Folha de Dados do Interruptor Fotoelétrico Refletivo ITR1502SR40A/TR8 - Dimensões 4,0x3,0x2,0mm - Tensão Direta 1,2V - Dissipação de Potência 75mW - Lente Preta Transparente - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O ITR1502SR40A/TR8 é um interruptor fotoelétrico refletivo de montagem superficial altamente integrado, projetado para aplicações de sensoriamento sem contato. Ele combina um emissor infravermelho e um detector de fototransistor de silício dentro de um único encapsulamento compacto com lente preta transparente. O dispositivo é projetado para detecção confiável de presença ou movimento de objetos, com uma distância ótima de sensoriamento especificada de 4 mm. Seu encapsulamento sem terminais é projetado especificamente para compatibilidade com processos modernos de soldagem por refluxo, tornando-o adequado para montagem automatizada em grande volume.

1.1 Características e Vantagens Principais

• Alta Sensibilidade:O fototransistor de silício fornece uma resposta elétrica forte à luz infravermelha refletida, permitindo detecção confiável.
• Bloqueio de Luz Visível:O material da lente preta transparente bloqueia efetivamente a luz visível ambiente, minimizando o potencial de acionamento falso por fontes de luz ambientais.
• Fator de Forma Compacto:Com dimensões de 4,0 mm x 3,0 mm x 2,0 mm, é ideal para projetos de PCB com espaço limitado.
• Soldável por Refluxo:O encapsulamento sem terminais (em Fita e Carretel) permite montagem SMT padrão, suportando temperaturas de soldagem de pico de até 260°C por 5 segundos.
• Conformidade Ambiental:O dispositivo está em conformidade com os padrões Livres de Halogênio (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm), regulamentos da UE REACH e é compatível com RoHS.
• Longa Distância Focal:Para sua família de encapsulamentos, oferece uma distância ótima de sensoriamento relativamente longa de 4 mm.

1.2 Mercado-Alvo e Aplicações

Este componente é direcionado a projetistas de eletrônicos de consumo, automação de escritório e sistemas de controle industrial que necessitam de sensoriamento de objetos confiável e de baixo custo. Sua função principal é detectar a presença, ausência ou passagem de um objeto sem contato físico.

• Impressoras e Copiadoras:Detecção de engarrafamentos de papel, status da bandeja ou presença de mídia.
• Unidades de Armazenamento Óptico (ex.: CD/DVD):Sensoriamento da posição da bandeja do disco ou detecção da presença de um disco.
• Projetores e Monitores:Monitoramento do status do filtro, posição da tampa ou outros mecanismos internos.
• Máquinas de Venda Automática e Quiosques:Detecção de dispensação de produtos ou interação do usuário.
• Eletrodomésticos:Sensoriamento de posição em fechaduras inteligentes, cafeteiras ou outros dispositivos automatizados.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

O desempenho do ITR1502SR40A/TR8 é definido por um conjunto abrangente de parâmetros elétricos e ópticos. Compreendê-los é crítico para o projeto adequado do circuito e a operação confiável do sistema.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

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

• Dissipação de Potência de Entrada (Pd):75 mW a ou abaixo de 25°C de temperatura ambiente livre.
• Corrente Direta (IF):50 mA (contínua).
• Corrente Direta de Pico (IFP):1 A para pulsos ≤100μs com ciclo de trabalho de 1%.
• Tensão Reversa (VR):5 V.
• Dissipação de Potência do Coletor (PC):75 mW.
• Corrente do Coletor (IC):25 mA.
• Tensão Coletor-Emissor (V_CEO):30 V.
• Tensão Emissor-Coletor (V_ECO):5 V.
• Temperatura de Operação (T_opr):-25°C a +85°C.
• Temperatura de Armazenamento (T_stg):-40°C a +100°C.
• Temperatura de Soldagem dos Terminais:260°C por 5 segundos (a 1/16 de polegada do corpo).

2.2 Características Eletro-Ópticas (Ta=25°C)

Estes são os parâmetros de desempenho garantidos sob condições de teste especificadas.

Entrada (Emissor Infravermelho - Chip IR GaAs):

• Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1,2V, máximo 1,4V em I_F= 20 mA. Isto define a queda de tensão no LED quando acionado.
• Corrente Reversa (I_R):Máximo 10 μA em V_R= 6V.
• Comprimento de Onda de Pico (λ_P):940 nm (nominal) em I_F= 10 mA. Isto está no espectro do infravermelho próximo, invisível ao olho humano.

