Hoja de Datos Técnica de la Serie EL20X/EL21X - Fototransistor Fotocoplador en Paquete SO-8 de 8 Pines - Voltaje de Aislamiento 3750Vrms

1. Descripción General del Producto

Las series EL20X y EL21X son familias de fotocopladores (optoacopladores) basados en fototransistor, encapsulados en un paquete estándar de contorno pequeño (SOP) de 8 pines. Estos dispositivos proporcionan aislamiento eléctrico entre dos circuitos mediante un diodo emisor de luz infrarroja (LED) que transmite una señal a un detector de fototransistor. La función principal es transferir señales eléctricas a través de una barrera de aislamiento sin ninguna conexión eléctrica directa, evitando así que altos voltajes o ruido se propaguen de un circuito a otro.

La ventaja principal de esta serie radica en su combinación de una huella compacta y estándar de la industria (SO-8) con un rendimiento de aislamiento robusto. Las características clave incluyen un alto voltaje de aislamiento de 3750 V_rms, un amplio rango de temperatura de funcionamiento de -55°C a +110°C, y un alto voltaje de ruptura colector-emisor (BV_CEO) de 80V. Los dispositivos se ofrecen en múltiples grados de relación de transferencia de corriente (CTR), permitiendo a los diseñadores seleccionar una pieza optimizada para los requisitos de ganancia de su aplicación específica. El cumplimiento de estándares ambientales y de seguridad, como ser libres de halógenos, libres de plomo (Pb), compatibles con RoHS, y tener aprobación UL/cUL, los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones comerciales e industriales.

1.1 Aplicaciones Objetivo

Estos fotocopladores están diseñados para tareas de aislamiento y conmutación de propósito general en sistemas electrónicos. Las áreas de aplicación típicas incluyen:

• Circuitos de Control de Realimentación:Aislamiento de señales de realimentación en fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) para mantener la regulación y proteger el CI de control.
• Interfaz de Sistemas:Acoplamiento de señales digitales o analógicas entre circuitos que operan a diferentes potenciales de tierra o niveles de voltaje, como en la interfaz de microcontroladores con accionamientos de motores o módulos de E/S industriales.
• Conmutación de Propósito General:Sustitución de relés mecánicos para una conmutación de estado sólido y sin ruido de señales.
• Circuitos de Monitorización y Detección:Uso en monitorización de seguridad, detección de fallos o sensado de línea donde el aislamiento es crítico.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona una interpretación objetiva y detallada de los parámetros eléctricos y ópticos clave especificados en la hoja de datos.

2.1 Especificaciones Absolutas Máximas

Estas especificaciones definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente en el dispositivo. No se garantiza el funcionamiento bajo estas condiciones.

• Corriente Directa de Entrada (I_F):60 mA (continua). La corriente directa de pico (I_FM) es de 1 A para un pulso muy corto (10 µs), lo cual es relevante para condiciones de sobretensión durante el encendido.
• Voltaje Inverso de Entrada (V_R):6 V. El LED de entrada tiene un voltaje de ruptura inversa relativamente bajo; se debe tener cuidado en el diseño del circuito para evitar aplicar polarización inversa.
• Voltaje Colector-Emisor de Salida (V_CEO):80 V. Este es el voltaje máximo que puede soportarse entre el colector y el emisor del fototransistor cuando la base está abierta (sin entrada de luz).
• Disipación de Potencia Total (P_TOT):240 mW. Esta es la potencia combinada máxima que pueden disipar el LED de entrada y el transistor de salida. Los límites individuales son 90 mW para la entrada (P_D) y 150 mW para la salida (P_C).
• Voltaje de Aislamiento (V_ISO):3750 V_rmsdurante 1 minuto. Este es un parámetro de seguridad crítico, probado aplicando este voltaje de CA entre todos los pines de entrada cortocircuitados (1-4) y todos los pines de salida cortocircuitados (5-8). Certifica la resistencia dieléctrica del aislamiento interno.
• Temperatura de Funcionamiento y Almacenamiento:-55°C a +110°C (funcionamiento), -55°C a +125°C (almacenamiento). El amplio rango garantiza fiabilidad en entornos hostiles.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros se miden bajo condiciones de prueba estándar (Ta=25°C salvo que se indique) y definen el rendimiento del dispositivo.

