Ficha Técnica do Fotointerruptor LTH-872-T55T1 - Interruptor Óptico Ranhurado - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTH-872-T55T1 é um fotointerruptor do tipo ranhurado, um componente optoeletrônico fundamental projetado para aplicações de detecção sem contato. Ele integra um diodo emissor de luz infravermelha (LED) e um fototransistor dentro de um único encapsulamento, separados por uma fenda física. O princípio operacional central envolve a interrupção do feixe de luz infravermelha que viaja do emissor para o detector. Quando um objeto opaco passa por esta fenda, ele bloqueia a luz, causando uma mudança significativa na corrente de saída do fototransistor. Esta mudança é detectada eletronicamente, fornecendo um sinal de comutação digital confiável. Os fotointerruptores são preferidos pela sua alta confiabilidade, precisão e imunidade a fatores ambientais como poeira ou contaminação superficial em comparação com interruptores mecânicos.

Vantagens Principais:As principais vantagens deste dispositivo incluem a comutação verdadeiramente sem contato, que elimina o desgaste mecânico e garante uma longa vida útil operacional. Ele oferece tempos de resposta rápidos, permitindo a detecção de eventos de alta velocidade. O design é adequado para montagem direta em PCB ou uso com um soquete DIL, proporcionando flexibilidade na montagem. Sua construção oferece proteção inerente contra interferência de luz ambiente.

Mercado-Alvo e Aplicações:Este componente é amplamente utilizado em vários equipamentos de automação de escritório e eletrônicos de consumo. Cenários de aplicação típicos incluem detecção de papel em máquinas de fax, impressoras e fotocopiadoras, onde ele detecta a presença ou ausência de papel, engarrafamentos de papel ou a posição de cabeças de impressão e carros. Também é encontrado em scanners, máquinas de venda automática, automação industrial para sensoriamento de posição e qualquer dispositivo que exija detecção de objetos precisa e confiável sem contato físico.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de estresse além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. A operação sob ou nestes limites não é garantida.

• LED de Entrada:
  • Dissipação de Potência (P_D):75 mW. Esta é a potência máxima que o chip do LED pode dissipar como calor a uma temperatura ambiente (T_A) de 25°C. Exceder isso pode levar à fuga térmica e falha.
  • Corrente Direta Contínua (I_F):50 mA. A corrente DC máxima que pode passar continuamente pelo LED.
  • Corrente Direta de Pico:1 A (largura de pulso = 10 µs, 300 pps). Esta especificação permite pulsos breves de alta corrente, úteis para acionar o LED com maior saída óptica instantânea sem exceder a classificação de potência média.
  • Tensão Reversa (V_R):5 V. A tensão de polarização reversa máxima que pode ser aplicada ao LED. Exceder isso pode causar ruptura da junção.
• Fototransistor de Saída:
  • Dissipação de Potência (P_D):100 mW.
  • Tensão Coletor-Emissor (V_CEO):30 V. A tensão máxima que pode ser aplicada entre o coletor e o emissor quando a base (entrada de luz) está aberta.
  • Corrente do Coletor (I_C):20 mA. A corrente máxima que pode fluir pelo caminho coletor-emissor.
• Limites Térmicos:
  • Faixa de Temperatura de Operação:-25°C a +85°C. A faixa de temperatura ambiente na qual o dispositivo é especificado para operar corretamente.
  • Faixa de Temperatura de Armazenamento:-55°C a +100°C.
  • Temperatura de Soldagem dos Terminais:260°C por 5 segundos (a 1,6mm do corpo do encapsulamento). Isso define a restrição do perfil de soldagem por refluxo para evitar danos ao encapsulamento plástico e às ligações internas.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes parâmetros são medidos sob condições de teste padrão (T_A=25°C) e definem o desempenho típico do dispositivo.

