Folha de Dados do Fotointerruptor LTH-301-05 - Comutação Sem Contato - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-301-05 é um fotointerruptor refletivo, um tipo de componente optoeletrónico que combina um díodo emissor de luz infravermelha (LED IR) e um fototransistor num único pacote compacto. A sua função principal é detetar a presença ou ausência de um objeto sem contacto físico, funcionando como um interruptor sem contacto. A vantagem central deste dispositivo reside na sua fiabilidade e longevidade, uma vez que elimina o desgaste mecânico associado aos interruptores tradicionais. Foi concebido para montagem direta em PCB (Placa de Circuito Impresso) ou para uso com uma base DIL (Dual-In-Line), oferecendo flexibilidade na montagem. A sua velocidade de comutação rápida torna-o adequado para aplicações que requerem deteção rápida, como em impressoras, fotocopiadoras, máquinas de venda automática e equipamentos de automação industrial onde é necessária deteção de posição, contagem de objetos ou deteção de bordas.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Não são para operação contínua. Os parâmetros-chave incluem:

• Corrente Contínua Direta do Díodo IR (I_F): 60 mA. Esta é a corrente máxima em regime permanente que pode fluir através do LED.
• Corrente de Pico Direta do Díodo IR: 1 A (para pulsos de 10 μs de largura a 300 pulsos por segundo). Isto permite pulsos breves e de alta intensidade para uma deteção de sinal melhorada.
• Corrente do Coletor do Fototransistor (I_C): 20 mA. A corrente máxima que o transistor de saída pode suportar.
• Tensão Coletor-Emissor do Fototransistor (V_CEO): 30 V. A tensão máxima que pode ser aplicada entre o coletor e o emissor do fototransistor.
• Gama de Temperatura de Operação: -25°C a +85°C. Esta define 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 corpo. Isto é crítico para a montagem, de modo a prevenir danos térmicos.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes parâmetros são medidos a uma temperatura ambiente (T_A) de 25°C e definem o desempenho típico do dispositivo.

2.2.1 Características da Entrada (LED IR)

• Tensão Direta (V_F): Tipicamente 1,2V a 1,6V a uma corrente direta (I_F) de 20 mA. Esta é a queda de tensão no LED quando este está iluminado.
• Corrente Inversa (I_R): Máximo 100 μA a uma tensão inversa (V_R) de 5V. Isto indica a pequena corrente de fuga quando o LED está polarizado inversamente.

2.2.2 Características da Saída (Fototransistor)

• Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO): Mínimo 30V. A tensão à qual o transistor entra em ruptura quando a base está aberta.
• Corrente de Escuridão Coletor-Emissor (I_CEO): Máximo 100 nA a V_CE=10V. Esta é a corrente de fuga do fototransistor quando nenhuma luz incide (ou seja, a corrente do estado "desligado"). Um valor baixo é desejável para um bom contraste entre os estados ligado e desligado.

2.2.3 Características do Acoplador (Combinadas)

Estes parâmetros descrevem o comportamento do LED e do fototransistor a trabalhar em conjunto.

• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)): Máximo 0,4V quando o fototransistor está totalmente ligado (I_C=0,25mA, I_F=20mA). Uma baixa tensão de saturação é boa para a interface com lógica digital.
• Corrente do Coletor no Estado Ligado (I_C(ON)): Mínimo 0,5 mA quando o LED é acionado (I_F=20mA) e V_CE=5V. Esta é a fotocorrente gerada, que determina a força do sinal de saída.
• Tempo de Resposta: Este define a rapidez com que a saída reage a uma mudança na luz de entrada.
  • Tempo de Subida (t_r): Tipicamente 3 μs, máximo 15 μs. O tempo para a corrente de saída subir de 10% para 90% do seu valor final quando o LED é ligado.
  • Tempo de Descida (t_f): Tipicamente 4 μs, máximo 20 μs. O tempo para a corrente de saída descer de 90% para 10% do seu valor inicial quando o LED é desligado.

3. Informações Mecânicas e de Embalagem

3.1 Dimensões do Pacote

O dispositivo apresenta um pacote padrão de orifício passante com quatro terminais. As dimensões exatas são fornecidas nos desenhos da folha de dados. Notas importantes incluem:

• Todas as dimensões estão em milímetros, com polegadas entre parênteses.
• A tolerância padrão é de ±0,25mm (±0,010") a menos que uma nota específica indique o contrário.
• O pacote foi concebido para estabilidade durante os processos de soldagem por onda ou soldagem manual.

3.2 Identificação da Polaridade

A orientação correta é crucial. O diagrama da folha de dados indica claramente os pinos do ânodo e do cátodo para o LED IR e os pinos do coletor e do emissor para o fototransistor. Montar o dispositivo incorretamente pode levar a não funcionamento ou dano permanente.

