Hoja de Datos de la Serie EL354N-G - Fototransistor Optoacoplador para Entrada CA - Paquete SOP de 4 Pines - Aislamiento 3750Vrms - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie EL354N-G representa una familia de fototransistores optoacopladores compactos y de alto rendimiento, diseñados específicamente para aplicaciones de entrada de corriente alterna (CA). Estos dispositivos están concebidos para proporcionar un aislamiento eléctrico fiable y transmisión de señal en entornos donde la polaridad de entrada puede ser desconocida o alterna. El núcleo del dispositivo consiste en dos diodos emisores de infrarrojos conectados en antiparalelo, acoplados ópticamente a un detector de fototransistor de silicio. Esta configuración única permite que el dispositivo responda al flujo de corriente en cualquier dirección a través de los LED de entrada, haciéndolo intrínsecamente adecuado para aplicaciones de monitorización y detección de señales CA donde la polaridad de CC no está fija.

Encapsulados en un paquete SOP (Small Outline Package) de 4 pines que ahorra espacio, estos optoacopladores son ideales para diseños modernos de placas de circuito impreso (PCB) de alta densidad. Una filosofía de diseño clave detrás de esta serie es el cumplimiento de estándares globales medioambientales y de seguridad. Los dispositivos están libres de halógenos, adhiriéndose a límites estrictos de bromo (Br<900 ppm), cloro (Cl<900 ppm), y su total combinado (Br+Cl<1500 ppm). Además, mantienen el cumplimiento con las directivas RoHS (Restricción de Sustancias Peligrosas) y el reglamento REACH de la UE, asegurando que cumplen con los requisitos medioambientales contemporáneos para componentes electrónicos.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

La ventaja principal de la serie EL354N-G radica en su combinación de capacidad de entrada CA, alto aislamiento y factor de forma compacto. El alto voltaje de aislamiento de 3750 V_rmsentre entrada y salida proporciona una barrera de seguridad robusta, protegiendo los circuitos de control de baja tensión sensibles de las líneas de red de alta tensión o ruidosas líneas industriales. Esto los hace indispensables en aplicaciones que requieren aislamiento galvánico.

Los mercados objetivo para este componente son diversos, abarcando la automatización industrial, telecomunicaciones y gestión de energía. Las áreas de aplicación clave incluyen la monitorización de línea CA en fuentes de alimentación y electrodomésticos, proporcionando aislamiento de entrada en controladores lógicos programables (PLC), interfaz en circuitos de línea telefónica y sirviendo como sensores para señales CC de polaridad desconocida. Las aprobaciones del dispositivo por parte de las principales agencias de seguridad internacionales—incluyendo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC—facilitan su uso en productos finales destinados a mercados globales, simplificando el proceso de certificación para los fabricantes de equipos.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

Una comprensión exhaustiva de los límites y características de rendimiento del dispositivo es crucial para un diseño de circuito fiable. Los parámetros definen el entorno operativo y aseguran que el componente se utilice dentro de su área de operación segura (SOA).

2.1 Especificaciones Absolutas Máximas

Las Especificaciones Absolutas Máximas definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente en el dispositivo. Estas no son condiciones de operación.

• Corriente Directa de Entrada (I_F): ±50 mA (CC). Esta especificación se aplica a la corriente en cualquier dirección a través de los diodos de entrada.
• Corriente Directa de Pico (I_FP): 1 A para un pulso de 1 µs. Esto permite que el dispositivo soporte breves sobretensiones de corriente.
• Disipación de Potencia: La disipación de potencia total del dispositivo (P_TOT) no debe exceder los 200 mW. El lado de entrada (P_D) está especificado para 70 mW con un factor de reducción de 3.7 mW/°C por encima de los 90°C de temperatura ambiente (T_a). El lado de salida (P_C) está especificado para 150 mW, con reducción por encima de 70°C T_a.
• Especificaciones de Voltaje: El voltaje colector-emisor (V_CEO) es de 80 V, mientras que el voltaje emisor-colector (V_ECO) es de 6 V. La asimetría se debe a la estructura del fototransistor.
• Voltaje de Aislamiento (V_ISO): 3750 V_rmsdurante 1 minuto al 40-60% de humedad relativa. Este es un parámetro de seguridad crítico.
• Rango de Temperatura: La temperatura de operación (T_OPR) abarca desde -55°C hasta +100°C. La temperatura de almacenamiento (T_STG) varía desde -55°C hasta +125°C.
• Temperatura de Soldadura: El dispositivo puede soportar una temperatura máxima de soldadura (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos, lo cual es compatible con procesos de reflujo sin plomo.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de operación a 25°C, salvo que se especifique lo contrario.

