Folha de Dados do Interruptor Óptico ITR20403 - Pacote 4.0x3.0x2.0mm - Tensão Direta 1.6V - Dissipação de Potência 75mW - Infravermelho 940nm - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O ITR20403 é um módulo interruptor óptico compacto projetado para aplicações de detecção sem contato. Ele integra um diodo emissor de infravermelho (IRED) e um fototransistor de silício dentro de uma única carcaça preta de termoplástico de pequeno formato. A função principal do dispositivo é detectar a interrupção de um feixe de luz infravermelha entre seus componentes emissor e receptor.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

O dispositivo oferece várias vantagens-chave que o tornam adequado para aplicações de precisão. Seu tempo de resposta rápido e alta sensibilidade permitem a detecção confiável de movimentos rápidos de objetos. O pacote fino e pequeno facilita a integração em projetos com espaço limitado, comumente encontrados em eletrônicos de consumo e equipamentos de automação de escritório. Uma característica técnica significativa é o design da carcaça, que permite ao fototransistor receber radiação principalmente do LED IR integrado, minimizando assim interferência e ruído de fontes de luz ambiente. Os principais mercados-alvo incluem dispositivos de imagem, sistemas de manipulação de documentos e vários controles de automação que requerem detecção precisa de posição ou presença.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

Esta seção fornece uma interpretação objetiva e detalhada das especificações elétricas, ópticas e térmicas do dispositivo, conforme definido na folha de dados.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

As especificações máximas absolutas definem os limites de estresse além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. Estas não são condições de operação recomendadas.

• Dissipação de Potência de Entrada (IRED) (Pd):75 mW máximo a ou abaixo de 25°C de temperatura ambiente livre. Exceder este limite arrisca dano térmico ao chip do LED.
• Tensão Reversa de Entrada (VR):5 V máximo. Aplicar uma tensão reversa mais alta pode causar ruptura da junção.
• Corrente Direta Contínua (IF):50 mA máximo. Esta é a maior corrente CC que o IRED pode suportar.
• Dissipação de Potência de Saída (Fototransistor) (Pd):75 mW máximo a ou abaixo de 25°C.
• Corrente do Coletor (IC):20 mA máximo para a saída do fototransistor.
• Tensão Coletor-Emissor (BV_CEO):30 V máximo. Esta é a tensão de ruptura com a base aberta.
• Temperatura de Operação (T_opr):-25°C a +80°C. O dispositivo é garantido para funcionar dentro desta faixa de temperatura ambiente.
• Temperatura de Armazenamento (T_stg):-40°C a +85°C.
• Temperatura de Soldagem dos Terminais (T_sol):260°C máximo por 5 segundos, medido a 3mm do corpo do pacote. Isto é crítico para o controle do processo de montagem.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros são medidos sob condições de teste padrão (Ta=25°C) e representam o desempenho típico do dispositivo.

• Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1,23V, com um máximo de 1,6V em I_F=20mA. Este parâmetro é essencial para projetar o circuito de acionamento limitador de corrente para o IRED.
• Comprimento de Onda de Pico (λ_P):940 nm. Este é o comprimento de onda nominal da luz infravermelha emitida, que corresponde à sensibilidade de pico do fototransistor receptor.
• Corrente de Escuridão do Coletor (I_CEO):Máximo 100 nA em V_CE=20V com iluminação zero. Esta corrente de fuga determina o piso de ruído do sensor no estado "desligado".
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(sat)):Máximo 0,4V em I_C=2mA e uma irradiância (E_e) de 1 mW/cm². Uma baixa tensão de saturação é desejável para aplicações de comutação digital.
• Corrente do Coletor no Estado Ligado (I_C(on)):Varia de um mínimo de 0,2 mA a um máximo de 5,0 mA sob as condições de teste de V_CE=5V e I_F=20mA. Esta ampla faixa indica a variação da taxa de transferência de corrente (CTR) entre dispositivos, que deve ser considerada no projeto do circuito.
• Tempo de Subida/Descida (t_r, t_f):Tipicamente 15 µs cada sob condições de comutação especificadas. Isto define a frequência de comutação máxima alcançável para o dispositivo.

3. Análise de Curvas de Desempenho

A folha de dados inclui curvas características típicas que fornecem insights sobre o comportamento do dispositivo sob condições variáveis.

3.1 Corrente Direta vs. Temperatura Ambiente

Esta curva ilustra a necessária derating da corrente direta do IRED à medida que a temperatura ambiente aumenta. Para evitar exceder a temperatura máxima da junção e garantir confiabilidade a longo prazo, a corrente de operação deve ser reduzida quando o dispositivo é usado em ambientes de alta temperatura. Os projetistas devem consultar este gráfico para determinar a corrente de operação segura para a temperatura ambiente máxima de sua aplicação específica.

