Hoja de Datos de la Serie EL847 - Fotocoplador de 16 Pines DIP - Aislamiento 5000Vrms - CTR 50-600% - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie EL847 representa una familia de fotocopladores de fototransistor de cuatro canales alojados en un encapsulado Dual In-line Package (DIP) estándar de 16 pines. Cada canal integra un diodo emisor de infrarrojos acoplado ópticamente a un detector de fototransistor, proporcionando un aislamiento eléctrico robusto entre los circuitos de entrada y salida. Este dispositivo está diseñado para una transmisión de señal confiable en entornos donde las diferencias de potencial y la inmunidad al ruido son preocupaciones críticas.

La función principal es transferir señales eléctricas utilizando luz, logrando así un aislamiento galvánico. Esto evita los bucles de masa, suprime el ruido y protege los circuitos sensibles de transitorios de alto voltaje. La serie está disponible tanto en la opción de orificio pasante DIP estándar como en la opción de montaje superficial (SMD), ofreciendo flexibilidad para diferentes procesos de ensamblaje de PCB.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen las condiciones más allá de las cuales puede ocurrir un daño permanente al dispositivo. No se garantiza el funcionamiento bajo estas condiciones.

• Corriente Directa de Entrada (I_F): 60 mA (Continua). Esta es la corriente DC máxima que se puede aplicar al LED de entrada.
• Corriente Directa de Pico (I_FP): 1 A durante 1 μs. Permite pulsos breves de alta corriente para accionamiento o prueba.
• Voltaje Inverso (V_R): 6 V. El voltaje de polarización inversa máximo que el LED de entrada puede soportar.
• Voltaje Colector-Emisor (V_CEO): 80 V. El voltaje máximo que el fototransistor de salida puede bloquear cuando está apagado.
• Corriente de Colector (I_C): 50 mA. La corriente continua máxima que el transistor de salida puede absorber.
• Voltaje de Aislamiento (V_ISO): 5000 V_rmsdurante 1 minuto. Un parámetro de seguridad clave que indica la resistencia dieléctrica entre los lados de entrada y salida.
• Temperatura de Operación (T_OPR): -55°C a +110°C. Especifica el rango de temperatura ambiente para un funcionamiento confiable.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL): 260°C durante 10 segundos. Define la tolerancia del perfil de soldadura por reflujo.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de operación (T_A= 25°C a menos que se indique).

2.2.1 Características de Entrada (Lado LED)

• Voltaje Directo (V_F): Típicamente 1.2V, máximo 1.4V a I_F= 20 mA. Se utiliza para calcular la resistencia limitadora de corriente requerida.
• Corriente Inversa (I_R): Máximo 10 μA a V_R= 4V. Indica una fuga muy baja cuando el LED está polarizado inversamente.
• Capacitancia de Entrada (C_in): Típicamente 30 pF, máximo 250 pF. Afecta la capacidad de conmutación de alta frecuencia en el lado de entrada.

2.2.2 Características de Salida (Lado Fototransistor)

• Corriente Oscura Colector-Emisor (I_CEO): Máximo 100 nA a V_CE= 20V, I_F= 0mA. La corriente de fuga cuando el LED está apagado; un valor más bajo es mejor para la inmunidad al ruido.
• Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (BV_CEO): Mínimo 80V a I_C= 0.1mA. Confirma la capacidad de bloqueo de alto voltaje.
• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(sat)): Típicamente 0.1V, máximo 0.2V a I_F= 20mA, I_C= 1mA. La caída de voltaje a través del transistor cuando está completamente encendido (saturado). Es deseable un valor bajo para minimizar la pérdida de potencia.

2.2.3 Características de Transferencia

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR): 50% a 600% a I_F= 5mA, V_CE= 5V. Este es el parámetro más crítico, definido como (I_C/ I_F) * 100%. Representa la eficiencia de convertir la corriente de entrada en corriente de salida. El amplio rango indica que el dispositivo está disponible en diferentes niveles de ganancia.
• Resistencia de Aislamiento (R_IO): Mínimo 5 x 10¹⁰Ω a V_IO= 500V DC. Resistencia extremadamente alta entre los lados aislados, asegurando una fuga mínima.
• Capacitancia Flotante (C_IO): Típicamente 0.6 pF, máximo 1.0 pF. La capacitancia parásita a través de la barrera de aislamiento, que afecta la inmunidad a transitorios en modo común y el acoplamiento de ruido de alta frecuencia.
• Frecuencia de Corte (f_c): Típicamente 80 kHz a V_CE= 5V, I_C= 2mA, R_L= 100Ω. El ancho de banda de -3dB, que indica la frecuencia máxima útil para señales digitales.
• Tiempo de Subida (t_r) & Tiempo de Bajada (t_f): Típicamente 6 μs y 8 μs respectivamente (máx. 18 μs cada uno) bajo condiciones de prueba especificadas. Estos parámetros de velocidad de conmutación son cruciales para determinar las tasas de datos máximas en aplicaciones digitales.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos incluye curvas características típicas (aunque no se detallan en el texto proporcionado). Estas normalmente ilustrarían la relación entre parámetros clave, proporcionando a los diseñadores una comprensión más profunda del comportamiento del dispositivo más allá de los valores mínimos/típicos/máximos tabulados.

• CTR vs. Corriente Directa (I_F): Muestra cómo cambia la eficiencia con la corriente de accionamiento, a menudo alcanzando un pico en un I_F.
• CTR vs. Temperatura: Ilustra el coeficiente de temperatura negativo del CTR, que típicamente disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esto es crítico para diseñar circuitos estables en todo el rango de temperatura.
• Corriente de Salida (I_C) vs. Voltaje Colector-Emisor (V_CE): Familia de curvas que muestran las características de salida del fototransistor para diferentes corrientes de entrada, similares a las curvas de salida de un transistor bipolar.
• Voltaje de Saturación (V_CE(sat)) vs. Corriente de Colector (I_C): Muestra cómo la caída de voltaje en estado de conducción aumenta con la corriente de carga.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El dispositivo se ofrece en dos opciones principales de forma de terminales:

1. Tipo DIP Estándar: Encapsulado de orificio pasante con 16 pines en un paso de 2.54mm (100-mil). Los dibujos dimensionales detallados especifican la longitud, anchura, altura del cuerpo, la longitud de los pines y el espaciado.
2. Opción Tipo S (Montaje Superficial): Forma de terminales de ala de gaviota para ensamblaje SMD. Las dimensiones incluyen recomendaciones de huella para el diseño del patrón de soldadura en el PCB.

Una característica mecánica clave relacionada con la seguridad es ladistancia de fugade >7.62 mm entre los lados de entrada y salida del encapsulado. Esta es la distancia más corta a lo largo de la superficie del encapsulado aislante entre partes conductoras y es esencial para cumplir con los estándares de seguridad para alto voltaje de aislamiento.

4.2 Configuración de Pines y Esquema

La configuración de pines es sencilla y consistente en todos los canales:

• Pines 1, 3, 5, 7: Ánodo para los Canales 1-4 respectivamente.
• Pines 2, 4, 6, 8: Cátodo para los Canales 1-4 respectivamente.
• Pines 9, 11, 13, 15: Emisor para los Canales 1-4 respectivamente.
• Pins 10, 12, 14, 16: Colector para los Canales 1-4 respectivamente.

Esta disposición agrupa todas las entradas en un lado (pines 1-8) y todas las salidas en el lado opuesto (pines 9-16), reforzando físicamente la barrera de aislamiento.

4.3 Marcado del Dispositivo

Los dispositivos están marcados en la parte superior con \"EL847\" (número del dispositivo), seguido de un código de un dígito para el año (Y), un código de dos dígitos para la semana (WW), y un sufijo opcional \"V\" que denota la aprobación VDE para esa unidad.

5. Directrices de Soldadura y Ensamblaje

5.1 Perfil de Soldadura por Reflujo

La hoja de datos proporciona un perfil de reflujo detallado conforme a IPC/JEDEC J-STD-020D para soldadura sin plomo:

• Precalentamiento: 150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Tiempo por Encima del Líquido (T_L=217°C): 60-100 segundos.
• Temperatura Máxima (T_P): 260°C máximo.
• Tiempo dentro de 5°C del Pico: 30 segundos máximo.
• Tasa Máxima de Calentamiento: 3°C/segundo desde T_smaxa T_p.
• Tasa Máxima de Enfriamiento: 6°C/segundo.
• Tiempo Total del Ciclo: 8 minutos máximo desde 25°C hasta el pico.
• Número de Reflujos: El dispositivo puede soportar hasta 3 ciclos de reflujo.

Cumplir con este perfil es crítico para evitar grietas en el encapsulado, delaminación o daños al chip interno y las uniones por alambre debido al estrés térmico.

6. Empaquetado e Información de Pedido

La serie EL847 se solicita utilizando el formato de número de parte:EL847X-V.

• X: Opción de forma de terminales. \"S\" para montaje superficial, en blanco (ninguno) para DIP estándar.
• V: Sufijo opcional que indica que la aprobación de seguridad VDE está incluida para esa unidad específica.

Empaquetado: Ambas variantes se suministran en tubos que contienen 20 unidades cada uno.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Circuitos de Aplicación Típicos

El EL847 es versátil y puede usarse en varias configuraciones:

1. Aislamiento de Señal Digital: Conecte el LED de entrada en serie con una resistencia limitadora de corriente a un pin GPIO de un microcontrolador. El colector de salida puede conectarse a la tensión lógica del lado aislado a través de una resistencia. El emisor normalmente se conecta a tierra. Esto proporciona una transmisión inmune al ruido de señales ON/OFF, como en los módulos de E/S de PLC.
2. Aislamiento de Señal Analógica (Modo Lineal): Al operar el fototransistor en su región lineal (no saturada), la corriente de salida puede hacerse aproximadamente proporcional a la corriente del LED de entrada. Esto requiere un sesgo cuidadoso y está sujeto a variaciones de CTR y deriva térmica. A menudo se usa para aislamiento analógico de baja precisión y ancho de banda.
3. Accionamiento de Cargas Pequeñas: La salida puede accionar directamente cargas pequeñas como relés, LEDs o controladores de optotriac, siempre que no se excedan las clasificaciones de corriente y voltaje del colector.

7.2 Consideraciones de Diseño y Mejores Prácticas

• Selección de CTR y Diseño del Circuito: El amplio rango de CTR (50-600%) requiere un diseño cuidadoso. Para conmutación digital, elija un nivel de CTR que garantice la saturación del transistor de salida en el CTR mínimo especificado con su I_Fy resistencia de carga (R_L) elegidas. La condición I_C= CTR_min* I_Fdebe ser mayor que V_CC/R_Lpara asegurar la saturación.
• Compromiso Velocidad vs. Corriente: Una I_Fmás alta generalmente mejora la velocidad de conmutación (reduce t_r/t_f) pero disminuye el CTR con el tiempo debido al envejecimiento del LED. Un diseño debe usar la I_Fmás baja que cumpla con los requisitos de velocidad e inmunidad al ruido.
• Inmunidad al Ruido y Desacoplamiento: Para mejorar la inmunidad a transitorios en modo común (CMTI), use un condensador de desacoplamiento (ej., 0.1 μF) entre la alimentación y tierra en ambos lados, entrada y salida, colocándolo lo más cerca posible de los pines del dispositivo. Esto ayuda a contrarrestar los efectos de la capacitancia de acoplamiento interna (C_IO).
• Disipación de Calor: Observe los límites de disipación de potencia total (P_TOT= 200 mW). La potencia se calcula como (I_F* V_F) en el lado de entrada más (I_C* V_CE) en el lado de salida.

8. Comparación Técnica y Ventajas Clave

El EL847 se diferencia en el mercado a través de varias características clave:

• Alto Voltaje de Aislamiento (5000 V_rms): Supera los requisitos de muchas aplicaciones de control industrial y fuentes de alimentación, proporcionando un margen de seguridad significativo.
• Amplio Rango de Temperatura de Operación (-55°C a +110°C): Adecuado para entornos industriales y automotrices severos donde los extremos de temperatura son comunes.
• Aprobaciones de Seguridad Integrales: Las aprobaciones UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC simplifican el proceso de incorporar el dispositivo en productos finales que requieren certificación para varios mercados globales.
• Cuatro Canales en un Solo Encapsulado: Ofrece ahorro de espacio en la placa y eficiencia de costos en comparación con el uso de cuatro optoacopladores de un solo canal para tareas de aislamiento de múltiples señales.
• Dos Opciones de Encapsulado: La disponibilidad tanto en forma de orificio pasante (DIP) como de montaje superficial (SMD) proporciona flexibilidad tanto para prototipos como para ensamblaje automatizado de alto volumen.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P1: ¿Cómo selecciono la resistencia limitadora de corriente correcta para el LED de entrada?

R1: Use la fórmula: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F. Use el V_Fmáximo de la hoja de datos (1.4V) para un diseño en el peor de los casos para asegurar que no se exceda I_F. Elija I_Fbasándose en el CTR y la velocidad requeridos; 5-20 mA es típico.

P2: Mi circuito no conmuta completamente. El voltaje de salida no baja lo suficiente. ¿Qué está mal?

R2: Es probable que el fototransistor no esté entrando en saturación. Esto suele ser un problema de CTR. Verifique que su diseño use el CTR mínimo (50%) para los cálculos. Aumente I_Fo aumente el valor de la resistencia de pull-up R_Len el colector para reducir la I_Crequerida para la saturación (I_C(sat)≈ V_CC/R_L).

P3: ¿Puedo usar esto para aislar señales analógicas como salidas de sensores?

R3: Es posible pero desafiante. La linealidad del fototransistor es pobre, y el CTR varía significativamente con la temperatura y de dispositivo a dispositivo. Para un aislamiento analógico preciso, se recomienda encarecidamente el uso de amplificadores de aislamiento dedicados u optoacopladores lineales (que incluyen retroalimentación para compensar las no linealidades).

P4: ¿Cuál es la importancia de la distancia de fuga >7.62 mm?

R4: La distancia de fuga es la trayectoria más corta a lo largo de la superficie del encapsulado aislante entre partes conductoras (ej., pin de entrada 1 y pin de salida 9). Una mayor distancia de fuga evita el rastreo superficial (arco eléctrico a través de la superficie debido a contaminación o humedad) y es un requisito obligatorio para las certificaciones de seguridad a altos voltajes de aislamiento como 5000 V_rms.

10. Estudio de Caso de Diseño Práctico

Escenario: Aislar cuatro señales de control digital desde un microcontrolador hacia un controlador de actuador industrial de 24V.

1. Requisitos: Frecuencia de señal < 1 kHz, alta inmunidad al ruido, aislamiento para seguridad y prevención de bucles de masa.
2. Decisiones de Diseño:
   • Dispositivo: EL847 (DIP Estándar).
   • Lado de Entrada: GPIO del microcontrolador (3.3V, capaz de 20mA). Elija I_F= 10 mA para buena velocidad y longevidad. R_limit= (3.3V - 1.4V) / 0.01A = 190Ω. Use una resistencia estándar de 200Ω.
   • Lado de Salida: El controlador del actuador espera un nivel alto lógico de 24V, llevado a tierra para ON. Conecte el colector a la fuente de 24V a través de una resistencia de pull-up. Elija R_Lpara asegurar la saturación al CTR mínimo. Se requiere I_C(sat)> 24V / R_L. Con CTR_min=50% e I_F=10mA, I_C>= 5mA. Por lo tanto, R_Ldebe ser < 24V / 0.005A = 4.8 kΩ. Se elige una resistencia de 3.3 kΩ, dando I_C(sat)≈ 7.3mA, que está muy dentro de la clasificación de 50mA del dispositivo y proporciona un buen margen.
   • Desacoplamiento: Agregue un condensador cerámico de 0.1 μF entre el Pin 10 (Colector 1) y el Pin 9 (Emisor 1), y de manera similar para los otros canales, para mejorar la inmunidad al ruido.
3. Resultado: Una interfaz robusta y eléctricamente aislada capaz de transmitir señales de control de manera confiable en un entorno industrial eléctricamente ruidoso.

11. Principio de Funcionamiento

El funcionamiento de un fotocoplador se basa en la conversión electro-óptica-eléctrica. Cuando se aplica una corriente directa (I_F) al Diodo Emisor de Infrarrojos (IRED) de entrada, este emite fotones (luz) con una longitud de onda típicamente alrededor de 940 nm. Esta luz viaja a través de un espacio aislante transparente (a menudo hecho de compuesto de moldeo o aire) dentro del encapsulado. La luz incide en la región de la base del fototransistor de silicio de salida. Los fotones absorbidos generan pares electrón-hueco, creando una corriente de base que enciende el transistor, permitiendo que fluya una corriente de colector (I_C). El punto clave es que la única conexión entre la entrada y la salida es el haz de luz, proporcionando el aislamiento galvánico. La relación I_C/I_Fes la Relación de Transferencia de Corriente (CTR), que depende de la eficiencia luminosa del LED, la sensibilidad del fototransistor y la eficiencia del acoplamiento óptico entre ellos.

12. Tendencias y Contexto de la Industria

Los fotocopladores como el EL847 siguen siendo componentes fundamentales en electrónica de potencia, automatización industrial y sistemas de energía renovable donde el aislamiento de alto voltaje es no negociable. La tendencia en este sector es hacia:

• Mayor Velocidad: Desarrollo de aisladores digitales basados en tecnologías de acoplamiento capacitivo o RF CMOS que ofrecen tasas de datos en el rango de Mbps a Gbps, superando con creces el límite de ~100 kHz de los acopladores de fototransistor tradicionales.
• Mayor IntegraciónCombinando el aislamiento con otras funciones como controladores de puerta, interfaces ADC o aisladores USB/I2C/SPI en un solo encapsulado.
• Fiabilidad y Vida Útil Mejoradas: Enfoque en tecnología LED con menor degradación en el tiempo y con la temperatura, lo que lleva a un CTR más estable durante la vida útil del producto.
• Miniaturización: Avanzando hacia encapsulados de montaje superficial más pequeños, como SOIC-8 e incluso más pequeños, manteniendo o mejorando las clasificaciones de aislamiento.

A pesar de estas tendencias, los fotocopladores basados en fototransistor mantienen una fuerte relevancia debido a su simplicidad, robustez, capacidad de alto voltaje de aislamiento, facilidad de uso y rentabilidad para aplicaciones que requieren aislamiento de señal de velocidad media a baja, como los controladores programables, electrodomésticos y equipos de telecomunicaciones listados en la hoja de datos del EL847. Sus certificaciones de seguridad integrales los convierten en una opción confiable para diseños que requieren aprobación regulatoria.