Hoja de Datos de Fototransistor Fotocoplador DIP de 6 Pines - Series 4N2X, 4N3X, H11AX - Voltaje de Aislamiento 5000Vrms - Temperatura de Operación -55 a +110°C - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

Las series 4N2X, 4N3X y H11AX son familias de fototransistores fotocopladores (también conocidos como optoacopladores o aisladores ópticos) en encapsulado DIP (Dual In-line Package) de 6 pines. Cada dispositivo consta de un diodo emisor de luz infrarroja (LED) de arseniuro de galio acoplado ópticamente a un detector de fototransistor de silicio. Esta configuración proporciona un aislamiento eléctrico completo entre los circuitos de entrada y salida, lo que los convierte en componentes esenciales para la seguridad, la inmunidad al ruido y el cambio de nivel de tensión en sistemas electrónicos.

La función principal es la transmisión de señales mediante luz, eliminando una conexión eléctrica directa. La corriente de entrada energiza el LED infrarrojo, que emite luz proporcional a la corriente. Esta luz incide en la región de la base del fototransistor, generando una corriente de base y permitiendo que fluya la corriente colector-emisor, replicando así la señal de entrada en el lado de salida aislado.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Estos fotocopladores están diseñados para aplicaciones que requieren un aislamiento de señal confiable. Sus ventajas clave incluyen un alto voltaje de aislamiento de 5000V_rms, lo cual es crítico para proteger circuitos de control de bajo voltaje (como microprocesadores) de secciones de red de alta tensión o de accionamiento de motores. La distancia de fuga extendida de >7,62mm mejora aún más la seguridad y fiabilidad en entornos de alta tensión. Con un rango de temperatura de operación de -55°C a +110°C, son adecuados para aplicaciones industriales, automotrices y en entornos hostiles.

El compacto encapsulado DIP está disponible en variantes estándar, con espaciado de pines ancho (0,4 pulgadas) y de montaje superficial (SMD), ofreciendo flexibilidad para procesos de montaje con orificios pasantes y automatizados. Los dispositivos cuentan con aprobaciones de las principales agencias de seguridad internacionales, incluyendo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC, facilitando su uso en equipos comercializados globalmente que deben cumplir con estrictos estándares de seguridad.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

La hoja de datos proporciona especificaciones eléctricas y ópticas completas, las cuales son cruciales para un diseño de circuito adecuado y la garantía de fiabilidad.

2.1 Especificaciones Máximas Absolutas

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

• Lado de Entrada (LED):La corriente directa continua máxima (I_F) es de 60mA. Se permite un breve pico de corriente directa (I_FM) de 1A durante 10µs, lo cual es relevante para la supresión de transitorios. El voltaje inverso máximo (V_R) es modesto, de 6V, lo que indica que el LED no está diseñado para polarización inversa alta y requiere protección si se usa en circuitos de CA.
• Lado de Salida (Fototransistor):Los voltajes de ruptura colector-emisor y colector-base (V_CEO, V_CBO) son ambos de 80V, definiendo el voltaje máximo que se puede aplicar al transistor en estado de apagado. Los voltajes emisor-base y emisor-colector (V_EBO, V_ECO) están limitados a 7V.
• Potencia y Térmica:La disipación de potencia total del dispositivo (P_TOT) es de 200mW a 25°C. Se proporcionan factores de reducción: 3,8 mW/°C para el lado de entrada por encima de 100°C y 9,0 mW/°C para el lado de salida por encima de 100°C. Estos son críticos para calcular la potencia máxima permitida a temperaturas ambientales elevadas y prevenir la fuga térmica.
• Aislamiento:El voltaje de aislamiento (V_ISO) de 5000V_rmsdurante 1 minuto es un parámetro de seguridad clave, probado con los pines 1-2-3 cortocircuitados juntos y los pines 4-5-6 cortocircuitados juntos.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros se miden en condiciones típicas (T_a=25°C) y definen el rendimiento del dispositivo.

• Características del LED de Entrada:El voltaje directo (V_F) es típicamente de 1,2V a I_F=10mA, con un máximo de 1,5V. Esto se usa para calcular la resistencia limitadora de corriente requerida. La corriente inversa (I_R) es muy baja (<10µA a V_R=6V). La capacitancia de entrada (C_in) es típicamente de 30pF.
• Características del Fototransistor de Salida:Las corrientes de oscuridad (I_CBO, I_CEO) están en el rango de nanoamperios, lo que indica una fuga muy baja cuando el LED está apagado. Los voltajes de ruptura (BV_CEO, BV_CBO, etc.) confirman los límites de 80V y 7V de las especificaciones absolutas.

2.3 Características de Transferencia

Estos parámetros describen la eficiencia de acoplamiento y el rendimiento de conmutación entre la entrada y la salida.

