Folha de Dados do Fotointerruptor LTH-306-01 - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-306-01 é um interruptor óptico compacto e sem contato, projetado para detecção confiável de objetos e sensoriamento de posição. A sua função principal baseia-se num díodo emissor de luz (LED) infravermelho (IR) emparelhado com um fototransistor, alojados num único encapsulamento. Quando um objeto passa pelo vão entre o emissor e o detector, ele interrompe o feixe de luz IR, causando uma alteração no estado de saída do fototransistor. Este princípio permite uma comutação precisa e sem desgaste, sem contacto físico.

O dispositivo é concebido para montagem direta em placas de circuito impresso (PCBs) ou em soquetes padrão de dupla linha, oferecendo uma flexibilidade de projeto significativa. As suas principais vantagens incluem a velocidade de comutação rápida, crucial para aplicações de contagem e temporização de alta velocidade, e a sua natureza sem contato, que elimina o desgaste mecânico e garante fiabilidade a longo prazo. Os mercados-alvo típicos incluem automação industrial, eletrónica de consumo (ex.: impressoras, fotocopiadoras), sistemas de segurança e máquinas de venda automática onde é necessária detecção de objetos, sensoriamento de engarrafamento de papel ou detecção de ranhuras.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. A operação nestas condições não é garantida. Os limites principais incluem:

• Corrente Contínua Direta do Díodo IR (I_F): 60 mA. Esta é a corrente DC máxima que pode ser aplicada continuamente ao LED.
• Corrente de Pico Direta do Díodo IR: 1 A para uma largura de pulso de 10 μs a 300 pulsos por segundo. Isto permite pulsos breves e de alta intensidade para uma detecção de sinal melhorada.
• Tensão Coletor-Emissor do Fototransistor (V_CEO): 30 V. A tensão máxima que pode ser aplicada entre os terminais do coletor e do emissor.
• Gama de Temperatura de Operação: -25°C a +85°C. Especifica a gama de temperatura ambiente para operação fiável.
• Temperatura de Soldagem dos Terminais: 260°C durante 5 segundos a uma distância de 1,6mm do encapsulamento. Isto é crucial para os processos de montagem em PCB.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes parâmetros são especificados a uma temperatura ambiente (T_A) de 25°C e definem o desempenho típico do dispositivo em condições normais de operação.

2.2.1 Características de Entrada (LED IR)

• Tensão Direta (V_F): Tipicamente 1,2V a 1,6V a uma corrente direta (I_F) de 20 mA. Isto é usado para calcular o valor da resistência limitadora de corrente para o circuito de acionamento do LED.
• Corrente Reversa (I_R): Máximo 100 μA a uma tensão reversa (V_R) de 5V. Isto indica a corrente de fuga do LED quando polarizado inversamente.

2.2.2 Características de Saída (Fototransistor)

• Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO): Mínimo 30V. Garante que o transistor pode suportar a tensão coletor-emissor especificada.
• Corrente de Escuridão Coletor-Emissor (I_CEO): Máximo 100 nA a V_CE=10V. Esta é a corrente de fuga quando o LED está desligado (sem luz), o que afeta o nível do sinal no estado "desligado".

2.2.3 Características do Acoplador (Combinadas)

• Corrente de Coletor no Estado Ligado (I_C(ON)): Mínimo 5,0 mA a V_CE=5V e I_F=20mA. Esta é a corrente de saída do fototransistor quando o LED está totalmente iluminado e desobstruído, indicando a sua sensibilidade.
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)): Máximo 0,4V a I_C=2,5mA e I_F=20mA. Uma baixa tensão de saturação é desejável quando o fototransistor é usado como um interruptor em modo de saturação, minimizando a queda de tensão.
• Tempo de Resposta: O tempo de subida (t_r) é tipicamente 3-15 μs, e o tempo de descida (t_f) é tipicamente 4-20 μs sob condições de teste especificadas (V_CE=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Estes parâmetros definem a velocidade de comutação e a largura de banda do dispositivo, críticas para detetar objetos em movimento rápido.

3. Análise de Curvas de Desempenho

A folha de dados referencia curvas típicas de características elétricas/ópticas. Embora os gráficos específicos não sejam fornecidos no texto, as curvas padrão para tais dispositivos incluem tipicamente:

• Corrente Direta vs. Tensão Direta (I_F-V_F) para o LED IR: Mostra a relação não linear, ajudando a determinar o ponto de operação.
• Corrente de Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor (I_C-V_CE) para o Fototransistor: A diferentes níveis de irradiância (corrente do LED), isto mostra o comportamento do transistor de saída, semelhante às características de saída de um transistor bipolar.
• Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta: CTR é a relação entre a corrente de coletor do fototransistor (I_C) e a corrente direta do LED (I_F). Esta curva mostra como a eficiência muda com a corrente de acionamento.
• Dependência da Temperatura na Corrente de Escuridão (I_CEO) e na Corrente no Estado Ligado (I_C(ON)): Ilustra como o desempenho se degrada ou varia com alterações na temperatura ambiente, o que é vital para projetar sistemas estáveis em toda a gama de operação especificada.

