Folha de Dados do Fotointerruptor LTH-301-19 - Comutação Sem Contato - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-301-19 é um dispositivo compacto de comutação sem contato, projetado para aplicações que requerem detecção confiável de objetos ou sensoriamento de posição. Ele opera com base no princípio de um diodo emissor de luz infravermelha (LED IR) emparelhado com um fototransistor. Quando um objeto interrompe o feixe de infravermelho entre o emissor e o detector, o estado de saída do fototransistor muda, fornecendo um sinal de comutação. Este dispositivo é adequado para montagem direta em PCB ou uso com soquetes de dupla linha, oferecendo uma solução rápida e confiável para diversas aplicações em eletrônica industrial e de consumo.

2. Interpretação Objetiva dos Parâmetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. O diodo IR pode suportar uma corrente direta contínua de 60 mA e uma tensão reversa de 5 V. A corrente de coletor do fototransistor é limitada a 20 mA com uma dissipação de potência de 100 mW. Para o diodo IR, uma corrente direta de pico de 1 A é permitida em condições pulsadas (largura de pulso de 10 μs, 300 pps). O dispositivo é classificado para uma faixa de temperatura de operação de -25°C a +85°C e uma faixa de armazenamento de -40°C a +100°C. A temperatura de soldagem dos terminais não deve exceder 260°C por 5 segundos quando medida a 1,6 mm do corpo.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Esta seção detalha o desempenho do dispositivo em condições típicas de operação a 25°C de temperatura ambiente.

2.2.1 Características do LED de Entrada

A tensão direta (VF) do LED IR é tipicamente 1,6V a uma corrente direta (IF) de 20mA, com um máximo de 1,6V. A corrente reversa (IR) é no máximo 100 μA a uma tensão reversa (VR) de 5V.

2.2.2 Características do Fototransistor de Saída

A tensão de ruptura coletor-emissor (V(BR)CEO) é de no mínimo 30V. A tensão de ruptura emissor-coletor (V(BR)ECO) é de no mínimo 5V. A corrente de escuro coletor-emissor (ICEO) é no máximo 100 nA a VCE=10V, indicando a corrente de fuga quando o LED está desligado.

2.2.3 Características do Acoplador

A tensão de saturação coletor-emissor (VCE(SAT)) é no máximo 0,4V quando o fototransistor é levado à saturação (IC=70μA, IF=1,4mA). A corrente de coletor no estado ligado (IC(ON)) é tipicamente 70 μA a VCE=3,3V e IF=1,4mA, e pode atingir 10 mA a VCE=5V e IF=20mA, mostrando a sensibilidade e capacidade de saída do dispositivo sob diferentes condições de acionamento.

2.2.4 Tempo de Resposta

A velocidade de comutação é caracterizada pelo tempo de subida (tr) e tempo de descida (tf). O tempo de subida típico é 3 μs (máx. 15 μs), e o tempo de descida típico é 4 μs (máx. 20 μs), medidos sob condições de teste específicas (VCE=5V, Ic=2mA, RL=100Ω). Isso define a capacidade do dispositivo para detecção de alta velocidade.

3. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

3.1 Dimensões do Encapsulamento

O dispositivo possui um encapsulamento padrão de furo passante. Todas as dimensões são especificadas em milímetros com uma tolerância padrão de ±0,25 mm, salvo indicação em contrário. O desenho dimensional exato é fornecido na folha de dados, detalhando o tamanho do corpo, espaçamento dos terminais e pegada geral para o layout da PCB.

3.2 Identificação de Polaridade

A orientação correta é crítica. A folha de dados inclui um diagrama que marca claramente o ânodo e o cátodo do LED IR e o coletor e o emissor do fototransistor. Montar o dispositivo incorretamente pode levar a mau funcionamento ou danos.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A folha de dados inclui curvas típicas de características elétricas e ópticas, traçadas a 25°C de temperatura ambiente, salvo especificação em contrário. Estes gráficos são essenciais para entender o comportamento do dispositivo além dos valores mínimos, típicos e máximos tabulados.

