Folha de Dados Técnicos do Interruptor Óptico Ranhurado LTH-301-07P5 - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-301-07P5 é um interruptor óptico ranhurado, um tipo de componente optoeletrónico concebido para aplicações de comutação sem contacto. Integra um díodo emissor de luz (LED) infravermelho e um fototransístor dentro de uma única carcaça ranhurada e compacta. O princípio de funcionamento fundamental envolve a interrupção do feixe de luz infravermelha entre o emissor e o detetor por um objeto externo, o que provoca uma alteração correspondente no sinal de saída do fototransístor. Este desenho oferece um método fiável e preciso para detetar a presença, ausência ou posição de objetos sem contacto físico.

A vantagem central deste dispositivo reside na sua natureza sem contacto, o que elimina o desgaste mecânico, conduzindo a uma elevada fiabilidade e a uma longa vida operacional. Apresenta velocidades de comutação rápidas, tornando-o adequado para aplicações que requerem deteção rápida. O componente foi concebido para montagem direta em placa de circuito impresso (PCB) ou para utilização com uma base de encaixe duplo em linha, proporcionando flexibilidade no desenho do sistema e na montagem.

Os mercados e aplicações-alvo típicos incluem, mas não se limitam a, equipamentos de automação de escritório, como máquinas de fax, fotocopiadoras, impressoras e digitalizadores. É também amplamente utilizado em vários sistemas de automação industrial, eletrónica de consumo e instrumentação onde é necessária uma deteção precisa de objetos.

2. Interpretação Objetiva dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

As especificações máximas absolutas definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Estas especificações são definidas a uma temperatura ambiente (TA) de 25°C e nunca devem ser excedidas, mesmo momentaneamente, em condições normais de funcionamento.

LED de Entrada:A corrente direta contínua está limitada a 50 mA, sendo permitida uma corrente direta de pico de 1 A em condições pulsadas (300 pulsos por segundo, largura de pulso de 10 μs). A dissipação de potência máxima para o LED é de 80 mW. A capacidade de suportar tensão inversa é de 5 V, um parâmetro crítico para proteger o LED de uma polarização inversa acidental.

Fototransístor de Saída:A especificação de tensão coletor-emissor (V_CE) é de 30 V, enquanto a tensão emissor-coletor (V_EC) é de 5 V. A corrente máxima do coletor é de 20 mA, e o limite de dissipação de potência é de 100 mW. O cumprimento destes limites é essencial para garantir a longevidade e o funcionamento estável do fototransístor.

Limites Ambientais:O dispositivo está classificado para uma gama de temperatura de funcionamento de -25°C a +85°C. A gama de temperatura de armazenamento é mais ampla, de -40°C a +100°C. A temperatura de soldagem dos terminais é especificada como 260°C durante 5 segundos, medida a 1,6 mm da carcaça, informação crucial para os processos de montagem.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estas características definem o desempenho esperado do dispositivo em condições normais de funcionamento a 25°C. Fornecem os parâmetros-chave para o desenho do circuito.

Características do LED de Entrada:A tensão direta típica (V_F) é de 1,2 V a uma corrente direta (I_F) de 20 mA, com um máximo de 1,6 V. Este parâmetro é vital para dimensionar a resistência limitadora de corrente para o circuito de acionamento do LED. A corrente inversa (I_R) é no máximo de 100 μA a uma tensão inversa (V_R) de 5 V, indicando a fuga do LED no estado desligado.

Características do Fototransístor de Saída:A corrente de coletor-emissor no escuro (I_CEO) é no máximo de 100 nA a V_CE=10V, representando a corrente de fuga de saída quando o LED está desligado (sem luz). As tensões de ruptura (BV_CEOe BV_ECO) confirmam as especificações máximas.

Características do Acoplador (Sistema):Estes parâmetros descrevem o desempenho combinado do LED e do fototransístor. A corrente de coletor no estado ligado (I_C(ON)) é garantida como sendo pelo menos 0,6 mA quando o LED é acionado com I_F=20mA e V_CE=5V. Este é o nível de sinal de saída chave quando a ranhura está desobstruída. A tensão de saturação coletor-emissor (V_CE(SAT)) é no máximo de 0,4 V nas mesmas condições com I_C=0,2mA, indicando uma boa característica de estado "ligado". Os tempos de resposta, com um tempo de subida típico (T_r) de 3 μs e tempo de descida (T_f) de 4 μs (sob condições de teste específicas), definem a capacidade de velocidade de comutação do dispositivo.

