e tra le variazioni di produzione.

4. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

4.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo è contenuto in un package compatto. Le dimensioni chiave includono una larghezza del corpo di circa 4.0 mm, una profondità di 3.0 mm e un'altezza di 2.0 mm. La spaziatura dei terminali è di 2.54 mm (0.1 pollici), che è un passo standard per il montaggio su PCB a fori passanti. Tutte le tolleranze dimensionali sono ±0.25 mm salvo diversa specifica. I terminali sono misurati dove emergono dal corpo del package.

4.2 Identificazione della Polarità e Montaggio

Il componente ha quattro terminali. La convenzione standard per tali interruttori ottici è che i due terminali su un lato appartengono all'emettitore a infrarossi (anodo e catodo), e i due sul lato opposto appartengono al fototransistor (emettitore e collettore). Il pinout esatto deve essere verificato dal diagramma del package. Durante il montaggio, i fori del PCB devono essere allineati con precisione con le posizioni dei terminali per evitare di imporre stress meccanico sul corpo in epossidico durante l'inserimento, il che potrebbe degradare le prestazioni o causare guasti.

5. Linee Guida per la Saldatura e l'Assemblaggio

Una manipolazione corretta è fondamentale per mantenere l'integrità e le prestazioni del dispositivo.

5.1 Formatura dei Terminali

Se è necessaria la piegatura dei terminali, questa deve essere eseguitaprimadella saldatura. La piega deve essere effettuata a una distanza maggiore di 3 mm dalla parte inferiore del corpo del package in epossidico. Il telaio dei terminali deve essere tenuto saldamente durante la piegatura per evitare che lo stress venga trasmesso al fragile bulbo epossidico, il che potrebbe causare crepe o danni interni. Il taglio dei terminali deve essere effettuato a temperatura ambiente.

5.2 Processo di Saldatura

Deve essere mantenuta una distanza minima di 3 mm tra il giunto di saldatura e il bulbo epossidico. Le condizioni raccomandate sono:

• Saldatura Manuale:Temperatura della punta del saldatore massimo 300°C (per un saldatore da 30W), tempo di saldatura massimo 3 secondi per terminale.
• Saldatura a Onda/Per Immersione:Temperatura di preriscaldamento massimo 100°C per un massimo di 60 secondi. Temperatura del bagno di saldatura massimo 260°C con un tempo di permanenza massimo di 5 secondi.

Evitare di applicare qualsiasi stress meccanico ai terminali mentre il dispositivo è a temperatura elevata. La saldatura per immersione o manuale non deve essere eseguita più di una volta. Dopo la saldatura, il dispositivo deve essere protetto da urti o vibrazioni meccaniche fino al ritorno a temperatura ambiente. Non sono raccomandati processi di raffreddamento rapido.

5.3 Pulizia e Conservazione

La pulizia ad ultrasuoni è vietata, poiché le vibrazioni ad alta frequenza possono danneggiare i componenti interni o la tenuta epossidica. Per la conservazione, i dispositivi devono essere mantenuti a 10-30°C e umidità relativa (RH) del 70% o inferiore per un massimo di 3 mesi dopo la spedizione. Per una conservazione più lunga (fino a un anno), è consigliato un contenitore sigillato con atmosfera di azoto a 10-25°C e umidità relativa del 20-60%. Dopo l'apertura della confezione sensibile all'umidità, i dispositivi devono essere utilizzati entro 24 ore o il prima possibile, con i componenti rimanenti risigillati prontamente.

6. Confezionamento e Informazioni per l'Ordine

La specifica di imballaggio standard è di 120 pezzi per tubo, 96 tubi per scatola e 2 scatole per cartone. L'etichetta sulla confezione include campi per il Numero di Parte del Cliente (CPN), il Numero di Parte del Produttore (P/N), la Quantità di Imballo (QTY), il Riferimento (REF) e il Numero di Lotto (LOT No.).

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Scenari Applicativi Tipici

• Rilevamento Carta in Stampanti/Fotocopiatrici/Scanner:Rilevare la presenza di carta, inceppamenti della carta o il bordo anteriore/posteriore di un documento.
• Rilevamento Posizione Copriobiettivo o Filtro in Fotocamere:Rilevare se il copriobiettivo è montato o se una ruota portafiltri è nella posizione corretta.
• Rilevamento Finecorsa Senza Contatto:Utilizzato in scanner, plotter o stadi automatizzati per rilevare la posizione di home o limite senza contatto fisico.
• Conteggio o Selezione Oggetti:Rilevare oggetti su un nastro trasportatore mentre interrompono il fascio infrarosso.
• Rilevamento Disco per Encoder Rotativo:Lettura di fessure in un disco rotante per misurare velocità o posizione (sebbene moduli encoder dedicati siano spesso più adatti per compiti ad alta risoluzione).