2.2.1 Características de la Entrada (LED)

• Voltaje Directo (V_F):Típicamente 1.3V, máximo 1.5V a I_F= 10 mA. Se utiliza para calcular la resistencia limitadora de corriente requerida para el circuito excitador del LED.
• Corriente Inversa (I_R):Máximo 100 µA a V_R= 6V, indicando la corriente de fuga del LED en estado apagado.

2.2.2 Características de la Salida (Fototransistor)

• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (I_CEO):Máximo 50 nA a V_CE= 10V, I_F= 0mA. Esta es la corriente de fuga del fototransistor cuando no incide luz, importante para determinar el nivel de señal del estado "apagado".
• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(sat)):Máximo 0.4V a I_F= 10mA, I_C= 2mA. Un bajo voltaje de saturación es deseable cuando el dispositivo se usa como interruptor para minimizar la caída de voltaje y la pérdida de potencia.

2.2.3 Características de Transferencia

El parámetro más crítico para un fotocoplador es la Relación de Transferencia de Corriente (CTR).

• Definición:CTR = (I_C/ I_F) * 100%, donde I_Ces la corriente de colector del fototransistor e I_Fes la corriente directa del LED. Representa la eficiencia de convertir una corriente de entrada en una corriente de salida.
• Sistema de Clasificación:La serie se divide en rangos específicos de CTR, permitiendo consistencia en el diseño.
  • Serie EL20X (CTR Estándar a I_F=10mA):EL205 (40-80%), EL206 (63-125%), EL207 (100-200%), EL208 (160-320%).
  • Serie EL21X (CTR Mínimo a I_F=10mA):EL211 (>20%), EL212 (>50%), EL213 (>100%).
  • CTR a Baja Corriente (a I_F=1mA):Se especifican diferentes números de pieza (EL215, EL216, EL217) para operación a corrientes de LED más bajas, mostrando que la CTR depende de I_F.
• Velocidad de Conmutación:El tiempo de encendido típico (t_on) y el tiempo de apagado (t_off) son de 3.0 µs cada uno, con un tiempo de subida (t_r) de 1.6 µs y un tiempo de bajada (t_f) de 2.2 µs bajo condiciones de prueba especificadas (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Estos parámetros limitan la frecuencia máxima de la señal que se puede transmitir.
• Parámetros de Aislamiento:La resistencia de aislamiento (R_IO) es típicamente 10¹¹Ω, y la capacitancia entrada-salida (C_IO) es típicamente 0.5 pF. Una baja capacitancia es crucial para mantener una alta inmunidad transitoria de modo común (CMTI) en entornos ruidosos.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

Si bien el extracto del PDF menciona curvas características típicas pero no las muestra, su propósito general e impacto en el diseño se explican a continuación.

3.1 Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa (I_F)

Una curva típica mostraría que la CTR no es constante. Suele alcanzar un pico en un I_Fespecífico (a menudo en el rango de 1-10 mA para estos dispositivos) y disminuye tanto a corrientes más bajas como más altas. Los diseñadores deben consultar esta curva para seleccionar un punto de operación óptimo que proporcione suficiente ganancia y linealidad para su aplicación.

3.2 CTR vs. Temperatura

La CTR tiene un coeficiente de temperatura negativo; disminuye a medida que aumenta la temperatura ambiente. Esta característica es crítica para diseños que operan en todo el rango de -55°C a +110°C. El circuito debe diseñarse para garantizar un funcionamiento adecuado (por ejemplo, suficiente excursión de salida o capacidad de conmutación) a la temperatura máxima esperada, donde la CTR es mínima.