2.2.1 Características de Entrada

• Voltaje Directo (V_F): Típicamente 1.2 V, con un máximo de 1.4 V a una corriente directa (I_F) de ±20 mA. Esta baja caída de voltaje es beneficiosa para circuitos de baja potencia.
• Capacitancia de Entrada (C_in): Varía desde 50 pF (típico) hasta 250 pF (máx.) a 1 kHz. Este parámetro afecta la respuesta de alta frecuencia y el posible ruido de acoplamiento.

2.2.2 Características de Salida

• Corriente de Oscuridad (I_CEO): La corriente de fuga de colector a emisor cuando el LED de entrada está apagado (I_F=0) y V_CE=20V es un máximo de 100 nA. Una baja corriente de oscuridad es esencial para una buena relación señal-ruido en condiciones de apagado.
• Voltajes de Ruptura: BV_CEOes un mínimo de 80 V, y BV_ECOes un mínimo de 7 V. Estos definen los voltajes inversos máximos sostenibles.

2.2.3 Características de Transferencia

Estos parámetros describen la eficiencia de acoplamiento y la velocidad entre la entrada y la salida.

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR): Esta es la relación entre la corriente de colector de salida (I_C) y la corriente directa de entrada (I_F), expresada como un porcentaje. Es el parámetro clave para la ganancia. El EL354N estándar tiene un rango CTR del 20% al 300% a I_F= ±1mA, V_CE= 5V. La variante EL354NA ofrece una clasificación más estrecha y alta con un rango CTR del 50% al 150% bajo las mismas condiciones. Esta clasificación permite a los diseñadores seleccionar dispositivos para una ganancia más consistente en producción.
• Voltaje de Saturación (V_CE(sat)): Típicamente 0.1 V, máximo 0.2 V cuando I_F=±20mA y I_C=1mA. Un bajo voltaje de saturación minimiza la pérdida de potencia cuando el transistor de salida está completamente encendido.
• Resistencia de Aislamiento (R_IO): Mínimo 5×10¹⁰Ω, típico 10¹¹Ω a 500 V CC. Esta resistencia extremadamente alta es fundamental para la función de aislamiento.
• Frecuencia de Corte (f_c): Típicamente 80 kHz (punto -3dB) bajo condiciones de prueba especificadas. Esto define la frecuencia máxima útil de la señal.
• Capacitancia Flotante (C_IO): Típicamente 0.6 pF, máximo 1.0 pF a 1 MHz. Esta es la capacitancia parásita a través de la barrera de aislamiento, que puede acoplar ruido de alta frecuencia.
• Velocidad de Conmutación: Tanto el tiempo de subida (t_r) como el tiempo de bajada (t_f) se especifican como un máximo de 18 µs. Esta velocidad relativamente moderada es adecuada para monitorización de frecuencia de línea (50/60 Hz) y muchas señales de control industrial, pero no para comunicación digital de alta velocidad.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

Si bien la hoja de datos hace referencia a curvas típicas de características electro-ópticas, sus gráficos específicos (por ejemplo, CTR vs. Temperatura, CTR vs. Corriente Directa) son esenciales para un diseño detallado. Estas curvas típicamente muestran que el CTR disminuye al aumentar la temperatura ambiente y puede tener una relación no lineal con la corriente directa. Los diseñadores deben consultar estos gráficos para reducir adecuadamente el rendimiento para su entorno operativo específico, asegurando que el circuito mantenga una ganancia suficiente en el rango de temperatura previsto. La relación entre la corriente de salida y la corriente directa también es crítica para determinar la corriente de excitación requerida para lograr un estado de salida deseado, especialmente cuando se opera cerca de los límites de la especificación CTR.

4. Información Mecánica, de Paquete y de Montaje

4.1 Dimensiones del Paquete y Polaridad

El dispositivo está alojado en un paquete SOP de 4 pines. La configuración de pines es la siguiente: Pin 1 es Ánodo/Cátodo, Pin 2 es Cátodo/Ánodo (para el par de LED en antiparalelo), Pin 3 es el Emisor del fototransistor y Pin 4 es el Colector. Esta asignación de pines es crucial para un diseño correcto del PCB. El dibujo del paquete proporciona dimensiones mecánicas precisas, incluida la longitud, anchura y altura del cuerpo, el paso de los terminales y sus dimensiones, que deben respetarse para un diseño preciso de la huella en el PCB.

4.2 Diseño Recomendado de Pads en PCB

Se proporciona un diseño sugerido de pads para montaje superficial. Se enfatiza que este es un diseño de referencia y debe modificarse según los procesos de fabricación individuales, el material del PCB y los requisitos térmicos. El objetivo del diseño de pads es asegurar la formación fiable de la unión de soldadura durante el reflujo mientras se gestiona el estrés térmico en el componente.

