Scheda Tecnica del Sensore Ottico Riflettente ITR8307/F43 - LED a Infrarossi e Fototransistor - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'ITR8307/F43 è un sensore ottico riflettente compatto a montaggio superficiale, progettato per il rilevamento di oggetti a breve distanza. Integra un diodo emettitore di luce a infrarossi (IR-LED) e un fototransistor al silicio NPN ad alta sensibilità all'interno di un unico package in plastica. La sua funzione principale è rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto emettendo luce infrarossa dal LED e misurando la quantità di luce riflessa sul fototransistor.

I vantaggi principali di questo dispositivo includono il tempo di risposta rapido, l'alta sensibilità alla luce infrarossa e la capacità di filtrare le interferenze della luce visibile, garantendo un funzionamento affidabile. Il suo fattore di forma sottile e compatto lo rende adatto per applicazioni con vincoli di spazio nell'elettronica di consumo e nelle apparecchiature controllate da microcomputer.

Il dispositivo è prodotto senza piombo (Pb-free), conforme al regolamento UE REACH e aderisce agli standard alogeni-free (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). È inoltre progettato per rimanere entro le specifiche della direttiva RoHS.

2. Approfondimento dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Limite Assoluti

Questi valori definiscono i limiti oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito.

• Dissipazione di Potenza in Ingresso (IR-LED) (Pd):75 mW a una temperatura ambiente di 25°C o inferiore. Superare questo valore può surriscaldare la giunzione del LED.
• Tensione Inversa del LED (VR):5 V. Applicare una tensione inversa più alta può causare la rottura.
• Corrente Diretta del LED (IF):50 mA continua. La corrente diretta di picco (IFP) è di 1 A per impulsi di larghezza 100 µs con periodo di 10 ms.
• Dissipazione di Potenza del Collettore in Uscita (Fototransistor) (PC):75 mW.
• Corrente del Collettore (IC):Massimo 50 mA.
• Tensione Collettore-Emettitore (V_CEO):30 V. Questa è la tensione massima che può essere applicata tra collettore ed emettitore con la base aperta.
• Temperatura di Esercizio (T_opr):-25°C a +85°C. Il dispositivo è funzionale entro questo intervallo di temperatura ambiente.
• Temperatura di Magazzinaggio (T_stg):-30°C a +100°C.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali (T_sol):260°C per un massimo di 5 secondi. Questo è fondamentale per i processi di saldatura a onda o a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri sono misurati a Ta=25°C e definiscono le prestazioni tipiche del dispositivo.

• Tensione Diretta del LED (V_F):Tipicamente 1,2 V, con un massimo di 1,6 V a una corrente diretta (I_F) di 20 mA. Questo è importante per progettare il circuito di pilotaggio limitatore di corrente.
• Lunghezza d'Onda di Picco del LED (λ_P):940 nm. Questa è la lunghezza d'onda alla quale l'IR-LED emette la massima potenza ottica, corrispondente alla sensibilità di picco del fototransistor al silicio.
• Corrente di Buio del Fototransistor (I_CEO):Massimo 100 nA a V_CE=10V senza illuminazione (E_e=0). Questa è la corrente di dispersione quando il sensore è 'spento' e dovrebbe essere minimizzata per un buon rapporto segnale/rumore.
• Corrente del Collettore (I_C(ON)):Minimo 0,1 mA nella condizione di test di V_CE=5V e I_F=20mA. Questa è la fotocorrente generata quando il LED è attivo e un oggetto è entro la portata di rilevamento.
• Tempo di Salita/Discesa (t_r, t_f):Tipicamente 20 µs ciascuno. Questo definisce la velocità di commutazione del fototransistor, cruciale per rilevare oggetti in rapido movimento o per la trasmissione dati ad alta velocità in alcune applicazioni.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica include diverse curve caratteristiche che forniscono una comprensione più approfondita del comportamento del dispositivo in condizioni variabili. Sebbene i grafici specifici non siano riprodotti qui, ne vengono spiegate le implicazioni tipiche.

3.1 Caratteristiche del LED IR

Le curve per l'emettitore a infrarossi mostrano tipicamente la relazione tra tensione diretta e corrente diretta (curva I-V), che è non lineare. Illustrano anche l'intensità radiante relativa rispetto alla corrente diretta, mostrando come l'uscita ottica aumenti con la corrente di pilotaggio, e l'effetto della temperatura ambiente su questa uscita, che generalmente diminuisce all'aumentare della temperatura.

3.2 Caratteristiche del Fototransistor

Le curve per il ricevitore rappresentano tipicamente la corrente del collettore rispetto alla tensione collettore- emettitore per diversi livelli di irradianza (potenza ottica in ingresso). Questa famiglia di curve è simile alle caratteristiche di uscita di un transistor bipolare, con l'irradianza che agisce come la corrente di base. Altre curve possono mostrare la corrente del collettore rispetto alla distanza da una superficie riflettente o rispetto alla corrente di pilotaggio del LED, definendo la funzione di trasferimento del sensore.