3.3 Corriente de Colector vs. Voltaje Colector-Emisor

Este conjunto de curvas, parametrizado por diferentes valores de I_F, muestra las características de salida del fototransistor. Ilustra la región de saturación (donde V_CEes bajo e I_Cestá controlado principalmente por I_F) y la región activa/lineal. Esto es esencial para diseñar amplificadores de aislamiento lineales o para asegurar que el dispositivo esté completamente saturado cuando se usa como interruptor.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Configuración de Pines

El paquete SOP de 8 pines tiene la siguiente asignación de pines:Pin 1:Ánodo,Pin 2:Cátodo,Pines 3, 4, 8:Sin Conexión (NC),Pin 5:Emisor,Pin 6:Colector,Pin 7:Base. El pin de base está accesible externamente, lo que proporciona flexibilidad de diseño. Se puede dejar abierto para máxima sensibilidad, conectar al emisor a través de una resistencia para reducir la sensibilidad y mejorar la velocidad de conmutación, o usarse para realimentación en configuraciones específicas.

4.2 Dimensiones del Paquete y Diseño del PCB

El dispositivo se ajusta a la huella estándar SO-8. La hoja de datos incluye planos mecánicos detallados con dimensiones en milímetros. También se proporciona un diseño recomendado de almohadillas para montaje superficial. Seguir este patrón de pistas es crucial para lograr uniones de soldadura fiables y prevenir problemas como el efecto "tumba" durante el reflujo. El contorno del paquete garantiza compatibilidad con equipos automáticos de pick-and-place.

5. Guías de Soldadura y Montaje

La especificación máxima absoluta para la temperatura de soldadura es de 260°C durante 10 segundos. Esta es una especificación típica para procesos de soldadura por reflujo sin plomo (Pb-free). Se deben seguir las pautas estándar IPC/JEDEC J-STD-020 para niveles de sensibilidad a la humedad (MSL) y perfiles de reflujo. Los dispositivos deben almacenarse en sus bolsas barrera de humedad originales hasta su uso. Si se exponen a una humedad ambiente superior a su clasificación MSL, se requiere un horneado antes de soldar para evitar daños por "efecto palomita" durante el reflujo.

6. Información de Empaquetado y Pedido

6.1 Regla de Numeración de Modelos

El número de pieza sigue el formato:EL2XX(Y)-V

• XX:Número de pieza (05, 06, 07, 08, 11, 12, 13, 15, 16, 17). Define el grado de CTR.
• Y:Opción de cinta y carrete (TA, TB, o ninguno para empaquetado en tubo).
• V:Sufijo opcional que indica que se incluye la aprobación de seguridad VDE.

6.2 Opciones de Empaquetado

• Tubo:100 unidades por tubo. Adecuado para prototipos o montaje manual de bajo volumen.
• Cinta y Carrete:2000 unidades por carrete. Diseñado para líneas de montaje automático de alto volumen. La hoja de datos incluye especificaciones detalladas de cinta y carrete (dimensiones de los alvéolos, ancho de la cinta, diámetro del carrete).

6.3 Marcado del Dispositivo

La parte superior del paquete está marcada con "EL" (código del fabricante), el número de pieza (ej., 207), un código de un dígito para el año (Y) y un código de dos dígitos para la semana (WW). Puede aparecer una "V" opcional para las versiones aprobadas por VDE. Este marcado permite la trazabilidad y verificación del componente.

7. Consideraciones de Diseño para la Aplicación

7.1 Excitación del LED de Entrada

El LED debe ser excitado con una resistencia limitadora de corriente. El valor se calcula como R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Use el V_Fmáximo de la hoja de datos para garantizar que se logre la I_Fmínima requerida bajo todas las condiciones. Para conmutación digital, asegúrese de que el circuito excitador pueda proporcionar la I_Fnecesaria para alcanzar el estado de salida deseado dentro del tiempo requerido, considerando la velocidad de conmutación del dispositivo.

