Scheda Tecnica LTH-301-27P1 - Interruttore Ottico Riflettente - Documentazione Tecnica Italiana

1. Panoramica del Prodotto

Il LTH-301-27P1 è un interruttore ottico riflettente, un tipo di sensore optoelettronico. La sua funzione principale è rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto senza contatto fisico. Ciò è ottenuto combinando un diodo emettitore di luce infrarossa (LED IR) e un fototransistore all'interno di un unico contenitore compatto. Quando un oggetto entra nello spazio tra emettitore e rivelatore, interrompe il fascio di luce infrarossa, causando un cambiamento nello stato di uscita del fototransistore. Lo rende ideale per applicazioni che richiedono rilevamento affidabile e non meccanico, come il rilevamento di posizione, la commutazione di finecorsa e il conteggio oggetti.

Il dispositivo è progettato per il montaggio diretto su circuiti stampati (PCB) o in zoccoli standard dual-in-line, facilitando l'integrazione in assemblaggi elettronici. I suoi vantaggi principali includono l'immunità al rimbalzo dei contatti, la lunga durata operativa grazie all'assenza di parti in movimento e velocità di commutazione elevate adatte per applicazioni di conteggio o temporizzazione ad alta velocità.

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.

• Corrente Diretta Continua del Diodo IR (I_F):50 mA. Questa è la massima corrente in regime stazionario che può essere applicata al LED infrarosso.
• Tensione Inversa del Diodo IR (V_R):5 V. Superare questa tensione di polarizzazione inversa sul LED può causarne la rottura.
• Corrente di Collettore del Fototransistore (I_C):40 mA. La massima corrente che il collettore del fototransistore può gestire.
• Tensione Collettore-Emettitore del Fototransistore (V_CEO):30 V. La massima tensione che può essere applicata tra collettore ed emettitore del fototransistore.
• Intervallo di Temperatura Operativa:-35°C a +65°C. 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 dall'involucro. Questo è critico per i processi di saldatura a onda o a rifusione per prevenire danni termici.

Nota sulla Derating di Potenza:Sia la dissipazione di potenza del transistor (100 mW) che quella del diodo (75 mW) devono essere derivate linearmente a un tasso di 1,33 mW/°C per temperature ambiente superiori a 25°C. Ciò significa che la potenza ammissibile diminuisce all'aumentare della temperatura per prevenire il surriscaldamento.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Questi parametri sono misurati a 25°C e definiscono le prestazioni tipiche del dispositivo in condizioni di test specificate.

2.2.1 Caratteristiche del LED IR di Ingresso

• Tensione Diretta (V_F):Tipicamente 1,6V (max 1,6V) a una corrente diretta (I_F) di 20 mA. Viene utilizzata per calcolare il valore della resistenza di limitazione della corrente: R = (V_{alimentazione}- V_F) / I_F.
• Corrente Inversa (I_R):Massimo 100 µA a una tensione inversa (V_R) di 5V. Indica la corrente di dispersione del LED quando è polarizzato inversamente.

2.2.2 Caratteristiche del Fototransistore di Uscita

• Tensione di Rottura Collettore-Emettitore (V_(BR)CEO):Minimo 30V. Questa è la tensione alla quale il fototransistore si rompe 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 quando il fototransistore è nello stato "spento" (nessuna luce incidente). Un valore basso è desiderabile per un buon rapporto segnale/rumore.

2.2.3 Caratteristiche dell'Accoppiatore (Sistema)

Questi parametri descrivono le prestazioni della coppia combinata LED-fototransistore.

• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(SAT)):Massimo 0,4V quando il fototransistore è portato in saturazione (I_C=0,25mA, I_F=20mA). Una bassa tensione di saturazione è fondamentale per l'interfacciamento con circuiti logici.
• Corrente di Collettore in Stato di Accensione (I_C(ON)):Minimo 1,5 mA quando il fototransistore è illuminato (V_CE=5V, I_F=20mA). Questa è la fotocorrente generata e definisce la sensibilità del sensore. La corrente effettiva può essere più alta a seconda della riflettività dell'oggetto interruttore e dell'allineamento.

3. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

Il LTH-301-27P1 è contenuto in un package standard dual-in-line a 4 pin. Le dimensioni esatte sono fornite nel disegno del package all'interno della scheda tecnica. Le note meccaniche chiave includono:

• Tutte le dimensioni sono in millimetri, con una tolleranza standard di ±0,25mm salvo diversa specificazione.
• Il package presenta uno slot o un'intercapedine tra l'emettitore IR e il fotorivelatore. L'oggetto da rilevare passa attraverso questo spazio.
• La polarità è chiaramente marcata. I pin anodo e catodo del LED IR sono identificati, così come i pin collettore ed emettitore del fototransistore. L'orientamento corretto durante il montaggio su PCB è essenziale.
• Il dispositivo è adatto sia per il montaggio su PCB che per il montaggio su zoccolo, offrendo flessibilità nell'assemblaggio e potenziale per la sostituzione in campo.

4. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Una manipolazione corretta è cruciale per l'affidabilità.

• Saldatura:I terminali possono sopportare una temperatura di 260°C per un massimo di 5 secondi, misurata a 1,6mm dal corpo in plastica. Questa linea guida è critica per i processi di saldatura a onda. Per la saldatura a rifusione, è consigliato un profilo standard con una temperatura di picco inferiore a 260°C.
• Pulizia:Utilizzare detergenti delicati compatibili con l'involucro in plastica. Evitare la pulizia ultrasonica con potenza eccessiva, poiché potrebbe danneggiare i componenti interni.
• Stoccaggio:Conservare in un ambiente entro l'intervallo di temperatura di stoccaggio specificato di -40°C a +100°C, preferibilmente in condizioni di bassa umidità per prevenire l'assorbimento di umidità.
• Precauzioni ESD:Sebbene non sia esplicitamente dichiarato come sensibile, durante l'assemblaggio dovrebbero essere seguite le procedure standard di manipolazione ESD (scarica elettrostatica) per dispositivi a semiconduttore.

5. Suggerimenti per l'Applicazione

5.1 Circuiti di Applicazione Tipici

La configurazione più comune è collegare il LED IR in serie con una resistenza di limitazione della corrente a una sorgente di tensione (es. 5V). Il fototransistore è tipicamente collegato in configurazione emettitore comune: il collettore è collegato a una tensione di alimentazione (es. 5V) tramite una resistenza di carico (R_L), e l'emettitore è collegato a massa. Il segnale di uscita è prelevato dal nodo del collettore.

• Quando il fascio non è ostruito, la luce cade sul fototransistore, facendolo condurre e portando la tensione del collettore bassa (vicino a V_CE(SAT)).
• Quando un oggetto blocca il fascio, il fototransistore si spegne e la tensione del collettore viene portata alta dalla resistenza di carico.
• Il valore della resistenza di carico (R_L) determina la velocità di commutazione e il consumo di corrente. Una R_Lpiù piccola consente una commutazione più rapida ma assorbe più corrente quando il transistor è acceso.

5.2 Considerazioni di Progettazione

• Allineamento:Un preciso allineamento meccanico del percorso dell'oggetto con lo spazio del sensore è critico per un funzionamento affidabile.
• Luce Ambiente:Poiché il sensore utilizza luce infrarossa, può essere suscettibile a interferenze da forti sorgenti IR ambientali (es. luce solare, lampade a incandescenza). L'uso di un segnale IR modulato e di un circuito rivelatore sincronizzato può migliorare notevolmente l'immunità.
• Caratteristiche dell'Oggetto:L'efficacia del sensore dipende dalla capacità dell'oggetto di riflettere o assorbire il fascio IR. Oggetti scuri e non riflettenti potrebbero non essere rilevati in modo affidabile come quelli chiari. Si consiglia di testare con il materiale target effettivo.
• Debouncing:Sebbene il sensore stesso non abbia rimbalzo dei contatti, l'uscita elettrica potrebbe comunque avere rumore. Potrebbe essere necessario un debouncing software o hardware (es. un semplice filtro RC o un ingresso trigger di Schmitt) per segnali digitali puliti.

6. Principio di Funzionamento

L'interruttore ottico funziona sul principio dell'interruzione del fascio luminoso. Internamente, un LED infrarosso emette luce a una lunghezza d'onda tipicamente attorno ai 940nm, invisibile all'occhio umano. Direttamente di fronte, è posizionato un fototransistore al silicio per ricevere questa luce. Il fototransistore agisce come un interruttore controllato dalla luce. Quando i fotoni del LED IR colpiscono la sua regione di base, generano coppie elettrone-lacuna, che a loro volta permettono il flusso di una corrente di collettore molto più grande: questo è l'effetto fotoelettrico. L'entità di questa corrente di collettore è proporzionale all'intensità della luce incidente. Quando un oggetto opaco entra nello spazio tra il LED e il fototransistore, il percorso della luce viene bloccato. L'intensità della luce sul fototransistore cala drasticamente, facendo cadere la sua corrente di collettore a un valore molto basso (essenzialmente la corrente di buio). Questo brusco cambiamento di corrente (o il corrispondente cambiamento di tensione ai capi di una resistenza di carico) viene rilevato dal circuito esterno e interpretato come un evento di commutazione.

7. Curve di Prestazione e Analisi

La scheda tecnica include curve caratteristiche tipiche che forniscono preziose informazioni oltre i valori minimi/tipici/massimi tabulati.