3.2 Sensibilidade Espectral

Curvas de sensibilidade espectral separadas são fornecidas tanto para o emissor IR quanto para o fototransistor. A curva do IRED mostra a intensidade radiante relativa versus comprimento de onda, com pico em 940 nm. A curva do fototransistor mostra sua resposta relativa versus o comprimento de onda da luz incidente, com um pico projetado para alinhar com a saída do emissor. A resposta estreita e correspondente minimiza a sensibilidade à luz ambiente visível, uma característica fundamental para operação estável em condições de iluminação variáveis.

3.3 Corrente Direta vs. Tensão Direta

Esta curva IV para o IRED mostra a relação não linear entre tensão direta e corrente. É crucial para selecionar um esquema de limitação de corrente apropriado (por exemplo, resistor, fonte de corrente constante) para garantir uma saída IR estável ao longo da faixa de temperatura de operação e entre variações de produção.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões do Pacote

O dispositivo é acondicionado em um pacote compacto. As dimensões-chave incluem uma largura do corpo de aproximadamente 4,0 mm, uma profundidade de 3,0 mm e uma altura de 2,0 mm. O espaçamento dos terminais é de 2,54 mm (0,1 polegadas), que é um passo padrão para montagem em PCB furo passante. Todas as tolerâncias dimensionais são ±0,25 mm, salvo indicação em contrário. Os terminais são medidos onde emergem do corpo do pacote.

4.2 Identificação de Polaridade e Montagem

O componente possui quatro terminais. A convenção padrão para tais interruptores ópticos é que os dois terminais de um lado pertencem ao emissor infravermelho (ânodo e cátodo), e os dois do lado oposto pertencem ao fototransistor (emissor e coletor). O pinout exato deve ser verificado no diagrama do pacote. Ao montar, os furos da PCB devem estar precisamente alinhados com as posições dos terminais para evitar impor tensão mecânica no corpo de epóxi durante a inserção, o que pode degradar o desempenho ou causar falha.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O manuseio adequado é crítico para manter a integridade e o desempenho do dispositivo.

5.1 Formação dos Terminais

Se for necessário dobrar os terminais, isso deve ser realizadoantesda soldagem. A dobra deve ser feita a uma distância maior que 3 mm da parte inferior do corpo do pacote de epóxi. O *lead frame* deve ser firmemente segurado durante a dobra para evitar que a tensão seja transmitida para o frágil bulbo de epóxi, o que poderia causar rachaduras ou danos internos. O corte dos terminais deve ser feito à temperatura ambiente.

5.2 Processo de Soldagem

Uma distância mínima de 3 mm deve ser mantida entre a junta de solda e o bulbo de epóxi. As condições recomendadas são:

• Soldagem Manual:Temperatura máxima da ponta do ferro 300°C (para um ferro de 30W), tempo de soldagem máximo 3 segundos por terminal.
• Soldagem por Onda/Imersão:Temperatura de pré-aquecimento máxima 100°C por até 60 segundos. Temperatura máxima do banho de solda 260°C com um tempo de permanência máximo de 5 segundos.

Evite aplicar qualquer tensão mecânica aos terminais enquanto o dispositivo estiver em temperatura elevada. A soldagem por imersão ou manual não deve ser realizada mais de uma vez. Após a soldagem, o dispositivo deve ser protegido de choques mecânicos ou vibrações até retornar à temperatura ambiente. Processos de resfriamento rápido não são recomendados.

5.3 Limpeza e Armazenamento

A limpeza ultrassônica é proibida, pois as vibrações de alta frequência podem danificar os componentes internos ou a vedação de epóxi. Para armazenamento, os dispositivos devem ser mantidos a 10-30°C e 70% de UR ou menos por até 3 meses após o envio. Para armazenamento mais longo (até um ano), recomenda-se um recipiente selado com atmosfera de nitrogênio a 10-25°C e 20-60% de UR. Após abrir a embalagem sensível à umidade, os dispositivos devem ser usados dentro de 24 horas ou o mais rápido possível, com quaisquer componentes restantes sendo rapidamente resealados.

6. Embalagem e Informações de Pedido

A especificação de embalagem padrão é de 120 peças por tubo, 96 tubos por caixa e 2 caixas por cartucho. O rótulo na embalagem inclui campos para Número da Peça do Cliente (CPN), Número da Peça do Fabricante (P/N), Quantidade de Embalagem (QTY), Referência (REF) e Número do Lote (LOT No.).