4.1 Características de Transferência

As curvas provavelmente mostram a relação entre a corrente direta do LED de entrada (IF) e a corrente de coletor do fototransistor de saída (IC) em várias tensões coletor-emissor (VCE). Isso ilustra a taxa de transferência de corrente (CTR), um parâmetro chave para o ganho.

4.2 Características de Saturação de Saída

Gráficos que mostram VCE(SAT) versus IC para diferentes níveis de IF ajudam os projetistas a entender os níveis de tensão de saída quando o fototransistor está totalmente ligado, o que é importante para a interface com circuitos lógicos.

4.3 Dependência da Temperatura

Embora os dados primários sejam a 25°C, as curvas características podem mostrar como parâmetros como a corrente de escuro (ICEO) e a corrente de saída variam com a temperatura, o que é crucial para projetar sistemas estáveis ao longo da faixa de operação especificada.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

5.1 Parâmetros de Soldagem

O valor máximo absoluto especifica que os terminais podem ser soldados a 260°C por no máximo 5 segundos, com a temperatura medida a 1,6 mm (0,063") da carcaça plástica. Isso é crítico para evitar danos térmicos aos componentes internos e ao encapsulamento plástico.

5.2 Manuseio e Armazenamento

O dispositivo deve ser armazenado dentro da faixa de temperatura especificada de -40°C a +100°C. Precauções padrão contra ESD (descarga eletrostática) devem ser observadas durante o manuseio e montagem para evitar danos às junções semicondutoras.

6. Sugestões de Aplicação

6.1 Cenários de Aplicação Típicos

O LTH-301-19 é ideal para sensoriamento sem contato em impressoras (detecção de papel preso, nível de toner), copiadoras, máquinas de venda automática (detecção de moedas/objetos), automação industrial (sensoriamento de posição, chaves fim de curso) e eletrônicos de consumo. Sua velocidade de comutação rápida o torna adequado para aplicações de contagem ou medição de velocidade.

6.2 Considerações de Projeto

Resistor Limitador de Corrente:Um resistor externo deve ser usado em série com o LED IR para limitar sua corrente direta (IF) a um valor seguro, tipicamente entre a condição de teste de 1,4mA e o máximo absoluto de 60mA, equilibrando brilho e longevidade.
Resistor de Carga:O valor do resistor de carga (RL) conectado ao coletor do fototransistor afeta tanto a excursão da tensão de saída quanto o tempo de resposta. Um RL menor proporciona comutação mais rápida, mas uma excursão de tensão de saída menor.
Luz Ambiente:Como um dispositivo infravermelho, ele é menos suscetível a interferências de luz ambiente visível. No entanto, para aplicações críticas, técnicas de blindagem mecânica ou modulação/demodulação podem ser empregadas para melhorar a imunidade a ruídos.
Alinhamento:O alinhamento mecânico preciso entre as fendas do emissor e do detector é necessário para um desempenho ideal e distância máxima de sensoriamento.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado a interruptores mecânicos, o LTH-301-19 oferece a vantagem chave da operação sem contato, resultando em nenhum desgaste, maior vida útil, operação silenciosa e velocidades de comutação potencialmente mais altas. Comparado a outros sensores ópticos, seu encapsulamento com fenda integrada fornece um caminho óptico embutido, simplificando o projeto mecânico e melhorando a confiabilidade do alinhamento em relação a componentes separados de emissor e detector. A tensão de saturação especificada (VCE(SAT)<0,4V) garante boa compatibilidade com circuitos lógicos de baixa tensão.

8. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é o propósito do parâmetro de corrente de escuro (ICEO)?
R: A corrente de escuro é a pequena corrente de fuga que flui através do fototransistor quando nenhuma luz do LED IR incide (ou seja, o feixe está bloqueado ou o LED está desligado). Uma corrente de escuro baixa (máx. 100 nA) é desejável, pois minimiza a corrente no "estado desligado", levando a uma distinção mais clara entre os estados ligado e desligado do interruptor.

