Hoja de Datos de la Serie EL121N - Fototransistor Optoacoplador en Cápsula SOP de 4 Pines - Perfil 2.0mm - Aislamiento 3750Vrms - CTR 50-400% - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie EL121N representa una familia de componentes optoelectrónicos de infrarrojos diseñados para el aislamiento y transmisión de señales. En su núcleo, consta de un diodo emisor de luz infrarroja (IRED) de arseniuro de galio acoplado ópticamente a un fototransistor de silicio NPN, todo alojado en una compacta cápsula de montaje superficial SOP (Small Outline Package) de 4 pines. Su función principal es transferir señales eléctricas entre dos circuitos manteniendo un alto aislamiento eléctrico, evitando así que el ruido, los bucles de masa y los picos de voltaje se propaguen de un lado al otro.

El dispositivo está diseñado para aplicaciones que requieren un aislamiento confiable en espacios reducidos. Su perfil bajo de 2.0 mm lo hace adecuado 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 ambientales y de seguridad globales, incluido ser libre de halógenos, libre de plomo (Pb-free) y compatible con las directivas RoHS y REACH de la UE. Además, cuenta con importantes aprobaciones de seguridad internacionales, como UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO y FIMKO, lo que subraya su fiabilidad y idoneidad para su uso en equipos comerciales e industriales en todo el mundo.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los niveles de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. No se garantiza el funcionamiento en o por encima de estos límites.

• Entrada (Lado del LED):La corriente directa (I_F) tiene una especificación de 50mA continua. Se permite un breve pico de corriente directa (I_FP) de 1A durante 1 microsegundo, relevante para operación pulsada. El voltaje inverso máximo (V_R) es de 6V, enfatizando la necesidad de una protección de polaridad adecuada.
• Salida (Lado del Transistor):La corriente de colector (I_C) tiene una especificación de 50mA. El voltaje colector-emisor (V_CEO) es de 80V, mientras que el voltaje emisor-colector (V_ECO) es de solo 7V, destacando la naturaleza asimétrica de las características de ruptura del fototransistor.
• Potencia y Térmica:La disipación de potencia total del dispositivo (P_TOT) es de 200mW. Se proporcionan factores de reducción separados: 2.9 mW/°C para la entrada (LED) por encima de 100°C ambiente, y 3.7 mW/°C para la salida (transistor) por encima de 70°C ambiente. Esto es crítico para la gestión térmica en entornos de alta temperatura.
• Aislamiento y Ambiente:El voltaje de aislamiento (V_ISO) es de 3750 V_rmsdurante 1 minuto, probado con los pines 1-2 cortocircuitados entre sí y los pines 3-4 cortocircuitados entre sí. El rango de temperatura de operación es de -55°C a +110°C, y el almacenamiento se extiende de -55°C a +125°C.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de operación (Ta=25°C salvo que se indique lo contrario).

• Características de Entrada:El voltaje directo (V_F) es típicamente 1.2V a una corriente de prueba de 20mA, con un máximo de 1.4V. Este bajo voltaje es beneficioso para circuitos de interfaz lógica de baja potencia. La corriente de fuga inversa (I_R) es un máximo de 10µA a 4V.
• Características de Salida:La corriente oscura colector-emisor (I_CEO), que es la corriente de fuga con el LED apagado, es un máximo de 100nA a V_CE=20V. Los voltajes de ruptura (BV_CEO=80V,BV_ECO=7V) confirman las especificaciones.
• Características de Transferencia:Este es el corazón de la especificación del dispositivo.
  • Relación de Transferencia de Corriente (CTR):Es la relación entre la corriente de colector de salida y la corriente directa del LED de entrada, expresada como porcentaje. La serie EL121N ofrece unsistema de clasificación/selección:
    • EL121N (Estándar):Rango CTR 50% a 400% a I_F=5mA, V_CE=5V.
    • EL121N B:Una selección más estrecha de 130% a 260%.
    • EL121N C:Una selección de mayor rendimiento de 200% a 400%.
    • EL121N BC:Una selección amplia que cubre de 130% a 400%.
    Esta selección permite a los diseñadores elegir componentes según la ganancia y consistencia requeridas, optimizando el rendimiento y el costo del circuito.
  • Voltaje de Saturación (V_CE(sat)):Típicamente 0.1V (máx. 0.2V) cuando se excita con I_F=20mA y se carga con I_C=1mA. Este valor bajo es excelente para aplicaciones de conmutación digital, minimizando la pérdida de voltaje.
  • Resistencia de Aislamiento (R_IO):Mínimo 5 x 10¹⁰Ω, lo que indica una resistencia de aislamiento en CC extremadamente alta.
  • Velocidad de Conmutación:El tiempo de subida (t_r) es típicamente 6µs (máx. 18µs) y el tiempo de bajada (t_f) es típicamente 8µs (máx. 18µs) bajo las condiciones de prueba especificadas (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Esto define la capacidad del dispositivo para la transmisión de señales digitales de velocidad media.