Estas curvas são essenciais para os projetistas otimizarem o ponto de operação, garantirem a integridade do sinal com a temperatura e compreenderem as limitações do dispositivo.

4. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

O LTH-306-01 é projetado para montagem em PCB ou soquete. As dimensões do encapsulamento são fornecidas na folha de dados com todas as medidas em milímetros (e polegadas). Notas mecânicas principais incluem:

• Uma tolerância padrão de ±0,25mm (±0,010") aplica-se, salvo indicação em contrário no desenho dimensionado.
• O encapsulamento apresenta um corpo moldado com um vão preciso entre o emissor IR e o fototransistor. As dimensões exatas deste vão, a altura total, largura, comprimento e o espaçamento dos terminais são críticos para a integração mecânica no produto final.
• Os terminais são tipicamente feitos de um material soldável e são formados para montagem através do orifício.

A identificação da polaridade é crucial. O dispositivo terá marcações (como um ponto, um entalhe ou comprimentos de terminais diferentes) para identificar o ânodo e o cátodo do LED IR e o coletor e o emissor do fototransistor. Uma ligação de polaridade incorreta pode danificar os componentes.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

Os valores máximos absolutos especificam uma temperatura de soldagem dos terminais de 260°C por uma duração máxima de 5 segundos, medida a 1,6mm (0,063") do encapsulamento plástico. Este é um parâmetro crítico para processos de soldagem por onda ou soldagem manual.

Recomendações:

6. Sugestões de Aplicação

6.1 Circuitos de Aplicação Típicos

Um circuito de aplicação básico envolve:

1. Circuito de Acionamento do LED: Uma resistência limitadora de corrente em série com o LED IR. O valor da resistência (R_limit) é calculado como (Tensão de Alimentação - V_F) / I_F. Para uma alimentação de 5V e I_F=20mA, com V_F~1,4V, R_limit≈ (5-1,4)/0,02 = 180Ω.
2. Circuito de Saída do Fototransistor: O fototransistor pode ser usado em duas configurações comuns:
   • Modo Interruptor (Saturação): Ligue uma resistência de pull-up do coletor a uma alimentação positiva (ex.: 5V). O emissor é ligado ao terra. Quando a luz atinge o transistor, ele liga fortemente (satura), puxando a tensão do coletor para baixo (próxima de V_CE(SAT)). Quando a luz é bloqueada, o transistor desliga-se e a tensão do coletor é puxada para cima pela resistência. A saída é um sinal digital.
   • Modo Linear: Use o fototransistor numa configuração de amplificador de emissor comum com uma resistência no coletor. A tensão de saída varia linearmente com a intensidade da luz recebida, útil para sensoriamento analógico.

6.2 Considerações de Projeto

• Imunidade à Luz Ambiente: O dispositivo utiliza luz IR modulada, mas fontes fortes de IR ambiente (luz solar, lâmpadas incandescentes) podem causar disparos falsos. Usar um acionamento de LED pulsado e deteção síncrona, ou adicionar um filtro óptico, pode melhorar a imunidade.
• Características do Objeto: A fiabilidade da deteção depende da opacidade do objeto ao comprimento de onda IR. Materiais muito finos ou translúcidos podem não interromper totalmente o feixe.
• Alinhamento: É necessário um alinhamento mecânico preciso do percurso do objeto com o vão do sensor para uma operação consistente.
• Velocidade: Certifique-se de que a velocidade do objeto e o tempo de resposta exigido pelo sistema são compatíveis com os tempos de subida/descida do dispositivo (gama de microssegundos).
• Ruído Elétrico: Em ambientes ruidosos, mantenha os traços de sinal curtos, use capacitores de desacoplamento próximos ao dispositivo e considere blindagem.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado com micro-interruptores mecânicos, o LTH-306-01 oferece vantagens claras: sem bounce de contacto, sem desgaste mecânico, velocidade de comutação mais rápida e maior fiabilidade ao longo de milhões de ciclos. Comparado com outros sensores ópticos como sensores reflexivos, os fotointerruptores transmissivos (acopladores com fenda) são geralmente mais imunes a variações na refletividade e cor da superfície do objeto, fornecendo um sinal ligado/desligado mais consistente baseado puramente na interrupção do feixe.

Os seus principais diferenciadores dentro da categoria de fotointerruptores seriam o seu tamanho de encapsulamento específico (permitindo designs compactos), as suas características elétricas (sensibilidade definida por I_C(ON), velocidade definida por t_r/t_f), e as suas especificações robustas para soldagem e temperatura de operação.

