Folha de Dados do Interruptor Óptico ITR9909 - Pacote 4.0mm - Comprimento de Onda 940nm - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O ITR9909 é um módulo interruptor óptico compacto projetado para aplicações de detecção sem contato. Ele integra um díodo emissor de infravermelho (IRED) e um fototransistor de silício NPN dentro de um único invólucro preto de termoplástico. Os componentes são posicionados lado a lado em eixos ópticos convergentes. O princípio de operação fundamental envolve o fototransistor receber normalmente radiação do emissor IR colocado na mesma unidade. Quando um objeto opaco passa pela fenda entre eles, interrompe este feixe infravermelho, causando uma alteração detectável no estado de saída do fototransistor, permitindo a detecção de objetos, sensoriamento de posição ou funções de comutação.

1.1 Características e Vantagens Principais

• Tempo de Resposta Rápido:Permite a detecção de objetos em movimento rápido.
• Alta Sensibilidade:O fototransistor de silício fornece uma forte resposta elétrica à luz infravermelha.
• Comprimento de Onda Específico:O IRED emite em um comprimento de onda de pico (λp) de 940nm, que é invisível ao olho humano e ajuda a mitigar interferências da luz ambiente visível.
• Conformidade Ambiental:O dispositivo é fabricado sem chumbo, em conformidade com RoHS, REACH da UE e padrões livres de halogênio (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm).
• Integração Compacta:O pacote combinado simplifica o design e a montagem da PCB para aplicações de sensoriamento do tipo fenda.

1.2 Aplicações Alvo

O ITR9909 é adequado para uma variedade de aplicações que requerem detecção confiável e sem contato:

• Codificadores rotativos e sensores de posição em mouses de computador e copiadoras.
• Detecção de papel e sensoriamento de borda em scanners e impressoras.
• Detecção de presença de disco em unidades de disquete e outras unidades de mídia.
• Comutação sem contato de uso geral.
• Sensoriamento em nível de placa onde a montagem direta é necessária.

2. Especificações Técnicas e Análise Detalhada

2.1 Valores Máximos Absolutos

Operar o dispositivo além destes limites pode causar danos permanentes. Todas as especificações são em Ta=25°C, salvo indicação em contrário.

• Entrada (IRED):
  • Dissipação de Potência (Pd): 75 mW
  • Tensão Reversa (VR): 5 V
  • Corrente Contínua Direta (IF): 50 mA
  • Corrente de Pico Direta (IFP): 1 A (Largura de pulso ≤100μs, Ciclo de trabalho 1%)
• Saída (Fototransistor):
  • Dissipação de Potência do Coletor (Pd): 75 mW
  • Corrente do Coletor (IC): 50 mA
  • Tensão Coletor-Emissor (BV_CEO): 30 V
  • Tensão Emissor-Coletor (BV_ECO): 5 V
• Ambiental:
  • Temperatura de Operação (T_opr): -25°C a +85°C
  • Temperatura de Armazenamento (T_stg): -40°C a +85°C
  • Temperatura de Soldagem dos Terminais (T_sol): 260°C por 5 segundos (1/16 de polegada do corpo)

2.2 Características Eletro-Ópticas

Parâmetros de desempenho típicos em Ta=25°C definem o comportamento operacional do dispositivo.

• Características de Entrada (IRED):
  • Tensão Direta (V_F): Tipicamente 1.2V em IF=20mA (Máx. 1.5V). Aumenta com correntes pulsadas mais altas.
  • Comprimento de Onda de Pico (λ_P): 940 nm (típico) quando acionado a 20mA.
• Características de Saída (Fototransistor):
  • Corrente de Escuro (I_CEO): Máximo 100 nA em V_CE=20V na completa escuridão. Esta é a corrente de fuga que define o piso de ruído do estado \"desligado\".
  • Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(sat)): Máximo 0.4V em I_C=2mA sob iluminação suficiente (1mW/cm²). Uma V_CE(sat)baixa é desejável para uma comutação digital limpa.
  • Corrente do Coletor (I_C(ON)): Mínimo 200 µA em V_CE=5V e I_F=20mA. Esta é a fotocorrente mínima garantida sob condições de teste padrão.
• Características Dinâmicas:
  • Tempo de Subida (t_r) & Tempo de Descida (t_f): Tipicamente 15 µs cada. Estes parâmetros, medidos sob condições de carga específicas (V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ), determinam a frequência máxima de comutação que o dispositivo pode lidar com confiabilidade.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A folha de dados fornece vários gráficos que ilustram as relações-chave entre os parâmetros operacionais. Estas curvas são essenciais para entender o comportamento do dispositivo em condições não padrão.