Saída (Fototransistor - Chip de Silício):

• Corrente de Escuro (I_CEO):Tipicamente 1 nA, máximo 100 nA em V_CE= 20V. Esta é a corrente de fuga quando nenhuma luz incide sobre o detector.
• Características de Transferência - Corrente do Coletor (I_C(ON)):Mínimo 60 μA, típico, máximo 450 μA sob condições de teste: V_CE=2V, I_F=4mA, e um alvo refletivo a d=4mm. Este é o parâmetro chave que indica a sensibilidade.
• Características de Transferência - Corrente de Estado Desligado (I_C(OFF)):Máximo 600 nA sob as mesmas condições de teste, mas sem reflexão (ou com um alvo absorvente).
• Tempo de Resposta (t_r, t_f):Tipicamente 20 μs, máximo 100 μs para os tempos de subida e descida. Testado em V_CE=2V, I_C=100μA, R_L=1kΩ, d=4mm. Isto define a velocidade de comutação.

Nota: A corrente de escuro operacional pode ser afetada pelo ambiente circundante (ex.: fontes de IR ambiente).

2.3 Faixa de Classificação (Bin) da Corrente do Coletor

Os dispositivos são classificados (binned) com base na sua corrente de coletor medida (I_C(ON)) sob condições de teste padrão. Isto permite que os projetistas selecionem componentes com sensibilidade consistente para sua aplicação.

• Bin A:60 μA ≤ I_C(ON)< 120 μA
• Bin B:100 μA ≤ I_C(ON)< 220 μA
• Bin C:180 μA ≤ I_C(ON)< 350 μA
• Bin D:310 μA ≤ I_C(ON)≤ 450 μA

3. Análise das Curvas de Desempenho

As curvas características fornecidas oferecem uma visão valiosa do comportamento do dispositivo sob condições variadas, o que é essencial para um projeto de sistema robusto.

3.1 Características Elétricas

Corrente Direta vs. Tensão Direta:Esta curva mostra a característica IV típica do LED emissor infravermelho. É não linear, semelhante a um diodo padrão. A tensão direta típica é de cerca de 1,2V a 20mA.

Corrente Direta vs. Corrente do Coletor:Esta é a curva de transferência, mostrando como a corrente de saída do fototransistor (I_C) aumenta com a corrente de acionamento do LED de entrada (I_F). A relação é aproximadamente linear na região de operação, demonstrando o ganho do dispositivo.

Corrente do Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor:Esta família de curvas mostra I_Cem diferentes níveis de I_F (ex.: 5mA, 10mA, 20mA, 50mA) conforme V_CEvaria. Ela ilustra que o fototransistor atua como uma fonte de corrente; acima de uma certa V_CE(tensão de saturação, tipicamente baixa), I_Cé determinada principalmente pela luz incidente (e, portanto, por I_F).

3.2 Características de Temperatura

Tensão Direta vs. Temperatura Ambiente:A tensão direta do LED tem um coeficiente de temperatura negativo, diminuindo ligeiramente à medida que a temperatura aumenta (de cerca de 1,21V a -20°C para 1,16V a 80°C).

Corrente do Coletor Relativa vs. Temperatura Ambiente:Esta é uma curva crítica. A corrente do coletor (sensibilidade) diminui significativamente à medida que a temperatura aumenta. A 80°C, a saída relativa é de apenas cerca de 80% do seu valor a 25°C. Isto deve ser considerado em projetos que operam em altas temperaturas para garantir uma margem de sinal suficiente.

Corrente de Escuro do Coletor vs. Temperatura Ambiente:A corrente de escuro aumenta exponencialmente com a temperatura (de ~0,1nA a -40°C para quase 1000nA a 100°C). Em aplicações de alta temperatura, este aumento de fuga pode se tornar uma parte significativa do sinal, potencialmente reduzindo a relação sinal-ruído.

Dissipação de Potência vs. Temperatura Ambiente:Esta curva de derating mostra que a dissipação de potência máxima permitida para o dispositivo diminui linearmente à medida que a temperatura ambiente aumenta acima de 25°C, atingindo 0 mW a 100°C.

