Hoja de Datos del Fotocoplador EL3H7U-G - Paquete SSOP de 4 Pines - Perfil 2.0mm - Aislamiento 3750Vrms - CTR 100-560% - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie EL3H7U-G representa una familia de fotocopladores de fototransistor (optoacopladores) compactos y de montaje superficial, diseñados para un aislamiento de señal confiable en circuitos electrónicos modernos. Estos dispositivos cumplen una función crucial al transferir señales eléctricas entre dos circuitos aislados mediante luz, evitando así que altos voltajes o bucles de masa en un circuito afecten o dañen al otro.

Su construcción central consiste en un diodo emisor de luz infrarroja (IRED) de arseniuro de galio acoplado ópticamente a un fototransistor de silicio NPN. Ambos están encapsulados en un compuesto verde sin halógenos y alojados en un paquete SSOP (Small Outline Package) de 4 pines con un perfil bajo de 2.0 mm. Este encapsulado es ideal para aplicaciones con restricciones de espacio en placas de circuito impreso (PCB).

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Las ventajas principales de la serie EL3H7U-G incluyen su alta capacidad de aislamiento, factor de forma compacto y cumplimiento con estándares internacionales de seguridad y medio ambiente. Con un voltaje de aislamiento (Viso) de 3750 Vrms, proporciona una protección robusta para circuitos sensibles. Su composición sin halógenos se alinea con regulaciones ambientales como RoHS y REACH. El dispositivo está homologado por importantes agencias de seguridad internacionales como UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC, lo que lo hace apto para mercados globales que requieren componentes certificados.

Las aplicaciones objetivo son diversas, centrándose en áreas donde el aislamiento eléctrico y la inmunidad al ruido son primordiales. Los mercados clave incluyen fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), particularmente convertidores DC-DC, controladores lógicos programables (PLC) industriales, equipos de telecomunicaciones y transmisión de señal de propósito general entre circuitos con diferentes potenciales de masa o niveles de impedancia.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

Comprender las especificaciones máximas absolutas y las características eléctricas es esencial para un diseño de circuito confiable y para garantizar la fiabilidad a largo plazo del fotocoplador.

2.1 Especificaciones Máximas Absolutas

Estas especificaciones definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente al dispositivo. No están destinadas para operación normal.

• Entrada (Lado del LED):La corriente directa (I_F) no debe exceder los 20 mA. El voltaje inverso (V_R) está limitado a 5 V, lo que resalta la necesidad de una protección de polaridad adecuada si la entrada pudiera estar sujeta a polarización inversa.
• Salida (Lado del Fototransistor):La corriente de colector (I_C) está especificada en 30 mA. El voltaje colector-emisor (V_CEO) puede soportar hasta 60 V, mientras que el voltaje emisor-colector (V_ECO) es mucho menor, de 5 V, lo que indica la asimetría de las características de ruptura del fototransistor.
• Térmico y Aislamiento:La disipación de potencia total del dispositivo (P_TOT) es de 200 mW. El voltaje de aislamiento (V_ISO) de 3750 Vrms se prueba durante 1 minuto con los pines 1-2 y 3-4 cortocircuitados bajo humedad controlada (40-60% HR). El rango de temperatura de operación se especifica de -40°C a +125°C.

2.2 Características Electro-Ópticas

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

• Características de Entrada:El voltaje directo (V_F) es típicamente de 1.3V a una corriente directa (I_F) de 1 mA, lo cual es importante para el diseño del circuito de excitación. La capacitancia de entrada (C_in) es de hasta 250 pF, lo que puede afectar el rendimiento de conmutación a alta frecuencia.
• Características de Salida:La corriente oscura colector-emisor (I_CEO) es muy baja (máx. 100 nA a V_CE=20V), representando la corriente de fuga cuando el LED está apagado. El voltaje de saturación colector-emisor (V_CE(sat)) es un máximo de 0.4V bajo condiciones de prueba específicas (I_F=3mA, I_C=1.6mA), indicando una caída de voltaje baja cuando el transistor está completamente activado.
• Parámetros de Aislamiento:La resistencia de aislamiento (R_IO) es un mínimo de 5 x 10¹⁰Ω, y la capacitancia de aislamiento (C_IO) es un máximo de 1.0 pF. Estos valores son críticos para determinar el rechazo en modo común y el acoplamiento de ruido de alta frecuencia a través de la barrera de aislamiento.

2.3 Características de Transferencia y Sistema de Clasificación

La Relación de Transferencia de Corriente (CTR) es el parámetro más crítico para un fotocoplador, definida como la relación entre la corriente de colector de salida (I_C) y la corriente directa del LED de entrada (I_F), expresada como porcentaje: CTR = (I_CF) * 100%.

