Scheda Tecnica Fotointerruttore LTH-301-05 - Commutazione a Contatto Zero - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTH-301-05 è un fotointerruttore riflettente, un componente optoelettronico che integra un diodo emettitore di luce infrarossa (LED IR) e un fototransistor in un unico package compatto. La sua funzione principale è rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto senza contatto fisico, fungendo quindi da interruttore a contatto zero. Il vantaggio principale di questo dispositivo risiede nell'affidabilità e nella lunga durata, poiché elimina l'usura meccanica tipica degli interruttori tradizionali. È progettato per il montaggio diretto su PCB (Scheda a Circuito Stampato) o per l'uso con un zoccolo dual-in-line, offrendo flessibilità nell'assemblaggio. L'elevata velocità di commutazione lo rende adatto ad applicazioni che richiedono rilevamento rapido, come in stampanti, fotocopiatrici, distributori automatici e apparecchiature per l'automazione industriale, dove è necessario il rilevamento di posizione, il conteggio di oggetti o la rilevazione di bordi.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non sono per il funzionamento continuo. I parametri chiave includono:

• Corrente Diretta Continua del Diodo IR (I_F): 60 mA. Questa è la massima corrente in regime stazionario che può scorrere attraverso il LED.
• Corrente Diretta di Picco del Diodo IR: 1 A (per impulsi di larghezza 10 μs a 300 impulsi al secondo). Ciò consente brevi impulsi ad alta intensità per migliorare il rilevamento del segnale.
• Corrente di Collettore del Fototransistor (I_C): 20 mA. La massima corrente che il transistor di uscita può gestire.
• Tensione Collettore-Emettitore del Fototransistor (V_CEO): 30 V. La massima tensione che può essere applicata tra collettore ed emettitore del fototransistor.
• Intervallo di Temperatura di Funzionamento: da -25°C a +85°C. Definisce l'intervallo di temperatura ambiente per un funzionamento affidabile.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali: 260°C per 5 secondi a una distanza di 1,6mm dal corpo. Questo è fondamentale durante l'assemblaggio per prevenire danni termici.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Questi parametri sono misurati a una temperatura ambiente (T_A) di 25°C e definiscono le prestazioni tipiche del dispositivo.

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (LED IR)

• Tensione Diretta (V_F): Tipicamente da 1,2V a 1,6V a una corrente diretta (I_F) di 20 mA. Questa è la caduta di tensione ai capi del LED quando è illuminato.
• Corrente Inversa (I_R): Massimo 100 μA a una tensione inversa (V_R) di 5V. Indica la piccola corrente di dispersione quando il LED è polarizzato inversamente.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita (Fototransistor)

• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (V_(BR)CEO): Minimo 30V. La tensione alla quale il transistor va in breakdown quando la base è aperta.
• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (I_CEO): Massimo 100 nA a V_CE=10V. Questa è la corrente di dispersione del fototransistor quando non è illuminato (cioè la corrente nello stato "spento"). Un valore basso è desiderabile per un buon contrasto tra gli stati acceso e spento.

2.2.3 Caratteristiche dell'Accoppiatore (Combinato)

Questi parametri descrivono il comportamento combinato del LED e del fototransistor.

• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(SAT)): Massimo 0,4V quando il fototransistor è completamente acceso (I_C=0,25mA, I_F=20mA). Una bassa tensione di saturazione è vantaggiosa per l'interfacciamento con logiche digitali.
• Corrente di Collettore nello Stato Acceso (I_C(ON)): Minimo 0,5 mA quando il LED è alimentato (I_F=20mA) e V_CE=5V. Questa è la fotocorrente generata, che determina l'ampiezza del segnale di uscita.
• Tempo di Risposta: Definisce la rapidità con cui l'uscita reagisce a un cambiamento della luce in ingresso.
  • Tempo di Salita (t_r): Tipicamente 3 μs, massimo 15 μs. Il tempo impiegato dalla corrente di uscita per salire dal 10% al 90% del suo valore finale quando il LED viene acceso.
  • Tempo di Discesa (t_f): Tipicamente 4 μs, massimo 20 μs. Il tempo impiegato dalla corrente di uscita per scendere dal 90% al 10% del suo valore iniziale quando il LED viene spento.

3. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

3.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo presenta un package standard a foro passante con quattro terminali. Le dimensioni esatte sono fornite nei disegni della scheda tecnica. Note chiave includono:

• Tutte le dimensioni sono in millimetri, con i pollici tra parentesi.
• La tolleranza standard è ±0,25mm (±0,010") a meno che una nota specifica non indichi diversamente.
• Il package è progettato per la stabilità durante i processi di saldatura a onda o manuale.

3.2 Identificazione della Polarità

L'orientamento corretto è cruciale. Il diagramma nella scheda tecnica indica chiaramente i pin anodo e catodo per il LED IR e i pin collettore ed emettitore per il fototransistor. Montare il dispositivo in modo errato può portare al mancato funzionamento o a danni permanenti.

4. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Una manipolazione corretta garantisce affidabilità e longevità del dispositivo.

