Ficha Técnica do Sensor Óptico LTR-X130P - Sensor Integrado de Proximidade e Luz Ambiente - Interface I2C - 1.7V a 3.6V - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTR-X130P é um sensor óptico altamente integrado e de baixa tensão que combina funcionalidades de detecção de proximidade (PS) e medição de luz ambiente (ALS) num único encapsulamento ChipLED miniatura, de montagem em superfície e sem chumbo. A sua filosofia de design central visa permitir uma detecção sofisticada de objetos e medição de luz em aplicações com restrições de espaço e alimentadas por bateria.

A principal vantagem do sensor reside na sua integração a nível de sistema. Ele apresenta um emissor infravermelho (LED) integrado, fotodíodos para luz visível e infravermelha, conversores analógico-digitais (ADCs), um controlador de interrupção programável e uma interface digital I2C completa. Esta integração reduz significativamente a contagem de componentes externos e simplifica o layout da PCB. Uma característica de desempenho chave é a sua excelente supressão de luz ambiente, sendo capaz de operar com precisão sob condições de luz solar direta até 100.000 lux, tornando-o adequado para ambientes exteriores ou interiores muito iluminados. A função de interrupção programável permite que o microcontrolador principal entre em modos de baixo consumo (sleep), acordando apenas quando limiares específicos de proximidade são ultrapassados, otimizando assim a eficiência energética global do sistema — um fator crítico para dispositivos móveis e portáteis.

O mercado-alvo abrange uma vasta gama de eletrónica de consumo e dispositivos informáticos. As suas principais aplicações incluem o escurecimento automático da retroiluminação e controlo de brilho em smartphones, tablets, portáteis e monitores, onde melhora a experiência do utilizador e poupa energia. Além disso, a sua capacidade de detecção de objetos até 10 cm é utilizada para funcionalidades como controlo por gestos sem contacto, detecção de presença (ex.: desligar um ecrã quando o utilizador se afasta) e simples evitamento de obstáculos em vários dispositivos.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Elétricas e Ópticas

Todas as especificações são tipicamente medidas com VDD = 2.8V e uma temperatura de operação (T_ope) de 25°C, salvo indicação em contrário.

Características de Potência:
O sensor opera numa ampla gama de tensão de alimentação de 1.7V a 3.6V, compatível com saídas de bateria comuns e linhas de alimentação reguladas. A corrente de alimentação típica durante a medição ativa é de 95 µA no ciclo de trabalho máximo. Uma característica significativa para poupança de energia é o modo de espera (shutdown), que consome apenas 1 µA. O tempo de ativação deste modo de espera para prontidão de medição ativa é tipicamente de 10 ms, permitindo uma resposta rápida mantendo um consumo médio de energia muito baixo.

Características do Sensor de Proximidade (PS):
A função PS é altamente configurável. A resolução efetiva é selecionável entre 8, 9, 10 e 11 bits, permitindo aos designers trocar precisão de medição por velocidade de conversão. O emissor IR integrado opera num comprimento de onda de pico de 940 nm. A corrente de acionamento do LED é programável em passos: 2.5, 5, 10, 25, 50, 75, 100 e 125 mA, permitindo ajustar o alcance de detecção e o uso de energia. O LED pulsa a uma frequência de 60 kHz a 100 kHz com um ciclo de trabalho de 50%. O número de pulsos por ciclo de medição é configurável de 1 a 255, influenciando diretamente o tempo de integração e a sensibilidade. Em condições típicas (32 pulsos, 60 kHz, acionamento de 100 mA, alvo de cartão cinzento 18%), o sensor pode detetar objetos a uma distância de até 10 cm. A sua rejeição de luz ambiente é especificada para até 100 klux de luz solar direta.