4.3 Directrices de Soldadura y Reflujo

Se especifican condiciones detalladas de soldadura por reflujo, haciendo referencia a IPC/JEDEC J-STD-020D. El perfil es crítico para el ensamblaje sin plomo:

• Precalentamiento: 150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Rampa de Subida: Máximo 3°C/segundo desde 200°C hasta el pico.
• Tiempo por Encima del Líquidus (217°C): 60-100 segundos.
• Temperatura de Pico: 260°C máximo.
• Tiempo dentro de 5°C del Pico: 30 segundos máximo.
• Tasa de Enfriamiento: Máximo 6°C/segundo.
• Tiempo Total del Ciclo: Desde 25°C hasta el pico en 8 minutos máximo.
• Pasadas de Reflujo: El dispositivo puede soportar un máximo de 3 ciclos de reflujo.

Adherirse a este perfil previene daños térmicos al paquete de plástico y a las uniones de alambre internas.

5. Pedido, Embalaje y Marcado

5.1 Sistema de Numeración de Parte y Clasificación

El número de parte sigue la estructura: EL354N(X)(Y)-VG.

• X: Opción de Rango CTR. 'A' denota la clasificación 50-150% (EL354NA). Sin letra denota la clasificación estándar 20-300% (EL354N).
• Y: Opción de Cinta y Carrete. 'TA' o 'TB' especifica el tipo de carrete y orientación. La omisión indica embalaje en tubo (100 unidades).
• V: Sufijo opcional que denota aprobación VDE incluida.
• G: Denota construcción libre de halógenos.

Las opciones de embalaje incluyen tubos (100 unidades) o cinta y carrete (3000 unidades por carrete para ambas opciones TA y TB). Las opciones 'TA' y 'TB' difieren en la orientación de los componentes en la cinta portadora, que debe coincidir con los requisitos del alimentador de la máquina pick-and-place.

5.2 Marcado del Dispositivo

Los dispositivos están marcados en la superficie superior con un código:EL 354N RYWWV.

• EL: Código del fabricante.
• 354N: Número base del dispositivo.
• R: Rango CTR (por ejemplo, 'A' o en blanco).
• Y: Código de año de 1 dígito.
• WW: Código de semana de 2 dígitos.
• V: Su presencia indica aprobación VDE (opcional).

5.3 Especificaciones de Cinta y Carrete

Se proporcionan dimensiones detalladas para la cinta portadora en relieve, incluyendo dimensiones del bolsillo (A, B, D0, D1), ancho de la cinta (W), paso (P0) y dimensiones del sellado de la cinta de cubierta. Estas son necesarias para configurar correctamente el equipo de ensamblaje automatizado.

6. Directrices de Aplicación y Consideraciones de Diseño

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La aplicación principal es la detección de voltaje de línea CA o detección de cruce por cero. Un circuito típico implica conectar los pines de entrada (1 y 2) en serie con una resistencia limitadora de corriente a través de la línea CA. El valor de la resistencia debe calcularse para limitar la corriente directa de pico (I_F) a un valor seguro por debajo de 50 mA, considerando el voltaje pico de CA. El transistor de salida puede conectarse en una configuración de emisor común (Emisor a tierra, Colector conectado a través de una resistencia de carga a una fuente de alimentación lógica) para proporcionar una señal digital que cambia con el ciclo de CA. Para detección de CC de polaridad desconocida, el dispositivo puede colocarse directamente en la línea de detección, ya que conducirá independientemente de la dirección de la corriente.

6.2 Factores Críticos de Diseño

• Limitación de Corriente: El aspecto más crítico del diseño del circuito de entrada. La resistencia debe limitar la corriente en las peores condiciones (voltaje máximo de línea, tolerancia mínima de la resistencia).
• Degradación del CTR: El CTR puede degradarse con el tiempo, especialmente a altas temperaturas y corrientes de operación. El diseño debe incorporar un margen (por ejemplo, usar el CTR mínimo de la hoja de datos y luego aplicar un factor de reducción adicional para la vida útil).
• Inmunidad al Ruido: La capacitancia parásita (C_IO) puede acoplar transitorios de alta frecuencia (como ESD o EMI) a través de la barrera de aislamiento. En entornos ruidosos, puede ser necesario un filtrado adicional en el lado de salida o el uso de un filtro digital más rápido en el microcontrolador.
• Limitación de Velocidad de Conmutación: El tiempo de subida/bajada de 18 µs limita el dispositivo a aplicaciones de baja frecuencia. No es adecuado para aislar líneas de datos digitales de alta velocidad.
• Disipación de CalorAsegúrese de que la disipación de potencia total (pérdida del LED de entrada + pérdida del transistor de salida) no exceda los 200 mW, considerando la reducción con la temperatura.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

