ITR1502SR40A/TR8 - Scheda Tecnica Interruttore Ottico Riflettente - Dimensione 4.0x3.0x2.0mm - Tensione Diretta 1.2V - Dissipazione 75mW - Lente Trasparente Nera - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'ITR1502SR40A/TR8 è un interruttore ottico riflettente surface-mount altamente integrato, progettato per applicazioni di sensing a contatto zero. Combina un emettitore a infrarossi e un rivelatore a fototransistor al silicio all'interno di un unico package compatto con lente trasparente nera. Il dispositivo è progettato per il rilevamento affidabile della presenza o del movimento di oggetti con una distanza di sensing ottimale specificata di 4 mm. Il suo package senza piedini è specificamente concepito per la compatibilità con i moderni processi di saldatura a rifusione, rendendolo adatto per l'assemblaggio automatizzato ad alto volume.

1.1 Caratteristiche e Vantaggi Principali

• Alta Sensibilità:Il fototransistor al silicio fornisce una forte risposta elettrica alla luce infrarossa riflessa, consentendo un rilevamento affidabile.
• Taglio della Luce Visibile:Il materiale della lente trasparente nera blocca efficacemente la luce visibile ambientale, minimizzando il rischio di falsi trigger causati da sorgenti luminose esterne.
• Fattore di Forma Compatto:Con dimensioni di 4.0 mm x 3.0 mm x 2.0 mm, è ideale per progetti PCB con vincoli di spazio.
• Saldabile a Rifusione:Il package senza piedini (Tape & Reel) consente l'assemblaggio SMT standard, supportando temperature di picco di saldatura fino a 260°C per 5 secondi.
• Conformità Ambientale:Il dispositivo è conforme agli standard Halogen-Free (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm), alle normative UE REACH ed è RoHS compliant.
• Lunga Distanza Focale:Per la sua famiglia di package, offre una distanza di sensing ottimale relativamente lunga di 4 mm.

1.2 Mercato di Riferimento e Applicazioni

Questo componente è rivolto ai progettisti di elettronica di consumo, automazione d'ufficio e sistemi di controllo industriale che richiedono un rilevamento oggetti affidabile e a basso costo. La sua funzione principale è rilevare la presenza, l'assenza o il passaggio di un oggetto senza contatto fisico.

• Stampanti e Fotocopiatrici:Rilevamento di inceppamenti carta, stato del vassoio o presenza del supporto.
• Unità di Memoria Ottica (es. CD/DVD):Sensore della posizione del vassoio o rilevamento della presenza del disco.
• Proiettori e Display:Monitoraggio dello stato del filtro, posizione del coperchio o altri meccanismi interni.
• Distributori Automatici e Chioschi:Rilevamento dell'erogazione del prodotto o dell'interazione dell'utente.
• Elettrodomestici:Sensore di posizione in serrature intelligenti, macchine da caffè o altri dispositivi automatizzati.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Le prestazioni dell'ITR1502SR40A/TR8 sono definite da un set completo di parametri elettrici e ottici. Comprenderli è fondamentale per un corretto design del circuito e un funzionamento affidabile del sistema.

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.

• Dissipazione di Potenza in Ingresso (Pd):75 mW a o al di sotto di 25°C in aria libera.
• Corrente Diretta (IF):50 mA (continua).
• Corrente Diretta di Picco (IFP):1 A per impulsi ≤100μs con ciclo di lavoro dell'1%.
• Tensione Inversa (VR):5 V.
• Dissipazione di Potenza del Collettore (PC):75 mW.
• Corrente del Collettore (IC):25 mA.
• Tensione Collettore-Emettitore (V_CEO):30 V.
• Tensione Emettitore-Collettore (V_ECO):5 V.
• Temperatura di Esercizio (T_opr):-25°C a +85°C.
• Temperatura di Magazzinaggio (T_stg):-40°C a +100°C.
• Temperatura di Saldatura dei Piedini:260°C per 5 secondi (a 1/16 di pollice dal corpo).

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche (Ta=25°C)

Questi sono i parametri di prestazione garantiti in condizioni di test specificate.

Ingresso (Emettitore IR - Chip GaAs IR):

• Tensione Diretta (V_F):Tipicamente 1.2V, massimo 1.4V a I_F= 20 mA. Definisce la caduta di tensione ai capi del LED quando pilotato.
• Corrente Inversa (I_R):Massimo 10 μA a V_R= 6V.
• Lunghezza d'Onda di Picco (λ_P):940 nm (nominale) a I_F= 10 mA. Si trova nello spettro del vicino infrarosso, invisibile all'occhio umano.

