Scheda Tecnica Photointerruttore LTH-306-01 - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'LTH-306-01 è un interruttore ottico compatto e senza contatto, progettato per il rilevamento affidabile di oggetti e la sensibilità di posizione. La sua funzione principale si basa su un diodo emettitore di luce a infrarossi (LED IR) accoppiato a un fototransistor, alloggiati in un unico package. Quando un oggetto attraversa lo spazio tra l'emettitore e il rilevatore, interrompe il fascio di luce IR, causando una variazione dello stato di uscita del fototransistor. Questo principio consente una commutazione precisa e senza usura, senza contatto fisico.

Il dispositivo è progettato per il montaggio diretto su circuiti stampati (PCB) o in zoccoli standard dual-in-line, offrendo una notevole flessibilità di progettazione. I suoi principali vantaggi includono l'elevata velocità di commutazione, fondamentale per applicazioni di conteggio e temporizzazione ad alta velocità, e la natura senza contatto, che elimina l'usura meccanica e garantisce un'affidabilità a lungo termine. I mercati target tipici includono l'automazione industriale, l'elettronica di consumo (ad es. stampanti, fotocopiatrici), i sistemi di sicurezza e i distributori automatici dove è richiesto il rilevamento di oggetti, l'individuazione di inceppamenti della carta o la sensibilità delle fessure.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito. I limiti principali includono:

• Corrente Diretta Continua del Diodo IR (I_F)): 60 mA. Questa è la massima corrente continua che può essere applicata in modo continuo al LED.
• Corrente Diretta di Picco del Diodo IR: 1 A per una larghezza di impulso di 10 μs a 300 impulsi al secondo. Ciò consente brevi impulsi ad alta intensità per migliorare il rilevamento del segnale.
• Tensione Collettore-Emettitore del Fototransistor (V_CEO)): 30 V. La massima tensione che può essere applicata tra i pin del collettore e dell'emettitore.
• Intervallo di Temperatura di Funzionamento: da -25°C a +85°C. Specifica l'intervallo di temperatura ambiente per un funzionamento affidabile.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali: 260°C per 5 secondi a una distanza di 1,6 mm dall'involucro. Questo è fondamentale per i processi di assemblaggio su PCB.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

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

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (LED IR)

• Tensione Diretta (V_F)): Tipicamente da 1,2 V a 1,6 V a una corrente diretta (I_F) di 20 mA. Questo valore viene utilizzato per calcolare il valore della resistenza limitatrice di corrente per il circuito di pilotaggio del LED.
• Corrente Inversa (I_R)): Massimo 100 μA a una tensione inversa (V_R) di 5 V. Indica la corrente di dispersione del LED quando è polarizzato inversamente.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita (Fototransistor)

• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (V_(BR)CEO)): Minimo 30 V. Garantisce che il transistor possa sopportare la tensione collettore-emettitore specificata.
• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (I_CEO)): Massimo 100 nA a V_CE=10 V. Questa è la corrente di dispersione quando il LED è spento (nessuna luce), che influisce sul livello del segnale nello stato "spento".

2.2.3 Caratteristiche dell'Accoppiatore (Combinato)

• Corrente di Collettore in Stato Acceso (I_C(ON))): Minimo 5,0 mA a V_CE=5 V e I_F=20 mA. Questa è la corrente di uscita del fototransistor quando il LED è completamente illuminato e non ostruito, indicando la sua sensibilità.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(SAT))): Massimo 0,4 V a I_C=2,5 mA e I_F=20 mA. Una bassa tensione di saturazione è desiderabile quando il fototransistor viene utilizzato come interruttore in modalità di saturazione, minimizzando la caduta di tensione.
• Tempo di Risposta: Il tempo di salita (t_r) è tipicamente 3-15 μs e il tempo di discesa (t_f) è tipicamente 4-20 μs in condizioni di test specificate (V_CE=5 V, I_C=2 mA, R_L=100 Ω). Questi parametri definiscono la velocità di commutazione e la larghezza di banda del dispositivo, fondamentali per rilevare oggetti in rapido movimento.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a curve tipiche delle caratteristiche elettriche/ottiche. Sebbene i grafici specifici non siano forniti nel testo, le curve standard per tali dispositivi includono tipicamente:

• Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (I_F-V_F) per il LED IR: Mostra la relazione non lineare, aiutando a determinare il punto di lavoro.
• Corrente di Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore (I_C-V_CE) per il Fototransistor: A diversi livelli di irradianza (corrente del LED), mostra il comportamento del transistor di uscita, simile alle caratteristiche di uscita di un transistor bipolare.
• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR) vs. Corrente Diretta: Il CTR è il rapporto tra la corrente di collettore del fototransistor (I_C) e la corrente diretta del LED (I_F). Questa curva mostra come l'efficienza cambia con la corrente di pilotaggio.
• Dipendenza dalla Temperatura della Corrente di Buio (I_CEO) e della Corrente in Stato Acceso (I_C(ON)): Illustra come le prestazioni si degradano o variano con i cambiamenti della temperatura ambiente, fondamentale per progettare sistemi stabili nell'intervallo di funzionamento specificato.