• Saldatura: I terminali possono essere saldati a una temperatura massima di 260°C, ma questo calore deve essere applicato per una durata massima di 5 secondi. È fondamentale mantenere la distanza specificata (1,6mm / 0,063") dal corpo in plastica per prevenire fusione o deformazione del package.
• Pulizia: Utilizzare solventi appropriati compatibili con il materiale plastico del dispositivo. Evitare la pulizia ad ultrasuoni con determinate frequenze che potrebbero causare stress interno o crepe.
• Condizioni di Stoccaggio: Per preservare le prestazioni, conservare i dispositivi in un ambiente con un intervallo di temperatura da -40°C a +100°C e bassa umidità, preferibilmente in imballaggio anti-statico per prevenire danni da scariche elettrostatiche (ESD).

5. Suggerimenti per l'Applicazione

5.1 Scenari Applicativi Tipici

• Rilevamento Carta in Stampanti/Fotocopiatrici: Rilevamento di inceppamenti carta, fine carta o condizioni di alimentazione multipla.
• Conteggio Oggetti: Conteggio di articoli su un nastro trasportatore o attraverso una canalina.
• Rilevamento Posizione/Velocità: Rilevamento di fessure in una ruota encoder per determinare la posizione angolare o la velocità di un motore.
• Distributori Automatici: Verifica del passaggio di monete o dell'erogazione di prodotti.
• Sistemi di Sicurezza: Come parte di un sensore a barriera per il rilevamento di intrusioni.

5.2 Considerazioni di Progettazione

• Limitazione della Corrente del LED: Utilizzare sempre una resistenza in serie con il LED IR per limitare la corrente diretta (I_F) a un valore sicuro, tipicamente tra 10mA e 20mA per un equilibrio tra forza del segnale di uscita e durata del dispositivo. Il valore della resistenza può essere calcolato usando R = (V_CC- V_F) / I_F.
• Polarizzazione del Fototransistor: Una resistenza di pull-up è tipicamente collegata tra il collettore del fototransistor e la tensione di alimentazione positiva (V_CC). L'emettitore è collegato a massa. Il valore di questa resistenza (spesso tra 1kΩ e 10kΩ) e la tensione di alimentazione determinano l'escursione della tensione di uscita e la velocità di risposta. Una resistenza più piccola fornisce una risposta più rapida ma un'escursione di tensione di uscita inferiore (e un consumo di potenza più alto quando acceso).
• Immunità alla Luce Ambiente: Poiché il dispositivo utilizza luce infrarossa, è in una certa misura immune alla luce ambiente visibile. Tuttavia, sorgenti forti di radiazione IR (come la luce solare o lampade ad incandescenza) possono causare attivazioni spurie. L'uso di un segnale IR modulato e di un circuito di demodulazione può migliorare notevolmente l'immunità al rumore.
• Intercapedine e Riflettività: La distanza di rilevamento e l'ampiezza del segnale dipendono dalla riflettività dell'oggetto target e dalla larghezza dell'intercapedine tra il sensore e l'oggetto. Oggetti scuri e non riflettenti produrranno un segnale più debole.

6. Principio di Funzionamento

Il LTH-301-05 funziona su un semplice principio ottico. Il LED IR interno emette un fascio di luce infrarossa. Di fronte al LED si trova un fototransistor. Nello stato "non interrotto", questo fascio luminoso attraversa una piccola intercapedine e colpisce il fototransistor, facendolo condurre (accendere). Quando un oggetto viene inserito in questa intercapedine, blocca la luce infrarossa. Senza luce incidente sul fototransistor, questo smette di condurre (si spegne). Questo cambiamento nello stato elettrico del fototransistor (da conduttore a non conduttore, o viceversa) viene rilevato dal circuito esterno, registrando la presenza dell'oggetto. Il fototransistor agisce essenzialmente come una sorgente di corrente controllata dall'intensità luminosa.

7. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica include curve caratteristiche tipiche, preziose per un'analisi di progettazione dettagliata. Sebbene grafici specifici non siano riprodotti nel testo, essi tipicamente illustrano le seguenti relazioni:

• Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (I_F-V_F) per il LED: Mostra la relazione non lineare, aiutando a determinare l'esatta caduta di tensione a diverse correnti operative.
• Corrente di Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore (I_C-V_CE) per il Fototransistor: A diversi livelli di luce incidente (o diverse correnti di pilotaggio del LED), queste curve mostrano le caratteristiche di uscita del transistor, simili alle curve di uscita di un transistor bipolare.
• Corrente di Collettore vs. Corrente Diretta (I_C-I_F): Questa curva caratteristica di trasferimento è cruciale. Mostra come la fotocorrente di uscita (I_C) varia con la corrente di ingresso del LED (I_F). Definisce il rapporto di trasferimento di corrente (CTR), che è un parametro chiave di efficienza per l'accoppiatore.
• Dipendenza dalla Temperatura: Le curve spesso mostrano come parametri come la tensione diretta (V_F), la corrente di buio (I_CEO), e la corrente nello stato acceso (I_C(ON)) variano con la temperatura ambiente. Questo è fondamentale per progettare sistemi che operano in un ampio intervallo di temperature.