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 reproducen en el texto, típicamente incluyen las siguientes relaciones, cruciales para el diseño:

• CTR vs. Corriente Directa (I_F):La CTR no es constante; generalmente disminuye a medida que I_Faumenta. Los diseñadores deben consultar esta curva para elegir un punto de operación que proporcione la ganancia deseada sin sobreexcitar el LED.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_a):La CTR de los optoacopladores tiene un coeficiente de temperatura negativo; disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esta curva es vital para garantizar la estabilidad del circuito en el rango de temperatura de operación previsto.
• Corriente de Colector vs. Voltaje Colector-Emisor (I_C-V_CE):Estas curvas de características de salida muestran el fototransistor operando en sus regiones lineal (activa) y saturada, similar a un transistor bipolar estándar, pero con I_Fcomo parámetro de control en lugar de la corriente de base.
• Voltaje Directo vs. Corriente Directa (V_F-I_F):Esta característica del LED es importante para diseñar el circuito limitador de corriente del controlador.

La Figura 10 en la hoja de datos proporciona el circuito de prueba estándar y las definiciones de forma de onda para medir los tiempos de conmutación (t_on, t_off, t_r, t_f), utilizando una carga resistiva (R_L) y un pulso de entrada definido.

4. Información Mecánica, de Cápsula y de Montaje

4.1 Configuración de Pines y Dimensiones de la Cápsula

La cápsula SOP de 4 pines tiene una asignación de pines clara:

1. Ánodo (A) del LED infrarrojo
2. Cátodo (K) del LED infrarrojo
3. Emisor (E) del fototransistor
4. Colector (C) del fototransistor

El dibujo de la cápsula proporciona dimensiones precisas, incluido el tamaño del cuerpo, el espaciado de los pines y la altura total, confirmando el perfil de 2.0mm. También se suministra un patrón de soldadura recomendado para PCB (disposición de pads) para garantizar una soldadura confiable y estabilidad mecánica durante el montaje superficial.

4.2 Directrices de Soldadura y Montaje

El dispositivo está clasificado para una temperatura máxima de soldadura (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos. Además, se proporciona un perfil detallado de soldadura por reflujo, conforme con IPC/JEDEC J-STD-020D. Los parámetros clave de este perfil incluyen:

• Precalentamiento:150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Tiempo por Encima del Líquidus (217°C):60-100 segundos.
• Temperatura Pico:260°C máximo.
• Tiempo dentro de 5°C del Pico:30 segundos máximo.
• Número Máximo de Reflujos:3 veces.

Cumplir con este perfil es esencial para evitar grietas en la cápsula, delaminación o daños en el chip interno y las uniones de alambre.

5. Pedido, Embalaje y Marcado

5.1 Sistema de Numeración de Piezas

El número de parte sigue el formato:EL121N(X)(Y)-V

• EL121N:Número base del dispositivo.
• X:Grado de CTR (B, C, BC, o en blanco para el grado estándar).
• Y:Opción de Cinta y Carrete (TA o TB, difieren en la dirección de alimentación).
• -V:Sufijo opcional que denota que se incluye la aprobación VDE.

Ejemplos: EL121NBC-TA, EL121NC-TB-V.

5.2 Especificaciones de Embalaje

Los dispositivos se suministran en cinta y carrete para montaje automatizado. Las dimensiones de la cinta (ancho, tamaño del bolsillo, paso) y las especificaciones del carrete se proporcionan en detalle. Ambas opciones TA y TB contienen 3000 unidades por carrete.

5.3 Marcado del Dispositivo

Cada dispositivo está marcado en la parte superior con un código láser o de tinta:EL 121N RYWWV

• EL:Código del fabricante.
• 121N:Número del dispositivo.
• R:Código del Grado CTR (ej., B o C).
• Y:Código de año de 1 dígito.
• WW:Código de semana de 2 dígitos.
• V:Presencia de la marca de aprobación VDE.

Este marcado permite la trazabilidad y verificación del tipo de dispositivo.

6. Notas de Aplicación y Consideraciones de Diseño

6.1 Aplicaciones Típicas

La serie EL121N es adecuada para una amplia gama de necesidades de aislamiento e interfaz:

• Fuentes de Alimentación Conmutadas (SMPS):Proporcionando aislamiento de realimentación en convertidores DC-DC, crucial para regular el voltaje de salida manteniendo el aislamiento de seguridad del lado primario.
• Sistemas de Control Industrial:Interfaz entre controladores lógicos de bajo voltaje (PLCs) y actuadores o sensores industriales de mayor voltaje/corriente, previniendo ruido por bucles de masa.
• Equipos de Telecomunicaciones:Aislando líneas de señal o proporcionando aislamiento galvánico en interfaces de módem, router o tarjetas de línea.
• Aislamiento General de Circuitos:Cualquier aplicación que requiera transferencia de señal entre circuitos de diferentes potenciales de masa o impedancias.

