Folha de Dados do Fotointerruptor LTH-209-01 - Sensor Refletivo de Objetos - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-209-01 é um módulo fotointerruptor do tipo refletivo projetado para aplicações de comutação sem contato. Este dispositivo optoeletrónico integra um díodo emissor de infravermelhos (IRED) e um fototransistor num único encapsulamento compacto. A sua função principal é detetar a presença ou ausência de um objeto refletor colocado dentro do seu intervalo de deteção. O módulo é concebido para montagem direta em placas de circuito impresso (PCBs) ou para uso com soquetes de dupla linha, oferecendo flexibilidade na integração do sistema. As suas principais vantagens incluem a operação sem contato, que elimina o desgaste mecânico e garante fiabilidade a longo prazo, e velocidades de comutação rápidas adequadas para várias tarefas de deteção e contagem. O mercado-alvo inclui equipamentos de automação, eletrónica de consumo, sistemas de segurança e controlos industriais onde é necessária deteção de objetos precisa e fiável.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

Operar o dispositivo além destes limites pode causar danos permanentes. Os parâmetros-chave incluem:

• Corrente Contínua Direta do Díodo IR (I_F):Máximo de 50 mA. Este valor define o limite superior para a corrente DC que pode passar continuamente através do LED IR.
• Tensão Reversa do Díodo IR (V_R):Máximo de 5 V. Exceder esta tensão de polarização reversa pode danificar a junção do LED.
• Corrente do Coletor do Fototransistor (I_C):Máximo de 20 mA. Esta é a corrente contínua máxima que o transistor de saída pode drenar.
• Tensão Coletor-Emissor do Fototransistor (V_CEO):Máximo de 30 V. Esta é a tensão máxima que pode ser aplicada entre os terminais do coletor e do emissor do fototransistor.
• Intervalo de Temperatura de Operação:-35°C a +65°C. O dispositivo tem o seu funcionamento garantido dentro das especificações neste intervalo de temperatura ambiente.
• Temperatura de Soldagem dos Terminais:260°C durante 5 segundos a uma distância de 1,6mm do encapsulamento. Isto é crítico para processos de soldagem por onda ou por refluxo.

Nota sobre Redução de Potência (Derating):A dissipação de potência máxima tanto para o díodo IR (75 mW) como para o fototransistor (100 mW) deve ser reduzida linearmente a uma taxa de 1,33 mW/°C para temperaturas ambientes acima de 25°C. Isto é essencial para a gestão térmica e fiabilidade a longo prazo.

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.

2.2.1 Características do Diodo IR de Entrada

• Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1,2V a 1,6V a uma corrente direta (I_F) de 20 mA. Este parâmetro é crucial para projetar o circuito de acionamento limitador de corrente para o LED.
• Corrente Reversa (I_R):Máximo de 100 µA a uma tensão reversa (V_R) de 5V. Uma corrente reversa baixa indica uma boa qualidade da junção.

2.2.2 Características do Fototransistor de Saída

• Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO):Mínimo de 30V a I_C=1mA. Esta alta tensão de ruptura permite o uso de tensões de pull-up mais elevadas no circuito de saída.
• Corrente de Escuridão Coletor-Emissor (I_CEO):Máximo de 100 nA a V_CE=10V. Esta é a corrente de fuga quando o díodo IR está desligado (sem iluminação). Uma corrente de escuridão baixa é essencial para uma boa relação sinal-ruído, especialmente em aplicações de baixa luz ou alto ganho.

2.2.3 Características do Acoplador (Sistema)

Estes parâmetros descrevem o desempenho do sistema de sensor completo (LED IR + fototransistor).

• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)):Máximo de 0,4V a I_C=0,08mA e I_F=20mA. Esta baixa tensão de saturação indica que o fototransistor pode atuar como um interruptor eficiente, puxando a saída para perto do terra quando ativado.
• Corrente do Coletor em Estado Ligado (I_C(ON)):Mínimo de 0,16 mA a V_CE=5V e I_F=20mA.Condição de Teste:Este parâmetro crítico é medido com uma superfície refletora padrão (papel branco com 90% de refletância difusa) colocada a 3,81 mm (0,15 polegadas) da face do sensor. Esta distância e superfície padronizadas definem o "intervalo de deteção" e a "refletividade mínima detetável" para o desempenho especificado do dispositivo.

3. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

3.1 Dimensões do Encapsulamento

O LTH-209-01 vem num encapsulamento padrão do tipo DIP (Dual In-line Package) de 4 pinos. Todas as dimensões são fornecidas em milímetros com uma tolerância padrão de ±0,25mm, salvo indicação em contrário no desenho dimensional. O encapsulamento é projetado para montagem em PCB com furos passantes. O desenho dimensional exato, incluindo comprimento, largura, altura do corpo, espaçamento dos pinos e diâmetro dos pinos, é essencial para o design da pegada na PCB e integração mecânica no invólucro do produto final.

3.2 Pinagem e Identificação de Polaridade

O dispositivo tem quatro pinos. Tipicamente, dois pinos são para o ânodo e cátodo do díodo emissor IR, e os outros dois são para o coletor e emissor do fototransistor NPN. A identificação correta é vital para evitar danos. O diagrama de pinagem da folha de dados deve ser consultado. O encapsulamento geralmente inclui um entalhe, ponto ou borda chanfrada para indicar o pino 1. O díodo IR é sensível à polaridade, e o coletor e emissor do fototransistor devem ser conectados corretamente para uma operação de comutação adequada.

4. Diretrizes de Soldagem e Montagem

Soldagem Manual:Utilize um ferro de soldar com controlo de temperatura. O valor máximo absoluto especifica que os terminais podem ser sujeitos a 260°C durante 5 segundos quando medidos a 1,6mm do encapsulamento plástico. Recomenda-se usar a temperatura mais baixa e o tempo mais curto possível para fazer uma junta de solda fiável, minimizando o stress térmico nos componentes internos e no invólucro plástico.

Soldagem por Onda:Possível, mas o mesmo perfil de temperatura/tempo (260°C durante 5 seg a 1,6mm do encapsulamento) deve ser rigorosamente respeitado. Recomenda-se pré-aquecimento para reduzir o choque térmico.

Limpeza:Se for necessária limpeza após a soldagem, utilize métodos e solventes compatíveis com o material plástico do dispositivo para evitar fissuras ou embaciamento da janela óptica.

Condições de Armazenamento:Armazene num ambiente dentro do intervalo de temperatura de armazenamento especificado de -40°C a +100°C. É aconselhável manter os dispositivos nas suas embalagens originais de barreira à humidade até à utilização para evitar contaminação das superfícies ópticas.

5. Sugestões de Aplicação

5.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A configuração de circuito mais comum utiliza o LTH-209-01 como um interruptor digital. O díodo IR é acionado com uma fonte de corrente constante ou um resistor limitador de corrente a partir de uma fonte de tensão (ex.: 5V). Uma I_Ftípica de 20mA é usada de acordo com as condições de teste. O fototransistor é conectado numa configuração de emissor comum: o coletor é conectado à tensão de alimentação (V_CC, até 30V) através de um resistor de pull-up (R_L), e o emissor é conectado ao terra. O sinal de saída é retirado do nó do coletor. Quando nenhum objeto refletor está presente, o fototransistor está desligado (saída alta). Quando um objeto refletor entra no intervalo de deteção, a luz IR reflete no fototransistor, ligando-o e puxando a saída para baixo.