2.2 Valores Máximos Absolutos e Condições de Operação

Valores Máximos Absolutos:Estes são limites de stress que não devem ser excedidos, nem mesmo momentaneamente, para evitar danos permanentes. A tensão de alimentação (VDD) não deve exceder 4.0V. Os pinos digitais de I/O (SCL, SDA, INT) e o pino LDR têm uma gama de tensão de -0.5V a +4.0V. O dispositivo pode ser armazenado a temperaturas entre -40°C e +100°C.

Condições de Operação Recomendadas:Estas definem o ambiente operacional normal para um desempenho fiável. O VDD deve ser mantido entre 1.7V e 3.6V. A alimentação do ânodo do LED (VLED) requer uma fonte separada de 3.0V a 4.5V. A interface I2C reconhece um nível lógico alto (V_I2Chigh) em ≥1.5V e um nível lógico baixo (V_I2Clow) em ≤0.4V. A gama completa de temperatura de operação é de -40°C a +85°C, garantindo funcionalidade em ambientes adversos.

2.3 Características Elétricas AC (Interface I2C)

O sensor suporta comunicação I2C tanto no modo Standard (100 kHz) como no modo Fast (400 kHz). Os parâmetros de temporização chave incluem: frequência do clock SCL (f_SCL) de 0 a 400 kHz, tempo livre do barramento (t_BUF) mínimo de 1.3 µs, período baixo do SCL (t_LOW) mínimo de 1.3 µs, período alto do SCL (t_HIGH) mínimo de 0.6 µs, e tempo de preparação dos dados (t_SU:DAT) mínimo de 100 ns. Os tempos de subida e descida para os sinais SDA e SCL devem ser inferiores a 300 ns. Um filtro de entrada suprime picos de ruído mais curtos que 50 ns.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece gráficos de desempenho típicos essenciais para o design.

Contagem PS vs. Distância:Esta curva ilustra a relação entre a saída digital bruta (contagem PS) do sensor e a distância a um cartão cinzento padrão com 18% de refletância. A curva é tipicamente não linear, mostrando um aumento rápido na contagem à medida que a distância diminui muito perto do sensor, seguido por um declínio mais gradual à medida que a distância aumenta. Este gráfico é crucial para calibrar o sensor e definir limiares de interrupção apropriados para alcances de detecção específicos numa aplicação.

Resposta Angular do Emissor:Este diagrama representa o padrão de radiação espacial do LED infravermelho integrado. Mostra a intensidade da luz IR emitida em função do ângulo em relação ao eixo central (geralmente um gráfico polar). Um padrão típico para este encapsulamento pode mostrar uma distribuição ampla, semelhante à de Lambert. Compreender este padrão é vital para o design mecânico, pois influencia o campo de visão efetivo e a zona de detecção do sensor de proximidade. O alinhamento correto de qualquer janela de cobertura ou lente com este padrão é necessário para alcançar o alcance especificado de 10 cm.

4. Informações Mecânicas e do Encapsulamento

O LTR-X130P está alojado num encapsulamento ChipLED de montagem em superfície com 8 pinos. As dimensões de contorno são fornecidas na ficha técnica com todas as medidas em milímetros. A tolerância dimensional para características não especificadas é de ±0.2 mm. O encapsulamento é projetado para processos padrão de soldadura por refluxo e pick-and-place automatizados, comuns na fabricação de eletrónica de alto volume.

5. Diretrizes de Soldadura e Montagem

Embora perfis de refluxo específicos não sejam detalhados no excerto fornecido, o dispositivo destina-se à montagem com tecnologia padrão de montagem em superfície (SMT). Recomenda-se seguir as diretrizes JEDEC J-STD-020 para perfis de soldadura por refluxo sem chumbo. O nível de sensibilidade à humidade (MSL) deve ser confirmado na especificação completa do pacote. Os dispositivos são normalmente fornecidos num saco seco com dessecante e devem ser "cozidos" de acordo com os procedimentos padrão se o cartão indicador de humidade do saco mostrar exposição excessiva à humidade antes da utilização.