3.3 Caratteristiche del Sensore Combinato

Queste curve rappresentano le prestazioni dell'assemblaggio completo del sensore. Un grafico chiave è la corrente del collettore rispetto alla distanza da una superficie riflettente standard (spesso una cartolina bianca) per una corrente del LED fissa. Questa curva definisce la portata di rilevamento effettiva e la risposta non lineare in funzione della distanza, fondamentale per la progettazione del rilevamento a soglia.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

Il dispositivo è fornito in un package compatto a montaggio superficiale. Le dimensioni esatte sono fornite nel disegno del package nella scheda tecnica. Le note chiave del disegno specificano che tutte le dimensioni sono in millimetri e la tolleranza generale è ±0,15 mm salvo diversa indicazione. Il posizionamento affiancato dell'IR-LED e del fototransistor è ottimizzato per il sensing riflettente. Il package include marcature di polarità per garantire il corretto orientamento durante l'assemblaggio del PCB.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il valore limite assoluto per la temperatura di saldatura dei terminali è di 260°C per 5 secondi. Questo parametro deve essere rigorosamente rispettato durante i processi di saldatura a rifusione o a onda per prevenire danni al package in plastica o ai bonding interni. I profili standard IPC/JEDEC J-STD-020 per la saldatura senza piombo sono generalmente applicabili, ma la temperatura di picco e il tempo sopra il liquidus devono essere controllati. Va evitata un'esposizione prolungata all'umidità elevata prima della saldatura, e sono raccomandate le procedure standard di gestione del livello di sensibilità all'umidità (MSL), sebbene la classificazione MSL specifica non sia indicata nel contenuto fornito.

6. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

L'imballaggio standard è il seguente:

1. 160 pezzi per tubo.
2. 18 tubi per cartone interno.
3. 12 cartoni interni per cartone master (esterno).

L'etichetta sull'imballaggio include campi per il Numero di Produzione del Cliente (CPN), il Numero di Parte (P/N), la Quantità di Imballo (QTY), la Categoria (CAT), la Lunghezza d'Onda di Picco (HUE), il Riferimento (REF), il Numero di Lotto (LOT No.) e il Luogo di Produzione.

7. Suggerimenti Applicativi

7.1 Scenari Applicativi Tipici

La scheda tecnica elenca diverse applicazioni classiche: fotocamere (ad es. per rilevare la presenza di pellicola o nastro), videoregistratori, unità floppy disk, registratori a cassetta e varie apparecchiature di controllo a microcomputer. Le applicazioni moderne includono il rilevamento carta nelle stampanti, il rilevamento monete nei distributori automatici, il sensing di bordo, il conteggio oggetti e il sensing di prossimità nei dispositivi consumer dove è richiesto un rilevamento senza contatto.

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Limitazione di Corrente:Deve essere utilizzata una resistenza in serie con l'IR-LED per limitare la corrente diretta (I_F) a un valore sicuro, tipicamente 20 mA per il funzionamento standard, calcolato utilizzando la tensione di alimentazione e la tensione diretta del LED (V_F).
• Resistenza di Carico:L'uscita del fototransistor richiede una resistenza di pull-up o di carico (R_L) collegata tra il collettore e l'alimentazione positiva. Il suo valore determina l'escursione della tensione di uscita e la velocità di risposta. Una resistenza più piccola fornisce una risposta più veloce ma una sensibilità inferiore (variazione di tensione minore).
• Immunità alla Luce Ambiente:Sebbene il dispositivo tagli la luce visibile, forti sorgenti ambientali di infrarossi (luce solare, lampade a incandescenza) possono influenzare le prestazioni. Schermature meccaniche, filtri ottici o tecniche di modulazione/demodulazione (impulsi al LED e lettura sincrona dell'uscita) possono migliorare l'affidabilità.
• Riflettività:La portata di rilevamento e l'intensità del segnale dipendono fortemente dalla riflettività, dal colore e dalla trama superficiale dell'oggetto target. Potrebbe essere necessaria una calibrazione o soglie regolabili.

8. Confronto Tecnico

L'ITR8307/F43 offre un insieme specifico di caratteristiche. Rispetto a fototransistor o fotodiodi più semplici, fornisce una soluzione integrata e allineata per il sensing riflettente. Rispetto ai moderni sensori con uscita digitale e logica integrata, è un componente analogico che richiede circuiti esterni per il condizionamento del segnale, offrendo maggiore flessibilità di progettazione ma più complessità. I suoi punti di forza distintivi sono le dimensioni compatte, il tempo di risposta rapido (20 µs) e la conformità alle normative ambientali (RoHS, REACH, Halogen-Free).

9. Domande Frequenti (FAQ)

D: Qual è la distanza di rilevamento tipica?

