Folha de Dados do Sensor Óptico LTR-X1503 - ALS e PS Integrados - Interface I2C - 3.0-3.6V - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTR-X1503 é um sensor óptico altamente integrado e de baixa tensão que combina um sensor de luz ambiente (ALS) e um sensor de proximidade (PS) com um emissor infravermelho integrado num único encapsulamento de montagem em superfície, miniatura, sem chumbo e sem chip. Esta integração simplifica o design e economiza espaço na placa em dispositivos eletrónicos compactos.

A vantagem central deste sensor reside na sua dupla funcionalidade. O ALS fornece uma resposta fotométrica linear numa ampla gama dinâmica, tornando-o adequado para aplicações que vão desde condições de iluminação ambiente muito escuras até extremamente brilhantes. Simultaneamente, o sensor de proximidade integrado pode detetar a presença ou ausência de um objeto a uma distância configurável pelo utilizador, permitindo funcionalidades como o desligamento do ecrã durante chamadas telefónicas ou a desativação do ecrã tátil.

O dispositivo destina-se principalmente aos mercados de dispositivos móveis, computação e eletrónica de consumo. O seu fator de forma ultra-pequeno, baixo consumo de energia com capacidade de modo de suspensão e interface digital I2C tornam-no ideal para smartphones, tablets, laptops, dispositivos vestíveis e dispositivos IoT onde a gestão eficiente de energia e o espaço são restrições críticas.

1.1 Características e Vantagens Principais

• Dupla Deteção num Único Pacote:Integra tanto a Deteção de Luz Ambiente (ALS) como a Deteção de Proximidade (PS), reduzindo a contagem de componentes e a área ocupada na PCB.
• Interface Digital I2C:Suporta o modo Standard (100kHz) e o modo Fast (400kHz) para uma comunicação fácil com microcontroladores hospedeiros.
• Operação de Consumo Ultra-Baixo:Apresenta modos ativo e de espera. A corrente de alimentação ativa típica é de 160 uA para ambos os sensores, enquanto a corrente de espera cai para apenas 1 uA, prolongando significativamente a vida útil da bateria.
• Função de Interrupção Programável:O PS inclui um sistema de interrupção com limiares superior e inferior programáveis e histerese. Isto elimina a necessidade de o processador hospedeiro sondar continuamente o sensor, melhorando a eficiência geral do sistema e a poupança de energia.
• ALS de Alto Desempenho:Oferece uma resolução efetiva de 16 bits, uma resposta linear numa ampla gama e uma resposta espectral próxima da do olho humano. Inclui rejeição automática do cintilação de iluminação de 50Hz/60Hz para garantir leituras estáveis sob iluminação artificial.
• Deteção de Proximidade Robusta:Inclui um driver de LED integrado, alta capacidade de supressão de luz ambiente (até 10 klux), resolução de 16 bits e algoritmos de cancelamento de interferência para uma deteção de objetos fiável.
• Calibração de Fábrica:O ajuste único de fábrica minimiza a variação entre unidades, garantindo um desempenho consistente e facilitando os requisitos de calibração de fabrico para os clientes finais.
• Ampla Gama de Operação:Opera de 3.0V a 3.6V e numa gama de temperatura de -40°C a +85°C, com um circuito de compensação de temperatura integrado para operação estável.

2. Análise Profunda das Especificações Técnicas

2.1 Valores Máximos Absolutos

Tensões além destes limites podem causar danos permanentes ao dispositivo.

• Tensão de Alimentação (VDD):3.6 V
• Pinos de I/O Digitais (SCL, SDA, INT):-0.5 V a 3.6 V
• Tensão do Ânodo do LED (V_LED):-0.5 V a 4.6 V
• Tensão do Pino do Driver do LED (V_LDR):-0.5 V a 3.6 V
• Temperatura de Armazenamento:-40°C a 100°C
• Proteção ESD (HBM):2000 V

2.2 Condições Recomendadas de Operação

Para operação normal do dispositivo.

• Tensão de Alimentação (VDD):3.0 V a 3.6 V
• Tensão de Alimentação do LED (V_LED):2.8 V a 4.0 V
• Temperatura de Operação:-40°C a 85°C
• Entrada de Alto Nível I2C:1.5 V a VDD
• Entrada de Baixo Nível I2C:0 V a 0.4 V

2.3 Especificações Elétricas e Ópticas

As especificações são dadas tipicamente com VDD = 1.8V e Ta = 25°C.