4. Diretrizes de Soldagem e Montagem

Uma manipulação adequada garante a fiabilidade e longevidade do dispositivo.

• Soldagem: Os terminais podem ser soldados a uma temperatura máxima de 260°C, mas este calor só deve ser aplicado durante um máximo de 5 segundos. É crítico manter a distância especificada (1,6mm / 0,063") do corpo de plástico para evitar derretimento ou deformação do pacote.
• Limpeza: Utilize solventes apropriados compatíveis com o material plástico do dispositivo. Evite a limpeza ultrassónica com certas frequências que possam causar tensão interna ou fissuras.
• Condições de Armazenamento: Para preservar o desempenho, armazene os dispositivos num ambiente com uma gama de temperatura de -40°C a +100°C e baixa humidade, de preferência em embalagem antiestática para prevenir danos por descarga eletrostática (ESD).

5. Sugestões de Aplicação

5.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Deteção de Papel em Impressoras/Fotocopiadoras: Detetar bloqueios de papel, fim do papel ou condições de alimentação múltipla.
• Contagem de Objetos: Contar itens numa correia transportadora ou através de uma calha.
• Deteção de Posição/Velocidade: Detetar ranhuras numa roda de codificador para determinar a posição rotacional ou a velocidade de um motor.
• Máquinas de Venda Automática: Verificar a passagem de moedas ou a dispensação de produtos.
• Sistemas de Segurança: Como parte de um sensor de interrupção de feixe para deteção de intrusão.

5.2 Considerações de Projeto

• Limitação de Corrente do LED: Utilize sempre uma resistência em série com o LED IR para limitar a corrente direta (I_F) a um valor seguro, tipicamente entre 10mA e 20mA para um equilíbrio entre a força do sinal de saída e a vida útil do dispositivo. O valor da resistência pode ser calculado usando R = (V_CC- V_F) / I_F.
• Polarização do Fototransistor: Uma resistência de pull-up é tipicamente ligada entre o coletor do fototransistor e a tensão de alimentação positiva (V_CC). O emissor é ligado ao terra. O valor desta resistência (frequentemente entre 1kΩ e 10kΩ) e a tensão de alimentação determinam a excursão da tensão de saída e a velocidade de resposta. Uma resistência menor dá uma resposta mais rápida, mas uma menor excursão da tensão de saída (e maior consumo de energia quando ligado).
• Imunidade à Luz Ambiente: Como o dispositivo utiliza luz infravermelha, é relativamente imune à luz ambiente visível. No entanto, fontes fortes de radiação IR (como luz solar ou lâmpadas incandescentes) podem causar disparos falsos. Utilizar um sinal IR modulado e um circuito de demodulação pode melhorar muito a imunidade ao ruído.
• Distância e Refletividade: A distância de deteção e a força do sinal dependem da refletividade do objeto alvo e da largura do espaço entre o sensor e o objeto. Objetos escuros e não reflexivos produzirão um sinal mais fraco.

6. Princípio de Funcionamento

O LTH-301-05 funciona com um princípio óptico simples. O LED IR interno emite um feixe de luz infravermelha. Em frente ao LED está um fototransistor. No estado "não interrompido", este feixe de luz atravessa um pequeno espaço e atinge o fototransistor, fazendo-o conduzir (ligar). Quando um objeto é inserido neste espaço, bloqueia a luz infravermelha. Sem luz a incidir no fototransistor, este deixa de conduzir (desliga). Esta mudança no estado elétrico do fototransistor (de condutor para não condutor, ou vice-versa) é detetada pelo circuito externo, registando a presença do objeto. O fototransistor atua essencialmente como uma fonte de corrente controlada pela intensidade da luz.

7. Análise das Curvas de Desempenho

A folha de dados inclui curvas características típicas que são inestimáveis para uma análise de projeto detalhada. Embora gráficos específicos não sejam reproduzidos em texto, eles tipicamente ilustram as seguintes relações:

• Corrente Direta vs. Tensão Direta (I_F-V_F) para o LED: Mostra a relação não linear, ajudando a determinar a queda de tensão exata em diferentes correntes de operação.
• Corrente do Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor (I_C-V_CE) para o Fototransistor: A diferentes níveis de luz incidente (ou diferentes correntes de acionamento do LED), estas curvas mostram as características de saída do transistor, semelhantes às curvas de saída de um transistor bipolar.
• Corrente do Coletor vs. Corrente Direta (I_C-I_F): Esta curva de característica de transferência é crucial. Mostra como a fotocorrente de saída (I_C) varia com a corrente de entrada do LED (I_F). Define a taxa de transferência de corrente (CTR), que é um parâmetro de eficiência chave para o acoplador.
• Dependência da Temperatura: As curvas mostram frequentemente como parâmetros como a tensão direta (V_F), a corrente de escuridão (I_CEO), e a corrente no estado ligado (I_C(ON)) variam com a temperatura ambiente. Isto é crítico para projetar sistemas que operam numa ampla gama de temperaturas.