• Características do LED de Entrada:
  • Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1,2V, com máximo de 1,6V em I_F= 20 mA. Este parâmetro é crucial para projetar o resistor limitador de corrente para o circuito acionador do LED. Um projeto típico visaria I_F=20mA, usando V_F~1,2V para o cálculo.
  • Corrente Reversa (I_R):Máximo 100 µA em V_R= 5V. Isso indica a qualidade da junção PN do LED sob polarização reversa.
• Características do Fototransistor de Saída:
  • Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO):Mínimo 30V em I_C=1mA. Isso garante uma boa margem de segurança para circuitos lógicos típicos de 5V ou 12V.
  • Corrente de Escuridão Coletor-Emissor (I_CEO):Máximo 100 nA em V_CE=10V. Esta é a corrente de fuga quando o LED está desligado (sem luz). Um valor baixo é essencial para um estado "DESLIGADO" bem definido, especialmente em circuitos de alto ganho.
• Características do Acoplador (Sistema):
  • Corrente do Coletor no Estado Ligado (I_C(ON)):Mínimo 0,5 mA quando V_CE= 5V e I_F= 20 mA. Este é o parâmetro de sensibilidade chave. Ele define a corrente de saída mínima quando a fenda está desobstruída. Os projetistas devem garantir que o resistor de carga (R_L) seja escolhido para que esta corrente produza uma variação de tensão utilizável.
  • Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)):Máximo 0,4V em I_C= 0,25mA e I_F= 20mA. Esta baixa tensão de saturação indica bom desempenho quando o fototransistor é levado à saturação (totalmente LIGADO), permitindo que ele puxe uma linha muito próxima do terra.
  • Tempo de Resposta:
    • Tempo de Subida (T_r):Tipicamente 3 µs, máximo 15 µs.
    • Tempo de Descida (T_f):Tipicamente 4 µs, máximo 20 µs.
    Medido sob V_CC=5V, I_C=2mA, R_L=100Ω. Estes tempos limitam a frequência máxima de comutação. Os tempos assimétricos são comuns em fototransistores. Para um projeto conservador, assuma uma frequência máxima de 1/(T_r+T_f) ~ 1/40µs = 25 kHz.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia curvas de desempenho típicas. Embora os gráficos específicos não sejam fornecidos no texto, suas interpretações padrão são as seguintes:

• Corrente Direta vs. Tensão Direta (I_F-V_F):Esta curva mostra a relação exponencial típica de um diodo. Ajuda a entender a variação de V_Fcom a temperatura e a corrente.
• Corrente do Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor (I_C-V_CE):Para uma dada corrente do LED (I_F), este gráfico mostra as características de saída do fototransistor, semelhantes às curvas de saída de um transistor bipolar. Ilustra a transição da região ativa para a saturação.
• Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta:CTR é a razão I_C/ I_F(frequentemente expressa como uma porcentagem). Este é um parâmetro de eficiência crítico para o acoplador. A curva normalmente mostra o CTR atingindo um pico em um I_Fespecífico e diminuindo em correntes mais altas devido ao aquecimento ou outros efeitos.
• Características de Temperatura:Curvas mostrando como parâmetros como I_C(ON), V_Fe CTR variam ao longo da faixa de temperatura de operação (-25°C a +85°C). O ganho do fototransistor geralmente diminui com o aumento da temperatura, o que deve ser considerado em projetos que exigem desempenho estável em temperatura.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões de Contorno

O dispositivo apresenta um encapsulamento padrão de furo passante com um corpo plástico moldado contendo a fenda. Notas dimensionais importantes da ficha técnica:

• Todas as dimensões são fornecidas em milímetros (mm).
• A tolerância padrão para dimensões não especificadas é ±0,25 mm.
• A largura específica da fenda, altura do corpo e espaçamento dos terminais são definidos no desenho dimensional (não detalhado totalmente no texto). Esta informação é crítica para a integração mecânica, garantindo que o objeto a ser detectado caiba na fenda e para o projeto da área de montagem na PCB.

4.2 Identificação de Polaridade e Pinagem

Para operação correta, a identificação correta dos pinos é essencial. O encapsulamento usa um arranjo de pinos padrão para fotointerruptores ranhurados: um par de pinos para o LED infravermelho (ânodo e cátodo) e outro par para o fototransistor (coletor e emissor). O desenho da ficha técnica especifica os números dos pinos. Tipicamente, ao visualizar o dispositivo de cima (lado da fenda), os pinos são numerados no sentido anti-horário. O projetista deve consultar o desenho para conectar corretamente o ânodo, cátodo, coletor e emissor.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

A adesão a estas diretrizes é necessária para evitar danos durante o processo de fabricação.