3. Informações Mecânicas e de Embalagem

3.1 Dimensões de Contorno

O LTH-301-07P5 apresenta um encapsulamento padrão de orifício passante. O desenho mecânico detalhado é fornecido na folha de dados. Todas as dimensões são especificadas em milímetros. A tolerância padrão para dimensões não especificadas é de ±0,25 mm. As dimensões-chave incluem o comprimento, largura e altura total da carcaça, a largura e profundidade da ranhura (que define o espaço por onde passa o objeto interruptor) e o espaçamento e diâmetro dos terminais. O componente foi concebido para processos de soldagem por onda ou soldagem manual.

Identificação da Polaridade:O dispositivo tem uma pinagem específica. Tipicamente, o terminal mais longo ou uma marcação específica na carcaça indica o ânodo do LED. É fundamental consultar o desenho dimensional para a identificação exata dos pinos (por exemplo, o pino 1 é frequentemente o ânodo do LED, o pino 2 é o cátodo do LED, o pino 3 é o emissor do fototransístor e o pino 4 é o coletor) para garantir a orientação correta durante a montagem do PCB. Uma polaridade incorreta impedirá o funcionamento do dispositivo.

4. Diretrizes de Soldagem e Montagem

A manipulação adequada durante a soldagem é essencial para evitar danos na carcaça de plástico e no chip semicondutor interno.

Precauções Gerais:A carcaça não deve ser mergulhada na solda. Nenhum stress externo deve ser aplicado ao suporte dos terminais enquanto o produto está a alta temperatura durante a soldagem, pois isto pode causar fissuras internas ou desalinhamento.

Soldagem Manual/Dos Terminais:Para soldagem manual, a temperatura máxima recomendada do ferro é de 350°C. O tempo de soldagem por terminal não deve exceder 3 segundos, e isto deve ser realizado apenas uma vez por terminal. O ponto de soldagem não deve estar a menos de 2 mm da base da carcaça do componente para evitar danos por calor.

Soldagem por Onda:Para soldagem por onda automatizada, é recomendado um perfil específico. A temperatura de pré-aquecimento não deve exceder 100°C, com um tempo de pré-aquecimento até 60 segundos. A temperatura da onda de solda deve ser no máximo de 260°C, com um tempo de contacto não superior a 5 segundos. A posição de imersão não deve ser inferior a 2 mm da base da carcaça. A adesão a este perfil evita choque térmico e garante juntas de solda fiáveis sem comprometer a integridade do encapsulamento de plástico.

5. Condições de Armazenamento e Precauções

Para manter a soldabilidade e evitar a degradação do desempenho, devem ser observadas condições de armazenamento específicas.

O ambiente de armazenamento ideal é a uma temperatura abaixo de 30°C e humidade relativa abaixo de 70%. Os componentes devem ser montados no prazo de 3 meses a partir da data de entrega. Para prolongar a vida útil de armazenamento enquanto as peças permanecem na sua embalagem original sensível à humidade, devem ser armazenadas num recipiente selado com dessecante apropriado ou num dessecador purgado com azoto. No entanto, o armazenamento não deve exceder um ano nestas condições controladas.

Uma vez aberta a embalagem selada original, os componentes devem ser utilizados no prazo de 3 meses e devem ser mantidos num ambiente controlado de <25°C e <60% de humidade relativa. Transições rápidas na temperatura ambiente, especialmente em ambientes de alta humidade, devem ser evitadas para prevenir a condensação, que pode levar à oxidação dos terminais do componente. Se as condições de armazenamento não cumprirem os critérios especificados, a soldabilidade dos pinos pode ficar comprometida. Nesses casos, uma avaliação da soldabilidade e uma potencial reclassificação dos componentes devem ser realizadas antes da utilização na produção.

6. Sugestões de Aplicação

6.1 Cenários de Aplicação Típicos

O LTH-301-07P5 é versátil e encontra utilização em inúmeras aplicações:

• Deteção de Papel em Impressoras/Fotocopiadoras/Digitalizadores:Detetar a presença de papel, bloqueios de papel ou o fim de um rolo de papel.
• Sensoriamento de Posição:Detetar a posição inicial ou o limite de curso em mecanismos em movimento (por exemplo, carros de impressora, braços robóticos).
• Codificação Rotativa:Utilizado com uma roda ranhurada para medir a velocidade ou posição de um eixo rotativo.
• Contagem de Objetos:Contar itens numa correia transportadora à medida que passam pela ranhura.
• Sistemas de Segurança:Como parte de um sensor de interrupção de feixe para deteção de intrusão.