5.2 Considerações de Projeto e Melhores Práticas

• Seleção do Resistor de Pull-up (R_L):O valor de R_Ldetermina a corrente de saída e a amplitude da tensão. Deve ser escolhido com base na I_C(ON)necessária e nas características de entrada da carga (ex.: um GPIO de microcontrolador). Um R_Lmenor proporciona comutação mais rápida e melhor imunidade ao ruído, mas consome mais potência. Certifique-se de que I_Cnão excede 20mA: R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20mA.
• Minimização do Ruído Elétrico:Coloque um capacitor de desacoplamento (ex.: 0,1µF) próximo aos pinos de alimentação do dispositivo. Mantenha os traços de sinal curtos, especialmente a linha de saída do fototransistor, para reduzir a suscetibilidade a interferências eletromagnéticas (EMI).
• Considerações Ópticas:O desempenho de deteção depende da refletividade, cor e distância do objeto alvo. A I_C(ON)especificada é para uma superfície branca com 90% de refletância a 3,81mm. Objetos mais escuros ou mais distantes produzirão um sinal de saída menor. Para uma operação consistente, projete o limiar de deteção do sistema (ex.: tensão de referência do comparador) em conformidade. Evite que fontes de luz ambiente (especialmente luz solar ou lâmpadas incandescentes ricas em IR) brilhem diretamente na abertura do sensor, pois isso pode causar ativação falsa. Um sinal IR modulado e deteção síncrona podem ser usados em ambientes com muita luz ambiente.
• Alinhamento Mecânico:Certifique-se de que o percurso do objeto alvo é consistente e passa dentro do intervalo de deteção ótimo (em torno dos 3,81mm especificados) para uma deteção fiável.

6. Comparação e Diferenciação Técnica

O LTH-209-01, como um fotointerruptor refletivo, difere de outros tipos de optossensores:

• vs. Fotointerruptores Transmissivos (Optoacopladores Ranhurados):Os tipos transmissivos têm um intervalo físico entre o emissor e o detetor; um objeto é detetado quando bloqueia o caminho da luz. Os tipos refletivos como o LTH-209-01 detetam um objeto quando este reflete a luz de volta. Os sensores refletivos são frequentemente mais simples de montar, pois requerem acesso apenas de um lado, mas o seu desempenho depende mais das propriedades da superfície do objeto.
• vs. Sensores Fotológicos:Alguns fotointerruptores incluem circuitos lógicos integrados (gatilho de Schmitt, amplificador) para fornecer uma saída digital limpa. O LTH-209-01 fornece uma saída analógica simples de fototransistor, oferecendo mais flexibilidade, mas exigindo circuitos externos (como um comparador) para criar um sinal digital robusto em ambientes ruidosos.
• Vantagens-Chave deste Modelo:A combinação de uma tensão de ruptura coletor-emissor relativamente alta (30V), baixa tensão de saturação e uma condição de teste padronizada para sensibilidade proporciona um bom equilíbrio para aplicações gerais de deteção refletiva.

7. Perguntas Frequentes (FAQs)

P1: Qual é a distância ideal para detetar um objeto?

R1: A folha de dados especifica a Corrente em Estado Ligado (I_C(ON)) com o alvo a 3,81mm (0,15"). Esta é a distância de teste padronizada. A distância ideal real depende da refletividade do alvo. Para um alvo altamente refletor, a deteção pode funcionar a distâncias ligeiramente maiores. Para um projeto fiável, use 3,81mm como o ponto de operação nominal.

P2: Posso acionar o LED IR diretamente com uma fonte de tensão?

R2: Não. Um LED IR, como todos os díodos, deve ser acionado por corrente. Conectá-lo diretamente a uma fonte de tensão causará um fluxo de corrente excessivo, potencialmente destruindo o dispositivo. Use sempre um resistor limitador de corrente em série. Calcule o valor do resistor como R = (V_fonte- V_F) / I_F. Para uma fonte de 5V, V_F=1,4V, e I_F=20mA: R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ohms.

P3: Porque é que o meu sinal de saída é instável ou ruidoso?

R3: As causas comuns incluem: 1) Valor insuficiente do resistor de pull-up, levando a um tempo de subida lento, 2) Captação de ruído elétrico em traços de saída longos (use um capacitor de desacoplamento e traçado mais curto), 3) Interferência de luz IR ambiente (proteja o sensor ou use modulação), 4) O objeto alvo tem refletividade variável ou está a uma distância inconsistente.