P: Como escolho o valor do resistor limitador de corrente do LED?
R: Use a Lei de Ohm: R = (Vcc - VF) / IF. Vcc é a sua tensão de alimentação, VF é a tensão direta do LED (use 1,6V para margem de projeto) e IF é a corrente de operação desejada (por exemplo, 20mA para saída total). Certifique-se de que a dissipação de potência calculada no resistor esteja dentro de sua classificação.

P: Este sensor pode ser usado ao ar livre?
R: A faixa de temperatura de operação é de -25°C a +85°C, o que cobre muitos ambientes. No entanto, a luz solar direta contém forte radiação infravermelha que poderia saturar o sensor. A vedação ambiental contra poeira e umidade não faz parte da especificação do encapsulamento e precisaria ser considerada separadamente.

P: O que afeta a distância ou o vão de sensoriamento?
R: O vão de sensoriamento é influenciado pela corrente de acionamento do LED (IF), pela sensibilidade do fototransistor, pelo alinhamento e pela opacidade do objeto que interrompe o feixe. A folha de dados não especifica um vão máximo; ele deve ser determinado empiricamente para um objeto específico e a margem de sinal necessária.

9. Caso de Uso Prático

Caso: Detecção de Papel em uma Impressora de Mesa.O LTH-301-19 pode ser montado de forma que o caminho do papel passe por sua fenda. Um pino GPIO de um microcontrolador, configurado com um resistor de pull-up, monitora o coletor do fototransistor. Quando não há papel, o feixe IR atinge o detector, ligando o fototransistor e puxando a tensão do coletor para baixo (próxima a VCE(SAT)). Quando o papel entra na fenda, ele bloqueia o feixe, desligando o fototransistor, permitindo que o resistor de pull-up puxe a tensão do coletor para alta, até Vcc. O microcontrolador detecta essa transição de tensão para confirmar a presença de papel ou acionar um alerta de falta de papel. O tempo de resposta rápido garante a detecção mesmo para papel em movimento rápido.

10. Introdução ao Princípio de Funcionamento

O LTH-301-19 é um sensor óptico do tipo transmissão, alojado em um encapsulamento plástico em forma de U. De um lado, um diodo emissor de luz infravermelha (LED IR) emite luz em um comprimento de onda tipicamente em torno de 940nm. Diretamente oposto, do outro lado da fenda, um fototransistor de silício NPN atua como receptor. O fototransistor é projetado de forma que a luz incidente em sua região de base gere pares elétron-lacuna, que atuam como corrente de base, controlando assim uma corrente coletor-emissor muito maior. Quando um objeto não está presente na fenda, a luz do LED IR atinge o fototransistor, fazendo-o conduzir (estado LIGADO). Quando um objeto entra na fenda, ele obstrui o caminho da luz, reduzindo drasticamente a luz no fototransistor, fazendo-o parar de conduzir (estado DESLIGADO). Essa mudança na corrente/tensão de saída é usada como um sinal de comutação.

11. Tendências Tecnológicas

Fotointerruptores como o LTH-301-19 representam uma tecnologia madura e confiável. As tendências atuais no campo incluem a miniaturização do encapsulamento para montagem em PCB de maior densidade, o desenvolvimento de versões de dispositivo de montagem em superfície (SMD) para facilitar a montagem automatizada e a integração de circuitos adicionais, como gatilhos Schmitt ou amplificadores, dentro do encapsulamento para fornecer um sinal digital limpo e melhorar a imunidade a ruídos. Há também um foco na redução do consumo de energia, especialmente para aplicações alimentadas por bateria, otimizando a eficiência do LED e a sensibilidade do fototransistor. Além disso, algumas variantes avançadas incorporam múltiplos emissores ou detectores em um único encapsulamento para sensoriamento de posição codificado ou para fornecer redundância.