Ficha Técnica do Sensor Fotointerruptor LTH-309-08 - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-309-08 é um fotointerruptor refletivo, um tipo de sensor optoeletrónico que combina um díodo emissor de luz (LED) infravermelho e um fototransistor num único encapsulamento compacto. A sua função principal é detetar a presença ou ausência de um objeto sem contacto físico, através da interrupção do feixe de luz infravermelha refletida por uma superfície. Este dispositivo foi concebido para montagem direta em PCB (Placa de Circuito Impresso) ou inserção numa tomada padrão de dupla linha, tornando-o altamente versátil para processos de montagem automatizada.

A vantagem central deste sensor reside na sua capacidade de comutação sem contacto, o que elimina o desgaste mecânico, garantindo alta fiabilidade e uma longa vida útil operacional. É particularmente adequado para aplicações que requerem tempos de resposta rápidos e deteção precisa de objetos em espaços confinados. Os mercados-alvo típicos incluem equipamentos de automação de escritório (impressoras, fotocopiadoras), automação industrial (contadores de correias transportadoras, sensoriamento de posição), eletrónica de consumo e vários dispositivos de instrumentação onde a deteção fiável de objetos é crítica.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Absolutas Máximas

Estas especificações definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. O funcionamento nestas condições não é garantido.

• LED de Entrada:A corrente direta contínua não deve exceder 50 mA, sendo permitida uma corrente direta de pico de 1 A em condições pulsadas (300 pps, largura de pulso de 10 µs). A dissipação máxima de potência para o LED é de 75 mW. Deve ser evitada uma tensão reversa superior a 5 V.
• Fototransistor de Saída:A corrente do coletor está limitada a 20 mA. A tensão coletor-emissor pode suportar até 30 V, enquanto a tensão emissor-coletor está limitada a 5 V. A dissipação de potência do fototransistor não deve exceder 100 mW.
• Limites Ambientais:O dispositivo está classificado para operação numa faixa de temperatura ambiente de -25°C a +85°C. O armazenamento pode ser de -55°C a +100°C. Para soldagem, os terminais podem suportar 260°C durante 5 segundos quando medidos a 1,6 mm do corpo do encapsulamento.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

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

• Tensão Direta do LED de Entrada (V_F):Tipicamente 1,2V a 1,6V quando alimentado com uma corrente direta (I_F) de 20 mA. Este parâmetro é crucial para projetar a resistência limitadora de corrente no circuito de acionamento.
• Corrente de Escuridão do Fototransistor de Saída (I_CEO):A corrente de fuga quando nenhuma luz incide sobre o sensor, especificada como um máximo de 100 nA a V_CE=10V. Uma baixa corrente de escuridão é essencial para uma boa relação sinal-ruído, especialmente em aplicações de baixa luminosidade ou alto ganho.
• Corrente do Coletor em Estado Ligado (I_C(ON)):A corrente mínima do coletor é de 0,5 mA quando o LED é acionado a I_F=20mA e V_CE=5V. Este parâmetro indica a sensibilidade do fototransistor.
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)):A queda de tensão no fototransistor quando está totalmente "ligado", tipicamente 0,4V a I_C=0,25mA e I_F=20mA. Uma baixa tensão de saturação é desejável para interface com circuitos lógicos de baixa tensão.
• Tempo de Resposta:A velocidade de comutação do sensor é caracterizada pelo tempo de subida (T_R) e tempo de descida (T_F). Os valores típicos são 3-15 µs para o tempo de subida e 4-20 µs para o tempo de descida nas condições de teste de V_CE=5V, I_C=2mA e R_L=100Ω. Esta comutação rápida permite a deteção de objetos em movimento rápido.

3. Análise das 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 geral e os insights que oferecem podem ser explicados.

Estas curvas normalmente traçam parâmetros-chave em função de variáveis como temperatura ou corrente de acionamento. Por exemplo, uma curva que mostre I_C(ON)versus I_F(corrente direta do LED) ajudaria um projetista a entender a relação entre a potência de entrada e a força do sinal de saída, permitindo otimizar o acionamento do LED para a sensibilidade e consumo de energia desejados. Outra curva comum é I_C(ON)versus temperatura ambiente, que é crítica para entender como o desempenho do sensor degrada ou varia em temperaturas extremas, garantindo operação fiável em toda a faixa especificada de -25°C a +85°C. Estes gráficos são essenciais para um projeto de sistema robusto além das especificações nominais do ponto de 25°C.

4. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

O LTH-309-08 foi concebido para integração compacta. As dimensões do encapsulamento são fornecidas na ficha técnica com todas as medidas em milímetros (e polegadas entre parênteses). As notas mecânicas principais incluem:

• Aplica-se uma tolerância geral de ±0,25mm (±0,010") salvo indicação em contrário.
• O espaçamento dos terminais é medido no ponto onde os terminais saem do corpo plástico do encapsulamento, o que é crítico para o projeto da pegada na PCB.
• O encapsulamento é do tipo furo passante padrão, facilitando processos de soldagem manual e por onda.