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Detecção de Papel em Impressoras/Copiadoras/Scanners:Detectar a presença de papel, engarrafamentos de papel ou a borda inicial/final de um documento.
• Detecção de Posição de Tampa de Lente ou Filtro em Câmeras:Detectar se uma tampa de lente está colocada ou se um disco de filtro está na posição correta.
• Sensoriamento de Fim de Curso sem Contato:Usado em scanners, plotters ou estágios automatizados para detectar a posição inicial ou limite sem contato físico.
• Contagem ou Classificação de Objetos:Detectar objetos em uma esteira transportadora quando eles interrompem o feixe infravermelho.
• Sensoriamento de Disco de Encoder Rotativo:Ler ranhuras em um disco rotativo para medir velocidade ou posição (embora módulos de encoder dedicados sejam frequentemente mais adequados para tarefas de alta resolução).

7.2 Considerações de Projeto e Interface do Circuito

Ao projetar com o ITR20403, vários fatores devem ser considerados:

1. Limitação de Corrente para o IRED:Um resistor em série deve ser calculado com base na tensão de alimentação (V_CC), a corrente direta desejada (I_F, tipicamente 20mA para saída nominal), e a queda de tensão direta (V_F~1,23V). R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. Circuito de Interface de Saída:O fototransistor pode ser usado em duas configurações comuns:
   • Modo Chave:Conecte um resistor de *pull-up* (por exemplo, 1kΩ a 10kΩ) do coletor a V_CC. O emissor é conectado ao terra. A saída no coletor será baixa (próxima de V_CE(sat)) quando o feixe não estiver bloqueado (transistor LIGADO) e alta (V_CC) quando o feixe estiver bloqueado (transistor DESLIGADO).
   • Modo Analógico:O fototransistor pode ser usado em uma configuração de emissor comum com um resistor no coletor para produzir uma tensão proporcional à intensidade da luz. No entanto, a resposta não linear e a dependência da temperatura o tornam menos ideal para medições analógicas precisas em comparação com fotodiodos com circuitos de amp-op.
3. Imunidade a Ruído:Embora resistente à luz ambiente, o circuito ainda pode captar ruído elétrico. Capacitores de desacoplamento (0,1 µF) próximos aos pinos de alimentação do dispositivo e um layout cuidadoso da PCB são recomendados. Para cabos longos ou ambientes ruidosos, blindagem ou usar a saída para acionar uma entrada de gatilho Schmitt pode melhorar a confiabilidade.
4. Design de Abertura e Fenda:O objeto que interrompe o feixe deve ser opaco ao infravermelho. A resolução e a repetibilidade da detecção dependem da largura do objeto em relação à largura da fenda na carcaça do dispositivo. Para detecção de borda, uma palheta ou bandeira com uma borda afiada fornece o *timing* mais preciso.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

O ITR20403 se diferencia principalmente por seu fator de forma compacto e fino, o que é vantajoso em eletrônicos de consumo miniaturizados. Seu tempo de resposta rápido de 15 µs é adequado para detectar eventos de velocidade moderadamente alta. A carcaça integrada que corresponde espectralmente ao emissor e receptor fornece rejeição inerente à luz ambiente, uma característica que simplifica o projeto em comparação com o uso de componentes discretos. Quando comparado a sensores de objeto reflexivos, os interruptores oferecem maior precisão posicional e são menos sensíveis à cor ou refletividade do objeto alvo. Comparado a interruptores ópticos com fendas mais largas, a fenda estreita deste dispositivo permite a detecção de objetos menores ou detecção de borda mais precisa.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

9.1 Qual é a corrente de operação típica para o LED IR?

As características eletro-ópticas são testadas em I_F= 20 mA, que é um ponto de operação comum e recomendado para alcançar a corrente do coletor no estado ligado especificada. O circuito deve ser projetado para não exceder a especificação máxima absoluta de 50 mA.

9.2 Por que há uma faixa tão ampla (0,2mA a 5,0mA) para a Corrente do Coletor no Estado Ligado?

Esta faixa representa a variação de dispositivo para dispositivo na Taxa de Transferência de Corrente (CTR), que é a razão entre a corrente de saída do fototransistor (I_C) e a corrente de entrada do IRED (I_F). Esta variação é inerente ao processo de fabricação de acopladores ópticos e interruptores. O circuito deve ser projetado para funcionar corretamente com o I_C(on)mínimo especificado (0,2mA) para garantir confiabilidade em todas as unidades de produção.