P4: O que significa a nota "Reduzir Linearmente 1,33 mW/°C"?

R4: Esta é uma regra de redução térmica (derating). A dissipação de potência máxima permitida (75 mW para o díodo, 100 mW para o transistor) é especificada a 25°C. Para cada grau Celsius que a temperatura ambiente aumenta acima de 25°C, deve reduzir a potência máxima permitida em 1,33 mW. Por exemplo, a 65°C (40°C acima de 25°C), a potência máxima reduzida para o transistor é 100 mW - (40 * 1,33 mW) = 100 - 53,2 = 46,8 mW.

8. Estudo de Caso de Aplicação Prática

Cenário: Deteção de Papel numa Impressora.

O LTH-209-01 pode ser usado para detetar a borda principal do papel à medida que este avança através do mecanismo de uma impressora. O sensor é montado na placa principal com a sua face de deteção orientada para o percurso do papel. Uma faixa refletora ou o próprio papel (se suficientemente refletor) atua como alvo. Quando não há papel presente, a saída está alta. Quando a borda do papel passa sob o sensor, a luz IR refletida ativa o fototransistor, puxando a saída para baixo. Este sinal digital informa o microcontrolador da impressora sobre a posição do papel, permitindo-lhe controlar com precisão o momento da impressão. Os pontos-chave de design aqui incluem escolher um resistor de pull-up para interfacear de forma limpa com a lógica de 3,3V ou 5V do MCU, garantir que o percurso do papel seja mecanicamente estável para manter o intervalo de deteção correto e possivelmente adicionar um filtro RC simples na saída para eliminar o ruído de contacto (debounce) causado pela textura do papel.

9. Princípio de Funcionamento

O LTH-209-01 opera com base no princípio da reflexão de luz modulada e conversão fotovoltaica. Internamente, um díodo emissor de luz infravermelha (IRED) emite luz num comprimento de onda tipicamente em torno de 940nm, que é invisível ao olho humano. Esta luz projeta-se para fora da frente do dispositivo. Quando um objeto suficientemente refletor entra no campo de visão e está dentro do alcance efetivo, uma porção da radiação IR emitida reflete na superfície do objeto e volta para o dispositivo. Um fototransistor de silício NPN, posicionado adjacente ao IRED dentro do mesmo encapsulamento, recebe esta luz refletida. Os fotões incidentes na região da base do fototransistor geram pares eletrão-lacuna, criando efetivamente uma corrente de base. Esta corrente de base fotogerada é amplificada pelo ganho do transistor, resultando numa corrente de coletor muito maior que pode ser medida externamente. Esta mudança na corrente do coletor (de uma corrente de escuridão muito baixa para a I_C(ON)especificada) é o mecanismo fundamental de deteção. O dispositivo converte assim um evento óptico (a presença de um objeto refletor) num sinal elétrico.

10. Tendências e Contexto da Indústria

Fotointerruptores refletivos como o LTH-209-01 representam uma tecnologia madura e fiável dentro do mercado mais amplo de sensores optoeletrónicos. A tendência geral neste campo é a miniaturização, maior integração e funcionalidade aprimorada. Dispositivos mais recentes podem apresentar encapsulamentos de montagem em superfície (SMD) para montagem automatizada, menor consumo de energia e circuitos integrados de condicionamento de sinal incorporados que fornecem saídas digitais (I2C, PWM) ou saídas analógicas com linearidade melhorada. Há também uma tendência para o uso de comprimentos de onda específicos ou a incorporação de filtros ópticos para melhorar a imunidade à luz ambiente. Além disso, o desenvolvimento de materiais e técnicas de encapsulamento continua a melhorar o intervalo de temperatura, resistência à humidade e estabilidade a longo prazo destes componentes. Embora existam alternativas avançadas, o sensor refletivo de saída de fototransistor discreto e com furos passantes permanece uma solução económica e altamente versátil para inúmeras aplicações de deteção sem contato onde simplicidade, robustez e desempenho comprovado são primordiais.