Ficha Técnica de la Serie EL3H4-G - Fotocoplador de Entrada CA - Paquete SSOP de 4 Pines - Aislamiento 3750Vrms

1. Descripción General del Producto

La serie EL3H4-G es una familia de fotocopladores con fototransistor y entrada de CA, diseñados para aplicaciones que requieren aislamiento eléctrico y transmisión de señales desde fuentes de CA o CC de polaridad desconocida. El dispositivo se aloja en un paquete SSOP (Small Outline Package) compacto de montaje superficial de 4 pines, lo que lo hace idóneo para diseños de PCB con espacio limitado.

El componente central consiste en dos diodos emisores de luz infrarroja (LED) conectados en antiparalelo. Esta configuración permite que la entrada acepte señales de corriente alterna (CA), ya que un diodo conduce durante cada semiciclo de la forma de onda de entrada. La luz infrarroja emitida se acopla ópticamente a un fototransistor de silicio, que proporciona la señal de salida aislada. Todo el conjunto está encapsulado con un compuesto verde libre de halógenos.

1.1 Ventajas Principales

• Capacidad de Entrada CA:La configuración de LED en antiparalelo permite la interfaz directa con fuentes de señal CA sin necesidad de circuitos de rectificación externos.
• Alta Tensión de Aislamiento:Proporciona un aislamiento de seguridad nominal de 3750 V_rmsentre los lados de entrada y salida, crucial para proteger circuitos sensibles de transitorios de alta tensión.
• Factor de Forma Compacto:El paquete SSOP ofrece una huella pequeña, ideal para ensamblajes electrónicos modernos de alta densidad.
• Cumplimiento Ambiental:El dispositivo está libre de halógenos y cumple con directivas ambientales relevantes como RoHS y REACH.
• Aprobaciones de Seguridad:El producto cuenta con aprobaciones de las principales agencias de seguridad internacionales, incluyendo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC.

1.2 Aplicaciones Objetivo

Este fotocoplador está diseñado para su uso en una variedad de aplicaciones industriales y de comunicación donde se requiere un aislamiento fiable y detección de señales CA.

• Monitorización de Línea CA:Detección de la presencia o ausencia de tensión de red CA en fuentes de alimentación, electrodomésticos y equipos industriales.
• Controladores Lógicos Programables (PLC):Proporciona canales de entrada digital aislados para detectar señales CA procedentes de sensores e interruptores.
• Interfaz de Línea Telefónica:Aislamiento de circuitos de detección de timbre o descolgado en equipos de telecomunicaciones.
• Detección de CC de Polaridad Desconocida:Interfaz con señales CC donde la polaridad no está fijada o no se conoce de antemano.

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 en el dispositivo. No están destinados a condiciones normales de funcionamiento.

• Corriente Directa de Entrada (I_F):±50 mA (continua). El signo ± indica la capacidad bidireccional/CA.
• Corriente Directa de Pico (I_FM):1 A para una duración de pulso corto de 10 µs. Esta especificación es importante para soportar corrientes de sobretensión breves.
• Tensión Colector-Emisor (V_CEO):80 V. Esta es la tensión máxima que se puede aplicar a través del fototransistor de salida.
• Disipación de Potencia Total (P_TOT):200 mW. Esta es la potencia combinada máxima que el dispositivo puede disipar tanto del lado de entrada como del de salida.
• Tensión de Aislamiento (V_ISO):3750 V_rmsdurante 1 minuto. Esta especificación de resistencia a alta tensión es un parámetro de seguridad clave.
• Temperatura de Funcionamiento (T_OPR):-55°C a +100°C. El amplio rango garantiza un funcionamiento fiable en entornos adversos.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL):260°C durante 10 segundos, compatible con perfiles típicos de soldadura por reflujo sin plomo.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento eléctrico y óptico del dispositivo en condiciones de prueba especificadas (típicamente a T_a= 25°C).