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR):Este es el parámetro más crítico, definido como (I_C/ I_F) * 100%. Varía significativamente según el número de parte, creando un sistema de clasificación de rendimiento:
  • CTR Alta (>100%):4N35, 4N36, 4N37.
  • CTR Media-Alta (50%): H11A1.
  • CTR Media (30%): H11A5.
  • CTR Estándar (20%):4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • CTR Inferior (10%):4N27, 4N28, H11A4.
  Esta clasificación permite a los diseñadores seleccionar un dispositivo con la sensibilidad requerida para su aplicación específica y el nivel de corriente de salida deseado.
• Voltaje de Saturación (V_CE(sat)):Esta es la caída de voltaje a través del fototransistor cuando está completamente encendido. Valores más bajos (ej., 0,3V máx. para la serie 4N3X a I_F=10mA, I_C=0,5mA) indican un mejor rendimiento, minimizando la pérdida de potencia en la etapa de salida.
• Velocidad de Conmutación:Los tiempos de encendido (t_on) y apagado (t_off) se especifican para diferentes series bajo condiciones de prueba específicas (V_CC=10V, R_L=100Ω). La serie 4N2X/H11AX es típicamente más rápida (3µs típ.) en comparación con la serie 4N3X (10µs típ. para t_on, 9µs típ. para t_off). Esto es vital para la transmisión de señales digitales y aplicaciones de PWM.
• Parámetros de Aislamiento:La resistencia de aislamiento (R_IO) es extremadamente alta (>10¹¹Ω), y la capacitancia entrada-salida (C_IO) es muy baja (0,2pF típ.), lo que minimiza el acoplamiento capacitivo de ruido de alta frecuencia a través de la barrera de aislamiento.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

Si bien el PDF muestra texto de marcador de posición para "Curvas de Características Electro-Ópticas Típicas", dichas curvas son estándar para fotocopladores y típicamente incluyen:

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa (I_F):Muestra cómo la eficiencia cambia con la corriente de accionamiento del LED, a menudo alcanzando un pico en una corriente específica.
• CTR vs. Temperatura:Ilustra la degradación de la CTR a altas temperaturas, lo cual es un factor crítico de reducción para operación a alta temperatura.
• Corriente del Colector (I_C) vs. Voltaje Colector-Emisor (V_CE):Curvas características de salida que muestran el comportamiento del fototransistor en diferentes regiones (saturación, activa).
• Tiempo de Conmutación vs. Resistencia de Carga (R_L):Demuestra cómo la elección de la resistencia de pull-up afecta los tiempos de subida y bajada.

Los diseñadores deben consultar estas curvas de la hoja de datos completa para optimizar parámetros como la corriente del LED, la resistencia de carga y la temperatura de operación para sus requisitos específicos de velocidad y salida.

4. Información Mecánica y de Encapsulado

Los dispositivos se ofrecen en varias variantes de encapsulado DIP de 6 pines para adaptarse a diferentes necesidades de montaje.

4.1 Dimensiones y Variantes del Encapsulado

La hoja de datos incluye dibujos mecánicos detallados para cada opción. Las dimensiones clave incluyen la longitud total, el ancho, el espaciado de pines y las dimensiones de las patillas.

• Tipo DIP Estándar:El clásico encapsulado con orificios pasantes con espaciado entre filas de 0,1 pulgadas (2,54mm).
• Tipo Opción M:Presenta un "doblado de patilla ancho" que proporciona un espaciado de patillas de 0,4 pulgadas (10,16mm). Esto aumenta la distancia de fuga y de separación entre los pines de entrada y salida, mejorando la fiabilidad del aislamiento para aplicaciones de alta tensión.
• Tipos Opción S y S1:Versiones de dispositivo de montaje superficial (SMD). La opción S1 es una variante de "perfil bajo", que tiene una altura de encapsulado reducida en comparación con la opción S estándar, siendo beneficiosa para aplicaciones con espacio limitado.

Todos los encapsulados presentan un cuerpo moldeado que proporciona el aislamiento necesario. La configuración de pines está estandarizada: Pin 1 (Ánodo), Pin 2 (Cátodo), Pin 3 (NC), Pin 4 (Emisor), Pin 5 (Colector), Pin 6 (Base). El pin de base (6) a menudo se deja sin conectar, pero puede usarse para mejorar el ancho de banda o el control de polarización en algunos circuitos.