6. Informações de Embalagem e Encomenda

A embalagem padrão para o LTR-X130P é Fita e Bobina, compatível com equipamentos de montagem automatizada. Cada bobina contém 8000 unidades. O número da peça é LTR-X130P.

7. Recomendações de Design de Aplicação

7.1 Circuito de Aplicação Típico

O circuito de aplicação recomendado destaca considerações críticas de design. Um requisito fundamental é a separação da alimentação digital (VDD, 1.7-3.6V) e da alimentação do ânodo do LED (VLED, 3.0-4.5V). Esta separação é obrigatória para garantir uma corrente de acionamento do LED estável e evitar que o ruído dos pulsos do LED se acople nas linhas de alimentação analógica e digital sensíveis. O circuito inclui resistências de pull-up (Rp1, Rp2, Rp3) nas linhas SDA, SCL e INT. O seu valor (1 kΩ a 10 kΩ) deve ser selecionado com base na capacitância total do barramento e no tempo de subida desejado para cumprir as especificações I2C. Condensadores de desacoplamento são essenciais: um condensador cerâmico de 1 µF ±20% X7R/X5R (C1) deve ser colocado o mais próximo possível do pino VDD, e um condensador de 0.1 µF (C2) também é recomendado. Um condensador semelhante de 1 µF (C3) é usado na linha VLED.

7.2 Configuração e Função dos Pinos

• Pino 1 (SDA):Linha de dados série I2C (bidirecional).
• Pino 2 (INT):Saída de interrupção ativa em nível baixo. Ativa-se quando ocorre um evento de proximidade programável.
• Pino 3 (LDR):Liga-se ao cátodo do LED. Ao utilizar o driver interno, este pino é ligado ao Pino 4 (LEDK).
• Pino 4 (LEDK):Ligação do cátodo do LED.
• Pino 5 (LEDA):Ligação do ânodo do LED. Deve ser alimentado a partir da linha VLED separada (3.0-4.5V).
• Pino 6 (GND):Massa do sistema.
• Pino 7 (SCL):Entrada do clock série I2C.
• Pino 8 (VDD):Entrada da alimentação digital (1.7-3.6V).

8. Comparação e Diferenciação Técnica

O LTR-X130P diferencia-se através da alta integração e do desempenho robusto em condições desafiadoras. Comparado com soluções discretas (LED IR, fotodíodo e IC de condicionamento de sinal separados), oferece uma pegada dramaticamente menor, um processo de design simplificado e uma lista de materiais (BOM) reduzida. Face a outros sensores de proximidade integrados, as suas principais vantagens incluem a imunidade a luz ambiente muito elevada de 100 klux, que é superior à de muitos concorrentes, e as configurações flexíveis e programáveis da corrente do LED e da contagem de pulsos que permitem um ajuste fino para requisitos específicos de alcance, potência e tempo de resposta. O ajuste de fábrica garante uma variação mínima entre unidades, melhorando o rendimento de fabrico e a consistência nos produtos finais.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Por que razão o VDD e o VLED devem ser linhas de alimentação separadas?
R: Os pulsos do LED podem consumir uma corrente significativa (até 125 mA). Partilhar uma linha de alimentação causaria grandes quedas de tensão ou ruído na linha VDD, o que poderia desestabilizar o front-end analógico sensível e a lógica digital do sensor, levando a leituras imprecisas ou eventos de reset. Linhas separadas isolam este ruído.

P: Como posso aumentar o alcance de detecção para além de 10 cm?
R: O alcance é influenciado pela corrente do LED, número de pulsos e refletância do alvo. Para aumentar o alcance, pode programar uma corrente de LED mais alta (até 125 mA) e/ou aumentar o número de pulsos por medição (até 255). Note que isto aumentará o consumo de energia por ciclo de medição.