2.2.1 Características de Entrada

• Tensión Directa (V_F):Típicamente 1.2V, con un máximo de 1.4V a una corriente directa de ±20 mA. Esta baja caída de tensión es beneficiosa para circuitos de baja potencia.
• Capacitancia de Entrada (C_in):Típicamente 50 pF, máximo 250 pF. Este parámetro afecta a la respuesta en alta frecuencia del lado de entrada.

2.2.2 Características de Salida

• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (I_CEO):Máximo 100 nA a V_CE=20V con I_F=0. Esta es la corriente de fuga del fototransistor cuando no hay luz presente.
• Tensión de Ruptura Colector-Emisor (BV_CEO):Mínimo 80V. Esto asegura que la salida pueda manejar niveles típicos de lógica o media tensión.
• Tensión de Saturación Colector-Emisor (V_CE(sat)):Típicamente 0.1V, máximo 0.2V a I_F=±20mA y I_C=1mA. Una baja tensión de saturación es deseable para las etapas de salida que excitan entradas lógicas.

2.2.3 Características de Transferencia

Estos parámetros definen la eficiencia y calidad de la transferencia de señal de entrada a salida.

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR):Es la relación entre la corriente de colector de salida (I_C) y la corriente directa de entrada (I_F), expresada como porcentaje. Es el parámetro clave para la ganancia. La serie EL3H4-G se ofrece en diferentes rangos de CTR:
  • EL3H4:CTR mín. 20% a máx. 300% a I_F= ±1 mA, V_CE= 5V.
  • EL3H4A:CTR mín. 50% a máx. 150%.
  • EL3H4B:CTR mín. 100% a máx. 300%.
  Esta selección permite a los diseñadores elegir la ganancia apropiada para su aplicación, equilibrando sensibilidad frente a saturación potencial.
• Simetría de CTR:Relación entre el CTR medido con I_Fpositivo y el CTR medido con I_Fnegativo. Especificado entre 0.5 y 2.0. Un valor cercano a 1.0 indica una buena simetría en la respuesta CA de los dos LED de entrada.
• Resistencia de Aislamiento (R_IO):Mínimo 5×10¹⁰Ω, típico 10¹¹Ω a 500V CC. Esta resistencia extremadamente alta es crítica para mantener la integridad del aislamiento.
• Capacitancia Flotante (C_IO):Típicamente 0.6 pF, máximo 1.0 pF. Esta baja capacitancia minimiza el acoplamiento capacitivo a través de la barrera de aislamiento, lo que es importante para rechazar ruido de modo común de alta frecuencia.
• Tiempos de Conmutación:Tanto el tiempo de subida (t_r) como el de bajada (t_f) tienen un valor máximo de 18 µs bajo las condiciones de prueba especificadas (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Estos tiempos definen la velocidad del dispositivo y su idoneidad para diferentes señales de frecuencia.

3. Explicación del Sistema de Clasificación

La serie EL3H4-G emplea un sistema de clasificación basado principalmente en la Relación de Transferencia de Corriente (CTR).

• Grado Estándar (Sin sufijo):Ofrece el rango de CTR más amplio (20-300%), adecuado para aplicaciones de propósito general donde la ganancia precisa no es crítica.
• Grado A (Sufijo 'A'):Proporciona un rango de CTR medio más estrecho (50-150%), ofreciendo un rendimiento más predecible.
• Grado B (Sufijo 'B'):Proporciona un rango de CTR alto y estrecho (100-300%), ideal para aplicaciones que requieren alta sensibilidad y ganancia, como la detección de señales débiles.

Esta clasificación permite a los fabricantes optimizar sus diseños para consistencia o seleccionar componentes para requisitos de sensibilidad específicos.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La ficha técnica hace referencia a curvas características electro-ópticas típicas. Aunque los gráficos específicos no se detallan en el texto proporcionado, típicamente incluyen los siguientes, que son cruciales para el diseño:

• CTR vs. Corriente Directa (I_F):Muestra cómo cambia la relación de transferencia con el nivel de corriente de entrada. La CTR a menudo disminuye a I_Fmuy altas debido a la caída de eficiencia del LED.
• CTR vs. Temperatura:Ilustra la dependencia de la sensibilidad del dispositivo con la temperatura. La CTR generalmente disminuye al aumentar la temperatura.
• Tensión Directa (V_F) vs. Corriente Directa (I_F):La curva característica IV del diodo.
• Corriente de Colector de Salida (I_C) vs. Tensión Colector-Emisor (V_CE):Las características de salida del fototransistor para diferentes niveles de luz de entrada (I_F).
• Tiempo de Conmutación vs. Resistencia de Carga (R_L):Muestra cómo los tiempos de subida y bajada se ven afectados por la resistencia de carga elegida en la salida.