2.3.1 Características de Potência

• Corrente de Alimentação (ALS e PS Ativos):160 uA (Típico, com taxa de repetição de medição de 100ms).
• Corrente Ativa do ALS:160 uA (Típico).
• Corrente Ativa do PS:57 uA (Típico, com 8 pulsos, ciclo de trabalho 100%, largura de pulso de 32us).
• Corrente de Espera:1 uA (Típico).
• Tempo de Ativação a partir da Espera:0.25 ms (Típico).

2.3.2 Características do Sensor de Luz Ambiente (ALS)

• Resolução:Programável para 13, 14, 15 ou 16 bits efetivos.
• Precisão em Lux:±10% (Típico, sob iluminação de LED branco).
• Contagem de Nível de Escuridão:0 a 5 contagens (a 0 Lux, resolução de 16 bits, ganho 512x, integração de 100ms).
• Tempo de Integração:Programável de 0.2 ms a 200 ms.
• Rejeição de Ruído de Cintilação:Erro de ±5% para iluminação de 50Hz/60Hz.
• Resposta Espectral:Próxima da resposta fotópica do olho humano.

2.3.3 Características do Sensor de Proximidade (PS)

• Resolução:16 bits efetivos.
• Comprimento de Onda de Pico de Sensibilidade:940 nm (Típico, para o emissor IR integrado).
• Distância de Deteção:Até 20 cm (Típico, configurável com base no número de pulsos, ganho e definições de corrente).
• Corrente de Pulso do LED:Programável, até 186 mA (Típico).
• Largura do Pulso do LED:Programável: 8, 16, 32 ou 64 us.
• Número de Pulsos do LED:Programável de 1 a 256 pulsos por medição.
• Supressão de Luz Ambiente:Até 10 klux (luz solar direta). Uma funcionalidade de segurança evita ativações falsas acima deste nível.

3. Análise das Curvas de Desempenho

3.1 Resposta Espectral do ALS

O fotodíodo de luz ambiente do sensor é projetado com um filtro para corresponder à função de luminosidade fotópica CIE, que define a resposta padrão do olho humano à luz. Isto garante que as leituras de lux reportadas pelo sensor representam com precisão o brilho tal como percecionado por uma pessoa, e não apenas a energia radiante bruta. Isto é crucial para o controlo automático do brilho do ecrã que pareça natural ao utilizador.

3.2 Desempenho do PS vs. Distância

O desempenho do sensor de proximidade é caracterizado pela força do sinal refletido em função da distância a um objeto refletor padrão (tipicamente 88% de refletância). A relação é não linear e segue a lei do inverso do quadrado. O gráfico mostra que, com definições típicas (ex., VDD=1.8V, corrente do LED de 104mA, 16 pulsos), obtém-se um sinal claro e mensurável, permitindo definir limiares de deteção fiáveis para distâncias de aplicação específicas (ex., 5cm para deteção da orelha no telefone).

3.3 Resposta Angular do ALS

Os gráficos de resposta angular do sensor (para os eixos X e Y) mostram como a intensidade de luz medida varia com o ângulo de incidência. Uma resposta perfeitamente cosseno (Lambertiana) é ideal para a maioria das aplicações de deteção de luz ambiente. O LTR-X1503 exibe uma resposta próxima deste ideal, garantindo leituras precisas independentemente da direção da fonte de luz principal em relação ao sensor. Desvios da resposta cosseno ideal em ângulos extremos (> ±60 graus) são típicos na maioria dos sensores devido a restrições do encapsulamento e do design óptico.

4. Informação Mecânica e do Pacote

O LTR-X1503 está alojado num pacote de montagem em superfície de 8 pinos, ultra-pequeno e sem chip. As dimensões exatas do contorno são fornecidas no desenho dimensional da folha de dados, que inclui vistas superior, lateral e inferior com dimensões críticas como comprimento, largura, altura do pacote, passo dos terminais e tamanhos das pastilhas. Esta informação é essencial para o design da área ocupada na PCB e para garantir o encaixe mecânico adequado dentro do produto final.

4.1 Configuração e Função dos Pinos

• Pino 1 (VDD):Entrada de alimentação (3.0V - 3.6V).
• Pino 2 (SCL):Entrada do relógio serial I2C.
• Pino 3 (GND):Ligação à terra.
• Pino 4 (LEDA):Ligação do ânodo para o LED infravermelho integrado. Deve ser ligado ao barramento de alimentação do LED (V_LED).
• Pino 5 (LDR):Ligação do driver do LED. Este pino deve ser deixado flutuante (NC), pois o driver é interno.
• Pino 6 (NC):Sem ligação interna. Pode ser deixado desconectado ou ligado à terra.
• Pino 7 (INT):Pino de saída de interrupção ativo em nível baixo. Esta saída de dreno aberto ativa-se em nível baixo quando ocorre um evento de proximidade (deteção/remoção de objeto) com base nos limiares programados.
• Pino 8 (SDA):Entrada/saída de dados serial I2C (dreno aberto).

