Hoja de Datos del Fotocoplador CNY17-X CNY17F-X - Paquete DIP de 6 Pines - Aislamiento 5000Vrms - CTR 40-320% - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

Las series CNY17-X y CNY17F-X son familias de fotocopladores en paquete Dual In-line (DIP) de 6 pines, también conocidos como optoacopladores u optoaisladores. Cada dispositivo consta de un diodo emisor de luz infrarroja (LED) de arseniuro de galio acoplado ópticamente a un fototransistor de silicio NPN. Su función principal es proporcionar aislamiento eléctrico entre dos circuitos permitiendo la transmisión de señales mediante luz. La distinción clave entre ambas series es la disponibilidad de una conexión externa de base (pin 6) en la CNY17-X, que está ausente (Sin Conexión) en la serie CNY17F-X, esta última ofreciendo una menor susceptibilidad al ruido.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Estos dispositivos están diseñados para aplicaciones que requieren aislamiento de señal confiable. Sus ventajas principales incluyen un alto voltaje de aislamiento de 5000 V_rms, un factor de forma DIP compacto apto para montaje PTH, y agrupaciones seleccionadas de ratio de transferencia de corriente (CTR) para consistencia en el diseño. Están aprobados por los principales organismos internacionales de normas de seguridad (UL, cUL, VDE, SEMKO, etc.), lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones industriales, de consumo y de fuentes de alimentación donde la seguridad y la inmunidad al ruido son críticas.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Los Límites Absolutos Máximos definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. No son condiciones de operación recomendadas.

• Entrada (Lado del LED):La corriente directa continua máxima (I_F) es de 60 mA. Se permite una corriente directa pico de corta duración (10 µs) (I_FM) de 1 A. El voltaje inverso máximo (V_R) a través del LED es de 6 V. La disipación de potencia de entrada (P_D) es de 100 mW a 25°C, reduciéndose en 3.8 mW/°C por encima de 100°C.
• Salida (Lado del Fototransistor):El voltaje colector-emisor (V_CEO) y el voltaje colector-base (V_CBO, solo para CNY17-X) están clasificados en 80 V. Los voltajes emisor-colector (V_ECO) y emisor-base (V_EBO) son de 7 V. La disipación de potencia de salida (P_C) es de 150 mW a 25°C, reduciéndose en 9.0 mW/°C por encima de 100°C.
• Total del Dispositivo:La disipación de potencia total del dispositivo (P_TOT) no debe exceder los 200 mW.
• Aislamiento y Ambiente:El voltaje de aislamiento (V_ISO) es de 5000 V_rms(CA durante 1 minuto). El rango de temperatura de operación (T_OPR) es de -55°C a +110°C. La temperatura máxima de soldadura es de 260°C durante 10 segundos.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo en condiciones típicas de operación (T_a= 25°C a menos que se especifique).

2.2.1 Características de Entrada (LED Infrarrojo)

• Voltaje Directo (V_F):Máximo 1.65 V a I_F= 60 mA. Esta es la caída de voltaje a través del LED cuando conduce.
• Corriente Inversa (I_R):Máximo 10 µA a V_R= 6 V. Esta es la corriente de fuga cuando el LED está polarizado inversamente.
• Capacitancia de Entrada (C_in):Típica 18 pF. Esto afecta el rendimiento de conmutación de alta frecuencia en el lado de entrada.

2.2.2 Características de Salida (Fototransistor)

• Corrientes de Oscuridad:Con el LED apagado (I_F=0), existen corrientes de fuga. I_CEO(colector-emisor) es típicamente 50 nA a V_CE=10V. I_CBO(colector-base, solo CNY17-X) es máximo 20 nA a V_CB=10V.
• Voltajes de Ruptura: BV_CEOy BV_CBOson mínimo 80 V. BV_ECOes mínimo 7 V.
• Capacitancia de Salida (C_CE):Típica 8 pF. Esto afecta la velocidad de conmutación de salida.

2.3 Características de Transferencia

Estos son los parámetros más críticos para aplicaciones de acoplamiento de señal.