Los diseñadores deben consultar estas curvas para comprender el comportamiento del dispositivo en condiciones no estándar y optimizar parámetros como la corriente de entrada y la resistencia de carga para obtener la velocidad y el swing de salida deseados.

5. Información Mecánica y del Paquete

5.1 Configuración de Pines

El paquete SSOP de 4 pines tiene la siguiente asignación de pines:

1. Pin 1:Ánodo de un LED / Cátodo del otro (debido a la conexión en antiparalelo).
2. Pin 2:Cátodo del primer LED / Ánodo del segundo.
3. Pin 3:Emisor del fototransistor.
4. Pin 4:Colector del fototransistor.

Esta configuración significa que la entrada CA se aplica entre los Pines 1 y 2, y la salida se toma de los Pines 3 y 4 (típicamente con el Pin 3 como común/masa).

5.2 Dimensiones del Paquete y Diseño del PCB

La ficha técnica incluye planos mecánicos detallados para el paquete SSOP. Las dimensiones clave incluyen el tamaño del cuerpo, el paso de las patillas y la altura de separación. También se proporciona un diseño de almohadillas recomendado para montaje superficial, con la nota de que es de referencia y debe modificarse según los procesos específicos de fabricación de PCB y los requisitos térmicos. Un diseño adecuado de las almohadillas es esencial para una soldadura fiable y resistencia mecánica.

6. Directrices de Soldadura y Montaje

6.1 Perfil de Soldadura por Reflujo

El dispositivo es compatible con procesos de soldadura por reflujo sin plomo. El perfil de temperatura máxima recomendado para el cuerpo se basa en IPC/JEDEC J-STD-020D:

• Precalentamiento:150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Tiempo por Encima del Líquido (T_L=217°C):60-100 segundos.
• Temperatura de Pico (T_P):260°C máximo.
• Tiempo dentro de 5°C del Pico:30 segundos máximo.
• Ciclos de Reflujo Máximos: 3.

Adherirse a este perfil previene daños térmicos al paquete de plástico y a las uniones internas de alambre.

6.2 Precauciones

• Evite exponer el dispositivo a temperaturas que excedan los límites absolutos máximos durante el manejo y la soldadura.
• Asegúrese de que la barrera de aislamiento no se vea comprometida por contaminación (por ejemplo, fundente, residuos) entre los lados de entrada y salida del paquete.
• Siga las precauciones estándar contra descargas electrostáticas (ESD) durante el manejo, ya que los LED y transistores internos son sensibles a la electricidad estática.

7. Información de Embalaje y Pedido

7.1 Regla de Numeración de Modelos

El número de parte sigue el formato:EL3H4(Y)(Z)-VG

• EL3H4:Número de parte base.
• Y:Rango de CTR (A, B, o en blanco para estándar).
• Z:Opción de cinta y carrete (TA, TB, EA, EB, o en blanco para tubo). Los carretes TA/TB contienen 5000 unidades; los carretes EA/EB contienen 1000 unidades. La diferencia entre las opciones A y B típicamente se relaciona con el ancho de la cinta o la dirección de alimentación.
• V:Sufijo opcional que denota que la parte tiene aprobación VDE.
• G:Denota material libre de halógenos.

Ejemplo: EL3H4A-TA-VG es una parte de grado 'A', suministrada en un carrete TA de 5000 unidades, con aprobación VDE y libre de halógenos.

