Hoja de Datos de la Serie EL3120 - Fotocoplador para Control de Puerta - Paquete DIP de 8 Pines - Corriente de Salida 2.5A - Aislamiento 5000Vrms - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie EL3120 es un fotocoplador controlador de puerta de alto rendimiento y alta velocidad, diseñado para excitar IGBTs y MOSFETs de potencia en aplicaciones de electrónica de potencia. Integra un diodo emisor de luz infrarroja (LED) con un fotodetector de alta ganancia y alta velocidad en un paquete compacto DIP (Dual In-line Package) de 8 pines. Su función principal es proporcionar aislamiento eléctrico y transmisión de señal entre un circuito de control de bajo voltaje y un interruptor de potencia de alto voltaje, permitiendo una operación segura y confiable en sistemas de conversión de potencia.

La ventaja principal de este componente radica en su combinación de alta capacidad de excitación de salida y un aislamiento robusto. Con una corriente de pico de salida de 2.5A, puede excitar directamente la puerta de muchos IGBTs y MOSFETs de potencia media sin necesidad de una etapa buffer adicional. Su blindaje interno proporciona una excelente inmunidad transitoria de modo común (CMTI) de ±25 kV/µs, garantizando operación estable en entornos de potencia ruidosos. El dispositivo está diseñado para un rendimiento garantizado en un amplio rango de temperatura de operación, desde -40°C hasta +110°C, lo que lo hace apto para aplicaciones industriales y automotrices.

El mercado objetivo incluye a diseñadores de sistemas de electrónica de potencia como variadores de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), inversores solares y equipos de automatización industrial. Sus aprobaciones de los principales organismos internacionales de normas de seguridad (UL, cUL, VDE, etc.) facilitan su uso en productos finales que requieren cumplimiento y certificación.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Los Límites Absolutos Máximos definen los umbrales de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente en el dispositivo. Para el lado de entrada (LED), la corriente directa continua máxima (I_F) es de 25 mA, con una capacidad de corriente directa pulsada (I_FP) de 1 A para pulsos muy cortos (≤1µs, 300 pps). El voltaje inverso máximo (V_R) es de 5V. En el lado de salida, la corriente de pico de salida tanto para el estado alto (I_OPH) como para el bajo (I_OPL) es de 2.5A. El voltaje de salida (V_O) no debe exceder los 30V en relación con V_EE. El rango de voltaje de alimentación (V_CC- V_EE) se especifica de 15V a 30V. El dispositivo puede soportar un voltaje de aislamiento (V_ISO) de 5000 V_rmsdurante un minuto entre los lados de entrada y salida. La disipación de potencia total (P_T) está limitada a 300 mW.

2.2 Características Electro-Ópticas

Esta sección detalla el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de operación a lo largo del rango de temperatura especificado (T_A= -40°C a 110°C).

Características de Entrada:El voltaje directo (V_F) del LED de entrada tiene un valor máximo de 1.8V a una corriente directa (I_F) de 10mA. La corriente de fuga inversa se mide a un voltaje inverso de 5V.

Características de Salida:Se especifican las corrientes de alimentación en reposo del CI de salida. La corriente de alimentación de nivel alto (I_CCH) es típicamente de 1.4 mA (máx. 3.2 mA) cuando el LED de entrada está encendido (I_F=10mA). La corriente de alimentación de nivel bajo (I_CCL) es típicamente de 1.5 mA (máx. 3.2 mA) cuando el LED de entrada está apagado.

Características de Transferencia:Estos son los parámetros más críticos para la aplicación de control de puerta. La corriente de salida de nivel alto (I_OH) es la corriente que el dispositivo puede sumiderar al elevar el voltaje de puerta. Se especifica como -2.5A (mín.) cuando el voltaje de salida (V_O) está 3V por debajo de V_CC(V_CC-3V). La corriente de salida de nivel bajo (I_OL) es la corriente que puede suministrar al bajar el voltaje de puerta, especificada como 2.5A (mín.) cuando V_Oestá 3V por encima de V_EE(V_EE+3V). Las caídas de voltaje de salida correspondientes (V_OHy V_OL) también se definen, mostrando la capacidad del dispositivo para lograr un swing de salida de riel a riel. La corriente umbral de entrada (I_FLH) es la corriente máxima del LED requerida para garantizar que la salida cambie al estado alto, especificada como 5 mA máx. Los umbrales de Bloqueo por Bajo Voltaje (UVLO) aseguran que la salida permanezca en un estado seguro si el voltaje de alimentación es demasiado bajo, con umbrales típicos alrededor de 11-12.5V.