5. Circuito de Aplicação e Diretrizes de Design

5.1 Circuito de Aplicação Recomendado

Um circuito de aplicação típico inclui o sensor, os condensadores de desacoplamento necessários e as resistências de pull-up I2C.

• Desacoplamento de Potência:Um condensador cerâmico de 1uF (C1) deve ser colocado o mais próximo possível entre VDD e GND. Um condensador adicional de 0.1uF (C2) pode ser adicionado para supressão de ruído de alta frequência.
• Desacoplamento da Alimentação do LED:É recomendado um condensador de 1uF (C3) entre o pino LEDA (e o barramento V_LED) e GND.
• Resistências de Pull-up I2C:São necessárias resistências (Rp1, Rp2) com valores entre 1 kΩ e 10 kΩ nas linhas SCL e SDA. O valor exato depende da capacitância do barramento e do tempo de subida desejado; valores mais baixos fornecem um pull-up mais forte, mas aumentam o consumo de corrente. Uma resistência de pull-up semelhante pode ser necessária na linha INT, se utilizada.

5.2 Sequenciamento de Energia

Requisito Crítico:Deve ser seguida a sequência de energia correta para evitar possível latch-up ou danos.

• Ligação:O VDD (alimentação principal da lógica) deve ser ligadoantesdo V_LED (alimentação do LED).
• Desligamento:O V_LED deve ser desligadoantes VDD.

do VDD.

6. Diretrizes de Soldadura e Montagem

O componente é um dispositivo de montagem em superfície (SMD) projetado para processos de soldadura por refluxo comuns na fabricação de eletrónica de alto volume.

6.1 Perfil de Soldadura por Refluxo

• Embora a folha de dados específica possa não detalhar um perfil, um perfil de refluxo padrão sem chumbo (conforme RoHS) é aplicável. Isto envolve tipicamente:Pré-aquecimento/Rampa:
• Uma rampa gradual (1-3°C/segundo) até ~150-200°C para ativar o fluxo e minimizar o choque térmico.Zona de Estabilização:
• Um patamar a 150-200°C durante 60-120 segundos para garantir temperatura uniforme em toda a placa e evaporar voláteis.Zona de Refluxo:
• Uma subida rápida até à temperatura de pico. A temperatura de pico não deve exceder a classificação máxima do pacote (provavelmente 260°C por um curto período, ex., 10-30 segundos acima de 245°C).Arrefecimento:

Uma fase de arrefecimento controlado.

Consulte o nível de sensibilidade à humidade (MSL) do pacote e siga os procedimentos apropriados de cozedura e manuseamento se o dispositivo tiver sido exposto a humidade ambiente além do seu limiar classificado.

6.2 Condições de Armazenamento

Os dispositivos devem ser armazenados nas suas embalagens originais de barreira à humidade com dessecante num ambiente controlado (tipicamente <40°C e <90% de humidade relativa) para evitar oxidação e absorção de humidade.

7. Informação de Embalagem e Encomenda

• O LTR-X1503 é fornecido em formato de fita e carretel adequado para máquinas de montagem pick-and-place automatizadas.Número da Peça:
• LTR-X1503Tipo de Pacote:
• Pacote de 8 pinos sem chip.Embalagem:
• Fita e Carretel.Quantidade Padrão por Carretel:

3.000 unidades.

8. Sugestões de Aplicação

• 8.1 Cenários de Aplicação TípicosSmartphones/Tablets:
• Ajuste automático do brilho do ecrã (ALS) e desligamento do ecrã/desativação tátil durante chamadas quando o dispositivo é colocado junto à orelha (PS).Laptops e Monitores:
• Ajuste dinâmico da retroiluminação para poupança de energia e conforto visual com base na luz ambiente.Dispositivos Vestíveis:
• Ativação por gesto ou ativação do ecrã quando o utilizador olha para o dispositivo (PS) e gestão do brilho.Eletrónica de Consumo:

Controlo automático liga/desliga em eletrodomésticos, interruptores sem contacto e deteção de presença.