6.2 Considerações de Projeto

Ao projetar um circuito com este interruptor óptico, vários fatores devem ser considerados:

• Corrente de Acionamento do LED:A corrente de funcionamento recomendada é de 20 mA. Uma resistência em série deve ser calculada com base na tensão de alimentação (V_CC) e na tensão direta do LED (V_F) usando a Lei de Ohm: R = (V_CC- V_F) / I_F. Usando a V_Ftípica de 1,2V e uma alimentação de 5V, a resistência seria aproximadamente (5V - 1,2V) / 0,02A = 190 Ohms. Uma resistência padrão de 200 Ohms seria adequada.
• Polarização do Fototransístor:A saída do fototransístor pode ser usada numa configuração de emissor comum (emissor ligado à terra, coletor ligado a V_CCatravés de uma resistência de carga, R_L) ou como um interruptor. O valor de R_Lafeta a amplitude da tensão de saída e a velocidade de comutação. Um R_Lmenor proporciona uma resposta mais rápida, mas uma alteração menor na tensão de saída. A condição de teste da folha de dados usa R_L=100Ω.
• Condicionamento de Sinal:A saída é uma corrente analógica que varia com a intensidade da luz. Para aplicações de comutação digital, pode ser necessário um comparador ou um circuito de gatilho Schmitt após a resistência de carga para fornecer um sinal digital limpo, especialmente se o objeto interruptor não bloquear totalmente o feixe de luz.
• Imunidade à Luz Ambiente:Como o dispositivo utiliza luz infravermelha, é relativamente imune à luz ambiente visível. No entanto, fontes fortes de luz infravermelha (por exemplo, luz solar, lâmpadas incandescentes) podem afetar o desempenho. Utilizar um sinal de acionamento do LED modulado e deteção síncrona pode melhorar significativamente a imunidade à luz ambiente.
• Alinhamento Mecânico:O objeto interruptor deve passar de forma fiável pela ranhura e interromper totalmente o feixe para um funcionamento consistente. As dimensões da ranhura e o tamanho e trajetória do objeto devem ser cuidadosamente considerados.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

Interruptores ópticos como o LTH-301-07P5 competem com outras tecnologias de sensoriamento, como micro-interruptores mecânicos, sensores de efeito Hall e sensores ópticos reflexivos.

vs. Interruptores Mecânicos:A principal vantagem é a ausência total de contacto físico, levando a uma vida mecânica praticamente infinita, sem rebote de contacto, funcionamento silencioso e maior fiabilidade em ambientes sujos ou empoeirados. A desvantagem pode ser um custo ligeiramente superior e a necessidade de um circuito de acionamento eletrónico.

vs. Sensores Ópticos Reflexivos:Os interruptores ópticos ranhurados oferecem maior precisão e consistência posicional porque o emissor e o detetor estão precisamente alinhados numa geometria fixa. São menos suscetíveis a variações na refletividade do objeto alvo. Os sensores reflexivos são mais adequados para detetar objetos a uma distância ou onde uma ranhura física não é viável.

vs. Sensores de Efeito Hall:Os sensores Hall detetam campos magnéticos, não a interrupção da luz. São usados para sensoriar a posição de ímanes. A escolha depende inteiramente da aplicação: detetar qualquer objeto opaco (interruptor óptico) vs. detetar um campo magnético (sensor Hall).

A diferenciação específica do LTH-301-07P5 reside no seu conjunto equilibrado de características elétricas (tensão direta, corrente de saída, velocidade), no seu robusto encapsulamento mecânico adequado para soldagem por onda e nos seus requisitos de armazenamento e manuseamento claramente definidos, tornando-o uma escolha fiável para fabricação em volume.

8. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é o propósito da especificação "Corrente Direta de Pico" para o LED?

R: Esta especificação (1A a 300pps, 10μs) permite que o LED seja pulsado com uma corrente muito mais elevada do que a sua especificação contínua (50mA) durante curtos períodos. Isto pode ser usado para alcançar um pulso óptico mais brilhante, o que pode melhorar a relação sinal-ruído ou permitir um ciclo de trabalho mais baixo, reduzindo o consumo médio de energia e a geração de calor.

P: A I_C(ON)é especificada como um mínimo de 0,6mA. O que isto significa para o meu projeto de circuito?

R: Este é um limite inferior garantido. Sob as condições de teste padrão (I_F=20mA, V_CE=5V), o fototransístor irá drenarpelo menos0,6mA quando a ranhura estiver desobstruída. A corrente real na sua aplicação pode ser maior. Deve dimensionar a sua resistência de carga (R_L) e quaisquer portas lógicas subsequentes para reconhecer um nível de tensão correspondente a esta corrente mínima. Por exemplo, com R_L=1kΩ, a tensão de saída cairia para no máximo V_CE= 5V - (0,6mA * 1kΩ) = 4,4V quando o feixe não estiver bloqueado.