7.2 Diseño del Circuito de Salida

La resistencia de carga (R_L) conectada entre el colector y V_CCdetermina la excursión del voltaje de salida y la velocidad de conmutación. Una R_Lmás pequeña proporciona una conmutación más rápida (debido a una constante de tiempo RC menor) pero resulta en una excursión de voltaje de salida más pequeña y una mayor disipación de potencia. Una R_Lmás grande da una mayor excursión pero una velocidad más lenta. La I_Fy la CTR elegidas deben garantizar que el fototransistor pueda absorber suficiente corriente para llevar el voltaje de salida por debajo del umbral de nivel bajo lógico del circuito receptor cuando está encendido.

7.3 Uso del Pin de Base

Dejar el pin de base (Pin 7) abierto proporciona la CTR y sensibilidad más altas. Conectar una resistencia (típicamente en el rango de 100 kΩ a 1 MΩ) entre la base y el emisor (Pin 5) deriva parte de la corriente de base fotogenerada, reduciendo la ganancia efectiva (CTR) pero mejorando significativamente la velocidad de conmutación, especialmente el tiempo de apagado (t_off). Esta es una compensación común en aplicaciones de aislamiento digital de alta velocidad.

7.4 Garantizar un Aislamiento Fiable

Para mantener el voltaje de aislamiento nominal, un diseño adecuado del PCB es esencial. Mantenga distancias de fuga y de aislamiento adecuadas en el PCB entre las trazas de cobre del lado de entrada y del lado de salida, según lo especificado por los estándares de seguridad relevantes (ej., IEC 60950, IEC 60601). La barrera de aislamiento dentro del componente en sí está certificada, pero el diseño del PCB no debe comprometerla.

8. Comparativa Técnica y Guía de Selección

La serie EL20X/EL21X se diferencia por su alto voltaje de aislamiento de 3750V_rmsen un paquete SO-8 estándar, que es superior al de muchos fotocopladores básicos de 4 pines. En comparación con aisladores digitales más avanzados (que usan tecnología CMOS), los fotocopladores con fototransistor como estos son generalmente más lentos, tienen una CTR más baja y esta se degrada con el tiempo. Sin embargo, ofrecen un excelente rechazo en modo común, simplicidad y robustez para el aislamiento de señales de CA de baja frecuencia y CC. Los criterios clave de selección son: voltaje de aislamiento requerido, CTR necesaria en la I_Fde operación, velocidad de conmutación aceptable y rango de temperatura de funcionamiento.

9. Preguntas Frecuentes (FAQ)

9.1 ¿Cuál es la diferencia entre las series EL20X y EL21X?

La serie EL20X (EL205-EL208) especifica la CTR con un valor mínimo y máximo (un rango "clasificado"), ofreciendo un control de parámetros más estricto. La serie EL21X (EL211-EL213) especifica solo un valor mínimo de CTR, lo que puede resultar en una distribución más amplia de valores reales pero potencialmente a un costo menor.

9.2 ¿Cómo afecta la temperatura al rendimiento?

La CTR disminuye al aumentar la temperatura. Para un funcionamiento fiable en todo el rango de temperatura, los cálculos de diseño deben usar la CTR mínima esperada a la temperatura máxima de operación. La hoja de datos suele proporcionar curvas de derating o un coeficiente de temperatura para este propósito.

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

Sí, pero con limitaciones. La respuesta del fototransistor no es lineal, y la CTR varía con I_Fy la temperatura. Para aislamiento analógico lineal, se requiere circuitería externa adicional (amplificadores operacionales, realimentación) para linealizar la respuesta, o se debe considerar un optoacoplador lineal dedicado.

9.4 ¿Cuál es el propósito de la opción "V" en el número de pieza?

El sufijo "-V" indica que la unidad específica ha sido probada y certificada para cumplir con el estándar de seguridad VDE (Verband der Elektrotechnik) para aislamiento reforzado. Esto suele ser un requisito para productos vendidos en el mercado europeo.