7.2 Considerazioni Progettuali e Interfaccia Circuitale

Quando si progetta con l'ITR20403, devono essere considerati diversi fattori:

1. Limitazione di Corrente per l'IRED:Un resistore in serie deve essere calcolato in base alla tensione di alimentazione (V_CC), la corrente diretta desiderata (I_F, tipicamente 20mA per l'output nominale), e la caduta di tensione diretta (V_F~1.23V). R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. Circuito di Interfaccia di Uscita:Il fototransistor può essere utilizzato in due configurazioni comuni:
   • Modalità Interruttore:Collegare un resistore di pull-up (es., 1kΩ a 10kΩ) dal collettore a V_CC. L'emettitore è collegato a massa. L'uscita al collettore sarà bassa (vicino a V_CE(sat)) quando il fascio non è bloccato (transistor ON) e alta (V_CC) quando il fascio è bloccato (transistor OFF).
   • Modalità Analogica:Il fototransistor può essere utilizzato in una configurazione a emettitore comune con un resistore di collettore per produrre una tensione proporzionale all'intensità della luce. Tuttavia, la risposta non lineare e la dipendenza dalla temperatura lo rendono meno ideale per misurazioni analogiche precise rispetto ai fotodiodi con circuiti op-amp.
3. Immunità al Rumore:Sebbene resistente alla luce ambientale, il circuito potrebbe ancora captare rumore elettrico. Sono consigliati condensatori di bypass (0.1 µF) vicino ai pin di alimentazione del dispositivo e un'attenta disposizione del PCB. Per cavi lunghi o ambienti rumorosi, schermature o l'utilizzo dell'uscita per pilotare un ingresso a trigger di Schmitt possono migliorare l'affidabilità.
4. Progettazione dell'Apertura e della Fessura:L'oggetto che interrompe il fascio dovrebbe essere opaco agli infrarossi. La risoluzione e la ripetibilità del rilevamento dipendono dalla larghezza dell'oggetto rispetto alla larghezza della fessura nell'involucro del dispositivo. Per il rilevamento dei bordi, una paletta o un'ala con un bordo netto fornisce il timing più preciso.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

L'ITR20403 si differenzia principalmente attraverso il suo fattore di forma compatto e sottile, vantaggioso nell'elettronica di consumo miniaturizzata. Il suo tempo di risposta rapido di 15 µs è adatto per rilevare eventi a velocità moderatamente elevate. L'involucro integrato che corrisponde spettralmente all'emettitore e al ricevitore fornisce un'innata reiezione della luce ambientale, una caratteristica che semplifica la progettazione rispetto all'uso di componenti discreti. Rispetto ai sensori riflettenti, gli interruttori offrono una maggiore precisione posizionale e sono meno sensibili al colore o alla riflettività dell'oggetto target. Rispetto agli interruttori ottici a fessura con spazi più ampi, lo spazio ridotto di questo dispositivo consente il rilevamento di oggetti più piccoli o un rilevamento dei bordi più preciso.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

9.1 Qual è la corrente operativa tipica per il LED IR?

Le caratteristiche elettro-ottiche sono testate a I_F= 20 mA, che è un punto operativo comune e raccomandato per ottenere la corrente di collettore in stato ON specificata. Il circuito deve essere progettato per non superare il valore massimo assoluto di 50 mA.

9.2 Perché c'è un intervallo così ampio (0.2mA a 5.0mA) per la Corrente di Collettore in Stato ON?

Questo intervallo rappresenta la variazione da dispositivo a dispositivo nel Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR), che è il rapporto tra la corrente di uscita del fototransistor (I_C) e la corrente di ingresso dell'IRED (I_F). Questa variazione è intrinseca nel processo di produzione degli accoppiatori ottici e degli interruttori. Il circuito deve essere progettato per funzionare correttamente con il minimo I_C(on)specificato (0.2mA) per garantire l'affidabilità su tutte le unità di produzione.

9.3 Questo sensore può essere utilizzato all'aperto?

Sebbene l'involucro fornisca una buona reiezione della luce ambientale, la luce solare diretta contiene una significativa radiazione infrarossa che potrebbe saturare il sensore. Per l'uso all'aperto, sarebbero necessari filtri ottici aggiuntivi, schermature o un funzionamento pulsato con rilevamento sincrono per prestazioni affidabili. L'intervallo di temperatura operativa (-25°C a +80°C) limita anche le applicazioni in ambienti estremi.

