Hoja de Datos de la Serie H11AAX - Fotocoplador de Entrada CA - Paquete DIP de 6 Pines - Aislamiento 5000Vrms - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie H11AAX representa una familia de fotocopladores de entrada CA, también conocidos como optoacopladores o aisladores ópticos. Estos dispositivos están específicamente diseñados para proporcionar aislamiento galvánico entre un circuito de entrada de CA o CC de polaridad desconocida y un circuito de control de salida. La función principal es transferir señales eléctricas utilizando luz, eliminando así conexiones eléctricas y evitando que los bucles de masa, los picos de tensión y el ruido se propaguen entre circuitos.

La serie incluye cuatro variantes principales: H11AA1, H11AA2, H11AA3 y H11AA4. El factor diferenciador principal entre ellas es la Relación de Transferencia de Corriente (CTR), que define la eficiencia de la transferencia de señal desde la entrada a la salida. Estos dispositivos se alojan en un compacto paquete DIP (Dual In-line Package) de 6 pines, con opciones para montaje estándar de orificio pasante, espaciado de terminales ancho y tecnología de montaje superficial (SMD).

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

La serie H11AAX ofrece varias ventajas clave que la hacen adecuada para aplicaciones industriales y de consumo exigentes. Su característica más destacada es la alta tensión de aislamiento de 5000Vrms, fundamental para la seguridad y fiabilidad en equipos conectados a la red eléctrica. Una distancia de fuga superior a 7,62 mm mejora aún más esta clasificación de seguridad. Los dispositivos cuentan con aprobaciones de las principales agencias de seguridad internacionales, incluidas UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC, lo que los hace aceptables globalmente para productos que requieren cumplimiento normativo.

La configuración integrada de LED infrarrojos antiparalelos en el lado de entrada es una característica definitoria. Este diseño permite que el dispositivo sea excitado directamente por una tensión CA o una tensión CC de polaridad desconocida, simplificando el diseño del circuito al eliminar la necesidad de circuitos de rectificación externos. La salida es un fototransistor de silicio NPN.

Los mercados y aplicaciones objetivo son diversos, centrándose principalmente en áreas donde el aislamiento eléctrico y la detección de señales CA son primordiales. Las aplicaciones típicas incluyen el monitoreo de línea CA para detectar la presencia o ausencia de tensión de red, circuitos de interfaz de línea telefónica y sensores para detectar señales CC de polaridad desconocida en sistemas de control industrial.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona un análisis objetivo y detallado de las características eléctricas, ópticas y térmicas especificadas en la hoja de datos. Comprender estos parámetros es crucial para un diseño de circuito fiable.

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 bajo estas condiciones.

• Corriente Directa de Entrada (IF):60 mA (continua). Esta es la corriente CC máxima que se puede aplicar a los LED de entrada.
• Corriente Directa de Pico (IFM):1 A durante una duración de pulso muy corta de 10 µs. Este límite es importante para soportar sobretensiones transitorias.
• Disipación de Potencia de Entrada (PD):120 mW a 25°C ambiente, con reducción de 3,8 mW/°C por encima de 90°C. Esto limita el producto combinado VF * IF.
• Tensión Colector-Emisor de Salida (VCEO):80 V. La tensión máxima que puede soportarse entre el colector y el emisor del fototransistor cuando la base está abierta.
• Disipación de Potencia Total del Dispositivo (PTOT):200 mW. La suma de la potencia de entrada y salida no debe superar este valor.
• Tensión de Aislamiento (VISO):5000 Vrms durante 1 minuto a una humedad relativa del 40-60%. Este es un parámetro de seguridad clave probado con los pines de entrada y salida cortocircuitados por separado.
• Temperatura de Operación (TOPR):-55°C a +100°C. El dispositivo es funcional dentro de este rango completo de temperatura industrial.
• Temperatura de Soldadura (TSOL):260°C durante 10 segundos, relevante para procesos de soldadura por ola o de reflujo.

2.2 Características Electro-Ópticas

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

2.2.1 Características de Entrada

• Tensión Directa (VF):Típicamente 1,2V, con un máximo de 1,5V a una corriente directa (IF) de ±10mA. El valor simétrico indica el comportamiento del par de LED antiparalelos.
• Capacitancia de Entrada (Cin):Típicamente 80 pF. Esto puede afectar el rendimiento de alta frecuencia del circuito de excitación.