10. Ejemplo Práctico de Diseño

Escenario:Aislar un pin GPIO de un microcontrolador de 3.3V para controlar una bobina de relé de 12V en un circuito separado. La bobina del relé requiere 50mA para activarse.

Pasos de Diseño:

1. Selección de la Interfaz:Usar el fotocoplador como interruptor de lado bajo para el relé. El microcontrolador excita el lado del LED. El fototransistor absorberá la corriente de la bobina del relé.
2. Selección de la Pieza:Elegir una pieza con CTR suficiente. I_Crequerida = 50mA. Si se apunta a una I_F= 5mA desde el MCU, la CTR mínima requerida = (50mA / 5mA)*100% = 1000%. Un fototransistor estándar no puede proporcionar esto. Por lo tanto, el fotocoplador debe excitar un transistor pequeño (un "transistor posterior") que luego excita el relé. Seleccionar un EL207 (CTR 100-200%) para una buena ganancia.
3. Circuito de Entrada:GPIO del MCU (3.3V) -> Resistencia limitadora R1 -> Pines 1 (Ánodo) y 2 (Cátodo) del EL207. R1 = (3.3V - 1.5V) / 0.005A = 360Ω (usar 330Ω estándar).
4. Circuito de Salida:Fuente de 12V -> Bobina del relé -> Colector (Pin 6) del EL207. Emisor (Pin 5) a tierra. Se debe colocar un diodo de rueda libre en paralelo inverso a través de la bobina del relé para proteger el fototransistor de picos de voltaje cuando se apaga. Se puede añadir una resistencia base-emisor (ej., 1 MΩ) al Pin 7 para mejorar la velocidad de apagado.
5. Verificación:A I_F=5mA, una CTR mínima del 100% da I_C= 5mA. Esto es suficiente para saturar un BJT pequeño (ej., 2N3904) con alta ganancia, que luego puede conmutar la bobina de relé de 50mA.

11. Principio de Funcionamiento

Un fotocoplador consta de dos componentes principales alojados en un paquete hermético a la luz. En el lado de entrada, un diodo emisor de luz infrarroja de Arseniuro de Galio (GaAs) convierte la corriente eléctrica en luz infrarroja. La intensidad de esta luz es directamente proporcional a la corriente directa (I_F) que fluye a través del LED. Esta luz viaja a través de un espacio de aislamiento transparente (a menudo lleno de un gel dieléctrico) e incide en el fototransistor de silicio del lado de salida. La región de base del fototransistor está diseñada para ser sensible a esta longitud de onda específica de luz. Los fotones incidentes generan pares electrón-hueco en la unión base-colector, creando una fotocorriente que actúa como 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 mucho mayor (I_C). La relación I_C/I_Fes la Relación de Transferencia de Corriente (CTR). El punto clave es que la señal se transfiere mediante luz, proporcionando un aislamiento galvánico determinado por las propiedades físicas del material de aislamiento interno y la distancia entre el LED y el transistor.

12. Tendencias Tecnológicas

Los fotocopladores basados en fototransistor como los EL20X/EL21X representan una tecnología de aislamiento madura y fiable. Las tendencias actuales en aislamiento de señales incluyen la creciente adopción deaisladores digitalesbasados en tecnología CMOS y acoplamiento capacitivo o por RF. Estos ofrecen ventajas significativas en velocidad (hasta cientos de Mbps), consumo de energía, tamaño y longevidad (sin degradación del LED). Sin embargo, los fotocopladores tradicionales mantienen posiciones fuertes en aplicaciones que requieren un voltaje de aislamiento muy alto (>5kV), una excelente inmunidad transitoria de modo común (CMTI), simplicidad y rentabilidad para aislamiento de CC y baja frecuencia. También hay un desarrollo continuo en la tecnología de fotocopladores en sí, como integrar el fototransistor con una resistencia base-emisor para mayor velocidad (como se ve en la disponibilidad del pin de base) y desarrollar paquetes con mayores distancias de fuga/aislamiento para requisitos de aislamiento reforzado.