Queste curve sono essenziali per i progettisti per ottimizzare il punto di lavoro, garantire l'integrità del segnale in funzione della temperatura e comprendere i limiti del dispositivo.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

L'LTH-306-01 è progettato per il montaggio su PCB o zoccolo. Le dimensioni del package sono fornite nella scheda tecnica con tutte le misure in millimetri (e pollici). Le note meccaniche principali includono:

• Si applica una tolleranza standard di ±0,25 mm (±0,010") se non diversamente specificato nel disegno dimensionato.
• Il package presenta un corpo stampato con uno spazio preciso tra l'emettitore IR e il fototransistor. Le dimensioni esatte di questo spazio, l'altezza complessiva, la larghezza, la lunghezza e la spaziatura dei terminali sono fondamentali per l'integrazione meccanica nel prodotto finale.
• I terminali sono tipicamente realizzati in materiale saldabile e sono sagomati per il montaggio a foro passante.

L'identificazione della polarità è cruciale. Il dispositivo avrà delle marcature (come un punto, una tacca o lunghezze diverse dei terminali) per identificare l'anodo e il catodo del LED IR e il collettore e l'emettitore del fototransistor. Un collegamento di polarità errato può danneggiare i componenti.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

I valori massimi assoluti specificano una temperatura di saldatura dei terminali di 260°C per una durata massima di 5 secondi, misurata a 1,6 mm (0,063") dall'involucro plastico. Questo è un parametro critico per i processi di saldatura a onda o saldatura manuale.

Raccomandazioni:

6. Suggerimenti Applicativi

6.1 Circuiti Applicativi Tipici

Un circuito applicativo di base comprende:

1. Circuito di Pilotaggio del LED: Una resistenza limitatrice di corrente in serie con il LED IR. Il valore della resistenza (R_limit) si calcola come (Tensione di Alimentazione - V_F) / I_F. Per un'alimentazione di 5 V e I_F=20 mA, con V_F~1,4 V, R_limit≈ (5-1,4)/0,02 = 180 Ω.
2. Circuito di Uscita del Fototransistor: Il fototransistor può essere utilizzato in due configurazioni comuni:
   • Modalità Interruttore (Saturazione): Collegare una resistenza di pull-up dal collettore a un'alimentazione positiva (ad es. 5 V). L'emettitore è collegato a massa. Quando la luce colpisce il transistor, questo si accende completamente (satura), portando la tensione del collettore a un livello basso (vicino a V_CE(SAT)). Quando la luce è bloccata, il transistor si spegne e la tensione del collettore viene portata a livello alto dalla resistenza. L'uscita è un segnale digitale.
   • Modalità Lineare: Utilizzare il fototransistor in una configurazione ad amplificatore a emettitore comune con una resistenza di collettore. La tensione di uscita varia linearmente con l'intensità della luce ricevuta, utile per il sensing analogico.

6.2 Considerazioni di Progettazione

• Immunità alla Luce Ambiente: Il dispositivo utilizza luce IR modulata, ma sorgenti ambientali forti di IR (luce solare, lampade a incandescenza) possono causare attivazioni spurie. L'utilizzo di un pilotaggio a impulsi del LED e di un rilevamento sincrono, o l'aggiunta di un filtro ottico, può migliorare l'immunità.
• Caratteristiche dell'Oggetto: L'affidabilità del rilevamento dipende dall'opacità dell'oggetto alla lunghezza d'onda IR. Materiali molto sottili o traslucidi potrebbero non interrompere completamente il fascio.
• Allineamento: È necessario un preciso allineamento meccanico del percorso dell'oggetto con lo spazio del sensore per un funzionamento costante.
• Velocità: Assicurarsi che la velocità dell'oggetto e il tempo di risposta richiesto dal sistema siano compatibili con i tempi di salita/discesa del dispositivo (nell'ordine dei microsecondi).
• Rumore Elettrico: In ambienti rumorosi, mantenere brevi le tracce del segnale, utilizzare condensatori di bypass vicino al dispositivo e considerare l'uso di schermature.

7. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto ai microinterruttori meccanici, l'LTH-306-01 offre chiari vantaggi: nessun rimbalzo di contatto, nessuna usura meccanica, velocità di commutazione più elevata e maggiore affidabilità per milioni di cicli. Rispetto ad altri sensori ottici come i sensori riflettenti, i photointerruttori trasmissivi (accoppiatori a fessura) sono generalmente più immuni alle variazioni della riflettività superficiale e del colore dell'oggetto, fornendo un segnale on/off più consistente basato esclusivamente sull'interruzione del fascio.

I suoi principali fattori di differenziazione all'interno della categoria dei photointerruttori sono le sue specifiche dimensioni del package (che consentono design compatti), le sue caratteristiche elettriche (sensibilità definita da I_C(ON), velocità definita da t_r/t_f) e le sue specifiche robuste per la saldatura e la temperatura di funzionamento.