6.2 Consideraciones de Diseño Críticas

• Degradación de la CTR:La CTR de los optoacopladores puede degradarse con el tiempo, especialmente cuando se opera a altas corrientes del LED y altas temperaturas. Reducir la corriente del LED y elegir una parte con CTR inicial muy por encima del mínimo requerido proporciona un margen de longevidad.
• Compromiso Velocidad vs. Corriente:La velocidad de conmutación mejora con una corriente de excitación del LED más alta, pero a costa de un mayor consumo de potencia y un posible envejecimiento acelerado. La condición de prueba (I_F=10mA típ.) da una línea base; para velocidades más rápidas, puede necesitarse una I_Fmayor.
• Selección de la Resistencia de Carga:El valor de la resistencia de carga (R_Len el colector) afecta tanto la velocidad de conmutación como la excursión del voltaje de salida. Una R_Lmás pequeña mejora la velocidad pero reduce la ganancia y el rango de voltaje de salida.
• Inmunidad al Ruido:Para aplicaciones digitales, es clave asegurar un "margen de ruido" suficiente diseñando el circuito receptor para distinguir claramente entre los estados encendido y apagado del fototransistor.
• Distancia de Fuga y de Aire para Aislamiento:Al diseñar el layout del PCB, mantenga las distancias de fuga y de aire especificadas (implícitas en la clasificación de 3750V_rms) entre las trazas del lado de entrada y salida para preservar la integridad del aislamiento.

7. Comparación y Posicionamiento Técnico

Dentro del mercado de optoacopladores de salida fototransistor, la serie EL121N se posiciona a través de varios atributos clave:

• Cápsula:La SOP de 4 pines ofrece una huella más compacta que las antiguas cápsulas DIP de 4 pines, siendo más fácil de manejar y soldar que las cápsulas ultra-miniaturas de 4 pines, logrando un equilibrio entre tamaño y fabricabilidad.
• Selección de CTR:Ofrecer múltiples grados de CTR claramente definidos (B, C, BC) proporciona una flexibilidad no siempre disponible en partes genéricas, permitiendo un diseño optimizado.
• Certificaciones Integrales:La acumulación de aprobaciones UL, cUL, VDE y las nórdicas SEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO en una sola parte simplifica el proceso de selección de componentes para productos dirigidos a mercados globales con requisitos de seguridad estrictos.
• Equilibrio de Rendimiento:Con una CTR de hasta 400%, un voltaje de saturación inferior a 0.2V y tiempos de conmutación en el rango de microsegundos, ofrece un rendimiento completo adecuado para un amplio espectro de tareas de aislamiento analógicas y digitales, desde señales simples de encendido/apagado hasta realimentación PWM.

8. Preguntas Frecuentes (FAQ)

8.1 ¿Cuál es la diferencia entre las opciones de cinta TA y TB?

La diferencia principal es ladirección de alimentacióndesde el carrete. TA y TB tienen los bolsillos de los componentes orientados de manera diferente en la cinta portadora. El diseñador debe especificar la opción correcta según la orientación requerida por el sistema alimentador de su máquina pick-and-place específica. Ambas contienen 3000 unidades.

8.2 ¿Cómo elijo entre los grados de CTR B, C y BC?

Seleccione según el requisito de ganancia y las necesidades de consistencia de su circuito.

• UseGrado C (200-400%)para aplicaciones que requieren alta sensibilidad o donde el circuito de excitación solo puede suministrar una corriente baja al LED.
• UseGrado B (130-260%)para aplicaciones donde se necesita una ganancia moderada y estrechamente controlada para un rendimiento predecible en todas las unidades.
• Use elGrado Estándar (50-400%)o elGrado BC (130-400%)para aplicaciones sensibles al costo donde el diseño del circuito puede tolerar una variación más amplia en la CTR, a menudo mediante el uso de realimentación o niveles de señal menos críticos.

8.3 ¿Se puede usar este dispositivo para aislamiento de señales analógicas?

Sí, pero con importantes advertencias. La no linealidad del fototransistor, la dependencia de la CTR con la temperatura y la variación inherente entre dispositivos lo hacen menos ideal para aislamiento analógico de alta precisión en comparación con optoacopladores lineales dedicados (que contienen un fotodiodo y un amplificador operacional). Para señales analógicas de menor precisión o en circuitos que emplean linealización externa y compensación de temperatura, puede usarse de manera efectiva.

8.4 ¿Cuál es el propósito de la prueba de voltaje de aislamiento (pines 1-2 cortocircuitados a 3-4)?

Esta prueba verifica la integridad de la barrera de aislamiento interna entre las secciones de entrada (LED) y salida (fototransistor) de la cápsula. Cortocircuitar los pines en cada lado asegura que el voltaje de prueba se aplique a través de todo el límite de aislamiento, comprobando cualquier posible camino de ruptura a través del compuesto de moldeo o a lo largo del marco de pines.