7.2 Especificaciones de Embalaje

El dispositivo puede suministrarse en tubos (150 unidades) o en cinta y carrete. Se proporcionan dimensiones detalladas de la cinta (tamaño del bolsillo, paso, ancho de cinta) para compatibilidad con equipos automáticos de pick-and-place.

7.3 Marcado del Dispositivo

La parte superior del paquete está marcada con un código:EL 3H4 RYWWV

• EL:Código del fabricante.
• 3H4:Número del dispositivo.
• R:Rango de CTR (A, B, o en blanco).
• Y:Código de año de 1 dígito.
• WW:Código de semana de 2 dígitos.
• V:Marca de aprobación VDE (si está presente).

8. Consideraciones de Diseño de Aplicación

8.1 Diseño del Circuito de Entrada

Para funcionamiento en CA, se debe colocar una resistencia limitadora de corriente en serie con los pines de entrada (1 y 2). Su valor debe calcularse en función de la tensión de entrada de pico y la corriente directa deseada (I_F), asegurando que I_Fno exceda la especificación continua de 50 mA. Por ejemplo, para excitar la entrada desde una línea CA de 120V_rms, la resistencia debe limitar la corriente de pico (≈170V / R). Considere la potencia nominal y la capacidad de resistencia a la tensión de esta resistencia.

8.2 Diseño del Circuito de Salida

El fototransistor de salida puede usarse en configuración de emisor común (resistencia de carga entre V_CCy Colector, Emisor a masa) o como interruptor. El valor de la resistencia de carga (R_L) afecta a:

Oscilación de Tensión de Salida:Una R_Lmayor da una mayor caída de tensión para una I_C.

dada. Velocidad de Conmutación:Una R_Lmayor aumenta la constante de tiempo RC, ralentizando los tiempos de subida y bajada (como se indica en la especificación t_r/t_fcon R_L=100Ω).

A menudo se necesita una resistencia de pull-up si se excita una entrada lógica. Asegúrese de que la tensión de salida en estado 'on' (V_CE(sat)) sea lo suficientemente baja para ser reconocida como un '0' lógico.

8.3 Garantizar un Aislamiento Fiable

Para mantener el aislamiento especificado de 3750V_rms, el diseño del PCB es crítico. Mantenga distancias de fuga y de aislamiento adecuadas en la placa entre las trazas de cobre y las almohadillas asociadas con el lado de entrada (Pines 1,2) y el lado de salida (Pines 3,4). Esto a menudo significa proporcionar una ranura física o una separación amplia en el PCB bajo el cuerpo del dispositivo. Evite que las trazas de entrada y salida discurran paralelas y muy cerca unas de otras.

9. Comparación y Diferenciación Técnica

Las características diferenciadoras principales de la serie EL3H4-G en comparación con los fotocopladores de entrada CC estándar son:

• Entrada CA Integrada:Elimina la necesidad de rectificadores de puente externos o fotocopladores duales para manejar señales CA, ahorrando espacio en la placa y número de componentes.
• Simetría de CTR:Un parámetro especificado que garantiza una respuesta equilibrada en ambos semiciclos de la CA, lo cual no es una preocupación para dispositivos de entrada CC.
• Construcción Libre de Halógenos:Cumple con requisitos ambientales estrictos que pueden no ser abordados por todos los modelos antiguos de fotocopladores.

En comparación con otros fotocopladores de entrada CA, sus ventajas radican en la combinación de alta tensión de aislamiento, paquete SSOP compacto y disponibilidad de múltiples grados de CTR.

10. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P1: ¿Puedo usar esto para detectar directamente la red de 230V CA?

R: Sí, pero debe usar una resistencia limitadora de corriente externa apropiada en serie con la entrada para mantener la corriente directa dentro del límite de 50mA. La resistencia también debe estar clasificada para la alta tensión y disipación de potencia.

P2: ¿Cuál es la diferencia entre los grados estándar, A y B?

R: La diferencia es la Relación de Transferencia de Corriente (CTR) mínima y máxima garantizada. El grado B tiene la sensibilidad mínima más alta (100%), lo que lo hace adecuado para detectar señales más débiles. El grado A ofrece un rango más moderado y predecible. El grado estándar tiene el rango más amplio, ofreciendo un uso de propósito general rentable.