Uscita (Fototransistor - Chip al Silicio):

• Corrente di Buio (I_CEO):Tipicamente 1 nA, massimo 100 nA a V_CE= 20V. È la corrente di dispersione quando nessuna luce incide sul rivelatore.
• Caratteristiche di Trasferimento - Corrente del Collettore (I_C(ON)):Minimo 60 μA, tipico, massimo 450 μA in condizioni di test: V_CE=2V, I_F=4mA, e un target riflettente a d=4mm. Questo è il parametro chiave che indica la sensibilità.
• Caratteristiche di Trasferimento - Corrente di Stato OFF (I_C(OFF)):Massimo 600 nA nelle stesse condizioni di test ma senza riflessione (o con un target assorbente).
• Tempo di Risposta (t_r, t_f):Tipicamente 20 μs, massimo 100 μs sia per il tempo di salita che di discesa. Testato a V_CE=2V, I_C=100μA, R_L=1kΩ, d=4mm. Definisce la velocità di commutazione.

Nota: La corrente di buio in esercizio può essere influenzata dall'ambiente circostante (es. sorgenti IR ambientali).

2.3 Gamma di Bin della Corrente del Collettore

I dispositivi sono selezionati (binnati) in base alla corrente del collettore misurata (I_C(ON)) in condizioni di test standard. Ciò consente ai progettisti di selezionare componenti con sensibilità coerente per la loro applicazione.

• Bin A:60 μA ≤ I_C(ON)< 120 μA
• Bin B:100 μA ≤ I_C(ON)< 220 μA
• Bin C:180 μA ≤ I_C(ON)< 350 μA
• Bin D:310 μA ≤ I_C(ON)≤ 450 μA

3. Analisi delle Curve di Prestazione

Le curve caratteristiche fornite offrono preziose informazioni sul comportamento del dispositivo in condizioni variabili, essenziali per un design di sistema robusto.

3.1 Caratteristiche Elettriche

Corrente Diretta vs. Tensione Diretta:Questa curva mostra la tipica caratteristica IV del LED emettitore a infrarossi. È non lineare, simile a un diodo standard. La tensione diretta tipica è di circa 1.2V a 20mA.

Corrente Diretta vs. Corrente del Collettore:Questa è la curva di trasferimento, che mostra come la corrente di uscita del fototransistor (I_C) aumenti con la corrente di pilotaggio del LED in ingresso (I_F). La relazione è approssimativamente lineare nella regione di funzionamento, dimostrando il guadagno del dispositivo.

Corrente del Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore:Questa famiglia di curve mostra I_Ca diversi livelli di I_F (es. 5mA, 10mA, 20mA, 50mA) al variare di V_CE. Illustra che il fototransistor agisce come una sorgente di corrente; al di sopra di un certo V_CE(tensione di saturazione, tipicamente bassa), I_Cè determinata principalmente dalla luce incidente (e quindi da I_F).

3.2 Caratteristiche di Temperatura

Tensione Diretta vs. Temperatura Ambiente:La tensione diretta del LED ha un coefficiente di temperatura negativo, diminuisce leggermente all'aumentare della temperatura (da circa 1.21V a -20°C a 1.16V a 80°C).

Corrente del Collettore Relativa vs. Temperatura Ambiente:Questa è una curva critica. La corrente del collettore (sensibilità) diminuisce significativamente all'aumentare della temperatura. A 80°C, l'uscita relativa è solo circa l'80% del suo valore a 25°C. Questo deve essere considerato nei progetti che operano ad alte temperature per garantire un margine di segnale sufficiente.

Corrente di Buio del Collettore vs. Temperatura Ambiente:La corrente di buio aumenta esponenzialmente con la temperatura (da ~0.1nA a -40°C a quasi 1000nA a 100°C). Nelle applicazioni ad alta temperatura, questa maggiore dispersione può diventare una parte significativa del segnale, potenzialmente riducendo il rapporto segnale/rumore.

Dissipazione di Potenza vs. Temperatura Ambiente:Questa curva di derating mostra che la massima dissipazione di potenza consentita per il dispositivo diminuisce linearmente all'aumentare della temperatura ambiente oltre i 25°C, raggiungendo 0 mW a 100°C.