8. Perguntas Frequentes (FAQs)

P: Qual é a vida útil típica deste dispositivo?

R: Como um dispositivo de estado sólido sem partes móveis, a sua vida útil é principalmente determinada pela degradação gradual da saída do LED. Quando operado dentro das especificações, tipicamente excede em muito a vida útil dos interruptores mecânicos, frequentemente classificada para centenas de milhares a milhões de operações.

P: Posso acionar o LED diretamente com uma fonte de tensão?

R: Não. Um LED deve ser acionado com uma fonte limitada de corrente. Ligá-lo diretamente a uma fonte de tensão que exceda a sua tensão direta causará um fluxo de corrente excessivo, potencialmente destruindo-o. Use sempre uma resistência limitadora de corrente em série ou um driver de corrente constante.

P: Como interpreto o valor mínimo da "Corrente de Coletor no Estado Ligado" (I_C(ON))?

R: Este é um valor mínimo garantido de corrente de saída sob as condições de teste especificadas (V_CE=5V, I_F=20mA). No seu projeto, deve garantir que o seu circuito (ex.: o valor da sua resistência de pull-up) pode funcionar de forma confiável com esta corrente mínima para produzir uma tensão lógica baixa válida quando o feixe não está obstruído.

P: O tempo de resposta está em microssegundos. Isto é suficientemente rápido para a minha aplicação?

R: Para a maioria das aplicações de contagem de objetos, sensoriamento de posição e deteção de papel, uma resposta em microssegundos é mais do que adequada. Por exemplo, para detetar um objeto movendo-se a 1 m/s através de um vão de 1mm, o tempo de interrupção é de 1ms (1000 μs), que é muito maior do que o tempo de comutação do dispositivo. Para aplicações extremamente de alta velocidade, verifique o timing necessário.

9. Caso de Uso Prático

Cenário: Deteção de Engarrafamento de Papel numa Impressora

O LTH-306-01 pode ser colocado ao longo do percurso do papel. Uma folha de papel a passar pelo vão permite que o feixe IR atinja o fototransistor, mantendo a sua saída num estado (ex.: baixo). Se ocorrer um engarrafamento, o papel para no vão, bloqueando o feixe e alterando o estado de saída (ex.: alto). Este sinal é enviado para o microcontrolador da impressora, que pode então parar a operação e alertar o utilizador. O sensoriamento sem contato garante que não há desgaste no papel ou no sensor, e o tempo de resposta rápido permite a deteção mesmo que o papel se mova rapidamente.

10. Princípio de Funcionamento

O LTH-306-01 é um sensor óptico transmissivo. Contém dois componentes principais em braços opostos de um encapsulamento em forma de U: um díodo emissor de luz infravermelha (LED IR) e um fototransistor de silício NPN. O LED IR emite luz infravermelha invisível quando polarizado diretamente com uma corrente apropriada. O fototransistor é projetado para ser sensível a este comprimento de onda IR específico. Quando nenhum objeto está presente no vão entre eles, a luz IR brilha diretamente na região da base do fototransistor. Esta luz incidente gera pares eletrão-lacuna, que atuam como corrente de base, ligando o transistor e permitindo que uma corrente de coletor significativa (I_C) flua. Quando um objeto opaco entra no vão, bloqueia o percurso da luz. O fototransistor não recebe luz (ou recebe luz muito reduzida), a corrente de base efetiva cai para quase zero, e o transistor desliga-se, reduzindo a corrente de coletor para um nível de fuga muito baixo (I_CEO). Esta mudança na corrente/tensão de saída é detetada pelo circuito externo para registar um evento de "objeto presente".

11. Tendências Tecnológicas

O campo dos componentes optoeletrónicos como os fotointerruptores continua a evoluir. As tendências gerais observáveis na indústria incluem:

• Miniaturização: Desenvolvimento de encapsulamentos ainda mais pequenos e perfis mais baixos para caber em dispositivos industriais e de consumo cada vez mais compactos.
• Integração Melhorada: Incorporação de circuitos adicionais no chip, como gatilhos de Schmitt para histerese, resistências limitadoras de corrente integradas, ou mesmo interfaces digitais (I2C), simplificando o projeto externo.
• Desempenho Aprimorado: Maior sensibilidade (permitindo correntes de acionamento do LED mais baixas para poupança de energia), tempos de resposta mais rápidos para automação de alta velocidade e melhor estabilidade térmica.
• Foco na Eficiência Energética: Designs que permitem operação pulsada com ciclos de trabalho muito baixos para minimizar o consumo médio de energia, crucial para aplicações alimentadas por bateria.
• Robustez: Melhor resistência a fatores ambientais como poeira, humidade e choque mecânico.

Estas tendências visam tornar as soluções de sensoriamento óptico mais fiáveis, mais fáceis de implementar e adequadas para uma gama mais ampla de aplicações.