5. Guías de Soldadura y Montaje

Las especificaciones máximas absolutas especifican una temperatura de soldadura (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos. Este es un valor típico para procesos de soldadura por ola o de reflujo. Para las opciones SMD (S, S1), son aplicables perfiles de reflujo estándar por infrarrojos o convección con una temperatura máxima alrededor de 260°C. Es crucial evitar exceder este límite de tiempo-temperatura para prevenir daños al encapsulado plástico y a las uniones de alambre internas. Los dispositivos deben almacenarse en condiciones dentro del rango de temperatura de almacenamiento (-55°C a +125°C) y en empaquetado sensible a la humedad si se especifica para piezas SMD, para prevenir el "efecto palomita" durante el reflujo.

6. Información de Empaquetado y Pedido

El sistema de numeración de partes está claramente definido:4NXXY(Z)-VoH11AXY(Z)-V.

• XX / X:Número de parte específico (ej., 25, 35, 1, 5).
• Y (Forma de Patilla):
  • Ninguna: DIP estándar (65 unidades/tubo).
  • M: Doblado de patilla ancho (65 unidades/tubo).
  • S: Forma de patilla para montaje superficial.
  • S1: Forma de patilla para montaje superficial de perfil bajo.
• Z (Cinta y Carrete):Aplica solo a opciones SMD.
  • TA o TB: Diferentes especificaciones de cinta y carrete (1000 unidades/carrete).
• V:Sufijo opcional que indica aprobación de seguridad VDE.

Este sistema flexible permite la adquisición de la variante mecánica exacta requerida para la producción.

7. Recomendaciones de Aplicación

7.1 Circuitos de Aplicación Típicos

Como se enumera en la hoja de datos, las aplicaciones principales incluyen:

• Reguladores de Fuentes de Alimentación:Proporcionar aislamiento de realimentación en fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) entre el lado secundario (salida) y el controlador del lado primario. Esto es esencial para la seguridad y el rechazo de ruido.
• Entradas de Lógica Digital / Entradas de Microprocesador:Aislar señales ruidosas de sensores industriales (ej., de interruptores de límite, codificadores) o diferentes dominios de tierra antes de que ingresen a pines de lógica digital o microcontroladores sensibles.
• Aislamiento de Señal de Propósito General:Cualquier circuito donde dos subsistemas deban comunicarse sin compartir una tierra común, para romper bucles de tierra, eliminar ruido en modo común o proporcionar traducción de nivel de voltaje.

7.2 Consideraciones de Diseño y Mejores Prácticas

• Limitación de Corriente del LED:Siempre use una resistencia en serie para establecer la corriente directa (I_F). Calcule R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F. Opere dentro del rango recomendado de I_F(a menudo 5-20mA) para una CTR óptima y longevidad.
• Polarización del Lado de Salida:El fototransistor requiere una resistencia de pull-up (R_L) conectada desde el colector a V_{CC_output}. Su valor es un compromiso: una R_Lmás pequeña proporciona una conmutación más rápida pero un mayor consumo de energía y un menor rango de voltaje de salida; una R_Lmás grande da un mejor margen de ruido pero una velocidad más lenta.
• Optimización de Velocidad:Para una conmutación más rápida, use un dispositivo de la serie más rápida (4N2X/H11AX), minimice R_L, y asegure un accionamiento I_Fadecuado. Conectar una resistencia (ej., 100kΩ a 1MΩ) entre la base (pin 6) y el emisor puede ayudar a descargar la carga almacenada y reducir el tiempo de apagado.
• Inmunidad al Ruido:La alta resistencia de aislamiento y la baja capacitancia rechazan inherentemente el ruido en modo común. Para una robustez adicional en entornos eléctricamente ruidosos, se recomiendan condensadores de desacoplamiento (ej., 0,1µF) colocados cerca de los pines de alimentación del dispositivo en ambos lados, entrada y salida.

8. Comparativa Técnica y Guía de Selección

Las tres series (4N2X, 4N3X, H11AX) ofrecen un rango de rendimiento para satisfacer diferentes necesidades:

• Serie 4N3X (4N35-38):Generalmente ofrecen los valores de CTR más altos (>100% para 4N35-37), lo que las hace adecuadas para aplicaciones que requieren alta corriente de salida o donde se desea una corriente de accionamiento de entrada mínima. Su voltaje de saturación también es muy bajo.
• Serie 4N2X (4N25-28) y Serie H11AX (H11A1-A5):Proporcionan un rango graduado de CTR del 10% al 50%. La serie 4N2X típicamente tiene tiempos de conmutación más rápidos. Estos son aisladores versátiles de propósito general. El H11A5 (30% CTR) y el H11A1 (50% CTR) cubren puntos de rendimiento específicos.
• Criterios de Selección:Elija según la CTR requerida (ganancia de corriente de salida), velocidad de conmutación, voltaje de saturación y costo. Por ejemplo, una entrada de microprocesador que lee un interruptor lento puede usar una pieza de menor CTR y costo-efectiva como el H11A4. Un bucle de realimentación en una fuente de alimentación que necesita buena linealidad y ganancia podría usar un 4N35 o 4N36.

9. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuál es el propósito del pin de base (pin 6)?

R: El pin de base proporciona acceso a la región de la base del fototransistor. Dejarlo abierto (sin conectar) es estándar. Conectar una resistencia desde la base al emisor puede mejorar la velocidad de conmutación al proporcionar una ruta para eliminar la carga almacenada. En algunos diseños, puede usarse para pre-polarización o para conectar una red de aceleración.

P: ¿Cómo aseguro la fiabilidad a largo plazo?

R: Opere el LED dentro de sus especificaciones máximas absolutas, preferiblemente con reducción. Mantenga baja la temperatura de unión respetando las curvas de reducción de potencia. Use distancias de fuga/separación adecuadas en su PCB, especialmente para la barrera de aislamiento de alta tensión, igualando o superando la capacidad de 7,62mm del encapsulado.

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

R: Sí, pero el LED de entrada tiene una clasificación de voltaje inverso baja (6V). Para aislar una señal de CA, debe proteger el LED de la polarización inversa, típicamente colocando un diodo estándar en paralelo inverso a través de la entrada del LED, o usando una configuración de puente rectificador antes del LED.

P: ¿Por qué la CTR se especifica como un valor mínimo?

R: La CTR tiene una amplia variación debido a las tolerancias de fabricación en la eficiencia del LED y la ganancia del fototransistor. La hoja de datos garantiza una CTR mínima bajo condiciones especificadas. El diseño debe basarse en este valor mínimo para garantizar la funcionalidad del circuito en todas las unidades de producción y a lo largo de la temperatura.

10. Ejemplo Práctico de Diseño

Escenario:Aislar una señal digital de 24V desde una salida de PLC a una entrada de microcontrolador de 3,3V.

1. Selección del Dispositivo:Elija una pieza de propósito general como el 4N25 (CTR mín. 20%). Su velocidad es suficiente para E/S digital.
2. Circuito de Entrada:La salida del PLC es de 24V. Objetivo I_F= 10mA. V_F≈ 1,2V. R_limit= (24V - 1,2V) / 0,01A = 2280Ω. Use una resistencia estándar de 2,2kΩ. Añada un diodo de protección inversa a través de la entrada del LED.
3. Circuito de Salida:V_CCdel microcontrolador = 3,3V. Elija R_L= 1kΩ. Cuando el fototransistor está apagado, la salida se lleva a nivel alto de 3,3V (lógica 1). Cuando está encendido, asumiendo I_C= CTR * I_F= 0,2 * 10mA = 2mA, el voltaje de salida será V_CE(sat)(máx. 0,5V), un sólido nivel lógico 0. La resistencia de pull-up de 1kΩ proporciona un buen equilibrio entre velocidad y consumo de corriente para esta aplicación.

11. Principio de Funcionamiento

Un fotocoplador opera bajo el principio de conversión electro-óptica-eléctrica. Una señal eléctrica se aplica al lado de entrada, causando que la corriente fluya a través de un LED infrarrojo. Esta corriente es directamente proporcional a la intensidad de luz emitida. La luz atraviesa un espacio aislante transparente (típicamente plástico moldeado) y golpea el material semiconductor de un fotodetector—en este caso, la unión base-colector de un fototransistor NPN. Los fotones generan pares electrón-hueco, creando una corriente de base. Esta corriente de base fotogenerada es luego amplificada por la ganancia de corriente del transistor (h_FE), resultando en una corriente de colector mayor que reproduce la señal de entrada original en el circuito de salida eléctricamente aislado. La ausencia completa de conexión galvánica es lo que proporciona el alto aislamiento de voltaje y la inmunidad al ruido.

12. Tendencias Tecnológicas

Los fotocopladores basados en fototransistores como la serie 4NXX representan una tecnología de aislamiento madura y rentable. Las tendencias actuales en el mercado de optoacopladores incluyen el desarrollo de dispositivos con mayor velocidad (para buses de comunicación digital como SPI, I2C aislados con ICs diseñados específicamente para esto), mayor integración (combinando múltiples canales o añadiendo funciones adicionales como drivers de puerta) y métricas de fiabilidad mejoradas (operación a mayor temperatura, mayor vida útil). También hay crecimiento en tecnologías de aislamiento alternativas como aisladores capacitivos y aisladores basados en magnetorresistencia gigante (GMR), que pueden ofrecer ventajas en tamaño, velocidad y consumo de energía para ciertas aplicaciones. Sin embargo, los acopladores de fototransistor siguen siendo dominantes para aplicaciones de aislamiento de propósito general, sensibles al costo y de alta tensión debido a su simplicidad, fiabilidad probada y excelente inmunidad a transitorios en modo común (CMTI).