Ficha Técnica do Fotointerruptor LTH-306-09S - Substituição de Interruptor Mecânico - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-306-09S é um fotointerruptor, um tipo de dispositivo optoeletrónico concebido para detetar a interrupção de um feixe de luz. Serve como um substituto direto e de estado sólido para interruptores mecânicos tradicionais em diversas aplicações de sensoriamento. A vantagem central reside na sua operação sem contacto, que elimina problemas relacionados com desgaste mecânico, "bounce" de contacto e degradação física ao longo do tempo. Isto torna-o altamente fiável para aplicações que requerem atuação frequente ou operação em ambientes onde poeira, humidade ou vibração poderiam comprometer os contactos mecânicos. O dispositivo é adequado para um mercado amplo, incluindo automação industrial (sensoriamento de posição, fim-de-curso), eletrónica de consumo (deteção de papel em impressoras, sensoriamento de bandeja de disco) e sistemas de segurança (deteção de intertravamento de portas).

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. A operação nestas condições não é garantida.

• LED de Entrada:
  • Dissipação de Potência:75 mW. Esta é a potência contínua máxima que o LED pode suportar à temperatura ambiente especificada.
  • Corrente Direta de Pico:1 A (em condições pulsadas: 300 pps, largura de pulso de 10 μs). Esta especificação é crucial para excitar o LED com pulsos curtos e de alta intensidade.
  • Corrente Direta Contínua:50 mA. A corrente DC máxima para operação confiável a longo prazo.
  • Tensão Reversa:5 V. Exceder este valor pode danificar a junção do LED.
• Fototransístor de Saída:
  • Dissipação de Potência:100 mW.
  • Tensão Coletor-Emissor (V_CE):30 V. A tensão máxima que pode ser aplicada entre o coletor e o emissor.
  • Tensão Emissor-Coletor:5 V.
  • Corrente de Coletor:20 mA. A corrente máxima que a saída do fototransístor pode drenar.
• Ambientais:
  • Gama de Temperatura de Operação:-25°C a +85°C. A gama de temperatura ambiente para o funcionamento normal do dispositivo.
  • Gama de Temperatura de Armazenamento:-40°C a +100°C.
  • Temperatura de Soldagem dos Terminais:260°C durante 5 segundos (para terminais a 1.6mm do encapsulamento). Isto define a restrição do perfil de soldagem por refluxo.

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.

• Características do LED de Entrada:
  • 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 do resistor limitador de corrente necessário: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • Corrente Reversa (I_R):Máximo 100 μA a uma tensão reversa de 5V.
• Características do Fototransístor de Saída:
  • 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). Um valor baixo é desejável para uma boa relação sinal-ruído.
  • Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)):Tipicamente 0.4V a I_C=0.25mA e I_F=20mA. Esta é a queda de tensão no fototransístor quando ele está completamente "ligado".
  • Corrente de Coletor em Estado Ligado (I_C(ON)):Mínimo 0.5 mA a V_CE=5V e I_F=20mA. Isto especifica a corrente de saída mínima quando o caminho da luz está desobstruído.
• Característica do Acoplador:
  • Ângulo de Ação:8° a 14°. Este é um parâmetro crítico que define o deslocamento angular do objeto interrompedor (ex.: um braço de alavanca) necessário para comutar de forma confiável o estado de saída. Um ângulo menor indica maior sensibilidade ao movimento.

3. Análise de Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia curvas típicas de características elétricas/ópticas. Embora os gráficos específicos não sejam fornecidos no texto, o seu propósito padrão é analisado abaixo.

• Corrente Direta vs. Tensão Direta (Curva I_F-V_F):Este gráfico mostra a relação não linear entre a corrente e a tensão do LED. Ajuda os projetistas a compreender a resistência dinâmica do LED e a garantir uma excitação de corrente estável.
• Corrente de Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor (Curvas I_C-V_CE):Estas curvas, traçadas para diferentes correntes de excitação do LED (I_F), ilustram as características de saída do fototransístor. Elas mostram a região de saturação (onde I_Cé relativamente constante) e a região linear/ativa, que é importante para aplicações de sensoriamento analógico.
• Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta:CTR é a relação entre a corrente de coletor do fototransístor (I_C) e a corrente direta do LED (I_F), tipicamente expressa como uma percentagem. Esta curva mostra como a eficiência muda com a corrente de excitação e é fundamental para otimizar o circuito de excitação para o balanço de saída desejado.
• Curvas de Dependência da Temperatura:Gráficos que mostram como parâmetros como V_F, I_C(ON)e a corrente de escuridão variam com a temperatura ambiente são essenciais para projetar sistemas robustos que operam em toda a gama de temperatura especificada.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

A ficha técnica inclui um desenho das dimensões do encapsulamento (não reproduzido aqui). Considerações mecânicas-chave incluem:

• Dimensões do Entalhe:O espaço crítico através do qual o objeto interrompedor passa. A sua largura e profundidade determinam a compatibilidade com o objeto alvo.
• Espaçamento e Forma dos Terminais:O layout dos pinos (provavelmente uma configuração padrão de 4 pinos: ânodo, cátodo para o LED; coletor, emissor para o fototransístor) e o seu espaçamento são vitais para o design da pegada na PCB.
• Tamanho Geral do Encapsulamento:O comprimento, largura e altura externos condicionam a colocação do dispositivo dentro de uma montagem.
• Identificação de Polaridade:O encapsulamento terá marcações (como um ponto ou uma borda chanfrada) para identificar o Pino 1, que deve estar corretamente alinhado com a pegada na PCB.
• Braços de Alavanca Personalizados:Uma característica notável é a capacidade de projetar braços de alavanca personalizados que se fixam ao objeto interrompedor, permitindo que o sensor seja adaptado para movimentos mecânicos específicos e aumentando a sua flexibilidade de aplicação.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O manuseamento adequado é crucial para a fiabilidade.

• Soldagem por Refluxo:O limite especificado é de 260°C durante 5 segundos, medido a 1.6mm do corpo do encapsulamento. Isto está alinhado com perfis típicos de refluxo sem chumbo. Os projetistas devem garantir que o perfil térmico do seu forno de refluxo não exceda este limite para evitar danos na resina epóxi interna ou nas junções semicondutoras.
• Soldagem Manual:Se for necessária soldagem manual, deve ser usado um ferro de soldar com controlo de temperatura, e o tempo de soldagem por terminal deve ser minimizado (tipicamente < 3 segundos).
• Limpeza:Utilize agentes de limpeza apropriados e não corrosivos, compatíveis com o encapsulamento plástico do dispositivo.
• Condições de Armazenamento:Armazene num ambiente seco e antiestático, dentro da gama especificada de -40°C a +100°C, para evitar absorção de humidade (que pode causar "popcorning" durante o refluxo) e danos por descarga eletrostática (ESD).

6. Sugestões de Aplicação e Considerações de Projeto

6.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A configuração mais comum é a de um interruptor digital. O LED é excitado com uma corrente constante (ex.: 20mA através de um resistor em série). O coletor do fototransístor é conectado a um resistor de pull-up (R_pull-up) para a tensão de alimentação lógica (ex.: 5V), e o emissor é ligado à terra. O sinal de saída é retirado do nó do coletor.

• Feixe Não Interrompido (Objeto Ausente):A luz incide na base do fototransístor, fazendo-o conduzir. A tensão do coletor é puxada para baixo (próxima de V_CE(SAT)).
• Feixe Interrompido (Objeto Presente):O fototransístor desliga. O resistor de pull-up puxa a tensão do coletor para alta (para a tensão de alimentação).

O valor de R_pull-upé um compromisso: um valor mais baixo proporciona tempos de subida mais rápidos e melhor imunidade ao ruído, mas drena mais corrente quando a saída está em baixo. Deve ser escolhido com base na velocidade de comutação necessária e nas características de entrada do estágio lógico seguinte.

6.2 Considerações de Projeto

• Seleção da Corrente do LED:Operar nos típicos 20mA fornece uma boa corrente de saída. Correntes mais baixas poupam energia mas reduzem I_C(ON)e a margem de ruído. Não exceda a especificação de corrente direta contínua.
• Imunidade à Luz Ambiente:O dispositivo é sensível ao comprimento de onda específico do seu LED interno. No entanto, em ambientes com luz ambiente forte (especialmente luz solar contendo IR), um sinal de excitação do LED modulado (pulsado) com deteção síncrona no circuito recetor pode melhorar muito a imunidade.
• Tempo de Resposta:A velocidade de comutação (tempo de subida/descida) é limitada pela capacitância do fototransístor e pelo valor do resistor de pull-up. Para aplicações de alta velocidade, consulte gráficos específicos de características dinâmicas, se disponíveis.
• Características do Objeto:A opacidade, espessura e cor do objeto interrompedor afetam a quantidade de luz bloqueada. Para uma operação confiável, o objeto deve ser suficientemente opaco para reduzir a corrente do fototransístor abaixo do seu limiar para o estado "desligado".
• Alinhamento:O alinhamento mecânico preciso do objeto dentro do entalhe do sensor é necessário para uma operação consistente, especialmente dado o ângulo de ação definido.

7. Comparação Técnica e Vantagens

Comparado com micro-interruptores mecânicos, o fotointerruptor LTH-306-09S oferece várias vantagens-chave:

• Longevidade e Fiabilidade:Sem contactos móveis para desgastar, arcar ou oxidar. A vida útil é tipicamente ordens de magnitude maior.
• Operação de Alta Velocidade:Pode comutar muito mais rápido do que interruptores mecânicos, que são limitados pelo "bounce" de contacto e inércia mecânica.
• Desempenho Consistente:A resistência de contacto não é um fator. As características de saída permanecem estáveis ao longo do tempo.
• Vedação Ambiental:O encapsulamento plástico pode ser mais facilmente selado contra poeira e humidade em comparação com um interruptor mecânico com um atuador externo.
• Operação Silenciosa:Completamente silencioso, ao contrário do clique audível de um interruptor mecânico.