8. Domande Frequenti (FAQ)

D: Qual è la durata tipica di questo dispositivo?

R: Essendo un dispositivo a stato solido senza parti in movimento, la sua durata è determinata principalmente dalla graduale degradazione dell'emissione del LED. Se operato entro le specifiche, tipicamente supera di gran lunga la durata degli interruttori meccanici, spesso classificata per centinaia di migliaia o milioni di operazioni.

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

R: No. Un LED deve essere pilotato con una sorgente a corrente limitata. Collegarlo direttamente a una sorgente di tensione che supera la sua tensione diretta causerà un flusso di corrente eccessivo, potenzialmente distruggendolo. Utilizzare sempre una resistenza limitatrice di corrente in serie o un driver a corrente costante.

D: Come interpreto il valore minimo della "Corrente di Collettore in Stato Acceso" (I_C(ON))?

R: Questa è una corrente di uscita minima garantita nelle condizioni di test specificate (V_CE=5 V, I_F=20 mA). Nel vostro progetto, dovreste assicurarvi che il vostro circuito (ad es. il valore della resistenza di pull-up) possa funzionare in modo affidabile con questa corrente minima per produrre una valida tensione logica bassa quando il fascio non è ostruito.

D: Il tempo di risposta è in microsecondi. È abbastanza veloce per la mia applicazione?

R: Per la maggior parte delle applicazioni di conteggio oggetti, rilevamento di posizione e rilevamento carta, una risposta in microsecondi è più che sufficiente. Ad esempio, per rilevare un oggetto che si muove a 1 m/s attraverso uno spazio di 1 mm, il tempo di interruzione è di 1 ms (1000 μs), che è molto più lungo del tempo di commutazione del dispositivo. Per applicazioni estremamente ad alta velocità, verificare i tempi richiesti.

9. Caso d'Uso Pratico

Scenario: Rilevamento Inceppamento Carta in una Stampante

L'LTH-306-01 può essere posizionato lungo il percorso della carta. Un foglio di carta che attraversa lo spazio consente al fascio IR di raggiungere il fototransistor, mantenendo la sua uscita in uno stato (ad es. basso). Se si verifica un inceppamento, la carta si ferma nello spazio, bloccando il fascio e cambiando lo stato di uscita (ad es. alto). Questo segnale viene inviato al microcontrollore della stampante, che può quindi interrompere l'operazione e avvisare l'utente. Il sensing senza contatto garantisce nessuna usura sulla carta o sul sensore e il rapido tempo di risposta consente il rilevamento anche se la carta si muove velocemente.

10. Principio di Funzionamento

L'LTH-306-01 è un sensore ottico trasmissivo. Contiene due componenti principali su bracci opposti di un package a forma di U: un diodo emettitore di luce a infrarossi (LED IR) e un fototransistor al silicio NPN. Il LED IR emette luce infrarossa invisibile quando è polarizzato direttamente con una corrente appropriata. Il fototransistor è progettato per essere sensibile a questa specifica lunghezza d'onda IR. Quando nessun oggetto è presente nello spazio tra di loro, la luce IR brilla direttamente sulla regione di base del fototransistor. Questa luce incidente genera coppie elettrone-lacuna, che agiscono come corrente di base, accendendo il transistor e permettendo il flusso di una significativa corrente di collettore (I_C). Quando un oggetto opaco entra nello spazio, blocca il percorso della luce. Il fototransistor non riceve luce (o ne riceve molta meno), la corrente di base effettiva scende quasi a zero e il transistor si spegne, riducendo la corrente di collettore a un livello di dispersione molto basso (I_CEO). Questa variazione della corrente/tensione di uscita viene rilevata dal circuito esterno per registrare un evento "oggetto presente".

11. Tendenze Tecnologiche

Il campo dei componenti optoelettronici come i photointerruttori continua a evolversi. Le tendenze generali osservabili nel settore includono:

• Miniaturizzazione: Sviluppo di package con ingombri ancora più piccoli e profili più bassi per adattarsi a dispositivi industriali e di consumo sempre più compatti.
• Integrazione Avanzata: Incorporazione di circuiti aggiuntivi sul chip, come trigger di Schmitt per l'isteresi, resistenze limitatrici di corrente integrate o persino interfacce digitali (I2C), semplificando la progettazione esterna.
• Prestazioni Migliorate: Sensibilità più elevata (che consente correnti di pilotaggio del LED più basse per il risparmio energetico), tempi di risposta più rapidi per l'automazione ad alta velocità e migliore stabilità termica.
• Focus sull'Efficienza Energetica: Design che consentono un funzionamento a impulsi con cicli di lavoro molto bassi per minimizzare il consumo medio di potenza, fondamentale per applicazioni alimentate a batteria.
• Robustezza: Migliorata resistenza a fattori ambientali come polvere, umidità e urti meccanici.

Queste tendenze mirano a rendere le soluzioni di sensing ottico più affidabili, più facili da implementare e adatte a una gamma più ampia di applicazioni.