3.3 Características Ópticas e Espaciais

Espectro de Comprimento de Onda:A curva de intensidade radiante relativa mostra que a saída do emissor está centrada em 940 nm com uma largura espectral típica. A lente preta transparente transmite efetivamente esta luz IR enquanto bloqueia comprimentos de onda visíveis mais curtos.

Corrente do Coletor Relativa vs. Distância de Movimento Z (Espelho):Esta curva define o perfil de sensoriamento. A corrente de saída é mais alta quando o alvo refletivo está na distância ótima (4mm). O sinal diminui à medida que o alvo se aproxima ou se afasta, definindo a janela prática de sensoriamento. A curva tem uma forma aproximadamente Gaussiana.

Tempo de Comutação vs. Resistência de Carga:Tanto o tempo de subida (t_r) quanto o tempo de descida (t_f) aumentam com uma resistência de carga (R_L) mais alta. Para a comutação mais rápida, deve-se usar um R_Lmais baixo, mas isso também resultará em uma excursão de tensão de saída menor. Os projetistas devem equilibrar velocidade e nível de sinal.

4. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

4.1 Dimensões do Encapsulamento

O dispositivo possui um encapsulamento compacto de montagem superficial sem terminais, medindo 4,0 mm de comprimento, 3,0 mm de largura e 2,0 mm de altura. Notas dimensionais importantes incluem:

• Todas as dimensões estão em milímetros.
• As tolerâncias são de ±0,1mm, salvo indicação em contrário.
• O espaçamento dos terminais é medido onde o terminal emerge do encapsulamento.
• A massa do produto é de aproximadamente 0,025 gramas.

4.2 Padrão de Ilhamento Recomendado para PCB

É fornecido um layout recomendado de ilhas de solda para garantir soldagem confiável e estabilidade mecânica. Uma regra de projeto crítica é enfatizada: a quantidade de solda deve ser cuidadosamente controlada para evitar a ascensão por capilaridade ou vazamento de solda para o espaço entre a PCB e o corpo do encapsulamento. Excesso de solda nesta área pode criar tensão, prejudicar a funcionalidade ou reduzir a confiabilidade a longo prazo. O projeto da ilha tipicamente inclui conexões de alívio térmico e área de cobre suficiente para uma ligação forte.

4.3 Polaridade e Orientação

O dispositivo possui uma orientação marcada (tipicamente um ponto ou um entalhe na superfície superior) indicando o Pino 1. O mapeamento de pinos é padrão para tais dispositivos: o ânodo e o cátodo do emissor infravermelho formam um par, e o coletor e o emissor do fototransistor formam o outro. O diagrama da folha de dados deve ser consultado para a atribuição exata dos pinos. A orientação incorreta impedirá o funcionamento do dispositivo.

5. Diretrizes de Soldagem, Montagem e Armazenamento

5.1 Condições de Soldagem por Refluxo

O ITR1502SR40A/TR8 é classificado para processos de soldagem por refluxo sem chumbo (Pb-free). Um perfil de temperatura recomendado é fornecido, que tipicamente inclui:

• Pré-aquecimento/Rampa de Subida:Uma subida controlada para ativar o fluxo.
• Zona de Estabilização:Um período a uma temperatura abaixo do líquidus para garantir aquecimento uniforme.
• Zona de Refluxo:A temperatura de pico não deve exceder 260°C, e o tempo acima de 240°C deve ser limitado (ex.: 30-60 segundos).
• Resfriamento:Um período de resfriamento controlado.

Nota Crítica:A soldagem por refluxo não deve ser realizada mais de duas vezes no mesmo dispositivo para evitar danos por estresse térmico aos componentes internos e ao composto de moldagem.

5.2 Sensibilidade à Umidade e Armazenamento (MSL 3)

O encapsulamento é sensível à umidade. A adesão aos seguintes procedimentos é necessária para prevenir o "efeito pipoca" (rachadura do encapsulamento devido à pressão de vapor durante o refluxo).

• Armazenamento da Bolsa Não Aberta:Armazenar a ≤30°C e ≤90% UR. Usar dentro de um ano a partir do envio.
• Após a Abertura da Bolsa:Armazenar a ≤30°C e ≤70% UR.
• Vida Útil na Linha de Produção:Os dispositivos devem ser soldados dentro de 168 horas (7 dias) após a abertura da bolsa de barreira à umidade.
• Secagem:Se a vida útil na linha de produção for excedida ou o indicador de umidade (dessecante) mostrar saturação, seque os dispositivos a 60°C ±5°C por 24 horas antes do uso para remover a umidade absorvida.

