Folha de Dados do Fotointerruptor LTH-301-27P1 - Comutação Sem Contato - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-301-27P1 é um fotointerruptor refletivo, um tipo de sensor fotoelétrico. A sua função principal é detetar a presença ou ausência de um objeto sem contacto físico. Isto é conseguido através da combinação de um díodo emissor de luz infravermelha (LED IR) e de um fototransistor numa única carcaça compacta. Quando um objeto entra na fenda entre o emissor e o detetor, interrompe o feixe de luz infravermelha, causando uma alteração no estado de saída do fototransistor. Isto torna-o ideal para aplicações que requerem deteção fiável e não mecânica, como deteção de posição, comutação de limite e contagem de objetos.

O dispositivo foi concebido para montagem direta em placas de circuito impresso (PCBs) ou em soquetes padrão de dupla linha, facilitando a integração em conjuntos eletrónicos. As suas principais vantagens incluem imunidade ao "bounce" de contacto, longa vida operacional devido à ausência de partes móveis e velocidades de comutação rápidas adequadas para aplicações de contagem ou temporização de alta velocidade.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de tensão para além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. O funcionamento nestas condições não é garantido.

• Corrente Contínua Direta do Díodo IR (I_F):50 mA. Esta é a corrente máxima em regime permanente que pode ser aplicada ao LED infravermelho.
• Tensão Reversa do Díodo IR (V_R):5 V. Exceder esta tensão de polarização reversa no LED pode causar rutura.
• Corrente do Coletor do Fototransistor (I_C):40 mA. A corrente máxima que o coletor do fototransistor 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.
• Intervalo de Temperatura de Funcionamento:-35°C a +65°C. O intervalo de temperatura ambiente para funcionamento fiável.
• Temperatura de Soldagem dos Terminais:260°C durante 5 segundos a uma distância de 1,6mm da carcaça. Isto é crítico para processos de soldagem por onda ou "reflow" para evitar danos térmicos.

Nota sobre Redução de Potência:Tanto a dissipação de potência do transistor (100 mW) como a do díodo (75 mW) devem ser reduzidas linearmente a uma taxa de 1,33 mW/°C para temperaturas ambientes superiores a 25°C. Isto significa que a potência permitida diminui à medida que a temperatura aumenta, para evitar sobreaquecimento.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes parâmetros são medidos a 25°C e definem o desempenho típico do dispositivo em condições de teste especificadas.

2.2.1 Características do LED IR de Entrada

• Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1,6V (máx. 1,6V) a uma corrente direta (I_F) de 20 mA. Isto é usado para calcular o valor da resistência limitadora de corrente: R = (V_fonte- V_F) / I_F.
• Corrente Reversa (I_R):Máximo 100 µA a uma tensão reversa (V_R) de 5V. Isto indica a corrente de fuga do LED quando polarizado inversamente.

2.2.2 Características do Fototransistor de Saída

• Tensão de Rutura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO):Mínimo 30V. Esta é a tensão à qual o fototransistor entra em rutura 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 quando o fototransistor está no estado "desligado" (sem luz incidente). Um valor baixo é desejável para uma boa relação sinal-ruído.

2.2.3 Características do Acoplador (Sistema)

Estes parâmetros descrevem o desempenho do par combinado LED-fototransistor.

• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)):Máximo 0,4V quando o fototransistor é levado à saturação (I_C=0,25mA, I_F=20mA). Uma baixa tensão de saturação é fundamental para a interface com circuitos lógicos.
• Corrente do Coletor em Estado Ligado (I_C(ON)):Mínimo 1,5 mA quando o fototransistor está iluminado (V_CE=5V, I_F=20mA). Esta é a fotocorrente gerada e define a sensibilidade do sensor. A corrente real pode ser maior dependendo da refletividade do objeto interrompedor e do alinhamento.

3. Informações Mecânicas e de Embalagem

O LTH-301-27P1 é alojado num invólucro padrão de 4 pinos de dupla linha. As dimensões exatas são fornecidas no desenho da embalagem na folha de dados. Notas mecânicas importantes incluem:

• Todas as dimensões estão em milímetros, com uma tolerância padrão de ±0,25mm, salvo indicação em contrário.
• A embalagem apresenta uma fenda ou abertura entre o emissor IR e o fotodetector. O objeto a ser detetado passa por esta abertura.
• A polaridade está claramente marcada. Os terminais do ânodo e cátodo do LED IR estão identificados, assim como os terminais do coletor e emissor do fototransistor. A orientação correta durante a montagem na PCB é essencial.
• O dispositivo é adequado tanto para montagem em PCB como em soquete, oferecendo flexibilidade na montagem e potencial para substituição em campo.

4. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O manuseamento adequado é crucial para a fiabilidade.

• Soldagem:Os terminais podem suportar uma temperatura de 260°C durante um máximo de 5 segundos, medidos a 1,6mm do corpo da carcaça de plástico. Esta diretriz é crítica para processos de soldagem por onda. Para soldagem "reflow", é recomendado um perfil padrão com uma temperatura de pico abaixo de 260°C.
• Limpeza:Utilize agentes de limpeza suaves compatíveis com a carcaça de plástico. Evite a limpeza ultrassónica com potência excessiva, pois pode danificar os componentes internos.
• Armazenamento:Armazene num ambiente dentro do intervalo de temperatura de armazenamento especificado de -40°C a +100°C, de preferência em condições de baixa humidade para evitar a absorção de humidade.
• Precauções ESD:Embora não seja explicitamente declarado como sensível, os procedimentos padrão de manuseamento ESD (Descarga Eletrostática) para dispositivos semicondutores devem ser seguidos durante a montagem.

5. Sugestões de Aplicação

5.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A configuração mais comum é ligar o LED IR em série com uma resistência limitadora de corrente a uma fonte de tensão (ex.: 5V). O fototransistor é tipicamente ligado numa configuração de emissor comum: o coletor é ligado a uma tensão de alimentação (ex.: 5V) através de uma resistência de carga (R_L), e o emissor é ligado à terra. O sinal de saída é retirado do nó do coletor.

• Quando o feixe não está obstruído, a luz incide sobre o fototransistor, fazendo-o conduzir e puxando a tensão do coletor para baixo (próximo de V_CE(SAT)).
• Quando um objeto bloqueia o feixe, o fototransistor desliga-se e a tensão do coletor é puxada para cima pela resistência de carga.
• O valor da resistência de carga (R_L) determina a velocidade de comutação e o consumo de corrente. Um R_Lmenor permite uma comutação mais rápida, mas consome mais corrente quando o transistor está ligado.

5.2 Considerações de Projeto

• Alinhamento:O alinhamento mecânico preciso do percurso do objeto com a abertura do sensor é crítico para um funcionamento fiável.
• Luz Ambiente:Como o sensor utiliza luz infravermelha, pode ser suscetível a interferências de fontes fortes de IR ambiente (ex.: luz solar, lâmpadas incandescentes). O uso de um sinal IR modulado e de um circuito detetor sincronizado pode melhorar muito a imunidade.
• Características do Objeto:A eficácia do sensor depende da capacidade do objeto refletir ou absorver o feixe IR. Objetos escuros e não reflexivos podem não ser detetados de forma tão fiável como os de cor clara. Recomenda-se testar com o material alvo real.
• Debouncing:Embora o sensor em si não tenha "bounce" de contacto, a saída elétrica ainda pode ter ruído. Pode ser necessário "debouncing" por software ou hardware (ex.: um simples filtro RC ou uma entrada Schmitt trigger) para sinais digitais limpos.

6. Princípio de Funcionamento

O fotointerruptor funciona com base no princípio da interrupção do feixe óptico. Internamente, um LED infravermelho emite luz a um comprimento de onda tipicamente em torno de 940nm, que é invisível ao olho humano. Diretamente oposto, um fototransistor de silício está posicionado para receber esta luz. O fototransistor atua como um interruptor controlado por luz. Quando os fotões do LED IR atingem a sua região da base, geram pares eletrão-lacuna, que por sua vez permitem que uma corrente de coletor muito maior flua - este é o efeito fotoelétrico. A magnitude desta corrente de coletor é proporcional à intensidade da luz incidente. Quando um objeto opaco entra na abertura entre o LED e o fototransistor, o caminho da luz é bloqueado. A intensidade da luz no fototransistor cai drasticamente, fazendo com que a sua corrente de coletor caia para um valor muito baixo (essencialmente a corrente de escuridão). Esta mudança brusca de corrente (ou a correspondente mudança de tensão através de uma resistência de carga) é detetada pelo circuito externo e interpretada como um evento de comutação.

7. Curvas de Desempenho e Análise

A folha de dados inclui curvas características típicas que fornecem informações valiosas para além dos valores mín./típ./máx. tabelados.