3.1 Curvas do Emissor Infravermelho (IRED)

• Corrente Direta vs. Temperatura Ambiente:Mostra a derating da corrente direta máxima permitida à medida que a temperatura ambiente aumenta acima de 25°C.
• Sensibilidade Espectral:Um gráfico da intensidade radiante relativa versus comprimento de onda, com pico em 940nm e mostrando a largura de banda estreita do emissor.
• Intensidade Radiante Relativa vs. Corrente Direta:Demonstra a relação não linear entre a corrente de acionamento e a saída de luz, que tende a saturar em correntes mais altas.
• Intensidade Radiante Relativa vs. Deslocamento Angular:Ilustra o padrão de emissão ou ângulo de visão do IRED, crucial para o alinhamento óptico.

3.2 Curvas do Fototransistor (PT)

• Dissipação de Potência do Coletor vs. Temperatura Ambiente:Fornece a curva de derating de potência para a saída do fototransistor.
• Sensibilidade Espectral:Mostra a responsividade do fototransistor através dos comprimentos de onda, com sensibilidade de pico tipicamente na região do infravermelho próximo, correspondendo ao emissor de 940nm.
• Corrente do Coletor Relativa vs. Temperatura Ambiente:Indica como o ganho ou a responsividade do fototransistor muda com a temperatura.
• Corrente do Coletor vs. Irradiância:Uma curva fundamental que mostra a relação linear (ou quase linear) entre a potência da luz incidente (irradiância) no fototransistor e a corrente do coletor resultante.
• Corrente de Escuro do Coletor vs. Temperatura Ambiente:Mostra como a corrente de fuga (I_CEO) aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura, o que pode afetar a relação sinal-ruído em aplicações de alta temperatura.
• Corrente do Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor:Semelhante a uma característica de saída de transistor, mostrando as regiões de operação para diferentes níveis de iluminação.

3.3 Curva do Módulo Completo (ITR)

• Corrente do Coletor Relativa vs. Distância Entre o Sensor:Esta é uma curva crítica em nível de sistema. Ela mostra como o sinal recebido (corrente do coletor) varia à medida que a distância entre o objeto interruptor e a fenda do sensor muda. Define a faixa efetiva de sensoriamento e a relação entre a posição do objeto e a força do sinal de saída.

4. Informações Mecânicas e de Pacote

4.1 Dimensões do Pacote

O ITR9909 vem em um pacote de furo passante padrão. As dimensões-chave do desenho incluem:

• Largura e altura total do corpo que definem o tamanho da fenda.
• Espaçamento e diâmetro dos terminais para montagem em PCB.
• A largura da fenda entre o IRED interno e o fototransistor, que determina o tamanho do objeto que pode ser detectado.
• O desenho dimensional especifica uma tolerância padrão de ±0.25mm, salvo indicação em contrário.

4.2 Identificação de Polaridade

O dispositivo usa uma configuração de pinagem padrão comum a muitos interruptores ópticos: Ânodo e Cátodo para a entrada do IRED, e Coletor e Emissor para a saída do fototransistor. O invólucro normalmente tem uma marcação ou entalhe para indicar o pino 1.

5. Diretrizes de Montagem e Manuseio

5.1 Recomendações de Soldagem

O valor máximo absoluto especifica que os terminais podem ser soldados a 260°C por no máximo 5 segundos, com a estipulação de que o ponto de solda esteja a pelo menos 1/16 de polegada (aproximadamente 1.6mm) de distância do corpo plástico. Isto é para evitar danos térmicos ao invólucro de epóxi e às ligações internas dos fios. Para soldagem por onda ou refusão, devem ser seguidas os perfis padrão para componentes de furo passante com limites térmicos similares.