P: Por que as condições de armazenamento são tão rigorosas, especialmente depois de abrir o saco?

R: Os terminais do componente são suscetíveis à oxidação quando expostos ao ar húmido. Terminais oxidados têm má soldabilidade, levando a juntas de solda fracas ou inexistentes ("dewetting"). A embalagem sensível à humidade e as regras rigorosas de armazenamento são práticas padrão da indústria (alinhadas com as normas IPC/JEDEC) para garantir um elevado rendimento de montagem e fiabilidade a longo prazo.

P: Posso usar este sensor ao ar livre?

R: A gama de temperatura de funcionamento é de -25°C a +85°C, o que cobre muitas condições exteriores. No entanto, a exposição direta à luz solar (uma forte fonte de radiação infravermelha) pode saturar o fototransístor, causando disparos falsos. O dispositivo também não está selado contra a entrada de água ou poeira. Para uso ao ar livre, exigiria um blindagem óptica cuidadosa contra a luz ambiente e proteção ambiental, ou uma tecnologia de sensor diferente pode ser mais apropriada.

9. Introdução ao Princípio de Funcionamento

O interruptor óptico funciona com um princípio optoeletrónico direto. Contém dois componentes principais alojados um em frente do outro através de um espaço físico (a ranhura):

1. Emissor Infravermelho (LED):Este é um díodo semicondutor que emite luz infravermelha (invisível ao olho humano) quando polarizado diretamente com uma corrente apropriada (por exemplo, 20mA).
2. Fototransístor:Este é um transístor sensível à luz. Quando os fotões do emissor infravermelho atingem a sua região da base, geram pares eletrão-lacuna, que atuam como corrente de base. Esta corrente de base induzida pela luz é amplificada pelo ganho do transístor, resultando numa corrente de coletor muito maior a fluir do coletor para o emissor.

Estados de Funcionamento:

- Desobstruído (Feixe Presente):A luz infravermelha do emissor incide diretamente no fototransístor. O fototransístor liga, permitindo que uma corrente de coletor significativa (I_C(ON)) flua. Num circuito de emissor comum com uma resistência de pull-up, a tensão de saída no coletor é puxada para baixo (próxima de V_CE(SAT)).

- Obstruído (Feixe Bloqueado):Um objeto opaco colocado na ranhura bloqueia a luz infravermelha. Nenhuma luz atinge a base do fototransístor, pelo que ele desliga. Apenas uma pequena corrente de fuga (I_CEO, a corrente no escuro) flui. A tensão de saída no coletor sobe para perto da tensão de alimentação (V_CC).

Esta transição entre uma tensão de saída alta (feixe bloqueado) e uma tensão de saída baixa (feixe desobstruído) fornece um sinal digital limpo para a lógica de deteção.

10. Tendências de Desenvolvimento

O campo dos sensores optoeletrónicos, incluindo interruptores ópticos, continua a evoluir. Tendências objetivas observáveis na indústria incluem:

• Miniaturização:Existe uma constante procura por tamanhos de encapsulamento mais pequenos (por exemplo, dispositivos de montagem em superfície com menor área e perfil mais baixo) para permitir produtos finais mais compactos e montagem de PCB de maior densidade.
• Desempenho Aprimorado:Melhorias em materiais semicondutores e encapsulamento visam proporcionar maior sensibilidade (permitindo correntes de acionamento do LED mais baixas para reduzir o consumo de energia), tempos de resposta mais rápidos para aplicações de alta velocidade e melhor estabilidade térmica dos parâmetros.
• Integração e Funcionalidades Inteligentes:Alguns interruptores ópticos modernos integram o circuito de acionamento para o LED e o condicionamento de sinal (amplificador, comparador, gatilho Schmitt) para a saída do fototransístor no mesmo encapsulamento. Isto simplifica o desenho do circuito externo e pode fornecer uma saída direta de nível lógico digital. A integração de múltiplos elementos de sensoriamento é também uma tendência.
• Foco na Fiabilidade e Fabricação:Os projetos priorizam cada vez mais a robustez para processos de montagem automatizados, como pick-and-place e soldagem por refluxo. Os materiais são selecionados para melhor resistência ao stress térmico e fatores ambientais.
• Variantes Específicas para Aplicação:O desenvolvimento continua para sensores adaptados a necessidades específicas do mercado, como sensores ultra-finos para manuseamento de papel em dispositivos portáteis, ou sensores com ranhuras muito estreitas para deteção de bordas de alta precisão.

O LTH-301-07P5 representa uma tecnologia madura e fiável que atende aos requisitos centrais para uma vasta gama de aplicações padrão, enquanto estas tendências mais amplas moldam o desenvolvimento dos dispositivos de próxima geração.