• Ratio de Transferencia de Corriente (CTR):Es la relación entre la corriente de colector de salida (I_C) y la corriente directa del LED de entrada (I_F), expresada como porcentaje. Los dispositivos se agrupan en cuatro rangos distintos de CTR:
  • CNY17-1 / CNY17F-1:CTR = 40% a 80% (a I_F=10mA, V_CE=5V)
  • CNY17-2 / CNY17F-2:CTR = 63% a 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3:CTR = 100% a 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4:CTR = 160% a 320%
• CTR a Baja Corriente:A I_F= 1mA, se especifica el CTR mínimo (ej., 13% para grado -1, 56% para grado -4), lo cual es importante para aplicaciones de bajo consumo o detección analógica.
• Voltaje de Saturación (V_CE(sat)):Máximo 0.3 V a I_F=10mA, I_C=2.5mA. Este es el voltaje a través del transistor cuando está completamente "encendido".
• Resistencia de Aislamiento (R_IO):Mínimo 10¹¹Ω. Esto indica la resistencia DC extremadamente alta entre los lados de entrada y salida.
• Capacitancia Entrada-Salida (C_IO):Típica 0.5 pF. Esta pequeña capacitancia es clave para lograr una alta inmunidad transitoria de modo común (CMTI).

2.4 Características de Conmutación

El rendimiento dinámico se define por los tiempos de encendido/apagado y subida/bajada, que dependen de las condiciones de prueba.

• Condición 1 (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω):
  • Tiempo de encendido (t_on): Típico 10 µs, Máx. 12 µs.
  • Tiempo de apagado (t_off): Típico 9 µs, Máx. 12 µs.
  • Tiempo de subida (t_r): Típico 6 µs, Máx. 10 µs.
  • Tiempo de bajada (t_f): Típico 8 µs, Máx. 10 µs.
• Condición 2 (V_CC=5V, I_F=10mA, R_L=75Ω):
  • Tiempo de subida (t_r): Típico 2 µs, Máx. 10 µs.
  • Tiempo de bajada (t_f): Típico 3 µs, Máx. 10 µs.

3. Explicación del Sistema de Clasificación

La clasificación principal para estos fotocopladores se basa en elRatio de Transferencia de Corriente (CTR). Los cuatro grados (1, 2, 3, 4) ofrecen valores mínimos y máximos de CTR progresivamente más altos. Esto permite a los diseñadores seleccionar un dispositivo que coincida con la ganancia de señal requerida y proporcione consistencia en lotes de producción. Por ejemplo, un circuito de entrada digital que requiera una señal fuerte y bien definida podría usar un grado -3 o -4, mientras que un circuito sensible a variaciones podría especificar un grado -1 más ajustado y de menor ganancia.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a "Curvas Típicas de Características Electro-Ópticas". Aunque los gráficos específicos no se detallan en el texto proporcionado, las curvas típicas para tales dispositivos incluyen:

• CTR vs. Corriente Directa (I_F):Muestra cómo cambia el ratio de transferencia con la corriente de excitación del LED, generalmente alcanzando un pico en una corriente específica.
• CTR vs. Temperatura:Ilustra la disminución del CTR a medida que aumenta la temperatura ambiente, lo cual es crítico para operación a alta temperatura.
• Corriente de Colector (I_C) vs. Voltaje Colector-Emisor (V_CE):Las características de salida del fototransistor, mostrando la región de saturación y la región activa.
• Voltaje Directo (V_F) vs. Corriente Directa (I_F):La característica IV del LED infrarrojo.

Estas curvas son esenciales para comprender el comportamiento del dispositivo en condiciones no estándar y para optimizar el diseño del circuito.

5. Información Mecánica y del Paquete

Los dispositivos se ofrecen en un paquete DIP estándar de 6 pines con varias opciones de forma de terminales.

5.1 Dimensiones y Opciones del Paquete

• DIP Estándar:El paquete PTH predeterminado.
• Opción M:Presenta un "doblado ancho de terminales" que proporciona un espaciado de 0.4 pulgadas (aprox. 10.16 mm) para compatibilidad con huellas de PCB más anchas.
• Opción S:Forma de terminales para montaje superficial. Diseñada para procesos de soldadura por reflujo.
• Opción S1:Forma de terminales para montaje superficial con "perfil bajo" para aplicaciones con restricciones de altura.

Se proporcionan planos detallados con dimensiones (en mm) para cada opción, especificando tamaño del cuerpo, longitud de pines, espaciado y plano de asiento.

5.2 Configuración y Polaridad de Pines

La identificación clara de los pines es crucial para una instalación correcta.