5.2 Armazenamento e Manuseio

O dispositivo deve ser armazenado dentro da faixa de temperatura especificada de -40°C a +85°C em um ambiente seco. Precauções padrão de ESD (Descarga Eletrostática) devem ser observadas durante o manuseio, pois os componentes semicondutores internos são suscetíveis a danos por eletricidade estática.

6. Informações de Embalagem e Pedido

6.1 Especificação de Embalagem

A quantidade padrão de embalagem é a seguinte:

• 150 peças por saco.
• 5 sacos por caixa.
• 10 caixas por cartão.

6.2 Informações da Etiqueta

A etiqueta do produto inclui vários códigos para rastreabilidade e especificação:

• CPN:Número do Produto do Cliente.
• P/N:Número do Produto do Fabricante (ex., ITR9909).
• QTY:Quantidade na embalagem.
• CAT, HUE, REF:Estes provavelmente se referem a códigos internos de binning para parâmetros como classificação de intensidade luminosa, classificação de comprimento de onda dominante e classificação de tensão direta, embora detalhes específicos de binning não sejam fornecidos neste trecho da folha de dados.
• LOT No:Número do lote de fabricação para rastreabilidade.

7. Considerações de Projeto de Aplicação

7.1 Projeto do Circuito

Projetar com o ITR9909 envolve dois circuitos principais:

1. Circuito de Acionamento do IRED:Um simples resistor limitador de corrente em série com o IRED é padrão. O valor do resistor é calculado como R = (V_CC- V_F) / I_F. Para operação confiável e longa vida, recomenda-se acionar o IRED na ou abaixo da típica 20mA, a menos que um acionamento pulsado de alta corrente seja necessário para requisitos específicos de relação sinal-ruído.
2. Circuito de Saída do Fototransistor:O fototransistor pode ser usado em duas configurações comuns:
   • Modo Chave (Saída Digital):Conecte um resistor de pull-up do coletor a V_CC. O emissor é aterrado. Quando a luz incide sobre o transistor, ele liga, puxando a tensão do coletor para baixo (próximo de V_CE(sat)). Quando o feixe é interrompido, o transistor desliga e o resistor de pull-up leva a tensão do coletor para alta. O valor do resistor de pull-up determina a velocidade de comutação e o consumo de corrente.
   • Modo Linear (Saída Analógica):Usando o fototransistor em uma configuração de emissor comum com um resistor no coletor, a tensão no coletor variará aproximadamente de forma linear com a quantidade de luz recebida, útil para sensoriamento de posição analógico.

7.2 Considerações Ópticas

• Alinhamento:O alinhamento mecânico preciso do caminho do objeto com a fenda do sensor é crucial para uma operação consistente.
• Luz Ambiente:Embora o filtro de 940nm e o sensor correspondente forneçam boa rejeição à luz visível, fontes fortes de luz infravermelha (ex., luz solar, lâmpadas incandescentes) podem causar interferência. Usar um sinal IR modulado e detecção síncrona pode melhorar muito a imunidade à luz ambiente.
• Características do Objeto:O sensor detecta a interrupção do feixe. O objeto deve ser opaco à luz infravermelha de 940nm. Materiais translúcidos podem não ser detectados com confiabilidade.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

O ITR9909 representa uma solução padrão e confiável no mercado de interruptores ópticos. Seus principais diferenciais são sua combinação específica de um IRED de 940nm com um fototransistor de silício em um pacote compacto de visão lateral. Comparado a sensores reflexivos, os interruptores fornecem um sinal mais definitivo de \"ligado/desligado\", pois são menos suscetíveis a variações na refletividade ou cor do objeto. O tempo de resposta rápido especificado (15µs típico) o torna adequado para aplicações de sensoriamento de velocidade ou codificação, enquanto a alta sensibilidade garante um bom sinal mesmo com correntes de acionamento mais baixas ou em ambientes empoeirados. A conformidade ambiental (RoHS, Livre de Halogênio) é um fator crítico para a fabricação moderna de eletrônicos.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

9.1 Qual é a velocidade ou frequência máxima de sensoriamento?

A frequência máxima de comutação é limitada pelos tempos de subida e descida (t_r, t_f), tipicamente 15µs cada. Uma estimativa conservadora para um ciclo completo liga-desliga é cerca de 4 a 5 vezes a soma desses tempos, sugerindo uma frequência prática máxima na faixa de 10-15 kHz. Isto é adequado para a maioria das aplicações de codificação mecânica.