P: Como é que a função de interrupção ajuda a poupar energia?
R: Em vez de o microcontrolador principal estar constantemente a consultar (polling) o sensor para leituras (mantendo o barramento I2C e a CPU ativos), o sensor pode ser configurado com limiares superior e inferior de proximidade. O host coloca o sensor e a si próprio em modo de baixo consumo. Apenas quando um objeto entra ou sai da zona de proximidade definida é que o sensor ativa a linha INT, acordando o host para tomar ação. Isto minimiza a atividade do sistema.

P: Qual é o propósito da funcionalidade de cancelamento de crosstalk?
R: Num encapsulamento compacto, alguma luz IR do emissor interno pode vazar diretamente ou refletir internamente para o fotodíodo sem atingir um objeto externo. Isto cria um sinal de offset permanente ou "crosstalk". O sensor inclui circuitaria para medir e subtrair digitalmente este offset, garantindo que a contagem de proximidade representa verdadeiramente a luz refletida por um objeto externo.

10. Estudos de Caso de Design e Utilização

Estudo de Caso 1: Gestão de Ecrã de Smartphone:Num smartphone, o LTR-X130P é colocado perto do auscultador. Quando o utilizador leva o telefone ao ouvido durante uma chamada, o sensor deteta a proximidade da cabeça (dentro de ~2-5 cm). Ele despoleta uma interrupção para o processador de aplicação, que depois desliga o ecrã tátil para evitar toques acidentais na face e escurece a retroiluminação para poupar energia. Quando o telefone é afastado, o ecrã é restaurado.

Estudo de Caso 2: Detecção de Presença em Quiosque Interativo:Um quiosque de informação pública utiliza o sensor para detetar quando uma pessoa se aproxima a menos de 50 cm. Após a detecção, ele acorda de um estado de baixo consumo (sleep), ativa o ecrã e mostra um loop de atração. Se ninguém for detetado durante um período definido, ele retorna ao modo de espera, reduzindo significativamente o consumo de energia em comparação com funcionamento 24/7.

11. Princípios de Operação

O LTR-X130P opera com base no princípio da detecção de proximidade infravermelha ativa e da medição fotométrica de luz ambiente. Para medição de proximidade, o microcontrolador interno despoleta o LED IR integrado para emitir uma série de pulsos modulados a 940 nm. Qualquer objeto à frente do sensor reflete uma porção desta luz de volta. O fotodíodo dedicado sensível ao IR converte a intensidade da luz refletida numa pequena fotocorrente. Esta corrente é integrada e convertida num valor digital por um ADC de alta resolução. A força deste valor digital (contagem PS) é proporcional à refletividade e proximidade do objeto. O sensor mede simultaneamente a luz ambiente usando um fotodíodo de luz visível separado, cuja saída é processada para subtrair o componente IR ambiente do sinal de proximidade, melhorando a precisão.

A comunicação I2C segue protocolos padrão. O dispositivo tem um endereço de escravo fixo de 7 bits, 0x53. O controlador principal usa este endereço para escrever nos registos de configuração (ex.: definir corrente do LED, contagem de pulsos, limiares de interrupção) e para ler os dados de proximidade e luz ambiente. Os protocolos de leitura e escrita, incluindo escritas simples, escritas sequenciais e leituras de formato combinado (repetição de START), são implementados de acordo com a especificação I2C.

12. Tendências Tecnológicas

A evolução de sensores como o LTR-X130P segue várias tendências claras da indústria. Existe uma procura contínua por maior integração, combinando mais funções (ex.: detecção de cor, reconhecimento de gestos) em pacotes únicos enquanto se reduz a pegada. A eficiência energética permanece primordial, impulsionando correntes ativas e de espera mais baixas e esquemas de ativação mais inteligentes. O desempenho em ambientes extremos está a melhorar, com melhor imunidade à luz solar e gamas de temperatura mais amplas. Além disso, há uma tendência para sensores "mais inteligentes" com algoritmos incorporados que fornecem dados pré-processados de nível superior (ex.: flags "objeto presente/ausente" em vez de contagens brutas) para aliviar o processamento do processador de aplicação principal e simplificar o desenvolvimento de software.