8. Perguntas Frequentes Baseadas em Parâmetros Técnicos

1. P: Qual é a distância de deteção típica?R: A distância de deteção não é um valor fixo único na folha de dados. Depende do projeto mecânico específico da ranhura, da corrente de acionamento do LED (I_F), da sensibilidade do circuito recetor e da refletividade do objeto interrompedor. O projetista deve determiná-la com base no parâmetro I_C(ON) e na configuração da aplicação.
2. P: Posso acionar o LED diretamente a partir de um pino de um microcontrolador?R: Possivelmente, mas deve verificar duas coisas: a) A capacidade máxima de fornecimento de corrente do pino do microcontrolador deve ser maior que o seu I_F desejado (ex.: 20mA). b) DEVE incluir uma resistência limitadora de corrente em série, conforme descrito nas considerações de projeto. Nunca ligue um LED diretamente a uma fonte de tensão.
3. P: Como faço a interface da saída com uma entrada digital?R: O método mais simples é usar uma resistência de pull-up no coletor. Quando o caminho da luz está livre, o fototransistor está ligado, puxando a tensão do coletor para baixo (próxima de V_CE(SAT)). Quando a luz é bloqueada, o transistor está desligado, e a resistência de pull-up puxa a tensão do coletor para cima (para V_CC). Isto fornece um sinal limpo de nível lógico.
4. P: Por que é importante o tempo de resposta?R: Tempos de resposta rápidos (microssegundos) permitem que o sensor detete objetos em movimento muito rápido ou eventos sequenciais rápidos sem perder contagens. Isto é essencial em maquinaria de alta velocidade, aplicações de codificadores ou sistemas de comunicação que usam luz pulsada.
5. P: O que acontece se eu exceder as especificações máximas absolutas?R: Exceder estes limites, mesmo que brevemente, pode causar dano imediato ou latente ao dispositivo. Isto pode incluir degradação da saída de luz do LED, aumento da corrente de escuridão no fototransistor ou falha completa (circuito aberto ou em curto-circuito). Projete sempre com uma margem de segurança.

9. Caso Prático de Projeto e Uso

Caso: Medição de RPM de um Pequeno Motor DC

Um projetista precisa medir a velocidade rotacional de um eixo de motor. Ele fixa um pequeno disco com ranhuras ao eixo. O LTH-301-05 é montado de forma que o disco gire através do seu espaço de deteção. Cada vez que uma ranhura passa pelo espaço, a luz atinge o fototransistor, causando um pulso na saída. O LED é acionado com uma corrente constante de 15mA através de uma resistência. O coletor do fototransistor é ligado a uma alimentação de 5V através de uma resistência de pull-up de 4,7kΩ e também a um pino de entrada com capacidade de interrupção de um microcontrolador.

O firmware do microcontrolador está programado para contar o número de pulsos (flancos de subida ou descida) recebidos dentro de uma janela de tempo fixa (ex.: um segundo). Como o disco tem, por exemplo, 20 ranhuras, o número de pulsos por segundo dividido por 20 dá as rotações por segundo, que são facilmente convertidas para RPM. Os tempos rápidos de subida e descida do sensor garantem que, mesmo a altas velocidades do motor, os pulsos são limpos e contados com precisão, sem perder flancos devido a uma resposta lenta do sensor.

10. Tendências de Desenvolvimento

Fotointerruptores como o LTH-301-05 representam uma tecnologia madura e fiável. As tendências atuais no campo mais amplo dos sensores optoeletrónicos focam-se em:

• Miniaturização: Desenvolvimento de pacotes SMD (Dispositivo de Montagem em Superfície) ainda mais pequenos para economizar espaço na placa em eletrónica moderna.
• Integração:
  • Integração da resistência limitadora de corrente para o LED internamente.
  • Inclusão de um disparador Schmitt ou comparador no pacote para fornecer uma saída digital limpa diretamente, simplificando o circuito de interface.
  • Adição de circuitos de rejeição de luz ambiente ou lógica de modulação/demodulação no chip para uma imunidade ao ruído superior.
• Desempenho Aprimorado: Melhoria da taxa de transferência de corrente (CTR) para menor consumo de energia ou distâncias de deteção maiores, e redução adicional dos tempos de resposta para aplicações de ultra-alta velocidade.
• Especialização: Criação de variantes com espaços muito estreitos para deteção precisa de bordas, ou com diferentes comprimentos de onda para deteção de materiais específicos (ex.: deteção de filmes transparentes).

Apesar destes avanços, o fotointerruptor refletivo fundamental permanece uma solução robusta e económica para uma vasta gama de aplicações de deteção sem contacto, e compreender os seus parâmetros detalhados, conforme delineado nesta folha de dados, é o primeiro passo para um projeto bem-sucedido.