9.4 Quanto deve essere vicino un oggetto per interrompere il fascio?

Il dispositivo ha uno spazio stretto e focalizzato. Un oggetto deve passare fisicamente attraverso la fessura tra l'emettitore e il rilevatore. Non c'è capacità di rilevamento di "prossimità"; il fascio deve essere completamente occluso affinché lo stato di uscita cambi in modo affidabile.

10. Studio di Caso: Progettazione e Utilizzo

Scenario: Sensore di Esaurimento Carta in una Stampante da Tavolo.

Implementazione:L'ITR20403 è montato sul percorso di alimentazione della carta della stampante. Una leva o un'ala, collegata a una molla, riposa nella fessura del sensore quando non c'è carta. Quando un foglio viene alimentato, spinge l'ala fuori dalla fessura, permettendo al fascio infrarosso di passare e accendendo il fototransistor.

Progettazione del Circuito:L'IRED è pilotato con 20mA tramite un resistore limitatore di corrente dall'alimentazione logica a 5V della stampante. Il collettore del fototransistor è collegato a un pin di ingresso di un microcontrollore a 3.3V attraverso un resistore di pull-up da 4.7kΩ. L'emettitore è collegato a massa.

Logica Software:Il pin del microcontrollore è configurato come ingresso digitale. Una lettura BASSA indica che il fascio non è bloccato (ala fuori, carta presente). Una lettura ALTA indica che il fascio è bloccato (ala dentro, nessuna carta), attivando un avviso "Carta Esaurita" all'utente. Viene aggiunta una logica di debouncing (ad es., in software) per ignorare le vibrazioni meccaniche dell'ala.

Considerazioni Chiave per questo Caso:Il meccanismo dell'ala deve essere progettato per entrare in modo affidabile e completo nella fessura del sensore. La molla deve fornire una forza sufficiente per un ritorno positivo ma non così tanta da danneggiare la carta o causare usura sul sensore. La posizione del sensore deve essere fissata saldamente per mantenere l'allineamento.

11. Principio di Funzionamento

L'ITR20403 opera sul principio della trasmissione e rilevamento della luce modulata. Un diodo emettitore a infrarossi (IRED) è polarizzato direttamente con una corrente costante, causando l'emissione di fotoni a una lunghezza d'onda di picco di 940 nm. Direttamente opposto, all'interno dello stesso involucro, c'è un fototransistor al silicio NPN. Quando il fascio infrarosso viaggia liberamente attraverso lo spazio, colpisce la regione di base del fototransistor. I fotoni assorbiti generano coppie elettrone-lacuna, che agiscono come corrente di base, accendendo il transistor e permettendo a una corrente di collettore (I_C) di fluire proporzionale all'intensità della luce. Quando un oggetto opaco entra nello spazio, blocca il fascio, la corrente di base fotogenerata cessa e il transistor si spegne. Il circuito di uscita converte questo cambiamento di stato ON/OFF in un segnale elettrico utilizzabile. L'involucro termoplastico nero serve a contenere il percorso della luce, prevenire il crosstalk ottico e bloccare la maggior parte della luce ambientale visibile, i cui fotoni generalmente non hanno abbastanza energia per essere assorbiti dal bandgap del fototransistor al silicio, fornendo così un filtraggio ottico intrinseco.

12. Tendenze Tecnologiche

Gli interruttori ottici come l'ITR20403 rappresentano una tecnologia matura e affidabile. Le tendenze attuali nel settore si concentrano su diverse aree: un'ulteriore miniaturizzazione per consentire l'integrazione in dispositivi portatili e indossabili sempre più piccoli; lo sviluppo di versioni a montaggio superficiale (SMD) con migliore compatibilità con la saldatura a rifusione per l'assemblaggio automatizzato; l'aumento delle velocità di commutazione per supportare velocità di dati più elevate nelle applicazioni di encoder o macchinari più veloci; e una maggiore robustezza contro fattori ambientali come temperature più elevate, umidità e contaminazione. C'è anche una tendenza verso l'integrazione di funzionalità aggiuntive, come trigger di Schmitt integrati sull'uscita per l'isteresi o persino interfacce digitali (I2C, SPI) per moduli sensore più intelligenti e indirizzabili. Tuttavia, il design di base a fori passanti e componente discreto, come visto nell'ITR20403, rimane altamente conveniente e ampiamente utilizzato nelle applicazioni in cui le sue prestazioni e il suo fattore di forma sono sufficienti.