9.2 Como escolho o valor do resistor limitador de corrente do IRED?

Use a fórmula R = (Tensão da Fonte - V_F) / I_F. Para uma fonte de 5V e acionamento na condição de teste típica de 20mA, com V_F~1.2V, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ohms. Um resistor padrão de 180 ou 200 Ohm seria apropriado. Sempre certifique-se de que a dissipação de potência calculada no resistor esteja dentro de sua classificação.

9.3 Por que o sinal de saída está instável ou com ruído?

Causas potenciais incluem: 1) Corrente de acionamento insuficiente para o IRED, resultando em um sinal fraco. 2) Altos níveis de luz infravermelha ambiente. 3) A corrente de escuro do fototransistor (que aumenta com a temperatura) se tornando significativa em relação à fotocorrente. 4) Ruído elétrico nas linhas de alimentação. Soluções incluem aumentar I_F(dentro dos limites), adicionar blindagem óptica, implementar modulação de sinal, usar um resistor de pull-up de valor mais baixo para resposta mais rápida e garantir um bom desacoplamento da fonte de alimentação.

9.4 Posso usar este sensor ao ar livre?

A luz solar direta contém uma quantidade significativa de radiação infravermelha em 940nm, o que pode saturar o fototransistor e impedir a operação adequada. Para uso ao ar livre, é fortemente recomendado filtragem óptica cuidadosa, design do invólucro para bloquear a luz solar direta e o uso de sinais IR modulados.

10. Princípio Operacional e Tendências Tecnológicas

10.1 Princípio de Funcionamento

O ITR9909 opera no princípio da interrupção da luz transmitida. Uma corrente elétrica conduzida através do díodo emissor de luz infravermelha (IRED) faz com que ele emita fótons em um comprimento de onda de pico de 940 nanômetros. Estes fótons viajam através de uma pequena fenda de ar e incidem na região da base do fototransistor de silício NPN. Os fótons geram pares elétron-lacuna na junção base-coletor, que efetivamente age como um fotodiodo. Esta fotocorrente é então amplificada pela ação do transistor do dispositivo, resultando em uma corrente de coletor muito maior que pode ser facilmente medida por circuitos externos. Quando um objeto bloqueia fisicamente o caminho entre o emissor e o detector, o fluxo de fótons cessa, a fotocorrente cai para quase zero e o transistor desliga, sinalizando a presença do objeto.

10.2 Contexto e Tendências Tecnológicas

Interruptores ópticos como o ITR9909 são componentes maduros e bem compreendidos. As tendências atuais no campo focam em várias áreas:

• Miniaturização:Desenvolvimento de pacotes de montagem em superfície (SMD) menores para economizar espaço na placa em eletrônicos de consumo modernos.
• Integração:Incorporação de circuitos adicionais no chip, como gatilhos Schmitt para saída digital, amplificadores para saída analógica ou até mesmo interfaces de nível lógico completo (ex., saída dreno aberto).
• Desempenho Aprimorado:Melhoria da velocidade para codificadores de maior resolução, redução do consumo de energia para dispositivos operados por bateria e aumento da sensibilidade para permitir correntes de acionamento menores ou fendas de sensoriamento maiores.
• Especialização:Criação de variantes com diferentes larguras de fenda, formas de abertura ou respostas espectrais para segmentos de mercado específicos, como automotivo, automação industrial ou dispositivos médicos.

O princípio fundamental da interrupção óptica permanece um método robusto e econômico para sensoriamento sem contato, garantindo relevância contínua em uma ampla gama de sistemas eletromecânicos.