A identificação correta da polaridade é implícita pelo pinagem padrão para tais dispositivos: o ânodo e o cátodo do LED estão num lado, e o coletor e o emissor do fototransistor estão no outro. Os projetistas devem consultar o desenho dimensional para confirmar o arranjo exato dos pinos e a orientação para um layout correto da PCB.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

A ficha técnica especifica um limite de temperatura de soldagem dos terminais de 260°C durante 5 segundos, medido a 1,6 mm (0,063 polegadas) do corpo do encapsulamento. Este é um parâmetro crítico para o controlo do processo durante a soldagem por onda ou soldagem manual.

• Soldagem por Reflow:Embora seja principalmente um dispositivo de furo passante, se usado numa placa de tecnologia mista, deve-se ter extremo cuidado durante o reflow. O encapsulamento plástico tem uma tolerância térmica inferior aos componentes de montagem em superfície. Geralmente não é recomendado para perfis padrão de reflow por infravermelhos ou convecção, a menos que especificamente qualificado.
• Soldagem Manual:Utilize um ferro de soldar com controlo de temperatura. Aplique calor na junção terminal/pista de forma rápida e eficiente para minimizar a transferência de calor para o chip semicondutor sensível dentro do encapsulamento. Não aplique solda diretamente na ponta do ferro no terminal do componente por um período prolongado.
• Limpeza:Utilize solventes de limpeza compatíveis com o plástico do encapsulamento para evitar fissuras ou degradação.
• Condições de Armazenamento:Armazene num ambiente seco e antiestático dentro da faixa de temperatura especificada de -55°C a +100°C para evitar absorção de humidade (que pode causar "popcorning" durante a soldagem) e danos por descarga eletrostática.

6. Sugestões de Aplicação

6.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Deteção de Papel em Impressoras/Fotocopiadoras:Deteção de enguiços de papel, condições de bandeja vazia ou presença de papel em pontos específicos ao longo do percurso do papel.
• Contagem de Objetos em Correias Transportadoras:Contagem de produtos, garrafas ou componentes à medida que passam por um ponto fixo.
• Sensoriamento de Posição:Deteção da posição inicial de um carro móvel (como num scanner ou plotter) ou do estado aberto/fechado de uma porta ou tampa.
• Sensoriamento de Disco de Encoder Rotativo:Usado em conjunto com uma roda ranhurada para criar um encoder óptico de baixa resolução para feedback de velocidade ou posição.

6.2 Considerações de Projeto

• Acionamento de Corrente do LED:Use uma fonte de corrente constante ou uma resistência limitadora de corrente em série com o LED para manter um I_Festável, tipicamente cerca de 20 mA conforme as condições de teste, para uma saída consistente. Pulsar o LED a uma corrente mais alta pode aumentar a distância de sensoriamento, mas deve permanecer dentro das especificações absolutas máximas.
• Polarização do Fototransistor:Uma resistência de pull-up (R_L) é conectada entre o coletor e a tensão de alimentação (V_CC). O valor de R_Lafeta tanto a excursão da tensão de saída quanto o tempo de resposta. Um R_Lmenor dá uma resposta mais rápida, mas uma mudança menor na tensão de saída. O emissor é tipicamente conectado ao terra.
• Interface de Saída:A saída do fototransistor pode ser alimentada diretamente numa entrada Schmitt-trigger de um microcontrolador para sensoriamento digital, ou numa entrada analógica para medir a intensidade da luz refletida. Para ambientes ruidosos, adicionar um pequeno capacitor entre o coletor e o emissor do fototransistor pode ajudar a filtrar ruído de alta frequência.
• Superfície Alvo:O desempenho do sensoriamento refletivo depende fortemente da refletividade, cor e distância do alvo. Para operação consistente, calibre o limiar de deteção com base no material específico do alvo. A folga de sensoriamento deve ser minimizada para a melhor força do sinal.
• Imunidade à Luz Ambiente:Como o sensor usa luz infravermelha, é relativamente imune à luz ambiente visível. No entanto, fontes fortes de luz infravermelha (como luz solar ou lâmpadas incandescentes) podem causar disparos falsos. Usar um sinal de LED modulado e deteção síncrona no circuito recetor pode aumentar muito a imunidade à luz ambiente.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado com interruptores de limite mecânicos, o LTH-309-08 oferece vantagens claras: sem partes móveis, maior fiabilidade, resposta mais rápida e operação silenciosa. Dentro da categoria de fotointerruptores, os seus principais diferenciadores derivam dos seus parâmetros especificados. A velocidade de comutação rápida (tempo de subida de 3-15 µs) torna-o adequado para aplicações de maior velocidade do que fototransistores mais lentos. A tensão de saturação relativamente baixa (0,4V) permite melhor compatibilidade com sistemas lógicos modernos de 3,3V em comparação com dispositivos com V_CE(SAT)mais alta. O encapsulamento DIP padrão de furo passante oferece robustez e facilidade de prototipagem, embora ocupe mais espaço na placa do que alternativas de montagem em superfície. Os projetistas escolheriam este componente para aplicações que requerem um equilíbrio entre velocidade, sensibilidade e fiabilidade comprovada num formato de encapsulamento padrão.

8. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

• P: Posso acionar o LED com lógica de 3,3V?R: Sim, mas deve calcular a resistência em série cuidadosamente. Com um V_Ftípico de 1,6V a 20mA, o valor da resistência seria (3,3V - 1,6V) / 0,02A = 85Ω. Use o V_Fmáximo da ficha técnica para um projeto seguro.
• P: Qual é a distância máxima de sensoriamento?R: A ficha técnica não especifica uma distância. Isto depende da corrente de acionamento do LED, da refletividade do alvo e do I_C(ON)requerido. É melhor determinado empiricamente para o seu alvo específico. Geralmente, os sensores refletivos funcionam melhor em curtas distâncias (alguns milímetros).
• P: Como protejo o fototransistor de picos de tensão?R: Embora tenha um V_(BR)CEOde 30V, para fiabilidade em ambientes indutivos, pode ser adicionado um pequeno díodo supressor de tensão transitória (TVS) ou um díodo regular em polarização reversa entre o coletor e o emissor.
• P: Posso usar isto num ambiente empoeirado?R: O acúmulo de poeira na lente atenuará o feixe de luz, reduzindo a sensibilidade e potencialmente causando falhas. O dispositivo não é selado. Para ambientes agressivos, considere um dispositivo com uma ranhura selada ou forneça proteção externa.

9. Estudo de Caso de Aplicação Prática

Cenário: Sensor de Ausência de Papel numa Impressora de Mesa.O LTH-309-08 é montado na PCB principal perto da bandeja de alimentação de papel. Uma palheta de plástico branca, ligada ao mecanismo da bandeja de papel, move-se para a folga de deteção do sensor quando a pilha de papel está esgotada. No estado "papel presente", a palheta está fora da folga, permitindo que a luz infravermelha do LED reflita numa superfície fixa dentro da impressora de volta para o fototransistor, gerando um I_C(ON)alto e uma saída lógica LOW no coletor (com uma resistência de pull-up). Quando o papel acaba, a palheta move-se para a folga, bloqueando o caminho da luz. O fototransistor desliga, fazendo com que a tensão do coletor seja puxada para HIGH pela resistência. O microcontrolador da impressora deteta este sinal HIGH e aciona um aviso "Papel Esgotado" no visor. O tempo de resposta rápido garante deteção imediata, enquanto a natureza sem contacto garante que o sensor não se desgaste durante a vida útil da impressora.

10. Introdução ao Princípio de Funcionamento

Um fotointerruptor opera no princípio da deteção de luz modulada. O LED infravermelho interno emite luz quando polarizado diretamente. Em frente ao LED está um fototransistor. Num tipo refletivo como o LTH-309-08, ambos os elementos estão voltados para a mesma direção. A luz emitida viaja para fora do encapsulamento, atinge uma superfície alvo e uma fração é refletida de volta para o encapsulamento, onde incide no fototransistor. O fototransistor atua como um interruptor controlado por luz. Quando os fotões atingem a sua região da base, geram pares eletrão-lacuna, fornecendo efetivamente corrente de base. Isto faz com que o transistor "ligue", permitindo que uma corrente de coletor (I_C) flua, proporcional à intensidade da luz recebida. Quando o caminho da luz é bloqueado (por exemplo, por um objeto), o fototransistor "desliga", e apenas uma pequena corrente de escuridão flui. Esta mudança ligado/desligado na corrente do coletor é usada para gerar um sinal digital indicando a presença ou ausência do objeto que interrompe o caminho da luz.

11. Tendências Tecnológicas

A tendência em sensores optoeletrónicos como fotointerruptores é a miniaturização, maior integração e funcionalidade aprimorada. Os encapsulamentos de dispositivo de montagem em superfície (SMD) estão a tornar-se a norma para economizar espaço na PCB e permitir montagem automatizada pick-and-place. Há também uma tendência para integrar o sensor com circuitos de condicionamento de sinal (amplificadores, gatilhos Schmitt, saídas lógicas) num único chip, criando sensores de saída digital que são mais fáceis de interfacear diretamente com microcontroladores. Além disso, estão a ser feitos avanços na melhoria da rejeição da luz ambiente através de filtragem óptica e técnicas de modulação mais inteligentes. Embora o princípio fundamental permaneça inalterado, estas tendências focam-se em tornar os sensores mais pequenos, mais inteligentes, mais fiáveis e mais fáceis de implementar em projetos eletrónicos modernos.