La serie EL3H7U-G utiliza un sistema de clasificación por CTR para proporcionar a los diseñadores rangos de rendimiento consistentes:

• EL3H7U (Estándar):Rango CTR de 50% a 600% a I_F= 0.5 mA, V_CE= 5V.
• EL3H7UA:Rango CTR de 100% a 200%.
• EL3H7UB:Rango CTR de 150% a 300%.
• EL3H7UC:Rango CTR de 200% a 400%.

Esta clasificación permite un diseño más preciso, especialmente en circuitos donde la consistencia de la ganancia es importante, como en los bucles de realimentación de fuentes de alimentación. La parte estándar ofrece el rango más amplio, adecuado para aplicaciones de propósito general donde el CTR exacto es menos crítico.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varios gráficos que ilustran tendencias clave de rendimiento. Es crucial notar que estas curvas representan un comportamiento típico y no están garantizadas por las pruebas de producción.

3.1 Corriente Directa vs. Voltaje Directo (Figura 1)

Este gráfico muestra la característica I-V del IRED de entrada a diferentes temperaturas ambientales (-40°C, 25°C, 125°C). El voltaje directo (V_F) tiene un coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que disminuye a medida que aumenta la temperatura para una corriente dada. Este es un comportamiento típico de los diodos y debe considerarse en el diseño de gestión térmica y de excitación de corriente constante.

3.2 Corriente de Colector vs. Corriente Directa (Figura 2) y CTR vs. Corriente Directa (Figura 3)

La Figura 2 grafica la corriente de colector de salida (I_C) frente a la corriente del LED de entrada (I_F) para dos voltajes colector-emisor diferentes (V_CE=0.4V y 5V). La relación es lineal a corrientes bajas pero muestra saturación a niveles de I_F más altos, especialmente al V_CE más bajo. La Figura 3 muestra que el CTR normalizado disminuye a medida que I_F aumenta. Esto indica que el dispositivo es más eficiente (CTR más alto) a corrientes de excitación más bajas, típicamente alrededor de la condición de prueba de 0.5 mA.

3.3 Dependencia de la Temperatura (Figuras 6 y 7)

La Figura 6 demuestra que la corriente de colector (I_C) para una I_F fija aumenta con la temperatura. La Figura 7 muestra que el CTR normalizado alcanza su punto máximo alrededor de la temperatura ambiente y disminuye tanto a temperaturas más altas como más bajas. Esta dependencia de la temperatura del CTR es un factor de diseño crítico. Los circuitos deben diseñarse para funcionar correctamente en todo el rango de temperatura especificado, teniendo en cuenta la variación en la ganancia.

3.4 Características de Conmutación (Figura 9)

El gráfico de tiempo de conmutación vs. resistencia de carga (R_L) muestra que tanto el tiempo de subida (t_r) como el tiempo de bajada (t_f) disminuyen a medida que la resistencia de carga disminuye. Se logra una conmutación más rápida con resistencias de carga más pequeñas, pero esto tiene el costo de una mayor disipación de potencia en la etapa de salida. El circuito de prueba (Figura 13) define t_r como el tiempo del 10% al 90% del pulso de salida y t_f como del 90% al 10%.

4. Información Mecánica, de Empaquetado y Montaje

4.1 Configuración de Pines y Polaridad

El dispositivo utiliza una huella estándar SSOP de 4 pines. La asignación de pines es la siguiente: Pin 1: Ánodo del IRED, Pin 2: Cátodo del IRED, Pin 3: Emisor del fototransistor, Pin 4: Colector del fototransistor. Se debe observar la polaridad correcta durante el diseño de PCB y el montaje para evitar daños.

4.2 Pautas de Soldadura y Manipulación

La especificación máxima absoluta para la temperatura de soldadura (T_SOL) es de 260°C durante 10 segundos. Esto se alinea con los perfiles típicos de soldadura por reflujo sin plomo. Se deben seguir las pautas estándar IPC/JEDEC J-STD-020 para dispositivos sensibles a la humedad. El dispositivo debe almacenarse en su bolsa original con barrera de humedad y desecante bajo condiciones controladas y hornearse antes de soldar si la bolsa se ha abierto o se ha excedido el límite de tiempo de exposición.

5. Información de Pedido y Empaquetado

El número de parte sigue la estructura: EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X:Grado CTR (A, B, C, o en blanco para grado estándar).
• Y:Opción de cinta y carrete (TA, TB, o en blanco). TA y TB probablemente se refieren a diferentes tamaños de carrete u orientaciones de empaquetado, ambos contienen 5000 unidades por carrete.
• V:Marcado opcional de homologación VDE.
• G:Denota material sin halógenos.