• Caratteristiche di Trasferimento (I_Cvs. I_F):Questa curva mostra come la corrente di uscita del fototransistore (I_C) varia con la corrente di ingresso del LED (I_F) a una tensione collettore- emettitore fissa. Dimostra la relazione lineare tra la corrente di pilotaggio in ingresso e la risposta in uscita in condizioni specifiche, aiutando a ottimizzare la corrente di pilotaggio del LED per la sensibilità desiderata.
• Caratteristiche di Uscita (I_Cvs. V_CE):Queste curve, tracciate per diversi livelli di luce incidente (o diverse I_F), mostrano come il fototransistore si comporti come una sorgente di corrente. La corrente di collettore rimane relativamente costante su un intervallo di V_CEfinché non raggiunge la saturazione.
• Dipendenza dalla Temperatura:Le curve che mostrano la variazione di parametri come la tensione diretta (V_F) o la corrente di buio del collettore (I_CEO) con la temperatura sono cruciali per progettare sistemi che operano su tutto l'intervallo di temperatura specificato. Ad esempio, V_Ftipicamente diminuisce all'aumentare della temperatura, il che potrebbe influenzare leggermente l'emissione luminosa del LED se pilotato da una sorgente di tensione costante.

8. Domande Frequenti e Risposte

D: Qual è il tempo di risposta tipico di questo sensore?

R: Sebbene non sia esplicitamente dichiarato nei dati forniti, interruttori ottici come questo hanno tipicamente tempi di risposta nell'intervallo dei microsecondi, rendendoli adatti per il conteggio ad alta velocità. La velocità effettiva è limitata dal tempo di salita/discesa del fototransistore e dalla costante di tempo RC del circuito esterno.

D: Posso usare questo sensore all'aperto?

R: Con cautela. La luce solare diretta contiene forti componenti infrarosse che possono saturare il fototransistore, causando falsi inneschi. Per un uso affidabile all'aperto è necessario uno scudo fisico o un involucro per bloccare la luce ambiente, insieme a tecniche di filtraggio ottico o modulazione del segnale.

D: Come scelgo il valore per la resistenza di limitazione della corrente del LED?

R: Usa la formula: R = (V_CC- V_F) / I_F. Ad esempio, con un'alimentazione di 5V (V_CC), una V_Ftipica di 1,6V e una I_Fdesiderata di 20 mA: R = (5 - 1,6) / 0,02 = 170 Ω. Una resistenza standard da 180 Ω sarebbe appropriata, risultando in I_F≈ 18,9 mA.

D: Qual è lo scopo del valore di Tensione di Rottura Emettitore-Collettore (V_(BR)ECO)?

R: Questo valore (5V) è rilevante se il fototransistore è collegato in una configurazione invertita (emettitore a potenziale più alto del collettore), il che è insolito. Garantisce che il dispositivo possa sopportare una piccola tensione inversa attraverso la giunzione C-E senza danni.

9. Esempio Pratico di Utilizzo

Applicazione: Rilevamento Carta in una Stampante

Il LTH-301-27P1 può essere utilizzato per rilevare il bordo anteriore della carta in una stampante o fotocopiatrice. Il sensore è montato in modo che la carta passi attraverso il suo spazio. Una bandierina riflettente o la carta stessa interrompe il fascio. Quando il fascio non è ostruito (nessuna carta), il fototransistore è acceso, emettendo una tensione bassa. Quando la carta entra nello spazio, il fascio viene bloccato, il fototransistore si spegne e la tensione di uscita diventa alta. Questo segnale di fronte di salita può essere inviato a un microcontrollore per avviare una sequenza di stampa, confermare la presenza della carta o contare le pagine. La natura senza contatto garantisce nessuna usura sulla carta o sul sensore, e la risposta rapida consente il rilevamento anche ad alte velocità di alimentazione della carta. Le considerazioni di progettazione includerebbero garantire che il percorso della carta sia accuratamente allineato con lo spazio del sensore e selezionare una resistenza di carico che fornisca un'oscillazione di tensione pulita e rapida per il pin di ingresso del microcontrollore.

10. Tendenze Tecnologiche

Gli interruttori ottici rimangono una tecnologia di rilevamento fondamentale per la loro semplicità, affidabilità e basso costo. Le tendenze attuali si concentrano sulla miniaturizzazione, portando a package per dispositivi a montaggio superficiale (SMD) che risparmiano spazio su scheda nell'elettronica moderna. C'è anche l'integrazione di circuiti aggiuntivi, come trigger di Schmitt integrati per l'isteresi e un'uscita digitale pulita, o persino soluzioni completamente integrate con un driver IR modulato e un IC rivelatore sincronizzato su un singolo chip per un'eccellente reiezione della luce ambiente. Inoltre, i progressi nei materiali e nel confezionamento stanno estendendo gli intervalli di temperatura operativa e migliorando l'affidabilità a lungo termine per applicazioni automobilistiche e industriali. Mentre tecnologie più recenti come i sensori a tempo di volo (ToF) offrono la misurazione della distanza, il ruolo dell'interruttore ottico di base per il semplice rilevamento binario di presenza in applicazioni sensibili al costo rimane saldamente consolidato.