6. Informações de Embalagem e Pedido

6.1 Especificações da Fita e Carretel

O dispositivo é fornecido em embalagem padrão de fita e carretel compatível com EIA-481 para montagem automatizada pick-and-place.

• Quantidade por Embalagem:800 peças por carretel.
• Carretéis por Caixa:38 carretéis por caixa externa.
• Dimensões da Caixa Externa:409 mm (A) x 245 mm (B) x 360 mm (C).

O carretel possui uma etiqueta de orientação específica indicando a direção progressiva. Dimensões detalhadas do carretel (diâmetro do núcleo, largura do carretel, etc.) são fornecidas para compatibilidade com equipamentos de colocação.

6.2 Procedimento de Embalagem

Os carretéis são embalados em sacos de alumínio selados à prova de umidade. Cada saco contém um pacote de dessecante e um cartão indicador de umidade para monitorar os níveis de umidade. Vários sacos são então embalados em uma caixa de envio principal.

7. Considerações de Projeto de Aplicação

7.1 Circuito de Aplicação Típico

Um circuito de aplicação básico envolve duas partes principais:

1. Acionamento do Emissor:Um resistor limitador de corrente em série com o LED IR. O valor do resistor é calculado como R_limit= (V_CC- V_F) / I_F. Por exemplo, com uma fonte de 5V e um I_Fdesejado de 20mA: R_limit= (5V - 1,2V) / 0,02A = 190Ω (use um resistor padrão de 200Ω). O LED pode ser acionado continuamente ou pulsado para menor consumo de energia.
2. Interface do Detector:O fototransistor é tipicamente conectado com um resistor de pull-up (R_L) do coletor para V_CC. O emissor é conectado ao terra. Sem luz refletida, o transistor está desligado, e a tensão de saída no coletor é alta (V_CC). Quando a luz é detectada, o transistor liga, puxando a tensão de saída para baixo, em direção ao terra. O valor de R_Lafeta tanto a excursão da tensão de saída quanto a velocidade de resposta (veja as curvas de desempenho). Um valor comum é de 1kΩ a 10kΩ.

7.2 Fatores de Projeto para Sensoriamento Confiável

• Refletividade do Alvo:A força do sinal é diretamente proporcional à refletividade da superfície do alvo. Uma superfície branca e refletiva produzirá o sinal mais forte; uma superfície preta e fosca produzirá o mais fraco. O sistema deve ser projetado para funcionar com o pior caso de alvo.
• Distância e Alinhamento do Alvo:O sensor tem um "ponto ideal" específico a 4mm. Variações nas tolerâncias de montagem ou na posição do alvo afetarão o nível do sinal. Projete fixações mecânicas para manter o alinhamento consistente.
• Imunidade à Luz Ambiente:Embora a lente preta bloqueie a maior parte da luz visível, fontes fortes de luz infravermelha (luz solar, lâmpadas incandescentes) ainda podem causar interferência. Usar um sinal de acionamento do LED modulado (pulsado) e detecção síncrona no circuito receptor pode melhorar muito a imunidade à luz ambiente.
• Compensação de Temperatura:Como mostrado nas curvas, a sensibilidade cai com a temperatura. Para aplicações que operam em uma ampla faixa de temperatura, o circuito deve incluir margem ou compensação ativa (ex.: ajustar I_Fcom base na temperatura) para garantir detecção confiável em altas temperaturas.
• Ruído Elétrico:Mantenha os traços do sensor curtos e afastados de linhas digitais ou de alimentação ruidosas. Use capacitores de bypass próximos ao dispositivo tanto em V_CCquanto na alimentação do LED, se pulsado.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

O ITR1502SR40A/TR8 se diferencia no mercado de sensores refletores através de vários atributos-chave:

• vs. Interruptores de Furo Passado Maiores:Sua principal vantagem é a pegada SMD ultracompacta de 4,0x3,0mm, permitindo miniaturização e montagem automatizada, o que dispositivos maiores de furo passado não conseguem igualar.
• vs. Outros Sensores Refletores SMD:A combinação de uma distância ótima de 4mm e uma lente preta transparente para bloqueio de luz visível dentro deste pequeno fator de forma é um ponto de projeto específico. Alguns concorrentes podem oferecer distâncias de sensoriamento mais curtas ou materiais de lente diferentes.
• vs. Saída Analógica vs. Sensores Digitais:Este dispositivo fornece uma saída analógica de fototransistor, dando ao projetista controle total sobre o limiar e permitindo medições analógicas de distância/refletividade. Isto oferece mais flexibilidade em comparação com sensores com lógica digital integrada que simplesmente fornecem um sinal liga/desliga.
• vs. Pares Discretos Emissor/Detector:O encapsulamento integrado garante um alinhamento preciso e fixo entre o emissor e o detector, o que é difícil e caro de alcançar com dois componentes separados. Também simplifica o layout e a montagem da PCB.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P1: Qual é a diferença entre as classificações (A, B, C, D)? Como escolher?

R: As classificações representam diferentes faixas de sensibilidade (I_C(ON)). Escolha uma classificação com base na margem de sinal necessária. Para aplicações com alvos altamente refletores ou distâncias curtas, uma classificação mais baixa (A ou B) pode ser suficiente. Para alvos de baixa refletividade, distâncias mais longas ou operação em alta temperatura onde a sensibilidade cai, uma classificação mais alta (C ou D) fornece mais folga. A consistência dentro de uma classificação também é importante para a produção.

P2: Posso acionar o LED IR diretamente com uma tensão sem um resistor limitador de corrente?

R: Não. A tensão direta do LED não é um valor fixo e varia com a temperatura e o dispositivo. Acioná-lo diretamente de uma fonte de tensão resultará em corrente não controlada, provavelmente excedendo a Especificação Máxima Absoluta e destruindo o emissor. Sempre use um resistor limitador de corrente em série.

P3: Meu sensor funciona de forma errática. Qual poderia ser a causa?

R: Problemas comuns incluem: 1)Margem de sinal insuficiente:Verifique I_C(ON)com seu alvo específico e certifique-se de que está bem acima do limiar de detecção do seu circuito, considerando o derating de temperatura. 2)Interferência de luz ambiente:Proteja o sensor da luz brilhante direta ou implemente modulação. 3)Problemas nas juntas de solda:Verifique se o padrão de ilhamento recomendado foi usado e inspecione pontes de solda ou solda insuficiente. 4)Corrente de escuro excessiva:Em temperaturas muito altas, a corrente de escuro pode se tornar significativa; certifique-se de que seu circuito pode distingui-la do sinal verdadeiro.

P4: Como calculo a dissipação de potência do dispositivo?

A: A dissipação de potência total é a soma da dissipação de entrada (LED) e de saída (fototransistor). P_D(total)≈ (V_F* I_F) + (V_CE(sat)* I_C). Sob condições típicas (I_F=20mA, V_F=1,2V, I_C=5mA, V_CE=0,2V), P_D≈ 24mW + 1mW = 25mW, que está bem abaixo da especificação de 75mW a 25°C. Lembre-se de aplicar derating a este valor se operar acima de 25°C.

10. Princípio de Operação

O ITR1502SR40A/TR8 opera com base no princípio da reflexão de luz modulada. O diodo emissor de luz infravermelha (LED IR) interno emite luz em um comprimento de onda de pico de 940 nm. Esta luz sai do encapsulamento através da lente, atinge um objeto alvo na frente do sensor e é parcialmente refletida de volta. O fototransistor de silício integrado, que é sensível à luz infravermelha, detecta esta luz refletida. Quando fótons atingem a região da base do fototransistor, eles geram pares elétron-lacuna, que atuam como uma corrente de base. Esta corrente de base fotogerada é então amplificada pelo ganho do transistor, resultando em uma corrente de coletor muito maior (I_C). Esta corrente de coletor é o sinal de saída elétrica, que é proporcional à intensidade da luz refletida. O material da lente preta transparente é transparente para a luz IR de 940 nm, mas opaco para a maior parte da luz visível, fornecendo imunidade a fontes de luz visível ambiente. O alinhamento fixo e coplanar do emissor e do detector dentro do encapsulamento moldado cria um caminho óptico preciso otimizado para detectar objetos a uma distância específica (4mm) na frente do sensor.