Ejemplos: EL3H7UB-TA-VG sería un dispositivo de grado B CTR, empaquetado en cinta y carrete TA, con homologación VDE y material sin halógenos.

6. Pautas de Aplicación y Consideraciones de Diseño

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La aplicación principal es el aislamiento de señal. Un circuito típico implica excitar el LED de entrada con una resistencia limitadora de corriente desde una fuente de señal digital (por ejemplo, un GPIO de microcontrolador). El fototransistor de salida puede usarse en configuración de emisor común (colector conectado a una resistencia de pull-up, emisor a tierra) para producir una señal de salida invertida, o en configuración de seguidor de emisor para una señal no invertida.

6.2 Consideraciones Clave de Diseño

• Corriente de Excitación del LED:Seleccione I_Fbasándose en la velocidad de conmutación requerida y el CTR. Una I_F más baja ofrece un CTR más alto pero una conmutación más lenta. Se debe calcular una resistencia en serie usando R = (V_fuente- V_F) / I_F.
• Resistencia de Carga de Salida (R_L):Esta resistencia establece el rango de voltaje de salida, la velocidad de conmutación y la disipación de potencia. Una R_L más pequeña da una conmutación más rápida pero un rango de voltaje de salida más bajo y una I_C.
• más alta.Degradación del CTR:_FEl CTR de los fotocopladores puede degradarse con el tiempo, especialmente cuando se opera a altas temperaturas y altas corrientes del LED. Para diseños de larga vida útil, reduzca la I
• de operación y asegure una gestión térmica adecuada.Inmunidad al Ruido:

Para entornos ruidosos, un pequeño condensador de desacoplamiento (por ejemplo, 0.1 μF) entre los pines de entrada, cerca del dispositivo, puede ayudar. En la salida, un diseño cuidadoso del PCB para minimizar la capacitancia parásita es importante para señales de alta velocidad.

7. Comparación Técnica y Preguntas Frecuentes

7.1 Diferenciación de Otros Fotocopladores

La serie EL3H7U-G se diferencia por su combinación de un paquete SSOP compacto, alto voltaje de aislamiento de 3750 Vrms, amplio rango de temperatura de operación de -40°C a +125°C y certificaciones de seguridad internacionales integrales. Muchos dispositivos competidores pueden ofrecer un CTR o velocidad similar, pero carecen del conjunto completo de homologaciones o de la capacidad de alta temperatura.

7.2 Preguntas Frecuentes (FAQs)

P: ¿Cuál es la diferencia entre el grado estándar y los grados A/B/C?

R: El grado estándar tiene un rango de CTR muy amplio (50-600%). Los grados A, B y C están clasificados en rangos de CTR más estrechos y garantizados (por ejemplo, 200-400% para el grado C). Use partes clasificadas para diseños que requieren una ganancia predecible.

P: ¿Puedo usar esto para aislamiento de señal de entrada CA?

R: No directamente. La entrada es un IRED, que es un diodo y solo conduce en una dirección. Para aislar una señal CA, primero necesitaría rectificarla o usar un fotocoplador de entrada CA dedicado.

P: ¿Cómo calculo la tasa de datos máxima?_rR: La tasa de datos máxima está limitada por la suma de los tiempos de subida y bajada (t_f+ t_r). Una estimación aproximada para una señal digital es Ancho de Banda ≈ 0.35 / (t_r). Con un t

típico de 8 μs, el ancho de banda es de aproximadamente 44 kHz. Para una comunicación digital confiable, la tasa de datos práctica será menor.

P: ¿Por qué es importante la capacitancia de aislamiento?_IOR: Una baja capacitancia de aislamiento (C_IO) es crucial para rechazar el ruido en modo común de alta frecuencia. En aplicaciones con transitorios de voltaje rápidos a través de la barrera de aislamiento (como en accionamientos de motores), una C

alta puede acoplar ruido del lado primario al secundario, pudiendo causar mal funcionamiento.

8. Principio de Funcionamiento y Tendencias Tecnológicas

8.1 Principio de Funcionamiento Fundamental

Un fotocoplador opera bajo el principio de conversión electro-óptica-eléctrica. Una señal eléctrica aplicada al lado de entrada hace que el IRED emita luz infrarroja proporcional a la corriente. Esta luz atraviesa una barrera de aislamiento transparente dentro del paquete. En el lado de salida, el fototransistor detecta esta luz, generando una corriente de base que a su vez controla una corriente de colector mucho mayor. Los dos circuitos están eléctricamente aislados, con solo acoplamiento óptico entre ellos.

8.2 Tendencias de la Industria