P3: ¿Qué tan rápido es este dispositivo? ¿Se puede usar para comunicación?

R: Con tiempos típicos de subida/bajada de hasta 18 µs, el ancho de banda está limitado a aproximadamente decenas de kHz. Es adecuado para detectar frecuencia de red CA (50/60 Hz), señales digitales lentas o detección de estado en PLCs, pero no está diseñado para comunicación de datos de alta velocidad como aisladores digitales.

P4: ¿Por qué la resistencia de aislamiento es tan alta (10^11 Ω)?

R: Esta resistencia extremadamente alta minimiza la corriente de fuga a través de la barrera de aislamiento. Esto es crucial para la seguridad, evitando que fluyan corrientes peligrosas entre circuitos aislados, y para la integridad de la señal en aplicaciones de medición de precisión.

11. Ejemplo Práctico de Diseño

Escenario: Detector de Presencia de Línea CA de 120V Aislado.

Objetivo:Proporcionar una señal lógica baja de 3.3V a un microcontrolador cuando está presente la CA de 120V.

Pasos de Diseño:

1. Cálculo de la Resistencia de Entrada:Para 120V_rms, la tensión de pico es ~170V. Para limitar I_Fa un valor seguro de 10mA (muy por debajo de 50mA), R_limit= 170V / 0.01A = 17kΩ. Use una resistencia estándar de 18kΩ, 1/2W o de mayor potencia nominal.

2. Circuito de Salida:Conecte el Colector del fototransistor (Pin 4) a la alimentación de 3.3V del microcontrolador a través de una resistencia de pull-up (por ejemplo, 10kΩ). Conecte el Emisor (Pin 3) a masa. El nodo del Colector se conecta a un pin de entrada digital del microcontrolador.

3. Funcionamiento:Cuando hay CA presente, la salida del fotocoplador se activa durante cada semiciclo, llevando la tensión del Colector cerca de V_CE(sat)(~0.2V), que se lee como un '0' lógico. Cuando no hay CA, el fototransistor está apagado y la resistencia de pull-up lleva la tensión del Colector a 3.3V ('1' lógico). El software puede necesitar eliminar rebotes de esta señal debido a los cruces por cero de 50/60 Hz.

12. Principio de Funcionamiento

El EL3H4-G funciona según el principio de acoplamiento optoelectrónico. Una señal eléctrica aplicada al lado de entrada hace que los LED infrarrojos emitan luz proporcional a la corriente. Esta luz atraviesa una barrera de aislamiento transparente dentro del paquete. En el lado de salida, la luz incide en la región de base de un fototransistor de silicio, generando pares electrón-hueco. Esta fotocorriente actúa como corriente de base, haciendo que el transistor conduzca una corriente de colector mucho mayor, replicando así la señal de entrada en el lado de salida aislado. La configuración de LED en antiparalelo permite que la corriente fluya y se emita luz durante ambas polaridades de una señal de entrada CA.

13. Tendencias Tecnológicas

Los fotocopladores como el EL3H4-G representan una tecnología de aislamiento madura y fiable. Las tendencias actuales en el campo del aislamiento de señales incluyen:

Integración:Combinar múltiples canales de aislamiento o integrar funciones adicionales (como drivers o protección) en un solo paquete.

Mayor Velocidad:Desarrollo de fotocopladores con tiempos de conmutación más rápidos para aplicaciones de comunicación digital, aunque generalmente son más lentos que las tecnologías basadas en acoplamiento capacitivo o magnético.

Estándares de Seguridad Mejorados:Evolución continua de los estándares de seguridad internacionales (UL, VDE, IEC) que impulsan requisitos para tensiones de trabajo más altas, aislamiento reforzado y mejores métricas de fiabilidad.

Ciencia de Materiales:Desarrollo de nuevos compuestos de encapsulado con mejor estabilidad térmica, resistencia a la humedad y claridad óptica para mejorar el rendimiento y la longevidad.