2.3 Características de Conmutación

El rendimiento dinámico es clave para aplicaciones de conmutación de alta frecuencia. Los tiempos de retardo de propagación (t_PLHy t_PHL) de entrada a salida tienen un máximo de 300 ns, con valores típicos alrededor de 150 ns. La distorsión del ancho de pulso (|t_PHL– t_PLH|) es un máximo de 100 ns, indicando una buena simetría entre los retardos de encendido y apagado. Los tiempos de subida (t_R) y bajada (t_F) de la salida son típicamente de 80 ns. La Inmunidad Transitoria de Modo Común (CMTI) es un parámetro crítico para dispositivos de aislamiento, especificando la tasa máxima de cambio de voltaje a través de la barrera de aislamiento que el dispositivo puede tolerar sin un cambio incorrecto en la salida. El EL3120 garantiza una CMTI de 25 kV/µs tanto para el estado lógico alto como para el bajo.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características típicas que ofrecen una visión más profunda del comportamiento del dispositivo bajo diferentes condiciones.

Voltaje Directo vs. Temperatura (Fig.1):Esta curva muestra que el voltaje directo (V_F) del LED de entrada disminuye a medida que aumenta la temperatura ambiente, lo cual es una característica típica de los diodos semiconductores. Los diseñadores deben tener esto en cuenta al diseñar el circuito de excitación del LED para garantizar una corriente suficiente en todo el rango de temperatura.

Voltaje de Salida vs. Corriente de Salida (Fig.2 & Fig.4):Estos gráficos trazan la caída de voltaje de salida versus la corriente de salida tanto para la operación en lado alto (sumidero) como en lado bajo (fuente). Muestran que la caída de voltaje aumenta con una mayor corriente de salida y una menor temperatura. Esta información es crucial para calcular la disipación de potencia en el controlador y asegurar que la puerta reciba el swing de voltaje completo previsto.

Corriente de Alimentación vs. Temperatura (Fig.6):Esta curva ilustra que la corriente de alimentación en reposo (tanto I_CCHcomo I_CCL) aumenta moderadamente con la temperatura, lo cual es importante para los cálculos del presupuesto de potencia del sistema.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Configuración y Función de los Pines

El dispositivo está alojado en un paquete DIP estándar de 8 pines. La asignación de pines es la siguiente:

• Pin 1: Sin Conexión (NC)
• Pin 2: Ánodo (A) del LED de entrada
• Pin 3: Cátodo (K) del LED de entrada
• Pin 4: Sin Conexión (NC)
• Pin 5: V_EE(Alimentación negativa/tierra para la etapa de salida)
• Pin 6: V_OUT(Salida de excitación de puerta)
• Pin 7: V_OUT(Salida de excitación de puerta, conectada internamente al Pin 6)
• Pin 8: V_CC(Alimentación positiva para la etapa de salida)

El diagrama esquemático muestra la conexión interna: el fotodetector excita una etapa de salida push-pull conectada entre V_CCy V_EE. La hoja de datos establece explícitamente que se debe conectar un condensador de desacoplamiento de 0.1 µF entre los pines 8 (V_CC) y 5 (V_EE) para garantizar una operación estable y minimizar el ruido de la alimentación.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

Los Límites Absolutos Máximos especifican una temperatura de soldadura (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos. Este es un valor típico para procesos de soldadura sin plomo (Pb-free). Los diseñadores deben seguir las directrices estándar IPC para la soldadura de componentes de orificio pasante. El dispositivo debe almacenarse dentro del rango de temperatura de almacenamiento especificado de -55°C a +125°C en un ambiente seco para prevenir la absorción de humedad, lo que podría provocar el efecto "popcorn" durante el reflujo (aunque es principalmente una preocupación para componentes SMD).

6. Recomendaciones de Aplicación

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La aplicación principal es como controlador de puerta aislado para IGBTs y MOSFETs de potencia en circuitos como variadores de motores, inversores y sistemas UPS. Un circuito de aplicación típico implica conectar los pines de entrada (2 y 3) a un microcontrolador o controlador PWM a través de una resistencia limitadora de corriente. Los pines de salida (6 y 7) se conectan directamente a la puerta del interruptor de potencia. Casi siempre se requiere una resistencia de puerta externa (R_G) en serie con la puerta para controlar la velocidad de conmutación, reducir oscilaciones y limitar la corriente pico. El valor de R_Ges un compromiso entre las pérdidas por conmutación (más rápido es mejor) y la interferencia electromagnética (EMI) y el sobrepico de voltaje (más lento es mejor).