8. Domande Frequenti Basate sui Parametri Tecnici

1. D: Qual è la tipica distanza di rilevamento?R: La distanza di rilevamento non è un singolo valore fisso nella scheda tecnica. Dipende dal design meccanico specifico della fessura, dalla corrente di pilotaggio del LED (I_F), dalla sensibilità del circuito ricevente e dalla riflettività dell'oggetto interruttore. Il progettista deve determinarla in base al parametro I_C(ON) e alla configurazione dell'applicazione.
2. D: Posso pilotare il LED direttamente da un pin di un microcontrollore?R: Possibilmente, ma devi verificare due cose: a) La capacità di erogazione di corrente massima del pin del microcontrollore deve essere maggiore della I_F desiderata (es. 20mA). b) DEVI includere una resistenza limitatrice di corrente in serie come descritto nelle considerazioni di progettazione. Non collegare mai un LED direttamente a una sorgente di tensione.
3. D: Come interfaccio l'uscita con un ingresso digitale?R: Il metodo più semplice è utilizzare una resistenza di pull-up sul collettore. Quando il percorso luminoso è libero, il fototransistor è acceso, portando la tensione del collettore a un livello basso (vicino a V_CE(SAT)). Quando la luce è bloccata, il transistor è spento e la resistenza di pull-up porta la tensione del collettore a un livello alto (a V_CC). Questo fornisce un segnale pulito a livello logico.
4. D: Perché il tempo di risposta è importante?R: Tempi di risposta rapidi (microsecondi) consentono al sensore di rilevare oggetti in movimento molto veloce o eventi sequenziali rapidi senza perdere conteggi. Questo è essenziale in macchinari ad alta velocità, applicazioni con encoder o sistemi di comunicazione che utilizzano luce pulsata.
5. D: Cosa succede se supero i valori massimi assoluti?R: Superare questi limiti, anche brevemente, può causare danni immediati o latenti al dispositivo. Ciò può includere il degrado dell'emissione luminosa del LED, l'aumento della corrente di buio nel fototransistor o un guasto completo (circuito aperto o cortocircuito). Progettare sempre con un margine di sicurezza.

9. Caso Pratico di Progettazione e Utilizzo

Caso: Misurazione dei Giri al Minuto (RPM) di un Piccolo Motore CC

Un progettista deve misurare la velocità di rotazione di un albero motore. Fissa un piccolo disco con fessure all'albero. Il LTH-301-05 è montato in modo che il disco ruoti attraverso la sua intercapedine di rilevamento. Ogni volta che una fessura passa attraverso l'intercapedine, la luce raggiunge il fototransistor, generando un impulso in uscita. Il LED è pilotato con una corrente costante di 15mA tramite una resistenza. Il collettore del fototransistor è collegato a un'alimentazione di 5V attraverso una resistenza di pull-up da 4,7kΩ e anche a un pin di ingresso del microcontrollore abilitato agli interrupt.

Il firmware del microcontrollore è programmato per contare il numero di impulsi (fronti di salita o discesa) ricevuti in una finestra temporale fissa (es. un secondo). Poiché il disco ha, ad esempio, 20 fessure, il numero di impulsi al secondo diviso per 20 fornisce i giri al secondo, facilmente convertibili in RPM. I rapidi tempi di salita e discesa del sensore garantiscono che anche ad alte velocità del motore, gli impulsi siano puliti e contati accuratamente, senza perdita di fronti dovuta a una risposta lenta del sensore.

10. Tendenze di Sviluppo

Fotointerruttori come il LTH-301-05 rappresentano una tecnologia matura e affidabile. Le tendenze attuali nel più ampio campo dei sensori optoelettronici si concentrano su:

• Miniaturizzazione: Sviluppo di package SMD (Dispositivi a Montaggio Superficiale) ancora più piccoli per risparmiare spazio su scheda nell'elettronica moderna.
• Integrazione:
  • Integrazione interna della resistenza limitatrice di corrente per il LED.
  • Inclusione di un trigger di Schmitt o di un comparatore nel package per fornire direttamente un'uscita digitale pulita, semplificando il circuito di interfaccia.
  • Aggiunta di circuiti di reiezione della luce ambiente o logica di modulazione/demodulazione on-chip per una superiore immunità al rumore.
• Prestazioni Potenziate: Miglioramento del rapporto di trasferimento di corrente (CTR) per un consumo energetico inferiore o distanze di rilevamento maggiori, e ulteriore riduzione dei tempi di risposta per applicazioni ultra-veloci.
• Specializzazione: Creazione di varianti con intercapedini molto strette per il rilevamento preciso di bordi, o con diverse lunghezze d'onda per il rilevamento di materiali specifici (es. rilevamento di pellicole trasparenti).

Nonostante questi progressi, il fotointerruttore riflettente fondamentale rimane una soluzione economica e robusta per una vasta gamma di applicazioni di rilevamento senza contatto, e comprendere i suoi parametri dettagliati come delineato in questa scheda tecnica è il primo passo verso una progettazione di successo.