9.3 Este sensor pode ser usado ao ar livre?

Embora a carcaça forneça boa rejeição à luz ambiente, a luz solar direta contém radiação infravermelha significativa que poderia saturar o sensor. Para uso externo, filtragem óptica adicional, blindagem ou operação pulsada com detecção síncrona seria necessária para um desempenho confiável. A faixa de temperatura de operação (-25°C a +80°C) também limita aplicações em ambientes extremos.

9.4 Quão próximo um objeto precisa estar para interromper o feixe?

O dispositivo possui uma fenda estreita e focada. Um objeto precisa passar fisicamente pela fenda entre o emissor e o detector. Não há capacidade de sensoriamento de "proximidade"; o feixe deve ser totalmente ocluído para que o estado de saída mude de forma confiável.

10. Estudo de Caso de Projeto e Uso

Cenário: Sensor de Fim de Papel em uma Impressora de Mesa.

Implementação:O ITR20403 é montado no caminho de alimentação de papel da impressora. Uma alavanca ou bandeira, presa a uma mola, repousa na fenda do sensor quando não há papel. Quando uma folha de papel é alimentada, ela empurra a bandeira para fora da fenda, permitindo que o feixe infravermelho passe e ligando o fototransistor.

Projeto do Circuito:O IRED é acionado com 20mA via um resistor limitador de corrente da fonte de alimentação lógica de 5V da impressora. O coletor do fototransistor é conectado a um pino de entrada de microcontrolador de 3,3V através de um resistor de *pull-up* de 4,7kΩ. O emissor é aterrado.

Lógica de Software:O pino do microcontrolador é configurado como uma entrada digital. Uma leitura BAIXA indica que o feixe não está bloqueado (bandeira fora, papel presente). Uma leitura ALTA indica que o feixe está bloqueado (bandeira dentro, sem papel), acionando um alerta de "Fim de Papel" para o usuário. Lógica de *debouncing* (por exemplo, em software) é adicionada para ignorar vibrações mecânicas da bandeira.

Considerações-Chave para este Caso:O mecanismo da bandeira deve ser projetado para entrar de forma confiável e completa na fenda do sensor. A mola deve fornecer força suficiente para um retorno positivo, mas não tanta que danifique o papel ou cause desgaste no sensor. A posição do sensor deve ser fixada com segurança para manter o alinhamento.

11. Princípio de Operação

O ITR20403 opera com base no princípio de transmissão e detecção de luz modulada. Um diodo emissor de luz infravermelha (IRED) é polarizado diretamente com uma corrente constante, fazendo com que emita fótons em um comprimento de onda de pico de 940 nm. Diretamente oposto, dentro da mesma carcaça, está um fototransistor de silício NPN. Quando o feixe infravermelho viaja desobstruído através da fenda, ele atinge a região da base do fototransistor. Os fótons absorvidos geram pares elétron-lacuna, que atuam como corrente de base, ligando o transistor e permitindo que uma corrente de coletor (I_C) flua, proporcional à intensidade da luz. Quando um objeto opaco entra na fenda, ele bloqueia o feixe, a corrente de base fotogerada cessa e o transistor desliga. O circuito de saída converte essa mudança de estado LIGADO/DESLIGADO em um sinal elétrico utilizável. A carcaça preta de termoplástico serve para conter o caminho da luz, prevenir *crosstalk* óptico e bloquear a maior parte da luz ambiente visível, cujos fótons geralmente não têm energia suficiente para serem absorvidos pela banda proibida do fototransistor de silício, fornecendo assim filtragem óptica inerente.

12. Tendências Tecnológicas

Interruptores ópticos como o ITR20403 representam uma tecnologia madura e confiável. As tendências atuais no campo focam em várias áreas: maior miniaturização para permitir integração em dispositivos portáteis e *wearables* cada vez menores; o desenvolvimento de versões de dispositivo de montagem em superfície (SMD) com melhor compatibilidade de soldagem por refluxo para montagem automatizada; aumento das velocidades de comutação para suportar taxas de dados mais altas em aplicações de encoder ou máquinas mais rápidas; e maior robustez contra fatores ambientais como temperatura mais alta, umidade e contaminação. Há também uma tendência para integrar funcionalidade adicional, como gatilhos Schmitt embutidos na saída para histerese ou até interfaces digitais (I2C, SPI) para módulos de sensor mais inteligentes e endereçáveis. No entanto, o design básico de componente discretico de furo passante, como visto no ITR20403, permanece altamente custo-efetivo e amplamente usado em aplicações onde seu desempenho e fator de forma são suficientes.