3.3 Caratteristiche Ottiche e Spaziali

Spettro di Lunghezza d'Onda:La curva dell'intensità radiante relativa mostra che l'uscita dell'emettitore è centrata a 940 nm con una tipica larghezza spettrale. La lente trasparente nera trasmette efficacemente questa luce IR bloccando le lunghezze d'onda visibili più corte.

Corrente del Collettore Relativa vs. Distanza di Movimento Z (Specchio):Questa curva definisce il profilo di sensing. La corrente di uscita è massima quando il target riflettente si trova alla distanza ottimale (4mm). Il segnale diminuisce man mano che il target si avvicina o si allontana, definendo la finestra di sensing pratica. La curva ha una forma approssimativamente gaussiana.

Tempo di Commutazione vs. Resistenza di Carico:Sia il tempo di salita (t_r) che quello di discesa (t_f) aumentano con una resistenza di carico (R_L) più alta. Per una commutazione più veloce, dovrebbe essere utilizzata una R_Linferiore, ma ciò comporterà anche un'escursione di tensione di uscita inferiore. I progettisti devono bilanciare velocità e livello del segnale.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo ha un package surface-mount compatto e senza piedini che misura 4.0 mm di lunghezza, 3.0 mm di larghezza e 2.0 mm di altezza. Le note dimensionali chiave includono:

• Tutte le dimensioni sono in millimetri.
• Le tolleranze sono ±0.1mm salvo diversa specifica.
• La spaziatura dei piedini è misurata dove il piedino emerge dal package.
• La massa del prodotto è di circa 0.025 grammi.

4.2 Pattern di Piazzola PCB Raccomandato

Viene fornito un layout di piazzole di saldatura raccomandato per garantire una saldatura affidabile e stabilità meccanica. Viene enfatizzata una regola di design critica: la quantità di stagno deve essere controllata attentamente per prevenire la risalita capillare o la fuoriuscita di stagno nello spazio tra il PCB e il corpo dell'alloggiamento. Un eccesso di stagno in quest'area può creare stress, compromettere la funzionalità o ridurre l'affidabilità a lungo termine. Il design delle piazzole include tipicamente connessioni di rilievo termico e un'area di rame sufficiente per un forte legame.

4.3 Polarità e Orientamento

Il dispositivo ha un orientamento marcato (tipicamente un punto o una tacca sulla superficie superiore) che indica il Pin 1. Il pinout è standard per tali dispositivi: l'anodo e il catodo dell'emettitore a infrarossi formano una coppia, e il collettore e l'emettitore del fototransistor formano l'altra. Per l'assegnazione esatta dei pin, è necessario consultare il diagramma nella scheda tecnica. Un orientamento errato impedirà il funzionamento del dispositivo.

5. Linee Guida per Saldatura, Assemblaggio e Magazzinaggio

5.1 Condizioni di Saldatura a Rifusione

L'ITR1502SR40A/TR8 è classificato per processi di saldatura a rifusione senza piombo (Pb-free). Viene fornito un profilo di temperatura raccomandato, che tipicamente include:

• Preriscaldamento/Rampa:Un aumento controllato per attivare il flussante.
• Zona di Soak:Un periodo a una temperatura inferiore al liquidus per garantire un riscaldamento uniforme.
• Zona di Rifusione:La temperatura di picco non deve superare i 260°C, e il tempo al di sopra dei 240°C deve essere limitato (es. 30-60 secondi).
• Raffreddamento:Un periodo di raffreddamento controllato.

Nota Critica:La saldatura a rifusione non deve essere eseguita più di due volte sullo stesso dispositivo per evitare danni da stress termico ai componenti interni e al composto di modellatura.

5.2 Sensibilità all'Umidità e Magazzinaggio (MSL 3)

Il package è sensibile all'umidità. È necessario rispettare le seguenti procedure per prevenire l'"effetto popcorn" (crepe del package dovute alla pressione del vapore durante la rifusione).

• Magazzinaggio Busta Chiusa:Conservare a ≤30°C e ≤90% UR. Utilizzare entro un anno dalla spedizione.
• Dopo l'Apertura della Busta:Conservare a ≤30°C e ≤70% UR.
• Tempo di Vita a Bordo:I dispositivi devono essere saldati entro 168 ore (7 giorni) dall'apertura della busta barriera all'umidità.
• Essiccazione:Se il tempo di vita a bordo viene superato o l'indicatore di umidità (essiccante) mostra saturazione, essiccare i dispositivi a 60°C ±5°C per 24 ore prima dell'uso per rimuovere l'umidità assorbita.