2.2.2 Características de Salida

• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (ICEO):Máximo 50 nA a VCE=10V e IF=0mA. Esta es la corriente de fuga del fototransistor cuando no incide luz, importante para la fuga en estado de apagado.
• Tensiones de Ruptura (BVCEO, BVCBO, BVECO):Mínimo 80V, 80V y 7V respectivamente. Estas definen la capacidad de soportar tensión bajo diferentes configuraciones de pines.
• Tensión de Saturación Colector-Emisor (VCE(sat)):Máximo 0,4V a IF=±10mA e IC=0,5mA. Esta es la caída de tensión a través del transistor de salida cuando está completamente activado.

2.2.3 Características de Transferencia

Estos parámetros definen la eficiencia y velocidad de transferencia de la señal.

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR):Este es el parámetro central de clasificación de la serie, definido como (IC / IF) * 100% bajo condiciones especificadas (IF=±10mA, VCE=10V).
  • H11AA1: CTR ≥ 20%
  • H11AA2: CTR ≥ 10%
  • H11AA3: CTR ≥ 50%
  • H11AA4: CTR ≥ 100%
  Los dispositivos con CTR más alto requieren menos corriente de entrada para lograr una corriente de salida dada, mejorando la eficiencia.
• Simetría de CTR:Relación de la CTR para una polaridad del LED respecto a la otra, especificada entre 0,5 y 2,0. Esto indica cuán equilibrados están los dos LED antiparalelos.
• Resistencia de Aislamiento (RIO):Mínimo 10^11 Ω a 500V CC. Esta es la resistencia CC entre la entrada y la salida, que contribuye a la calidad del aislamiento.
• Capacitancia Entrada-Salida (CIO):Típicamente 0,7 pF. Esta capacitancia muy baja es crucial para rechazar el ruido de modo común de alta frecuencia a través de la barrera de aislamiento.
• Tiempos de Conmutación (Ton, Toff, Tr, Tf):Todos tienen un valor máximo de 10 µs bajo la condición de prueba (VCC=10V, IC=10mA, RL=100Ω). Estos tiempos definen la rapidez con la que la salida puede responder a los cambios en la señal de entrada, limitando la frecuencia CA máxima o la velocidad de datos.

3. Explicación del Sistema de Clasificación

La serie H11AAX emplea un sistema de clasificación sencillo basado únicamente en la Relación de Transferencia de Corriente (CTR).

Clasificación por CTR (X en H11AAX):El sufijo numérico (1, 2, 3, 4) corresponde directamente al porcentaje mínimo garantizado de CTR, como se enumera en la sección 2.2.3. No hay clasificación basada en longitud de onda, tensión directa u otros parámetros. Los diseñadores deben seleccionar el grado apropiado en función de la capacidad de corriente de salida requerida frente a la corriente de entrada disponible. Por ejemplo, el H11AA4 (CTR mín. 100%) es el más sensible y se elegiría para aplicaciones donde la capacidad de excitación de entrada es muy baja, mientras que el H11AA2 podría ser suficiente y más rentable en circuitos con mayor corriente de excitación disponible.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a curvas típicas de características electro-ópticas. Si bien los gráficos específicos no se reproducen en el texto proporcionado, su propósito y la información que transmiten son estándar para este tipo de componentes.

Las curvas típicas incluirían:

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa (IF):Esta curva muestra cómo varía la CTR con la corriente de excitación. Típicamente, la CTR es más alta a un IF moderado y puede disminuir a corrientes muy bajas o muy altas.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (Ta):La CTR de un fotocoplador generalmente tiene un coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que disminuye al aumentar la temperatura. Este gráfico es crítico para diseñar circuitos que operen en todo el rango de temperatura.
• Corriente de Colector (IC) vs. Tensión Colector-Emisor (VCE):Esta es la familia de curvas características de salida, similar a un transistor bipolar, con la corriente del LED de entrada (IF) como parámetro. Muestra la región de saturación y la región activa.
• Tensión Directa (VF) vs. Corriente Directa (IF):La característica IV del par de LED de entrada.
• Tiempo de Conmutación vs. Resistencia de Carga (RL):Muestra cómo los tiempos de subida, bajada, encendido y apagado se ven afectados por la carga de salida.

Los diseñadores deben consultar estas curvas en la hoja de datos completa para comprender los comportamientos no lineales y los factores de reducción no capturados por la tabla de valores mínimos/típicos/máximos.