• Características de Transferência (I_Cvs. I_F):Esta curva mostra como a corrente de saída do fototransistor (I_C) varia com a corrente de entrada do LED (I_F) a uma tensão coletor-emissor fixa. Demonstra a relação linear entre a excitação de entrada e a resposta de saída em condições específicas, ajudando a otimizar a corrente de acionamento do LED para a sensibilidade desejada.
• Características de Saída (I_Cvs. V_CE):Estas curvas, traçadas para diferentes níveis de luz incidente (ou diferentes I_F), mostram como o fototransistor se comporta como uma fonte de corrente. A corrente do coletor permanece relativamente constante numa gama de V_CEaté atingir a saturação.
• Dependência da Temperatura:Curvas que mostram a variação de parâmetros como a tensão direta (V_F) ou a corrente de escuridão do coletor (I_CEO) com a temperatura são cruciais para projetar sistemas que operam em toda a gama de temperatura especificada. Por exemplo, V_Ftipicamente diminui com o aumento da temperatura, o que poderia afetar ligeiramente a saída de luz do LED se for acionado por uma fonte de tensão constante.

8. Perguntas e Respostas Comuns

P: Qual é o tempo de resposta típico deste sensor?

R: Embora não seja explicitamente declarado nos dados fornecidos, fotointerruptores como este tipicamente têm tempos de resposta na gama dos microssegundos, tornando-os adequados para contagem de alta velocidade. A velocidade real é limitada pelo tempo de subida/descida do fototransistor e pela constante de tempo RC do circuito externo.

P: Posso usar este sensor ao ar livre?

R: Com cautela. A luz solar direta contém fortes componentes infravermelhos que podem saturar o fototransistor, causando disparos falsos. Uma proteção física ou carcaça para bloquear a luz ambiente, juntamente com técnicas de filtragem óptica ou modulação de sinal, é necessária para uso ao ar livre fiável.

P: Como escolho o valor da resistência limitadora de corrente do LED?

R: Use a fórmula: R = (V_CC- V_F) / I_F. Por exemplo, com uma alimentação de 5V (V_CC), um V_Ftípico de 1,6V, e um I_Fdesejado de 20 mA: R = (5 - 1,6) / 0,02 = 170 Ω. Uma resistência padrão de 180 Ω seria apropriada, resultando em I_F≈ 18,9 mA.

P: Qual é o propósito da especificação da Tensão de Rutura Emissor-Coletor (V_(BR)ECO)?

R: Esta especificação (5V) é relevante se o fototransistor estiver ligado numa configuração invertida (emissor a um potencial mais alto que o coletor), o que é incomum. Garante que o dispositivo pode suportar uma pequena tensão reversa na junção C-E sem danos.

9. Exemplo Prático de Caso de Uso

Aplicação: Deteção de Papel numa Impressora

O LTH-301-27P1 pode ser usado para detetar a borda dianteira do papel numa impressora ou fotocopiadora. O sensor é montado de modo que o papel passe pela sua abertura. Uma bandeira refletora ou o próprio papel interrompe o feixe. Quando o feixe não está obstruído (sem papel), o fototransistor está ligado, fornecendo uma tensão baixa. Quando o papel entra na abertura, o feixe é bloqueado, o fototransistor desliga-se e a tensão de saída sobe. Este sinal de borda de subida pode ser enviado para um microcontrolador para iniciar uma sequência de impressão, confirmar a presença de papel ou contar páginas. A natureza sem contacto garante que não há desgaste no papel ou no sensor, e a resposta rápida permite a deteção mesmo a altas velocidades de alimentação de papel. As considerações de projeto incluiriam garantir que o percurso do papel está alinhado com precisão com a abertura do sensor e selecionar uma resistência de carga que forneça uma oscilação de tensão limpa e rápida para o pino de entrada do microcontrolador.

10. Tendências Tecnológicas

Os fotointerruptores permanecem uma tecnologia de sensoriamento fundamental devido à sua simplicidade, fiabilidade e baixo custo. As tendências atuais focam-se na miniaturização, levando a embalagens de dispositivo de montagem em superfície (SMD) que economizam espaço na placa na eletrónica moderna. Há também a integração de circuitos adicionais, como "Schmitt triggers" incorporados para histerese e saída digital limpa, ou mesmo soluções totalmente integradas com um acionador IR modulado e um IC detetor sincronizado num único chip para uma rejeição superior da luz ambiente. Além disso, os avanços em materiais e embalagens estão a estender os intervalos de temperatura de funcionamento e a melhorar a fiabilidade a longo prazo para aplicações automotivas e industriais. Embora tecnologias mais recentes, como sensores de tempo de voo (ToF), ofereçam medição de distância, o papel do fotointerruptor básico para deteção binária simples de presença em aplicações sensíveis ao custo permanece firmemente estabelecido.