El diferenciador clave del EL354N-G es su entrada de LED en antiparalelo integrada, eliminando la necesidad de rectificadores de puente externos o circuitos complejos para manejar señales CA o CC de polaridad desconocida. En comparación con los optoacopladores de entrada CC estándar, esto simplifica la lista de materiales (BOM) y ahorra espacio en la placa. Dentro del segmento de optoacopladores de entrada CA, su combinación de aislamiento de 3750Vrms, material libre de halógenos y aprobaciones de seguridad internacionales integrales (UL, VDE, etc.) en un paquete SOP compacto presenta una fuerte propuesta de valor para aplicaciones globales sensibles al costo pero críticas en seguridad. La disponibilidad de una clasificación CTR más estrecha (EL354NA) ofrece una ventaja para diseños que requieren una ganancia más consistente sin clasificación manual o calibración.

8. Preguntas Frecuentes (FAQs)

P: ¿Puedo usar este dispositivo para detectar directamente la red de 120VCA o 230VCA?

R: Sí, pero debe usar una resistencia limitadora de corriente externa en serie. Calcule su valor en función del voltaje pico de la red (por ejemplo, 230VCA RMS tiene un pico de ~325V) y la corriente deseada del LED, asegurando que la corriente pico se mantenga muy por debajo de la Especificación Absoluta Máxima de 50 mA.

P: ¿Cuál es la diferencia entre el EL354N y el EL354NA?

R: La diferencia está en la clasificación de la Relación de Transferencia de Corriente (CTR). El EL354N tiene un rango más amplio (20-300%), mientras que el EL354NA tiene un rango más estrecho y con un mínimo más alto (50-150%). Use la versión 'NA' para aplicaciones que requieren una ganancia más consistente de una unidad a otra.

P: La salida es un fototransistor. ¿Puedo usarlo para accionar directamente un relé?

R: No es recomendable. La capacidad de manejo de corriente del fototransistor es limitada (relacionada con su especificación de disipación de potencia). Está diseñado como un dispositivo de nivel de señal. Para accionar un relé, use la salida del optoacoplador para excitar un transistor de potencia más grande o la puerta de un MOSFET.

P: ¿Cómo aseguro un aislamiento fiable en mi diseño?

R: Mantenga distancias de fuga y de aislamiento adecuadas en el PCB entre los circuitos de entrada y salida según el estándar de seguridad relevante (por ejemplo, IEC 60950-1, IEC 62368-1). La especificación de 3750Vrms del componente en sí debe estar respaldada por un espaciado adecuado en la placa.

9. Principio de Operación

El dispositivo opera bajo el principio de conversión optoelectrónica y aislamiento. Cuando una corriente fluye a través de cualquiera de los dos LED infrarrojos de entrada (dependiendo de la polaridad), éste emite luz. Esta luz atraviesa una barrera de aislamiento transparente (típicamente plástico moldeado) e incide en la región de la base del fototransistor de silicio en el lado de salida. Los fotones generan pares electrón-hueco en la base, actuando efectivamente como una corriente de base, que enciende el transistor, permitiendo que fluya una corriente de colector mucho mayor. La clave es que la única conexión entre entrada y salida es óptica, proporcionando el aislamiento galvánico. La configuración de LED en antiparalelo significa que la corriente que fluye hacia el Pin 1 (Ánodo) y sale del Pin 2 (Cátodo) enciende un LED, mientras que la corriente en la dirección opuesta enciende el otro LED, asegurando la operación con CA o CC bidireccional.

10. Tendencias de la Industria

La tendencia en optoacopladores y tecnología de aislamiento es hacia una mayor integración, velocidades más rápidas y menor consumo de energía. Si bien los acopladores tradicionales basados en fototransistores como el EL354N-G siguen siendo vitales para un aislamiento de velocidad media y rentable en controles de potencia e industriales, están surgiendo nuevas tecnologías. Estas incluyen aisladores digitales basados en tecnología CMOS y acoplamiento por RF, que ofrecen tasas de datos significativamente más altas, menor potencia y mayor fiabilidad. Sin embargo, para la detección básica de línea CA y monitorización de voltaje donde la simplicidad, el alto voltaje de aislamiento y la robustez probada son primordiales, los acopladores CA de fototransistor continúan siendo una solución preferida y fiable. El movimiento hacia la ausencia de halógenos y el mayor cumplimiento medioambiental, como se ve en la serie '-G', es una respuesta directa a las tendencias regulatorias globales.