5. Información Mecánica y de Encapsulado

El dispositivo se ofrece en varias variantes de encapsulado para adaptarse a diferentes procesos de montaje.

5.1 Dimensiones y Tipos de Encapsulado

• Tipo DIP Estándar:El encapsulado de orificio pasante por defecto.
• Tipo Opción M:Presenta una \"curva de terminales ancha\" que proporciona un espaciado de terminales de 0,4 pulgadas (aprox. 10,16 mm) en lugar del estándar de 0,3 pulgadas (7,62 mm), útil para placas que requieren mayor distancia de fuga.
• Tipo Opción S:Forma de terminal para montaje superficial para soldadura por reflujo.
• Tipo Opción S1:Una versión de montaje superficial de \"perfil bajo\", probablemente con una altura de separación de la PCB más baja.

Se proporcionan dibujos dimensionados detallados para cada tipo, incluyendo tamaño del cuerpo, longitud de terminales, espaciado de terminales y especificaciones de coplanaridad. Estos son esenciales para el diseño de la huella en la PCB.

5.2 Disposición de Pads e Identificación de Polaridad

Se proporciona una disposición de pads recomendada para las opciones de montaje superficial (S y S1). La hoja de datos señala que esto es una sugerencia y que los diseñadores deben modificarla según su proceso específico de fabricación de PCB y requisitos térmicos.

Marcado del Dispositivo:La parte superior del encapsulado está marcada con:

- \"EL\" (código del fabricante)

- El número de pieza completo (ej., H11AA1)

- Un código de 1 dígito para el año (Y)

- Un código de 2 dígitos para la semana (WW)

- Un sufijo opcional \"V\" si se especifica la aprobación de seguridad VDE para esa unidad.

Configuración de Pines (DIP de 6 Pines):

1. Ánodo / Cátodo (Ánodo LED1, Cátodo LED2)

2. Cátodo / Ánodo (Cátodo LED1, Ánodo LED2)

3. Sin Conexión (NC)

4. Emisor (del Fototransistor)

5. Colector (del Fototransistor)

6. Base (del Fototransistor). El pin de base normalmente se deja abierto o se conecta al emisor a través de una resistencia para ajustar la sensibilidad o mejorar la velocidad.

6. Directrices de Soldadura y Montaje

La directriz clave de los Límites Absolutos Máximos es la temperatura de soldadura: 260°C durante un máximo de 10 segundos. Esto es compatible con perfiles de reflujo estándar sin plomo (SnAgCu).

Consideraciones Importantes:

• Sensibilidad a la Humedad:Aunque no se establece explícitamente en el texto proporcionado, los optoacopladores SMD encapsulados en plástico a menudo tienen un Nivel de Sensibilidad a la Humedad (MSL). Para las piezas de montaje superficial (Opciones S, S1), es crítico seguir las instrucciones de manejo del fabricante respecto al horneado y la vida útil en planta para prevenir el \"efecto palomita\" durante el reflujo.
• Limpieza:Asegurarse de que los disolventes de limpieza sean compatibles con el material plástico del dispositivo.
• Condiciones de Almacenamiento:Según la hoja de datos, el rango de temperatura de almacenamiento es de -55°C a +125°C. Los dispositivos deben almacenarse en un entorno seco y antiestático.

7. Embalaje e Información de Pedido

El código de pedido sigue el patrón:H11AAXY(Z)-V

• X:Rango de CTR (1, 2, 3, 4).
• Y:Opción de Forma de Terminal.
  • Ninguna: DIP-6 estándar (65 unidades/tubo).
  • M: Curva de terminales ancha (65 unidades/tubo).
  • S: Forma de terminal para montaje superficial.
  • S1: Forma de terminal para montaje superficial de perfil bajo.
• Z:Opción de Cinta y Carrete (solo para S/S1).
  • TA: Tipo específico de cinta y carrete.
  • TB: Tipo alternativo de cinta y carrete.
  • Tanto TA como TB empaquetan 1000 unidades por carrete.
• V:Marcado opcional de aprobación de seguridad VDE.

Especificaciones de Cinta y Carrete:Se proporcionan dimensiones detalladas para la cinta portadora (tamaño de bolsillo A, B), la cinta de cubierta y el carrete para el montaje automatizado pick-and-place.