• CNY17-X (con pin de base):
  1. Ánodo (LED +)
  2. Cátodo (LED -)
  3. Sin Conexión
  4. Emisor (Fototransistor)
  5. Colector (Fototransistor)
  6. Base (Fototransistor, conexión externa)
• CNY17F-X (sin pin de base):
  1. Ánodo (LED +)
  2. Cátodo (LED -)
  3. Sin Conexión
  4. Emisor (Fototransistor)
  5. Colector (Fototransistor)
  6. Sin Conexión

6. Directrices de Soldadura y Ensamblaje

La hoja de datos especifica una temperatura máxima de soldadura de 260°C durante 10 segundos. Esto es típicamente para soldadura por ola o manual de los terminales PTH. Para las opciones de montaje superficial (S, S1), deben usarse perfiles de reflujo estándar por infrarrojos o convección con una temperatura pico que no exceda los 260°C. Se deben tomar precauciones para evitar estrés mecánico excesivo en el paquete durante el manejo. El almacenamiento debe ser en un ambiente seco y antiestático dentro del rango de temperatura especificado de -55°C a +125°C.

7. Información de Empaquetado y Pedido

7.1 Regla de Numeración de Modelos

El número de parte sigue el formato:CNY17-XY(Z)-VoCNY17F-XY(Z)-V

• X:Número de parte / Grado CTR (1, 2, 3, o 4).
• Y:Opción de forma de terminales (S, S1, M, o ninguna para DIP Estándar).
• Z:Opción de cinta y carrete (TA, TB, o ninguna). Aplica solo a opciones S y S1.
• V:Marcado opcional de aprobación VDE.

7.2 Especificaciones de Empaquetado

• Empaquetado en Tubo:El DIP Estándar y la Opción M se suministran en tubos que contienen 65 unidades cada uno.
• Cinta y Carrete:Las opciones S y S1 están disponibles en cinta y carrete. Ambas opciones TA y TB contienen 1000 unidades por carrete.

8. Recomendaciones de Aplicación

8.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La hoja de datos enumera usos comunes: Reguladores de fuentes de alimentación (para aislamiento de realimentación), entradas de lógica digital (para cambio de nivel y aislamiento de ruido), y entradas de microprocesador (para interfaz con señales externas ruidosas). Se muestra un circuito de prueba específico para tiempos de conmutación (Figura 11), que incluye una resistencia limitadora de corriente de entrada (R_IN), una resistencia opcional base-emisor para el CNY17-X (R_BE), y una resistencia de carga de colector (R_L).

8.2 Consideraciones de Diseño

• Limitación de Corriente del LED:Siempre use una resistencia en serie para limitar I_Fal valor deseado, típicamente entre 1 mA y 20 mA para un equilibrio de velocidad, CTR y potencia.
• Resistencia de Carga (R_L):El valor de R_Len el colector afecta la velocidad de conmutación, la excursión de salida y el consumo de potencia. Una R_Lmás pequeña da tiempos de bajada más rápidos pero reduce la excursión del voltaje de salida.
• Inmunidad al Ruido (CNY17F-X):La serie CNY17F-X, sin conexión externa de base, es menos susceptible a la inyección de ruido en la base del fototransistor, lo que la hace preferible en entornos eléctricamente ruidosos.
• Compensación Velocidad vs. Corriente:Una I_Fmás alta generalmente mejora la velocidad de conmutación pero aumenta la disipación de potencia. Consulte las especificaciones de tiempo de conmutación bajo diferentes condiciones de prueba.
• Degradación del CTR:El CTR puede disminuir a lo largo de la vida útil del dispositivo, especialmente a altas temperaturas y corrientes de operación. Reduzca la especificación del diseño en consecuencia para una confiabilidad a largo plazo.

9. Comparación Técnica

El diferenciador clave dentro de esta familia es la presencia (CNY17-X) o ausencia (CNY17F-X) del pin de base externo. La CNY17-X ofrece más flexibilidad de diseño; el pin de base puede dejarse abierto, conectarse al emisor a través de una resistencia (para mejorar la velocidad al eliminar la carga almacenada), o usarse en configuraciones de polarización específicas. La CNY17F-X ofrece una inmunidad al ruido superior ya que la base del fototransistor es completamente interna e inaccesible, lo cual es una ventaja significativa en entornos industriales de alto ruido. Ambas series comparten especificaciones idénticas de aislamiento, voltaje y CTR.

10. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es la principal diferencia entre los grados -1, -2, -3 y -4?

R: La diferencia es el rango garantizado del Ratio de Transferencia de Corriente (CTR). El grado -4 tiene la ganancia más alta (160-320%), mientras que el grado -1 tiene la más baja (40-80%). Elija según la amplificación de señal requerida en su circuito.