R: La scheda tecnica non specifica una distanza massima poiché dipende fortemente dalla riflettività del target e dalla corrente di pilotaggio del LED. La condizione di test per I_C(ON)utilizza un'intercapedine di 1mm, indicando che è ottimizzato per il rilevamento a brevissima distanza. Le portate pratiche sono solitamente di pochi millimetri fino a un paio di centimetri.

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

R: No. Il LED deve essere pilotato con una sorgente limitata in corrente, quasi sempre implementata con una resistenza in serie, per prevenire la fuga termica e la distruzione da sovracorrente.

D: Come interfaccio l'uscita a un microcontrollore?

R: L'uscita del collettore del fototransistor è una tensione analogica che varia con la luce riflessa. Può essere collegata a un pin del convertitore analogico-digitale (ADC) di un microcontrollore per una misura precisa, o attraverso un circuito comparatore per creare un segnale digitale on/off per un pin GPIO.

D: Qual è lo scopo della funzione 'Taglio della lunghezza d'onda visibile'?

R: Il fototransistor è progettato per essere sensibile principalmente alla luce infrarossa a 940 nm del suo LED associato e meno sensibile alla luce visibile. Ciò riduce i falsi trigger causati da cambiamenti nell'illuminazione ambientale della stanza.

10. Caso d'Uso Pratico

Caso: Rilevamento Fine Carta in una Stampante Desktop

Il sensore è montato all'interno della stampante, rivolto verso il percorso della carta. Una bandierina riflettente o la carta stessa fungono da target. Quando la carta è presente, la luce infrarossa si riflette sul fototransistor, generando un'alta corrente di collettore e una bassa tensione di uscita (se si utilizza una resistenza di pull-up). Quando la carta finisce, la riflessione cessa, il fototransistor si spegne e la tensione di uscita diventa alta. Questa transizione di tensione viene rilevata dalla logica di controllo della stampante, attivando un avviso "carta esaurita" per l'utente. Il tempo di risposta rapido garantisce il rilevamento anche ad alte velocità di alimentazione della carta.

11. Principio di Funzionamento

L'ITR8307/F43 opera sul principio della riflessione della luce modulata. Il LED a infrarossi GaAs interno converte la corrente elettrica in luce infrarossa (940 nm). Questa luce viene emessa verso un'area target. Se un oggetto è presente nel campo di rilevamento, una parte di questa luce viene riflessa indietro. Il fototransistor al silicio NPN integrato funge da ricevitore. Quando i fotoni della luce infrarossa riflessa colpiscono la giunzione base-collettore del fototransistor, generano coppie elettrone-lacuna. Questa fotocorrente generata agisce come una corrente di base, che viene poi amplificata dal guadagno del transistor, risultando in una corrente di collettore molto più grande (I_C). L'entità di questa corrente di collettore è proporzionale all'intensità della luce infrarossa riflessa, che a sua volta dipende dalla distanza e dalla riflettività dell'oggetto. Misurando questa corrente di uscita (o la tensione ai capi di una resistenza di carico), è possibile determinare la presenza, l'assenza o anche la distanza approssimativa di un oggetto.

12. Tendenze Tecnologiche

Sensori ottici riflettenti come l'ITR8307/F43 rappresentano una tecnologia matura e affidabile. Le tendenze attuali nel settore includono un'ulteriore miniaturizzazione dei package, l'integrazione del sensore con circuiti di front-end analogico (amplificatori, ADC) e logica digitale (interfacce I2C/SPI) in soluzioni single-chip, riducendo il numero di componenti esterni. C'è anche un focus sul consumo energetico più basso per dispositivi alimentati a batteria e su algoritmi avanzati per la cancellazione della luce di fondo e la misurazione della distanza. La domanda di componenti conformi alle normative ambientali (green), a cui questo dispositivo risponde, continua a essere un forte driver nell'industria elettronica.

13. Esclusione di Responsabilità e Note Importanti

Sulla base del contenuto della scheda tecnica, le seguenti esclusioni di responsabilità e note sono fondamentali per gli utenti:

1. Il produttore si riserva il diritto di modificare la composizione dei materiali del prodotto.
2. Il prodotto soddisfa le specifiche pubblicate per 12 mesi dalla data di spedizione.
3. Grafici e valori tipici sono solo a scopo di riferimento e non rappresentano limiti minimi o massimi garantiti.
4. L'utente è responsabile del funzionamento del dispositivo entro i suoi Valori Limite Assoluti. Il produttore non si assume alcuna responsabilità per danni derivanti da un uso improprio.
5. Il contenuto della scheda tecnica è protetto da copyright; la riproduzione richiede il consenso preventivo.
6. Avvertenza Critica:Questo prodotto ènon destinatoall'uso in applicazioni critiche per la sicurezza, inclusi equipaggiamenti militari, aeronautici, automobilistici, medici, di sostegno vitale o salvavita. Per tali applicazioni, è necessario ottenere un'autorizzazione esplicita.