Hoja de Datos de la Serie EL815 - Fotodarlington Optoacoplador - Paquete DIP de 4 Pines - Aislamiento 5000Vrms - CTR 600-7500% - Temp. Operación -55 a +110°C

1. Descripción General del Producto

La serie EL815 representa una familia de fotodarlington optoacopladores de alto rendimiento alojados en un compacto paquete Dual In-line (DIP) de 4 pines. La función principal de este dispositivo es proporcionar aislamiento eléctrico y transmisión de señal entre dos circuitos con diferentes potenciales o impedancias. Lo logra utilizando un diodo emisor de luz infrarroja (LED) en el lado de entrada, que está acoplado ópticamente a un transistor fotodarlington en el lado de salida. Este diseño garantiza un aislamiento galvánico completo, evitando bucles de masa y protegiendo circuitos sensibles de picos de tensión o ruido provenientes del otro circuito.

La configuración fotodarlington proporciona una relación de transferencia de corriente (CTR) muy alta, lo que la hace altamente sensible y adecuada para aplicaciones donde una pequeña corriente de entrada necesita controlar una corriente de salida mayor. Una ventaja clave de esta serie es su conformidad con varios estándares internacionales de seguridad y medio ambiente, incluidos los requisitos libres de halógenos, RoHS y REACH de la UE, lo que la hace adecuada para mercados globales y diseños respetuosos con el medio ambiente.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los valores más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No están destinados para operación normal.

• Corriente Directa de Entrada (I_F): 60 mA (DC). Esta es la corriente continua máxima que puede circular a través del LED infrarrojo de entrada.
• Corriente Directa de Pico (I_FP): 1 A durante 1 µs de pulso. El LED puede soportar pulsos cortos de alta corriente, lo que es útil para ciertas condiciones de conmutación o transitorias.
• Tensión Inversa de Entrada (V_R): 6 V. La tensión de polarización inversa máxima que se puede aplicar al LED de entrada.
• Tensión Colector-Emisor (V_CEO): 35 V. La tensión máxima que puede soportarse entre el colector y el emisor del transistor fotodarlington de salida cuando la base está abierta.
• Corriente de Colector (I_C): 80 mA. La corriente continua máxima que el transistor de salida puede absorber.
• Disipación de Potencia Total (P_TOT): 200 mW. La potencia combinada máxima que pueden disipar las secciones de entrada y salida del dispositivo.
• Tensión de Aislamiento (V_ISO): 5000 V_rmsdurante 1 minuto. Este parámetro crítico especifica la capacidad de aislamiento de alta tensión entre los lados de entrada y salida, probado con los pines 1-2 en cortocircuito y los pines 3-4 en cortocircuito.
• Temperatura de Operación (T_OPR): -55°C a +110°C. El rango de temperatura ambiente en el que se especifica que el dispositivo debe operar.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros se miden bajo condiciones de prueba especificadas (típicamente T_a= 25°C) y definen el rendimiento del dispositivo.

2.2.1 Características de Entrada

• Tensión Directa (V_F): Típicamente 1.2V, máximo 1.4V a I_F= 20 mA. Esta es la caída de tensión en el LED infrarrojo cuando es excitado.
• Corriente Inversa (I_R): Máximo 10 µA a V_R= 4V. La pequeña corriente de fuga cuando el LED está polarizado inversamente.

2.2.2 Características de Salida

• Corriente Oscura Colector-Emisor (I_CEO): Máximo 1 µA a V_CE= 10V, I_F= 0mA. La corriente de fuga del transistor de salida cuando el LED de entrada está apagado.
• Tensión de Saturación Colector-Emisor (V_CE(sat)): Típicamente 0.8V, máximo 1.0V a I_F= 20mA, I_C= 5mA. La tensión a través del transistor de salida cuando está completamente activado (saturado). Un valor más bajo es deseable para minimizar la pérdida de potencia.

2.2.3 Características de Transferencia

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR): 600% (Mín.) a 7500% (Máx.) a I_F= 1mA, V_CE= 2V. Este es el parámetro más importante para un optoacoplador, definido como (I_C/ I_F) * 100%. El rango extremadamente amplio indica que el dispositivo está disponible en múltiples grados de sensibilidad. Un CTR alto permite una transferencia de señal eficiente con una corriente de excitación de entrada mínima.
• Resistencia de Aislamiento (R_IO): Mínimo 5 x 10¹⁰Ω a V_IO= 500V DC. Esto indica la resistencia DC extremadamente alta entre los lados aislados.
• Tiempo de Subida (t_r): Típicamente 60 µs, máximo 300 µs. Tiempo de Bajada (t_f): Típicamente 53 µs, máximo 250 µs. Estos parámetros, junto con una frecuencia de corte (f_c) típica de 6 kHz, definen la velocidad de conmutación del dispositivo. La estructura fotodarlington inherentemente tiene tiempos de conmutación más lentos en comparación con fototransistores o acopladores foto-IC, lo que la hace más adecuada para aplicaciones de CC y CA de baja frecuencia en lugar de aislamiento digital de alta velocidad.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos incluye curvas características típicas que son esenciales para comprender el comportamiento del dispositivo en condiciones no estándar. Aunque los gráficos específicos no se reproducen en texto, sus implicaciones son críticas para el diseño.

• CTR vs. Corriente Directa (I_F): Típicamente, el CTR disminuye a medida que aumenta la corriente directa. Los diseñadores deben consultar esta curva para seleccionar el punto de operación óptimo para su corriente de salida requerida y eficiencia de transferencia.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_a): El CTR depende de la temperatura, generalmente disminuyendo en los extremos de temperatura. Esta curva es vital para garantizar una operación confiable en todo el rango especificado de -55°C a +110°C. Los diseños para entornos hostiles deben reducir la capacidad (derrate) basándose en estos datos.
• Corriente de Colector vs. Tensión Colector-Emisor (I_C-V_CE): Estas curvas de salida, parametrizadas por diferentes corrientes de entrada (I_F), muestran las regiones de operación (saturación, activa) del fotodarlington. Se utilizan para determinar la línea de carga y asegurar que el dispositivo opere dentro de límites seguros y funcionales.
• Formas de Onda de Tiempo de Conmutación: El circuito de prueba y el diagrama de formas de onda ilustran cómo se miden el tiempo de subida (t_r), el tiempo de bajada (t_f), el retardo de encendido (t_on) y el retardo de apagado (t_off). Comprender esto ayuda en el diseño de circuitos de temporización y en predecir la integridad de la señal.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Dimensiones del Paquete

El EL815 se ofrece en tres opciones principales de forma de terminales, cada una con dibujos mecánicos detallados que especifican todas las dimensiones críticas en milímetros.

• Tipo DIP Estándar: El paquete clásico de orificio pasante con espaciado de pines estándar.
• Tipo Opción M: Presenta una curvatura amplia de los terminales, proporcionando un espaciado de 0.4 pulgadas (aprox. 10.16mm), lo que puede ser beneficioso para los requisitos de distancia de fuga y separación en las PCB.
• Tipo Opción S1: Una forma de terminal para dispositivo de montaje superficial (SMD) con perfil bajo. Esta es la variante SMD del paquete.

Todos los paquetes mantienen una distancia de fuga mayor a 7.62 mm, lo que contribuye a la alta clasificación de tensión de aislamiento.

4.2 Identificación de Polaridad y Marcado

La configuración de pines es estándar para un optoacoplador DIP de 4 pines:

1. Ánodo (positivo del LED de entrada)
2. Cátodo (negativo del LED de entrada)
3. Emisor (emisor del transistor de salida)
4. Colector (colector del transistor de salida)

El dispositivo está marcado en la parte superior con "EL" (denotando la serie), "815" (el número del dispositivo), seguido de un código de año de 1 dígito (Y), un código de semana de 2 dígitos (WW) y una "V" opcional para las versiones aprobadas por VDE.

4.3 Diseño Recomendado de Pads para SMD

Para la opción S1 (montaje superficial), la hoja de datos proporciona un diagrama sugerido de diseño de pads. Las dimensiones se dan como referencia, y la nota establece explícitamente que los diseñadores deben modificar las dimensiones de los pads según su proceso específico de fabricación de PCB y requisitos de confiabilidad.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

Los Límites Absolutos Máximos especifican una temperatura de soldadura (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos. Este es un parámetro crítico para los procesos de soldadura por reflujo.

• Soldadura por Reflujo: Para el montaje SMD (opción S1), se debe utilizar un perfil de reflujo estándar sin plomo con una temperatura máxima que no exceda los 260°C durante el tiempo especificado. El perfil debe controlarse para evitar choques térmicos.
• Soldadura por Ola/Manual: Para los paquetes de orificio pasante (Estándar y opción M), se pueden utilizar técnicas estándar de soldadura por ola o manual, pero se debe tener cuidado para limitar el tiempo de exposición del cuerpo del dispositivo a altas temperaturas.
• Condiciones de Almacenamiento: El rango de temperatura de almacenamiento se especifica como -55°C a +125°C. Los dispositivos deben almacenarse en un ambiente seco y antiestático. Para las piezas SMD suministradas en cinta y carrete, el carrete debe almacenarse en su bolsa barrera de humedad original con desecante si los dispositivos son sensibles a la humedad (aunque no se indique explícitamente como clasificado MSL en esta hoja de datos).

6. Información de Empaquetado y Pedido

6.1 Estructura del Código de Pedido

El número de parte sigue el formato:EL815X(Z)-V

• X: Opción de forma de terminal.
  • Ninguno: DIP-4 estándar (100 unidades/tubo).
  • M: Curvatura amplia de terminales, espaciado 0.4" (100 unidades/tubo).
  • S1: Forma de terminal para montaje superficial, perfil bajo.
• Z: Opción de cinta y carrete (solo aplicable con S1).
  • TA, TB, TU, TD: Diferentes especificaciones de cinta y carrete que afectan la cantidad de empaque y la dirección de alimentación.
• V: Sufijo opcional que denota aprobación de seguridad VDE.

6.2 Especificaciones de Cinta y Carrete

Se proporcionan dibujos dimensionales detallados y tablas para la cinta (cinta portadora, cinta de cubierta) y el carrete. Las dimensiones clave incluyen el tamaño del bolsillo (A, B), el diámetro del orificio (D0), el espaciado de componentes (P0), el ancho de la cinta (W) y las dimensiones del núcleo del carrete. Las opciones TA y TB difieren en la dirección de alimentación desde el carrete, lo que debe configurarse correctamente en el equipo automatizado de pick-and-place.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La hoja de datos enumera varias áreas de aplicación: teléfonos/centralitas, controladores de secuencia, electrodomésticos del sistema, instrumentos de medición y transmisión de señal entre circuitos de diferentes potenciales/impedancias. El alto CTR y la tensión de aislamiento lo hacen particularmente adecuado para:

• Aislamiento de E/S de Microcontrolador: Proteger un microcontrolador de bajo voltaje de señales de control industrial de mayor voltaje o ruidosas.
• Detección de Línea CA: Usar el optoacoplador para proporcionar retroalimentación aislada desde un triac o relé que maneja una carga de CA.
• Eliminación de Bucles de Masa: Romper bucles de masa en cadenas de señal analógica entre sensores y sistemas de adquisición de datos.
• Traducción de Nivel Lógico con Aislamiento: Interconectar circuitos lógicos que operan a diferentes niveles de voltaje manteniendo el aislamiento.

7.2 Consideraciones de Diseño

• Limitación de Corriente de Entrada: Siempre se debe usar una resistencia en serie con el LED de entrada para limitar la corriente directa (I_F) al valor deseado, calculado como (Tensión de Alimentación - V_F) / I_F.
• Carga de Salida: El fotodarlington de salida actúa como un sumidero de corriente. Una resistencia de pull-up se conecta típicamente desde el colector a una tensión de alimentación positiva (V_CC). El valor de esta resistencia y la carga determinarán la excursión de tensión de salida y la velocidad de conmutación.
• Compromiso Velocidad vs. Sensibilidad: El alto CTR tiene el costo de velocidades de conmutación más lentas. Este dispositivo no es adecuado para comunicación de alta frecuencia (por ejemplo, aisladores digitales para USB, SPI > 10 kHz). Es ideal para detección de estado, señales de control lentas y sincronización de línea de alimentación CA (50/60 Hz).
• Consideraciones Térmicas:** Aunque la disipación de potencia es baja, operar a la temperatura máxima de unión (inferida de T_OPRhasta 110°C) puede requerir reducir la capacidad (derrate) de las corrientes máximas permitidas o la disipación de potencia.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

La serie EL815, como acoplador fotodarlington, ocupa un nicho específico en comparación con otros tipos de optoacopladores:

• vs. Acopladores Fototransistor Estándar: Los acopladores fotodarlington ofrecen un CTR mucho más alto (a menudo 10-100 veces mayor) pero son significativamente más lentos. Elija un fototransistor para velocidad moderada (decenas de kHz) y un fotodarlington para máxima sensibilidad con baja corriente de entrada a bajas frecuencias.
• vs. Acopladores Foto-IC (Salida Lógica): Los acopladores foto-IC tienen salida digital (conmutación limpia) y pueden ser muy rápidos (rango de MBd), pero tienen una función de transferencia de corriente fija, a menudo más baja, y requieren una tensión de alimentación específica en el lado de salida. El EL815 proporciona una salida de corriente analógica y puede operar en un amplio rango de tensiones de salida (hasta V_CEO).
• vs. Otros Fotodarlingtons: Los diferenciadores clave del EL815 son su alto aislamiento de 5000V_rms, amplio rango de temperatura de operación (-55°C a +110°C) y cumplimiento con las principales aprobaciones de seguridad internacionales (UL, VDE, cUL, SEMKO, etc.). La amplia clasificación de CTR (600-7500%) permite obtener piezas adaptadas a necesidades específicas de sensibilidad.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es el propósito de la alta tensión de aislamiento (5000Vrms)?

R: Garantiza una operación confiable y seguridad en aplicaciones donde los circuitos aislados tienen una gran diferencia de potencial, como en fuentes de alimentación fuera de línea, controles de motores industriales o equipos médicos. Protege contra transitorios de alta tensión y evita la ruptura.

P: Mi circuito necesita conmutar a 1 kHz. ¿Es adecuado el EL815?

R: Sí, absolutamente. Con una frecuencia de corte típica (f_c) de 6 kHz y tiempos de subida/bajada en las decenas de microsegundos, el EL815 puede manejar cómodamente la conmutación a 1 kHz. La forma de onda de salida será redondeada, no cuadrada, pero para control de encendido/apagado a esta frecuencia, es perfectamente adecuado.

P: ¿Cómo elijo el grado de CTR correcto?

R: Seleccione un CTR mínimo que asegure que su transistor de salida se sature (se active completamente) con su corriente de entrada planificada en el peor caso (más baja). Por ejemplo, si su diseño excita I_F= 1mA y necesita I_C> 5mA para saturar la carga, necesita un CTR > 500%. Elegir una pieza de un bin de CTR más alto proporciona un mayor margen de diseño. Consulte siempre la curva CTR vs. temperatura para sus condiciones de operación.

P: ¿Puedo usar esto para aislamiento de señal analógica?

R: Aunque es posible, no es ideal. El CTR de los fotodarlingtons no es lineal y varía significativamente con la temperatura y la corriente directa. Para aislamiento analógico de precisión, se recomiendan optoacopladores lineales dedicados o amplificadores de aislamiento. El EL815 es más adecuado para aislamiento digital (encendido/apagado) o aislamiento analógico de baja precisión.

10. Caso Práctico de Diseño

Escenario: Entrada Digital Aislada para un Módulo PLC de 24V.

Un Controlador Lógico Programable (PLC) necesita leer una señal de sensor de 24V CC mientras proporciona 4000V de aislamiento para seguridad e inmunidad al ruido.

1. Diseño del Circuito: La salida del sensor de 24V se conecta en serie con una resistencia limitadora de corriente y el LED de entrada del EL815 (pines 1-2). El valor de la resistencia se calcula para I_F≈ 5-10 mA a 24V. En el lado de salida, el colector (pin 4) se conecta a través de una resistencia de pull-up de 10kΩ a la fuente de alimentación lógica interna de 3.3V del PLC. El emisor (pin 3) se conecta a la masa interna del PLC. La señal de salida se toma del colector.
2. Selección de Componentes: Se elige un EL815 con un grado de CTR que asegure la saturación a I_F= 5mA. El aislamiento de 5000V_rmsy las aprobaciones de seguridad (UL, VDE) cumplen con los estándares industriales. Se selecciona el paquete S1 (SMD) para el montaje de PCB de alta densidad.
3. Rendimiento: Cuando el sensor de 24V está activo, el LED se enciende, haciendo que el fotodarlington conduzca, llevando la tensión de salida del colector a un nivel bajo (a V_CE(sat)≈ 0.8V), que es leído como un '0' lógico por el PLC. Cuando el sensor está apagado, el fotodarlington está apagado y la resistencia de pull-up lleva la salida a 3.3V ('1' lógico). La barrera de aislamiento protege la lógica sensible del PLC de cualquier falla o transitorio en la línea del sensor de 24V.

11. Principio de Funcionamiento

El EL815 opera bajo el principio fundamental de conversión optoelectrónica. Una señal eléctrica aplicada al lado de entrada hace que la corriente (I_F) fluya a través del Diodo Emisor de Luz infrarroja (LED). Este LED emite luz infrarroja con una intensidad proporcional a la corriente directa. La luz viaja a través de un espacio de aislamiento transparente dentro del paquete y golpea la región de la base de un transistor fotodarlington en el lado de salida.

Un fotodarlington es esencialmente dos transistores bipolares conectados en una configuración Darlington, donde la fotocorriente generada en la unión base-colector del primer transistor (que actúa como fotodiodo) es amplificada por el segundo transistor. Esta estructura proporciona una ganancia de corriente muy alta (h_FE), que se traduce en la alta Relación de Transferencia de Corriente (CTR) observada. Por lo tanto, la corriente de colector de salida (I_C) es controlada por la intensidad de la luz de entrada, y por lo tanto por la señal eléctrica de entrada, sin ninguna conexión eléctrica entre los dos lados.

12. Tendencias Tecnológicas

La tecnología de optoacopladores continúa evolucionando. Si bien dispositivos tradicionales como el EL815 siguen siendo vitales para aplicaciones sensibles al costo, de alto aislamiento y alto CTR, varias tendencias son notables:

• Integración: Dispositivos más nuevos integran componentes adicionales como resistencias base-emisor en el transistor de salida para mejorar la estabilidad térmica y la velocidad de conmutación.
• Aislamiento Digital de Alta Velocidad: Tecnologías basadas en acopladores de RF, magnetorresistencia gigante (GMR) o acoplamiento capacitivo están desafiando a los optoacopladores en el aislamiento de datos de alta velocidad (≥1 Mbps) debido a su velocidad, estabilidad y longevidad superiores.
• Miniaturización: Existe un impulso continuo hacia paquetes SMD más pequeños (por ejemplo, SO-4, SO-5) con las mismas o mejores clasificaciones de aislamiento, impulsado por la necesidad de una mayor densidad de PCB.
• Confiabilidad Mejorada: Enfoque en mejorar la degradación del CTR a largo plazo, especialmente bajo condiciones de estrés de alta temperatura y alta corriente, para satisfacer las demandas de aplicaciones automotrices e industriales con vidas útiles más largas.

A pesar de estas tendencias, el acoplador fotodarlington fundamental, ejemplificado por la serie EL815, mantiene una posición sólida en el mercado debido a su simplicidad, robustez, alta capacidad de aislamiento y excelente rendimiento en su dominio de frecuencia de baja a moderada previsto.