P: ¿Cuándo debo usar el CNY17F-X en lugar del CNY17-X?

R: Use el CNY17F-X cuando opere en entornos con ruido eléctrico significativo (ej., accionamientos de motores, controles industriales). La falta de una conexión externa de base lo hace inherentemente menos susceptible al acoplamiento de interferencia electromagnética (EMI) en la región sensible de la base.

P: ¿Cómo calculo la resistencia en serie de entrada para el LED?

R: Use la Ley de Ohm: R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F. Asuma V_F≈ 1.2V típico (máx. 1.65V). Por ejemplo, con una fuente de 5V y una I_Fdeseada de 10mA: R_IN= (5V - 1.2V) / 0.01A = 380Ω. Use una resistencia estándar de 390Ω.

P: ¿Puedo usarlo para aislamiento de señal AC?

R: Sí, pero con limitaciones. La salida del fototransistor es unidireccional (DC). Para transmitir señales AC, típicamente necesita dos fotocopladores (uno para cada semiciclo) o circuitos adicionales para polarizar la salida en su región lineal para transmisión analógica, aunque la linealidad no es un parámetro especificado para este dispositivo.

11. Ejemplo Práctico de Diseño

Escenario:Aislar un pin GPIO de un microcontrolador de 3.3V de una señal de sensor industrial de 24V.

1. Selección del Dispositivo:Elija CNY17F-3 para una buena ganancia (CTR 100-200%) y alta inmunidad al ruido.
2. Lado de Entrada (Microcontrolador):El pin GPIO excita el LED a través de una resistencia limitadora. Con V_{GPIO_ALTO}≈ 3.3V y objetivo I_F= 5mA: R_IN= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω. Use 430Ω.
3. Lado de Salida (Interfaz del Sensor):Conecte el colector del fototransistor a la fuente de 24V a través de una resistencia pull-up (R_L). El emisor se conecta a tierra. Elija R_Lpara asegurar que la salida se sature cuando esté encendida y proporcione un nivel lógico alto válido cuando esté apagada. Con I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5mA = 7.5mA (típico), y un nivel lógico alto de salida deseado de ~20V cuando esté apagada: R_L≤ (24V - 20V) / (I_CEO). Con I_CEOmáx. ~50nA, casi cualquier valor funciona para la fuga. Para la velocidad de conmutación, una resistencia de 10kΩ es un punto de partida común. La salida (nodo del colector) ahora proporciona una copia aislada e invertida de la señal de entrada.

12. Principio de Funcionamiento

Un fotocoplador opera convirtiendo una señal eléctrica en luz, transmitiéndola a través de una barrera aislante eléctricamente, y luego convirtiendo la luz nuevamente en una señal eléctrica. En las series CNY17-X/F-X, una corriente eléctrica (I_F) fluye a través del LED infrarrojo, haciendo que emita fotones. Estos fotones pasan a través de un compuesto de moldeo aislante transparente y golpean la región de base del fototransistor de silicio. La energía del fotón genera pares electrón-hueco en la base, creando una corriente de base que enciende el transistor, permitiendo que fluya una corriente de colector (I_C). La relación I_C/I_Fes el CTR. No existe conexión eléctrica entre la entrada y la salida, proporcionando aislamiento galvánico determinado por la resistencia dieléctrica del compuesto de moldeo y el espaciado interno de pines (distancia de fuga >7.6mm).

13. Tendencias Tecnológicas

La tecnología de fotocopladores continúa evolucionando. Si bien los acopladores tradicionales basados en fototransistor como la serie CNY17 siguen siendo populares para aislamiento de propósito general y rentable, las tendencias se mueven hacia:

Mayor Velocidad:Desarrollo de acopladores más rápidos usando fotodiodo y amplificador integrado (ej., aisladores digitales) para transmisión de datos de varios Mbps.

Mayor Integración:Combinar múltiples canales de aislamiento o integrar aislamiento con otras funciones como drivers de puerta o interfaces ADC en un solo paquete.

Confiabilidad y Vida Útil Mejoradas:Enfoque en materiales y diseños que minimicen la degradación del CTR con el tiempo y la temperatura.

Miniaturización:Migración a paquetes de montaje superficial más pequeños (SOIC, SSOP) con las mismas o mejores clasificaciones de aislamiento. Las opciones S y S1 de la serie CNY17 reflejan esta tendencia hacia el ensamblaje superficial.