• 8.2 Considerações de Design e Melhores PráticasCaminho Óptico:
• Garanta um caminho óptico claro e desobstruído para o ambiente para o ALS. Para o PS, projete a janela ou abertura para permitir que a luz IR saia e que a luz refletida retorne eficientemente. Evite colocar o sensor atrás de materiais escuros ou que absorvam IR.Contaminação por IR:
• O sensor de proximidade utiliza luz IR de 940nm. A luz solar e algumas luzes artificiais contêm componentes IR. A alta supressão de luz ambiente e o cancelamento de interferência do sensor ajudam, mas posicionar longe de fontes diretas e fortes de IR melhora o desempenho.Gestão do Barramento I2C:
• Utilize a funcionalidade de interrupção para colocar o MCU hospedeiro em modo de suspensão, acordando-o apenas quando ocorrer um evento de proximidade. Sonde o ALS a uma taxa moderada (ex., uma vez por segundo), a menos que seja necessário acompanhar mudanças rápidas de brilho.Calibração do Limiar:

O limiar de deteção do PS deve ser calibrado no invólucro final do produto para ter em conta a espessura do vidro de cobertura, a refletividade e as reflexões internas (interferência). Isto é tipicamente feito durante a fabricação.

9. Comparação e Diferenciação Técnica

• O LTR-X1503 compete num mercado com outras soluções integradas ALS/PS. Os seus principais diferenciadores provavelmente incluem:Alto Nível de Integração:
• Combinar o emissor IR no mesmo pacote que os sensores é uma vantagem significativa, reduzindo a lista de materiais (BOM) e simplificando o alinhamento óptico em comparação com soluções que requerem um LED IR discreto.Desempenho:
• Características como resolução de 16 bits para ambos os sensores, alta rejeição de luz ambiente (10 klux) e parâmetros de medição programáveis oferecem flexibilidade de design e desempenho robusto.Eficiência Energética:
• Correntes ativas e de espera competitivamente baixas são críticas para dispositivos alimentados por bateria.Interface Digital:

A interface I2C é um barramento padrão e amplamente suportado, tornando a integração direta.

10. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

10.1 Como defino a distância de deteção para o sensor de proximidade?

A distância de deteção não é um parâmetro fixo único, mas sim o resultado de várias definições configuráveis: corrente de pulso do LED, largura do pulso, número de pulsos e o ganho do recetor. Ao aumentar a corrente do LED, a contagem de pulsos ou o ganho, a força do sinal refletido aumenta, permitindo a deteção de objetos a uma distância maior ou com menor refletividade. O limiar específico para "deteção" é definido pelo utilizador nos registos de limiar de interrupção, caracterizando a contagem de dados do PS à distância desejada no produto final.

10.2 Por que é importante o sequenciamento de energia entre VDD e V_LED?

Um sequenciamento incorreto pode causar uma grande corrente de entrada a fluir através das estruturas internas de proteção ESD ou circuitos lógicos, potencialmente levando a latch-up - um estado de alta corrente que pode danificar o dispositivo. Seguir a sequência especificada (VDD depois V_LED ligado; V_LED depois VDD desligado) garante que os transístores internos são polarizados corretamente antes de a alimentação de maior tensão do LED ser aplicada ou removida.

10.3 O que significa "cancelamento de interferência" para o PS?

Interferência refere-se à reflexão interna dentro do módulo do dispositivo ou da sua cobertura, onde a luz IR do emissor atinge diretamente o fotodíodo do PS sem refletir num objeto externo. Isto cria um desvio de fundo que pode causar ativações falsas ou reduzir a sensibilidade. O LTR-X1503 incorpora algoritmos (frequentemente envolvendo uma medição de base com o LED desligado) para medir e subtrair este componente de interferência dos dados finais do PS, melhorando a precisão da deteção de objetos.

10.4 Como é que o ALS consegue a rejeição de cintilação de 50/60Hz?

Lâmpadas incandescentes e fluorescentes alimentadas por corrente alternada flutuam em intensidade a 100Hz ou 120Hz (duas vezes a frequência da rede). Se o tempo de integração do sensor for um múltiplo do período de cintilação (ex., 10ms, 20ms, 100ms), ele faz a média sobre ciclos completos de luz, cancelando a variação e fornecendo uma leitura de lux estável. O tempo de integração do sensor é programável para ser um múltiplo destes períodos para permitir esta rejeição.

11. Estudo de Caso de Design e Utilização

11.1 Implementação de Controlo de Ecrã Poupa-Energia num SmartwatchCenário:

Um smartwatch precisa de maximizar a vida útil da bateria. O ecrã deve estar brilhante ao ar livre, escuro em ambientes fechados e desligar completamente quando não está a ser visualizado (ex., quando o braço do utilizador está baixo).