O compromisso é a necessidade de eletrónica de suporte (uma fonte de corrente para o LED e um resistor de pull-up) e a potencial sensibilidade a luz ambiente extrema ou contaminação do caminho óptico.

8. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

• P: Posso excitar o LED diretamente a partir de um pino de um microcontrolador de 5V?R: Não. Deve usar um resistor limitador de corrente. Por exemplo, com V_CC=5V, V_F~1.4V, e I_Fdesejada=20mA: R = (5V - 1.4V) / 0.02A = 180Ω. Um resistor de 180Ω ou 220Ω é típico.
• P: O que significa o "Ângulo de Ação" de 8-14 graus para o meu projeto?R: Significa que a alavanca física ou aba que interrompe o feixe deve rodar ou mover-se pelo menos 8 graus (e tipicamente até 14 graus) à medida que passa pelo entalhe para garantir uma comutação confiável do estado "ligado" para o "desligado". O seu projeto mecânico deve garantir este deslocamento angular.
• P: A corrente de coletor de saída (I_C(ON)) é apenas 0.5mA mín. Isso é suficiente para excitar uma entrada lógica?R: Sim, para entradas lógicas CMOS ou TTL padrão, que têm impedância de entrada muito alta (requerendo apenas microamperes), uma capacidade de drenagem de 0.5mA é mais do que suficiente. O nível de tensão (baixo = ~0.4V) é o parâmetro crítico.
• P: Como protejo o dispositivo de picos de tensão nas linhas de alimentação?R: Use condensadores de desacoplamento padrão ao nível da placa (ex.: 100nF cerâmico) próximos do dispositivo. Para ambientes agressivos, podem ser considerados diodos adicionais de supressão de tensão transitória (TVS) no barramento de alimentação.

9. Exemplos Práticos de Aplicação

• Deteção de Papel em Impressora:Uma aba ligada à alavanca da bandeja de papel roda através do entalhe do fotointerruptor. Quando há papel, a aba está numa posição (feixe não interrompido); quando vazia, move-se para a outra posição (feixe interrompido), sinalizando ao sistema de controlo.
• Contagem de Objetos em Correia Transportadora Industrial:Objetos na correia passam por um portão equipado com um fotointerruptor. Cada objeto quebra o feixe, gerando um pulso que é contado por um CLP ou microcontrolador.
• Intertravamento de Segurança de Porta:O fotointerruptor é montado na estrutura da porta, e uma lingueta é montada na porta. Quando a porta está corretamente fechada, a lingueta entra no entalhe, permitindo a passagem do feixe e sinalizando uma condição "segura". Se a porta estiver aberta, o feixe é bloqueado, sinalizando uma condição "insegura" que pode desativar a maquinaria.
• Sensoriamento de Disco de Encoder Rotativo:Um disco ranhurado ligado ao eixo de um motor roda entre o emissor e o detetor. A série de pulsos de luz gerados à medida que as ranhuras passam é usada para determinar velocidade e posição.

10. Princípio de Funcionamento

Um fotointerruptor é um optoacoplador com um espaço físico entre o seu emissor e detetor. Consiste num Diodo Emissor de Luz (LED) infravermelho de um lado e num Fototransístor de silício do lado oposto, alinhados através de um entalhe aberto. Quando uma corrente elétrica é aplicada ao LED, este emite luz infravermelha. Esta luz viaja através do espaço e atinge a região da base do fototransístor. Os fotões geram pares eletrão-lacuna na base, atuando efetivamente como uma corrente de base. Esta corrente fotogerada é então amplificada pelo ganho do transístor, permitindo que uma corrente de coletor muito maior flua. Quando um objeto opaco entra no entalhe, bloqueia o caminho da luz. A corrente de base fotogerada cessa, desligando o fototransístor e parando a corrente de coletor. Assim, a presença ou ausência de um objeto no entalhe controla digitalmente a condutividade do fototransístor de saída.

11. Tendências Tecnológicas

A tecnologia fundamental dos fotointerruptores é madura. As tendências atuais focam-se na integração e miniaturização. Os dispositivos estão a tornar-se mais pequenos em tamanho de encapsulamento (tipos SMD) mantendo ou melhorando o desempenho. Há também uma tendência para integrar circuitos adicionais no chip, como gatilhos de Schmitt para histerese (para fornecer comutação digital limpa sem componentes externos), amplificadores para saída analógica, ou mesmo interfaces digitais completas (I2C). Isto reduz a contagem de componentes externos e simplifica o projeto. Além disso, dispositivos com maior sensibilidade permitem operar com correntes de LED mais baixas, reduzindo o consumo geral de energia do sistema, o que é crítico para aplicações alimentadas por bateria. O desenvolvimento de materiais para o caminho óptico (lentes, filtros) também continua a melhorar a rejeição de luz ambiente e a precisão de sensoriamento.