6. Imballaggio e Informazioni d'Ordine

6.1 Specifiche Tape and Reel

Il dispositivo è fornito in confezione standard tape and reel conforme a EIA-481 per l'assemblaggio automatizzato pick-and-place.

• Quantità per Confezione:800 pezzi per bobina.
• Bobine per Cartone:38 bobine per cartone esterno.
• Dimensioni Cartone Esterno:409 mm (A) x 245 mm (B) x 360 mm (C).

La bobina ha un'etichetta di orientamento specifica che indica la direzione progressiva. Sono fornite le dimensioni dettagliate della bobina (diametro del mozzo, larghezza della bobina, ecc.) per la compatibilità con le apparecchiature di posizionamento.

6.2 Procedura di Imballaggio

Le bobine sono imballate in buste sigillate di alluminio anti-umidità. Ogni busta contiene un sacchetto essiccante e una cartina indicatrice di umidità per monitorarne i livelli. Più buste vengono poi imballate in un cartone di spedizione principale.

7. Considerazioni per il Design Applicativo

7.1 Circuito Applicativo Tipico

Un circuito applicativo di base coinvolge due parti principali:

1. Pilotaggio dell'Emettitore:Una resistenza limitatrice di corrente in serie con il LED IR. Il valore della resistenza è calcolato come R_limit= (V_CC- V_F) / I_F. Ad esempio, con un'alimentazione di 5V e una I_Fdesiderata di 20mA: R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω (utilizzare una resistenza standard da 200Ω). Il LED può essere pilotato in continuo o a impulsi per un consumo energetico inferiore.
2. Interfaccia del Rivelatore:Il fototransistor è tipicamente collegato con una resistenza di pull-up (R_L) dal collettore a V_CC. L'emettitore è collegato a massa. Senza luce riflessa, il transistor è spento e la tensione di uscita al collettore è alta (V_CC). Quando viene rilevata luce, il transistor si accende, portando la tensione di uscita bassa verso massa. Il valore di R_Linfluenza sia l'escursione della tensione di uscita che la velocità di risposta (vedi curve di prestazione). Un valore comune è da 1kΩ a 10kΩ.

7.2 Fattori di Design per un Sensing Affidabile

• Riflettività del Target:L'intensità del segnale è direttamente proporzionale alla riflettività della superficie del target. Una superficie bianca e riflettente produrrà il segnale più forte; una superficie nera e opaca produrrà il segnale più debole. Il sistema deve essere progettato per funzionare con il target peggiore.
• Distanza e Allineamento del Target:Il sensore ha un "punto ottimale" specifico a 4mm. Variazioni nelle tolleranze di assemblaggio o nella posizione del target influenzeranno il livello del segnale. Progettare supporti meccanici per mantenere un allineamento costante.
• Immunità alla Luce Ambiente:Sebbene la lente nera blocchi la maggior parte della luce visibile, sorgenti forti di luce infrarossa (luce solare, lampadine a incandescenza) possono ancora causare interferenze. Utilizzare un segnale di pilotaggio del LED modulato (a impulsi) e un rilevamento sincrono nel circuito ricevitore può migliorare notevolmente l'immunità alla luce ambiente.
• Compensazione della Temperatura:Come mostrato nelle curve, la sensibilità diminuisce con la temperatura. Per applicazioni che operano su un ampio intervallo di temperature, il circuito dovrebbe includere un margine o una compensazione attiva (es. regolare I_Fin base alla temperatura) per garantire un rilevamento affidabile ad alte temperature.
• Rumore Elettrico:Mantenere le tracce del sensore corte e lontane da linee digitali rumorose o di alimentazione. Utilizzare condensatori di bypass vicino al dispositivo sia su V_CCche sull'alimentazione del LED se pilotato a impulsi.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

L'ITR1502SR40A/TR8 si differenzia nel mercato dei sensori riflettenti attraverso diversi attributi chiave:

• vs. Interruttori Through-Hole più Grandi:Il suo vantaggio principale è l'impronta SMD ultra-compatta di 4.0x3.0mm, che consente la miniaturizzazione e l'assemblaggio automatizzato, cosa che i dispositivi through-hole più grandi non possono eguagliare.
• vs. Altri Sensori Riflettenti SMD:La combinazione di una distanza ottimale di 4mm e di una lente trasparente nera per il blocco della luce visibile in questo fattore di forma così piccolo è un punto di design specifico. Alcuni concorrenti potrebbero offrire distanze di sensing più brevi o materiali per lenti diversi.
• vs. Uscita Analogica vs. Sensori Digitali:Questo dispositivo fornisce un'uscita analogica a fototransistor, dando al progettista il pieno controllo sulla soglia e consentendo misurazioni analogiche di distanza/riflettività. Ciò offre maggiore flessibilità rispetto ai sensori con logica digitale integrata che forniscono semplicemente un segnale on/off.
• vs. Coppie Emettitore/Rivelatore Discrete:Il package integrato garantisce un allineamento preciso e fisso tra emettitore e rivelatore, difficile e costoso da ottenere con due componenti separati. Semplifica anche il layout PCB e l'assemblaggio.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D1: Qual è la differenza tra i bin (A, B, C, D)? Come scelgo?

R: I bin rappresentano diverse gamme di sensibilità (I_C(ON)). Scegli un bin in base al margine di segnale richiesto. Per applicazioni con target altamente riflettenti o distanze brevi, un bin inferiore (A o B) può essere sufficiente. Per target a bassa riflettività, distanze più lunghe o funzionamento ad alta temperatura dove la sensibilità cala, un bin superiore (C o D) fornisce più margine. La coerenza all'interno di un bin è anche importante per la produzione.

D2: Posso pilotare il LED IR direttamente con una tensione senza una resistenza limitatrice?

R: No. La tensione diretta del LED non è un valore fisso e varia con la temperatura e il dispositivo. Pilotarlo direttamente da una sorgente di tensione comporterà una corrente incontrollata, che probabilmente supererà il Valore Massimo Assoluto e distruggerà l'emettitore. Utilizzare sempre una resistenza limitatrice di corrente in serie.

D3: Il mio sensore funziona in modo irregolare. Quale potrebbe essere la causa?

R: Problemi comuni includono: 1)Margine di segnale insufficiente:Controllare I_C(ON)con il tuo target specifico e assicurarsi che sia ben al di sopra della soglia di rilevamento del tuo circuito, considerando il derating di temperatura. 2)Interferenza della luce ambiente:Schermare il sensore dalla luce diretta intensa o implementare la modulazione. 3)Problemi alle giunzioni saldate:Verificare che sia stato utilizzato il pattern di piazzole raccomandato e ispezionare per ponticelli di stagno o saldatura insufficiente. 4)Corrente di buio eccessiva:A temperature molto elevate, la corrente di buio può diventare significativa; assicurarsi che il circuito possa distinguerla dal segnale vero.

D4: Come calcolo la dissipazione di potenza del dispositivo?

R: La dissipazione di potenza totale è la somma della dissipazione in ingresso (LED) e in uscita (fototransistor). P_D(totale)≈ (V_F* I_F) + (V_CE(sat)* I_C). In condizioni tipiche (I_F=20mA, V_F=1.2V, I_C=5mA, V_CE=0.2V), P_D≈ 24mW + 1mW = 25mW, che è ben al di sotto del rating di 75mW a 25°C. Ricordarsi di applicare il derating a questo valore se si opera al di sopra dei 25°C.

10. Principio Operativo

L'ITR1502SR40A/TR8 opera sul principio della riflessione della luce modulata. Il diodo emettitore di luce a infrarossi (IR LED) interno emette luce a una lunghezza d'onda di picco di 940 nm. Questa luce esce dal package attraverso la lente, colpisce un oggetto target di fronte al sensore e viene parzialmente riflessa indietro. Il fototransistor al silicio integrato, sensibile alla luce infrarossa, rileva questa luce riflessa. Quando i fotoni colpiscono la regione di base del fototransistor, generano coppie elettrone-lacuna, che agiscono come una corrente di base. Questa corrente di base fotogenerata viene quindi amplificata dal guadagno del transistor, risultando in una corrente di collettore molto più grande (I_C). Questa corrente di collettore è il segnale elettrico di uscita, proporzionale all'intensità della luce riflessa. Il materiale della lente trasparente nera è trasparente alla luce IR di 940 nm ma opaco alla maggior parte della luce visibile, fornendo immunità alle sorgenti di luce visibile ambientale. L'allineamento fisso e co-planare dell'emettitore e del rivelatore all'interno del package modellato crea un percorso ottico preciso ottimizzato per rilevare oggetti a una distanza specifica (4mm) di fronte al sensore.