8. Sugerencias de Aplicación

8.1 Circuitos de Aplicación Típicos

Monitor de Línea CA:La entrada se conecta directamente a través de la línea CA (con una resistencia limitadora de corriente). El transistor de salida conmuta en sincronía con los cruces por cero de la CA, proporcionando un tren de pulsos digital o una señal rectificada a un microcontrolador para detectar la presencia de energía.

Sensor CC de Polaridad Desconocida:La entrada antiparalela permite conectar el dispositivo a una fuente de tensión CC sin importar la polaridad, lo que lo hace ideal para detección en equipos alimentados por batería o sensores industriales donde el cableado podría estar invertido.

Interfaz de Línea Telefónica:Se utiliza para detección de timbre o de descolgado, proporcionando aislamiento entre la línea telefónica y el circuito lógico.

8.2 Consideraciones de Diseño

• Limitación de Corriente de Entrada:Siempre se debe usar una resistencia en serie para limitar la corriente de entrada (IF) a un valor seguro por debajo de 60 mA, calculado en función de la tensión de entrada de pico y la tensión directa del LED.
• Carga de Salida:La resistencia de carga (RL) en el colector determina la excursión de tensión de salida y afecta la velocidad de conmutación. Una RL más pequeña proporciona una conmutación más rápida pero consume más potencia.
• Inmunidad al Ruido:La baja capacitancia entrada-salida (0,7 pF) proporciona un excelente rechazo al ruido de modo común de alta frecuencia. Para el mejor rendimiento, mantenga las trazas de entrada y salida físicamente separadas en la PCB.
• Degradación de la CTR:Durante períodos muy largos y a altas temperaturas, la CTR de los fotocopladores puede degradarse. Para aplicaciones críticas de larga vida útil, diseñe con un margen inicial de CTR sustancial.

9. Comparación y Diferenciación Técnica

La serie H11AAX se diferencia principalmente por sucapacidad de entrada CAmediante la estructura de LED antiparalelos. La mayoría de los fotocopladores estándar (ej., 4N25, PC817) tienen una entrada de LED único que requiere una polarización directa definida, necesitando un puente rectificador externo para operación en CA. El H11AAX integra esta funcionalidad.

En comparación con otros fotocopladores de entrada CA, sus ventajas clave son laalta clasificación de aislamiento de 5000Vrmsy elconjunto integral de aprobaciones de seguridad internacionales(UL, VDE, etc.), que son esenciales para productos vendidos en múltiples mercados globales. La disponibilidad de múltiples grados de CTR y tipos de encapsulado (orificio pasante y SMD) proporciona flexibilidad de diseño.

10. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P1: ¿Puedo excitar el H11AAX directamente desde la red de 120VCA o 230VCA?

R: No directamente. Debe usar una resistencia limitadora de corriente en serie con la entrada. El valor de la resistencia debe calcularse en función de la tensión de pico de la red (ej., ~340V para 230VCA), la corriente directa deseada y la VF del LED. También debe considerarse la potencia nominal de la resistencia.

P2: ¿Cuál es la frecuencia CA máxima que puedo usar con este fotocoplador?

R: El tiempo máximo de conmutación es de 10 µs. Esto teóricamente permite una frecuencia de onda cuadrada de hasta unos 50 kHz. Sin embargo, para la detección de una onda sinusoidal CA limpia de 50/60 Hz, es perfectamente adecuado ya que el período (16,7 ms/20 ms) es mucho más largo que el tiempo de conmutación.

P3: ¿Por qué hay un pin de Base (Pin 6) y cómo debo usarlo?

R: El pin de base proporciona acceso a la base del fototransistor. Dejarlo abierto es estándar. Conectar una resistencia entre la base y el emisor puede:

1. Mejorar la Velocidad:Una resistencia de bajo valor (ej., 10kΩ a 100kΩ) desvía la carga almacenada, reduciendo el tiempo de apagado (Toff).

2. Reducir la Sensibilidad/Aumentar el Umbral:Una resistencia proporciona una ruta de fuga, aumentando ligeramente la corriente de entrada mínima requerida para activar la salida.

P4: ¿Cómo elijo entre los diferentes grados de CTR (H11AA1, AA2, AA3, AA4)?

R: Elija en función de su capacidad de excitación de entrada y la corriente de salida requerida. Si su circuito solo puede proporcionar una pequeña corriente de entrada (ej., desde una resistencia de alto voltaje), elija un grado de CTR más alto (AA3 o AA4) para obtener suficiente salida. Si la corriente de entrada es abundante, un grado más bajo (AA1 o AA2) puede ser más rentable. Siempre diseñe con margen para la degradación de la CTR con el tiempo y la temperatura.