1. Implementação com LTR-X1503:Função do ALS:
2. O ALS é configurado com uma resolução de 16 bits e um tempo de integração de 100ms (para rejeição de cintilação). O MCU hospedeiro lê os dados do ALS a cada segundo via I2C. Uma tabela de pesquisa ou algoritmo mapeia o valor de lux para um ciclo de trabalho PWM correspondente para a retroiluminação do ecrã, fornecendo um ajuste automático de brilho suave.Função do PS:
3. O PS é configurado com uma corrente e contagem de pulsos apropriadas para a distância esperada entre o relógio e o rosto (ex., ~30cm). Os limiares de interrupção são definidos: um limiar inferior para "objeto removido" (relógio não visualizado) e um limiar superior para "objeto detetado" (relógio levantado para visualização). O pino INT está ligado a um GPIO com capacidade de ativação no MCU.
   • Fluxo de Trabalho de Poupança de Energia:
   • Quando o utilizador baixa o braço, a contagem do PS cai abaixo do limiar inferior, desencadeando uma interrupção.
   • O MCU acorda do modo de suspensão, lê o estado da interrupção e comanda o ecrã para entrar num estado de baixo consumo/desligado.
   • O MCU pode então colocar-se a si mesmo e ao sensor (exceto talvez um modo de monitorização de PS de baixo consumo) novamente em modo de suspensão.

Quando o utilizador levanta o braço para ver o relógio, o PS deteta o objeto, desencadeia uma interrupção, acorda o MCU, que então liga totalmente o ecrã e o ALS, mostrando a hora correta com um brilho apropriado.

Esta combinação reduz significativamente a potência média do sistema em comparação com um ecrã que está sempre ligado ou controlado apenas pelo tempo.

12. Introdução ao Princípio de Operação

12.1 Princípio de Deteção de Luz Ambiente

A função ALS baseia-se num fotodíodo, um dispositivo semicondutor que gera uma pequena corrente proporcional à intensidade da luz que incide sobre ele. No LTR-X1503, este fotodíodo é coberto por um filtro que imita a sensibilidade do olho humano em todo o espectro visível. A fotocorrente gerada é muito pequena (picoamperes a nanoamperes). Um amplificador de transimpedância integrado converte esta corrente numa tensão, que é depois digitalizada por um Conversor Analógico-Digital (ADC) de alta resolução. O valor digital é processado e disponibilizado através dos registos I2C, representando a iluminância em contagens que podem ser convertidas em unidades de lux usando uma fórmula calibrada.

12.2 Princípio de Deteção de Proximidade

O PS opera no princípio da reflexão infravermelha ativa. O LED infravermelho integrado emite pulsos curtos de luz de 940nm, invisível ao olho humano. Um fotodíodo separado e dedicado (diferente do díodo do ALS) atua como recetor. Quando um objeto está dentro do alcance, parte da luz IR emitida reflete no objeto e retorna ao fotodíodo recetor. O sensor mede a quantidade de luz refletida recebida durante e após cada pulso do LED. Comparando este sinal com o nível de IR ambiente (medido quando o LED está desligado), e após o cancelamento de interferência, o sensor calcula uma contagem de dados de proximidade. Uma contagem mais alta indica um objeto mais próximo ou mais refletor. Esta contagem é comparada com os limiares programados pelo utilizador para desencadear interrupções.

13. Tendências Tecnológicas

• O mercado para sensores ópticos integrados como o LTR-X1503 é impulsionado por várias tendências claras na indústria eletrónica:Miniaturização:
• Demanda contínua por tamanhos de pacote mais pequenos (como sem chip) para caber em dispositivos cada vez mais finos com ecrãs maiores e baterias.Integração Aumentada:
• A tendência está a ir além de combinar ALS e PS. Sensores futuros podem integrar sensores ambientais adicionais (cor, gestos, tempo de voo), reduzindo ainda mais a complexidade do sistema.Inteligência na Periferia:
• Os sensores estão a ganhar mais capacidades de processamento no chip. Em vez de fornecer apenas dados brutos, versões futuras podem realizar cálculos de lux, lógica de máquina de estados de proximidade e reconhecimento de gestos internamente, enviando apenas notificações de eventos de alto nível para o processador hospedeiro, poupando ainda mais energia do sistema.Desempenho Melhorado:
• As expectativas para precisão, gama dinâmica e consumo de energia continuam a aumentar. Avanços nos processos semicondutores e design óptico permitem ruído mais baixo, ADCs de maior resolução e LEDs mais eficientes.Normalização e Suporte de Software: