Hoja de Datos del Fotocoplador EL2514-G - Paquete DIP de 4 Pines - Aislamiento 5000Vrms - CTR 50-200% - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie EL2514-G representa una familia de fotocopladores de fototransistor de alto rendimiento en paquete DIP (Dual In-line Package) de 4 pines. Estos dispositivos están diseñados para proporcionar un aislamiento eléctrico fiable y transmisión de señal entre dos circuitos. El componente central es un diodo emisor de infrarrojos acoplado ópticamente a un detector de fototransistor de silicio. Una característica clave del diseño del EL2514-G es su optimización para velocidades de conmutación relativamente altas, alcanzables incluso con resistencias de carga en el rango de kiloohmios. Esto lo hace adecuado para aplicaciones que requieren tanto aislamiento como un ancho de banda moderado.

La serie se caracteriza por su cumplimiento de estrictas normas medioambientales y de seguridad. Se fabrica como un producto libre de halógenos, adhiriéndose a límites específicos de contenido de bromo (Br) y cloro (Cl). Además, cuenta con aprobaciones de importantes agencias de seguridad internacionales como UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC, lo que garantiza su idoneidad para mercados globales y aplicaciones reguladas.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está diseñado para operar de forma fiable dentro de límites especificados. Exceder estos Límites Absolutos Máximos puede causar daños permanentes. Los límites clave incluyen: una corriente directa continua (I_F) de 50 mA para el LED de entrada, una corriente directa de pico (I_FP) de 0.5 A para un pulso de 1µs, y un voltaje inverso (V_R) de 6 V. En el lado de salida, la corriente de colector (I_C) está clasificada en 20 mA, con un voltaje colector-emisor (V_CEO) de 40 V. La disipación de potencia total (P_TOT) del dispositivo es de 200 mW. Un parámetro de seguridad crítico es el voltaje de aislamiento (V_ISO) de 5000 V_rms, probado durante 1 minuto bajo condiciones específicas de humedad (40-60% HR) con los pines de entrada y salida cortocircuitados por separado. El rango de temperatura de operación es extenso, desde -55°C hasta +110°C.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de operación a 25°C.

2.2.1 Características de Entrada (Lado del LED)

• Voltaje Directo (V_F):Típicamente 1.2 V, con un máximo de 1.4 V cuando se excita a I_F= 20 mA. Esto es crucial para diseñar la fuente de voltaje del circuito de excitación.
• Corriente Inversa (I_R):Máximo de 10 µA a V_R= 4V, indicando buenas características de diodo.
• Capacitancia de Entrada (C_in):Varía desde un valor típico de 30 pF hasta un máximo de 250 pF. Esta capacitancia puede afectar la capacidad de excitación en alta frecuencia.

2.2.2 Características de Salida (Lado del Fototransistor)

• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (I_CEO):Máximo de 100 nA a V_CE= 10V con el LED apagado. Esta baja corriente de fuga es esencial para lograr un buen estado de \"apagado\".
• Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (BV_CEO):Mínimo de 40 V, medido a I_C= 0.1 mA.
• Voltaje de Ruptura Emisor-Colector (BV_ECO):Mínimo de 0.45 V, que es relativamente bajo e indica la asimetría del fototransistor.

2.2.3 Características de Transferencia

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR):Esta es una métrica de rendimiento central, definida como (I_C/ I_F) * 100%. Para el EL2514-G, el CTR varía del 50% al 200% bajo la condición de prueba estándar de I_F= 5 mA y V_CE= 5V. Este amplio rango requiere un diseño de circuito adecuado para acomodar la variación entre unidades.
• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(sat)):Máximo de 0.35 V a I_F= 5 mA e I_C= 0.4 mA. Un bajo voltaje de saturación es deseable para lograr un nivel de salida lógico-bajo fuerte.
• Resistencia de Aislamiento (R_IO):Mínimo de 5 x 10¹⁰Ω a 500 V_DC, asegurando un excelente aislamiento en DC.
• Capacitancia Flotante (C_IO):Típicamente 0.6 pF, con un máximo de 1.0 pF. Esta baja capacitancia contribuye a una alta inmunidad a transitorios en modo común.
• Tiempos de Conmutación:Tanto el tiempo de encendido (t_on) como el tiempo de apagado (t_off) tienen una especificación máxima de 25 µs bajo las condiciones de prueba de V_CC= 5V, I_F= 5 mA, y R_L= 5 kΩ. Esto define la velocidad del dispositivo para la transmisión de señales digitales.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a curvas típicas de características electro-ópticas. Aunque los gráficos específicos no se detallan en el texto proporcionado, tales curvas suelen ilustrar la relación entre parámetros clave. Los diseñadores deben esperar ver curvas que representen:

• CTR vs. Corriente Directa (I_F):Muestra cómo cambia la relación de transferencia de corriente con diferentes corrientes de excitación del LED.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_A):Ilustra la dependencia del CTR con la temperatura, que típicamente disminuye a medida que aumenta la temperatura.
• Corriente de Colector (I_C) vs. Voltaje Colector-Emisor (V_CE):Familia de curvas para diferentes corrientes del LED, mostrando las características de salida del fototransistor.
• Formas de Onda de Conmutación:Se proporciona un circuito de prueba y las formas de onda asociadas (Figura 7) para definir las condiciones de medición de t_ony t_off. Esto típicamente involucra un generador de pulsos que excita el LED y un osciloscopio que monitorea la salida del fototransistor a través de la resistencia de carga.

Analizar estas curvas es esencial para optimizar el rendimiento del circuito en los rangos de temperatura y corriente de operación previstos.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Opciones de Paquete y Dimensiones

El EL2514-G se ofrece en varias variantes de paquete DIP de 4 pines para adaptarse a diferentes procesos de montaje:

• DIP Estándar:El paquete clásico de orificio pasante.
• Opción M:Presenta una \"curva ancha de terminales\" que proporciona un espaciado de terminales de 0.4 pulgadas (aprox. 10.16mm), lo que puede ser útil para diseños específicos de PCB o requisitos de distancia de fuga.
• Opción S1:Una forma de terminal para montaje superficial (SMD) de perfil bajo. Se ofrece con dos opciones de cinta y carrete (TU, TD), empaquetando 1500 unidades por carrete.
• Opción S2:Otra forma de terminal para montaje superficial, también de perfil bajo, con opciones de cinta y carrete que empaquetan 2000 unidades por carrete.

Se proporcionan dibujos dimensionados detallados para cada tipo de paquete, incluyendo medidas críticas como tamaño del cuerpo, longitud de terminales, espaciado de terminales y altura de separación. La distancia de fuga entre los lados de entrada y salida se especifica como mayor a 7.62 mm, contribuyendo a la alta clasificación de aislamiento.

4.2 Configuración de Pines y Polaridad

El dispositivo utiliza una asignación de pines DIP de 4 pines estándar:

1. Ánodo (del LED de entrada)
2. Cátodo (del LED de entrada)
3. Emisor (del fototransistor de salida)
4. Colector (del fototransistor de salida)

La orientación correcta es crítica. El marcado del dispositivo incluye el código \"EL2514GYWWV\", donde EL representa al fabricante, 2514 es el número del dispositivo, G denota libre de halógenos, Y es un código de un dígito para el año, WW es un código de dos dígitos para la semana, y V indica la aprobación opcional de VDE.

4.3 Diseño Recomendado de Pads en PCB

Para las opciones de montaje superficial (S1 y S2), la hoja de datos proporciona diseños sugeridos de pads. Estos son diseños de referencia destinados a garantizar una soldadura fiable y estabilidad mecánica. La documentación señala explícitamente que estas dimensiones deben modificarse en función de los procesos de fabricación individuales y los requisitos, como el volumen de pasta de soldadura y consideraciones de alivio térmico.

5. Guías de Soldadura y Montaje

El dispositivo está clasificado para una temperatura de soldadura (T_SOL) de 260°C durante un máximo de 10 segundos. Esto es consistente con los perfiles típicos de soldadura por reflujo sin plomo. Para la soldadura por ola de paquetes de orificio pasante, se deben seguir las prácticas estándar de la industria, teniendo cuidado de no exceder la temperatura máxima del cuerpo del paquete. El rango de temperatura de almacenamiento es de -55°C a +125°C. Se recomienda almacenar los dispositivos en empaques sensibles a la humedad si están destinados al montaje SMD y seguir los procedimientos de horneado apropiados si se excede el nivel de exposición a la humedad.

6. Información de Empaquetado y Pedido

El código de pedido sigue el patrón: EL2514X(Y)-VG.

• X:Opción de forma de terminal (S1, S2, M, o ninguna para DIP Estándar).
• Y:Opción de cinta y carrete (TU, TD, o ninguna para empaque en tubo).
• V:Denota la aprobación de seguridad VDE (opcional).
• G:Indica construcción libre de halógenos.

Las cantidades de empaque varían: 100 unidades por tubo para las opciones de orificio pasante, y 1500 o 2000 unidades por carrete para las opciones SMD de cinta y carrete. Se proporcionan especificaciones detalladas de cinta y carrete, incluyendo dimensiones del bolsillo (A0, B0), ancho de cinta (W), paso (P0) y diámetro del núcleo del carrete, para la programación de máquinas de colocación automática.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

El EL2514-G es muy adecuado para aplicaciones que requieren aislamiento galvánico, inmunidad al ruido o cambio de nivel. Las aplicaciones específicas mencionadas incluyen:

• Controladores Lógicos Programables (PLC):Para aislar módulos de E/S digitales de la unidad central de procesamiento y dispositivos de campo.
• Electrodomésticos de Sistema e Instrumentos de Medición:Aislamiento de señales de sensores o líneas de comunicación en equipos industriales.
• Contadores de Electricidad Electrónicos:Proporcionando aislamiento en circuitos de medición para seguridad y rechazo de ruido.
• Equipos de Telecomunicaciones:Aislamiento de señal en líneas de datos o bucles de realimentación de fuentes de alimentación.
• Fuentes de Alimentación:Comúnmente utilizado en bucles de realimentación de fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) para aislar la señal de realimentación del lado secundario del controlador del lado primario, mejorando la seguridad y estabilidad.

7.2 Consideraciones de Diseño

• Variación del CTR:Diseñe el circuito receptor (por ejemplo, umbrales de comparador, valores de resistencias pull-up) para que funcione de manera fiable en todo el rango de CTR de 50-200%.
• Velocidad vs. Carga:La velocidad de conmutación se especifica con una carga de 5 kΩ. Usar una resistencia de carga más pequeña generalmente mejorará la velocidad de conmutación pero reducirá el swing de salida y aumentará el consumo de energía. Una resistencia más grande ralentiza la respuesta, particularmente el tiempo de apagado, debido al tiempo de almacenamiento del fototransistor.
• Limitación de Corriente del LED:Siempre use una resistencia en serie para limitar la corriente directa (I_F) al rango de operación recomendado (5-7 mA típico) o por debajo del máximo absoluto. Esto asegura una fiabilidad a largo plazo y un CTR estable.
• Inmunidad al Ruido:Aunque los fotocopladores proporcionan un excelente rechazo en modo común, asegure un diseño de PCB adecuado manteniendo separadas las trazas de entrada y salida y usando condensadores de desacoplamiento cerca de los pines del dispositivo para suprimir el ruido de alta frecuencia.

8. Comparación y Posicionamiento Técnico

El EL2514-G se diferencia en el mercado a través de una combinación de atributos clave. Su alto voltaje de aislamiento (5000 Vrms) y su larga distancia de fuga lo convierten en un fuerte candidato para aplicaciones con requisitos de seguridad estrictos. La construcción libre de halógenos aborda las regulaciones medioambientales y las preferencias de los clientes por la electrónica \"verde\". La amplia cartera de aprobaciones (UL, VDE, etc.) reduce las barreras de calificación para productos finales dirigidos a mercados globales. Si bien su velocidad de conmutación (25 µs) es adecuada para muchas aplicaciones de aislamiento digital y realimentación de fuentes de alimentación, no está posicionado como un acoplador ultrarrápido para comunicación de datos; esas aplicaciones requerirían dispositivos con tiempos de conmutación en el rango de nanosegundos. Por lo tanto, el EL2514-G se considera mejor como un fotocoplador robusto y de propósito general optimizado para fiabilidad, cumplimiento de seguridad y rendimiento moderado.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Qué significa el rango de CTR de 50-200% para mi diseño de circuito?

R: Significa que la corriente de salida puede ser tan baja como la mitad de la corriente de entrada o tan alta como el doble. Su circuito debe funcionar correctamente en ambos extremos. Para una interfaz digital, esto afecta la elección de la resistencia pull-up y el umbral de entrada de la puerta o microcontrolador siguiente.

P: ¿Puedo excitar el LED directamente con una fuente de voltaje?

R: No. Un LED es un dispositivo excitado por corriente. Siempre debe usar una resistencia limitadora de corriente en serie con el LED para establecer la I_Fdeseada y prevenir daños por sobrecorriente, incluso si su voltaje de suministro coincide con el V_F.

P: El voltaje de aislamiento es de 5000 Vrms. ¿Significa esto que puedo aplicar 5000V entre la entrada y la salida continuamente?

R: No. Este es un voltaje de resistencia probado durante un minuto bajo condiciones controladas. El voltaje de trabajo continuo en una aplicación debe ser significativamente menor, según lo definido por las normas de seguridad relevantes para el equipo final.

P: ¿Cuál es la diferencia entre las Opciones S1 y S2?

R: La diferencia principal está en la huella del paquete y las dimensiones de la cinta. S2 es ligeramente más ancho en el cuerpo (dimensión B0) y usa una cinta más ancha (24mm vs. 16mm para S1), permitiendo más unidades por carrete (2000 vs. 1500). La elección depende de sus limitaciones de espacio en el PCB y la compatibilidad del alimentador de la línea de montaje.

10. Caso Práctico de Diseño

Escenario: Aislamiento de una Señal Digital desde un Microcontrolador hacia una Sección de Alto Voltaje.

Un microcontrolador (lógica de 3.3V) necesita enviar una señal de ENCENDIDO/APAGADO a un circuito que opera a un potencial de alto voltaje diferente y ruidoso. Se puede usar un EL2514-G para el aislamiento.



Pasos de Diseño:

1. Lado de Entrada:Conecte el pin GPIO del microcontrolador al ánodo del fotocoplador a través de una resistencia limitadora de corriente (R_limit). Calcule R_limit= (V_{CC_MCU}- V_F) / I_F. Para V_{CC_MCU}=3.3V, V_F~1.2V, y apuntando a I_F=5mA, R_limit= (3.3-1.2)/0.005 = 420Ω. Use una resistencia estándar de 470Ω. Conecte el cátodo a tierra.
2. Lado de Salida:Conecte el colector a una resistencia pull-up (R_L) en la fuente de alimentación de alto voltaje aislada (por ejemplo, 12V). El emisor se conecta a la tierra aislada. El valor de R_Lafecta la velocidad y la corriente. Usar la condición de prueba de la hoja de datos de 5kΩ proporciona el tiempo de conmutación especificado. La señal desde el nodo del colector puede entonces excitar la puerta de un MOSFET u otra entrada lógica en el lado aislado.
3. Diseño del PCB:Separe físicamente las secciones de entrada y salida en el PCB. Mantenga la distancia de fuga >7.62 mm según la capacidad del paquete. Coloque un pequeño condensador de desacoplamiento (por ejemplo, 0.1µF) entre la alimentación y tierra en ambos lados del acoplador, cerca de los pines del dispositivo.

Esta configuración evita bucles de tierra, bloquea el ruido y protege al microcontrolador de transitorios de voltaje en el lado de alto voltaje.

11. Principio de Funcionamiento

Un fotocoplador, u optoacoplador, es un dispositivo que transfiere una señal eléctrica entre dos circuitos aislados usando luz. En el EL2514-G, una corriente eléctrica aplicada a los pines de entrada (1 y 2) hace que el Diodo Emisor de Luz (LED) infrarrojo emita fotones. Estos fotones viajan a través de un espacio aislante transparente (típicamente hecho de compuesto de moldeo) y golpean la región de base del fototransistor de silicio en el lado de salida (pines 3 y 4). La luz entrante genera pares electrón-hueco en la base, actuando efectivamente como una corriente de base. Esta corriente de base fotogenerada es luego amplificada por la ganancia del transistor, resultando en una corriente de colector (I_C) que es proporcional a la corriente del LED de entrada (I_F). La relación I_C/I_Fes la Relación de Transferencia de Corriente (CTR). El aspecto clave es que la única conexión entre la entrada y la salida es el haz de luz, proporcionando el aislamiento galvánico.

12. Tendencias Tecnológicas

El mercado de fotocopladores continúa evolucionando. Las tendencias que influyen en dispositivos como el EL2514-G incluyen:

• Mayor Integración:Combinar múltiples canales de aislamiento o integrar funciones adicionales como controladores de puerta o amplificadores de error en un solo paquete.
• Mayor Velocidad:Desarrollo de acopladores que usan detectores más rápidos como fotodiodos con amplificadores integrados para soportar protocolos de comunicación digital (USB, CAN, RS-485) a velocidades de datos de Mbps.
• Fiabilidad y Vida Útil Mejoradas:Enfoque en mejorar la estabilidad a largo plazo del CTR, que puede degradarse con el tiempo debido al envejecimiento del LED, especialmente a altas temperaturas y corrientes.
• Cumplimiento Ambiental Más Estricto:Más allá de RoHS y libre de halógenos, hay una creciente atención a sustancias como PFAS y métricas de sostenibilidad más amplias en la cadena de suministro.
• Tecnologías de Aislamiento Alternativas:Si bien los fotocopladores siguen siendo dominantes para muchas aplicaciones, tecnologías como el aislamiento capacitivo (usando barreras de SiO₂) y el aislamiento magnético (usando transformadores) compiten en áreas que requieren velocidad muy alta, bajo consumo de energía o alta densidad de integración. Los fotocopladores mantienen ventajas en simplicidad, alta inmunidad a transitorios en modo común (CMTI) y certificaciones de seguridad bien establecidas.

El EL2514-G, con su enfoque en certificaciones de seguridad, cumplimiento ambiental y rendimiento robusto, aborda las necesidades perdurables de los mercados industrial, de potencia y de electrodomésticos, donde estas tendencias son de vital importancia.