11. Caso Práctico de Diseño

Escenario: Diseño de un Detector de Presencia de Red de 230VCA.

Objetivo:Proporcionar una señal lógica alta de 3,3V a un microcontrolador cuando está presente la red de 230VCA.

Pasos de Diseño:

1. Selección de Pieza:Se elige el H11AA1 (CTR mínima 20%) ya que la corriente de entrada será suficiente.

2. Cálculo de la Resistencia de Entrada:Tensión de pico = 230V * √2 ≈ 325V. IF deseada ≈ 10mA (para una buena CTR). VF ≈ 1,2V. R = (325V - 1,2V) / 0,01A ≈ 32,4kΩ. Usar una resistencia estándar de 33kΩ. Disipación de potencia en R: P = (230V)^2 / 33000Ω ≈ 1,6W. Se requiere una resistencia de potencia nominal de 2W o 3W.

3. Circuito de Salida:Conectar el colector (Pin 5) a la alimentación de 3,3V del microcontrolador a través de una resistencia de pull-up (ej., 10kΩ). Conectar el emisor (Pin 4) a tierra. La base (Pin 6) se deja abierta.

4. Operación:Cuando hay CA presente, el transistor de salida se activa durante cada semi-ciclo, llevando el colector (y el pin de entrada del MCU) a nivel bajo. El MCU ve una señal baja pulsante de 50/60 Hz, que puede ser debounced en software para indicar \"energía encendida\".

5. Diseño de PCB:Mantener una distancia de fuga >7,62 mm entre las trazas del lado de entrada (pines 1,2,3, resistencia) y del lado de salida (pines 4,5,6, MCU) en la PCB para preservar la clasificación de aislamiento.

12. Principio de Funcionamiento

El H11AAX opera bajo el principio de aislamiento optoelectrónico. En el lado de entrada, dos diodos emisores de luz infrarroja (LED) de arseniuro de galio están conectados en antiparalelo. Cuando se aplica una tensión CA (con una resistencia limitadora de corriente en serie), un LED conduce y emite luz durante el semi-ciclo positivo, y el otro LED conduce y emite luz durante el semi-ciclo negativo. Así, se generan pulsos de luz infrarroja al doble de la frecuencia de la señal CA de entrada.

Esta luz viaja a través de una barrera de aislamiento transparente dentro del encapsulado. En el lado de salida, la luz incide en la región de la base de un fototransistor de silicio NPN. Los fotones generan pares electrón-hueco, creando una corriente de base que activa el transistor, permitiendo que fluya una corriente de colector (IC). La relación entre esta corriente de colector de salida y la corriente directa de entrada es la Relación de Transferencia de Corriente (CTR). La tensión colector-emisor del fototransistor es controlada por el circuito de carga externo.

13. Tendencias Tecnológicas

La tecnología de fotocopladores continúa evolucionando. Si bien el principio fundamental permanece, las tendencias incluyen:

• Mayor Velocidad:Desarrollo de dispositivos con tiempos de conmutación más rápidos (nanosegundos) para aplicaciones de comunicación digital y excitación de puertas de inversores, a menudo utilizando salidas basadas en fotodiodos o circuitos integrados en lugar de fototransistores.
• Mayor Integración:Combinar el fotocoplador con funciones adicionales como excitadores de puerta IGBT, amplificadores de error o interfaces digitales (aisladores I²C).
• Fiabilidad y Vida Útil Mejoradas:Avances en materiales de LED y encapsulado para reducir la tasa de degradación de la CTR con el tiempo y la temperatura.
• Miniaturización:Reducción continua del tamaño del encapsulado, especialmente para versiones de montaje superficial, para ahorrar espacio en la PCB.
• Tecnologías de Aislamiento Alternativas:Los aisladores capacitivos y magnéticos (magnetorresistencia gigante, GMR) compiten en algunas aplicaciones de alta velocidad y alta densidad, aunque los optoacopladores conservan ventajas en alta inmunidad a transitorios de modo común (CMTI) y certificaciones de seguridad bien establecidas.

La serie H11AAX, con su diseño robusto y aprobaciones de seguridad, representa una solución madura y fiable para las necesidades tradicionales de detección CA y aislamiento básico, donde su capacidad integrada de entrada CA proporciona una ventaja distintiva.