• Soldagem por Refluxo:A especificação máxima absoluta define a soldagem dos terminais a 260°C por 5 segundos, medidos a 1,6mm do corpo do encapsulamento. Isso se traduz em um perfil de refluxo padrão para componentes com terminais. O encapsulamento plástico tem uma massa térmica limitada, portanto, a exposição prolongada a altas temperaturas deve ser evitada para prevenir rachaduras ou danos internos.
• Soldagem Manual:Se a soldagem manual for necessária, use um ferro de solda com controle de temperatura. Aplique calor no terminal/pino, não no corpo plástico, e complete a junta em 3-5 segundos por terminal.
• Limpeza:Use solventes de limpeza compatíveis com o material plástico do dispositivo para evitar trincas por tensão ou degradação.
• Condições de Armazenamento:Armazene em um ambiente dentro da faixa de temperatura de armazenamento especificada (-55°C a +100°C) e com baixa umidade. Dispositivos sensíveis à umidade devem ser mantidos em embalagens secas e seladas até o uso.

6. Considerações para Projeto de Aplicação

6.1 Circuito de Aplicação Típico

Um circuito de interface padrão envolve duas partes principais:

1. Acionador do LED:Um resistor limitador de corrente (R_LIMIT) é conectado em série com o LED. Seu valor é calculado como R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F. Para uma alimentação de 5V, V_F=1,2V, e I_F=20mA, R_LIMIT= (5 - 1,2) / 0,02 = 190Ω. Um resistor de 180Ω ou 200Ω seria adequado.
2. Saída do Fototransistor:O fototransistor é tipicamente conectado como um interruptor de emissor comum. Um resistor de pull-up (R_L) é conectado entre o coletor e a alimentação positiva (V_CC). O emissor é conectado ao terra. Quando a luz incide no transistor (fenda desobstruída), ele liga, puxando a tensão do coletor para baixo (próximo de V_CE(SAT)). Quando a luz é bloqueada, o transistor desliga, e a tensão do coletor é puxada para alto por R_L. O valor de R_Ldetermina a variação da tensão de saída e a velocidade. Um R_Lmenor fornece resposta mais rápida, mas consome mais corrente. Usar a condição de teste de R_L=100Ω como ponto de partida é comum.

6.2 Desafios e Soluções de Projeto

• Imunidade à Luz Ambiente:Embora o design ranhurado ofereça alguma proteção, luz ambiente forte (especialmente infravermelha) pode afetar o fototransistor. Usar um sinal de acionamento do LED modulado e detecção síncrona no circuito receptor pode aumentar muito a imunidade. Alternativamente, garantir que a fenda seja protegida pode ajudar.
• Compensação de Temperatura:Como o ganho do fototransistor diminui com a temperatura, o I_C(ON)cairá. Para aplicações críticas, projete o circuito para ter margem suficiente na temperatura operacional mais alta, ou use um comparador com limiar ajustável em vez de uma simples interface com resistor de pull-up.
• Características do Objeto:O objeto que interrompe o feixe deve ser opaco ao comprimento de onda infravermelho emitido (~940nm). Materiais finos ou translúcidos podem não ser detectados de forma confiável. O tamanho do objeto deve ser suficiente para bloquear completamente o feixe dentro da fenda.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado a outras tecnologias de sensoriamento:

• vs. Microinterruptores Mecânicos:Fotointerruptores oferecem confiabilidade superior (sem partes móveis para desgastar), resposta mais rápida e operação silenciosa. Eles são imunes a bounce de contato.
• vs. Sensores Ópticos Reflexivos:Os tipos ranhurados são geralmente mais confiáveis para detecção de borda ou sensoriamento de posição preciso porque são menos suscetíveis a variações na refletividade ou cor do objeto alvo. O feixe é totalmente bloqueado ou desbloqueado.
• vs. Sensores de Efeito Hall:Sensores Hall detectam campos magnéticos, não interrupção de luz. Eles são usados para diferentes fenômenos físicos (ex.: detectar um ímã). Fotointerruptores são para detectar qualquer objeto opaco.
• Dentro dos Fotointerruptores:A diferenciação específica do LTH-872-T55T1 está na sua combinação de especificações elétricas (ex.: V_CEO=30V, I_C(ON)min=0,5mA), dimensões do encapsulamento e custo-benefício para aplicações de automação de escritório de alto volume.

8. Perguntas Frequentes (FAQ)

• P: Qual é a corrente operacional típica para o LED?R: A condição de teste padrão e um ponto de operação comum é I_F= 20 mA. Isso fornece um bom equilíbrio entre saída óptica, consumo de energia e longevidade.
• P: Posso acionar o LED diretamente de um pino de um microcontrolador?R: A maioria dos pinos GPIO de microcontroladores não pode fornecer ou drenar 20mA continuamente. É recomendado usar um circuito acionador simples com transistor ou MOSFET, ou um CI acionador de LED dedicado, para fornecer a corrente necessária.
• P: Como conecto a saída a uma entrada digital?R: O coletor do fototransistor (com resistor de pull-up) pode ser conectado diretamente a uma entrada lógica CMOS ou TTL padrão. Quando a fenda estiver livre, a entrada lerá BAIXO. Quando bloqueada, lerá ALTO. Certifique-se de que a tensão de pull-up seja compatível com a família lógica (ex.: 5V para lógica de 5V, 3,3V para lógica de 3,3V).
• P: Por que minha saída não comuta completamente para o trilho de alimentação quando bloqueada?R: Isso provavelmente se deve à corrente de escuridão (I_CEO) fluindo através do resistor de pull-up. Com um resistor de pull-up muito grande (ex.: 100kΩ), mesmo 100nA de fuga podem criar uma queda de tensão significativa. Use um resistor de pull-up menor (ex.: 1kΩ a 10kΩ) para garantir um nível ALTO sólido, equilibrando consumo de corrente e velocidade.
• P: Qual é a prática recomendada para layout de PCB?R: Mantenha os trilhos do acionador do LED e os trilhos de saída do fototransistor separados para minimizar o acoplamento de ruído. Coloque os resistores limitador e de pull-up próximos ao dispositivo. Certifique-se de que a área da fenda na PCB esteja livre de máscara de solda ou componentes que possam obstruir o caminho do feixe infravermelho.

9. Princípio de Funcionamento

O fotointerruptor opera no princípio do acoplamento óptico direto interrompido por um objeto físico. Um LED infravermelho emite luz em um comprimento de onda tipicamente em torno de 940 nm, que é invisível ao olho humano. Diretamente oposto, um fototransistor de silício é sensível a este comprimento de onda. No estado desobstruído, a luz infravermelha atinge a região da base do fototransistor, gerando pares elétron-lacuna. Esta fotocorrente atua como corrente de base, fazendo com que o transistor ligue e conduza uma corrente de coletor muito maior (I_C(ON)). Quando um objeto opaco entra na fenda, ele bloqueia completamente o caminho da luz. A fotocorrente cessa, a corrente de base efetiva cai para zero, e o fototransistor desliga, permitindo que apenas uma pequena corrente de fuga (I_CEO) flua. Este contraste acentuado entre os estados LIGADO e DESLIGADO fornece um sinal digital limpo e confiável indicativo da presença ou ausência do objeto.

10. Tendências da Indústria

O fotointerruptor permanece uma tecnologia madura e amplamente utilizada devido à sua simplicidade, robustez e baixo custo. As tendências atuais da indústria focam em várias áreas:

• Miniaturização:Desenvolvimento de tamanhos de encapsulamento menores (ex.: dispositivos de montagem em superfície com fendas muito estreitas) para caber em eletrônicos de consumo e dispositivos móveis cada vez mais compactos.
• Desempenho Aprimorado:Melhoria de parâmetros como maior velocidade para máquinas mais rápidas, menor consumo de energia para dispositivos operados por bateria e melhor estabilidade térmica.
• Integração:Incorporação de circuitos adicionais dentro do encapsulamento, como gatilhos Schmitt para histerese, amplificadores para sinais mais fracos ou até interfaces digitais (I2C), criando "sensores inteligentes" que simplificam o projeto do sistema.
• Avanços em Materiais:Uso de plásticos avançados e designs de lentes para melhorar a colimação da luz, aumentar a eficiência de acoplamento e melhorar a resistência a fatores ambientais como alta temperatura e umidade.

Apesar do advento de tecnologias mais novas, como sensores de tempo de voo (ToF) ou sistemas de visão, o fotointerruptor ranhurado básico continua sendo a solução ideal para inúmeras aplicações de detecção de presença simples, confiáveis e sensíveis ao custo.