6.2 Consideraciones de Diseño

• Circuito de Entrada:La corriente de excitación del LED debe ser suficiente para superar la corriente umbral de entrada máxima (5 mA) con un margen, típicamente se usan 10-16 mA. Una resistencia en serie se calcula como R_IN= (V_CONTROL- V_F) / I_F.
• Circuito de Salida:La fuente de alimentación para la etapa de salida (V_CCa V_EE) debe estar entre 15-30V y estar bien regulada. El condensador de desacoplamiento de 0.1 µF es obligatorio y debe colocarse lo más cerca posible de los pines del dispositivo.
• Excitación de Puerta:La corriente de pico de salida de 2.5A es adecuada para interruptores con carga de puerta moderada. Para IGBTs muy grandes, verifique que el controlador pueda entregar la carga requerida dentro del tiempo de conmutación deseado. Las capacidades de pull-up y pull-down son simétricas, lo cual es beneficioso.
• Aislamiento:Mantenga distancias de fuga y separación adecuadas en el diseño del PCB entre los lados de entrada y salida, de acuerdo con el voltaje de aislamiento objetivo y las normas de seguridad relevantes.
• Gestión Térmica:Aunque el paquete puede disipar 300 mW, calcule la disipación de potencia real basándose en el voltaje de alimentación, la corriente de alimentación, la corriente de salida, el ciclo de trabajo y la frecuencia de conmutación para asegurar que la temperatura de unión permanezca dentro de los límites.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

El EL3120 se posiciona en el mercado con un conjunto específico de características. Su corriente de salida de 2.5A lo sitúa en el rango medio para fotocopladores controladores de puerta, adecuado para una amplia gama de aplicaciones sin el costo y la complejidad de etapas controladoras discretas de mayor corriente. La CMTI garantizada de 25 kV/µs es una cifra robusta, proporcionando una fuerte inmunidad al ruido en entornos desafiantes como los variadores de motores. El amplio rango de temperatura de operación (-40°C a +110°C) supera al de muchas partes de grado comercial, ofreciendo fiabilidad para aplicaciones industriales y exteriores. La capacidad de voltaje de salida de riel a riel asegura un uso eficiente del voltaje de alimentación de la puerta, maximizando la señal de puerta aplicada al interruptor.

8. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Puedo usar una sola fuente de 15V para la etapa de salida?

R: Sí, el rango de voltaje de alimentación es de 15V a 30V. Una fuente de 15V es el mínimo y es perfectamente aceptable, aunque resultará en un voltaje de excitación de puerta más bajo para el interruptor de potencia en comparación con el uso de un voltaje más alto.

P: ¿Cuál es el propósito de tener dos pines de salida (6 y 7)?

R: Los dos pines están conectados internamente. Este diseño ayuda a reducir la inductancia parásita en la conexión a la puerta, permite una ruta de corriente más robusta para las altas corrientes pico y proporciona flexibilidad en el diseño de la placa.

P: ¿Cómo me aseguro de que el dispositivo se encienda de manera confiable?

R: Excite el LED de entrada con una corriente significativamente por encima de la corriente umbral de entrada máxima especificada (I_FLH= 5 mA). Usar 10-16 mA, como se muestra en las condiciones de prueba, proporciona un buen margen de seguridad frente a variaciones de temperatura y del dispositivo.

P: ¿Es necesaria una resistencia de puerta externa?

R: Casi siempre, sí. Aunque el controlador puede conectarse directamente, se usa una resistencia de puerta (típicamente entre 1-100 Ω) para controlar la velocidad de conmutación, amortiguar oscilaciones parásitas y limitar la corriente pico vista tanto por el CI controlador como por la puerta del interruptor de potencia.

9. Ejemplo de Aplicación Práctica

Escenario: Excitar un IGBT de 600V en un inversor trifásico para un variador de motor.El microcontrolador genera señales PWM a nivel lógico de 5V. Se calcula una resistencia limitadora de corriente para ~12 mA de corriente en el LED (ej., (5V - 1.5V)/12mA ≈ 290Ω). El lado de salida es alimentado por un convertidor DC-DC aislado de 20V. Los pines 6 y 7 se conectan a través de una resistencia de puerta de 10Ω a la puerta del IGBT. Un condensador cerámico de 0.1 µF se coloca directamente entre los pines 8 y 5. La función UVLO asegura que la puerta del IGBT se mantenga baja si la fuente de 20V cae durante el arranque o condiciones de falla, evitando un encendido parcial y una disipación de potencia excesiva. La alta CMTI asegura que los cambios rápidos de voltaje (dv/dt) en el colector del IGBT no causen un disparo falso de la salida del controlador a través de la barrera de aislamiento.

10. Principio de Funcionamiento

El EL3120 opera bajo el principio de acoplamiento óptico. Una señal eléctrica aplicada al lado de entrada hace que el LED infrarrojo emita luz. Esta luz atraviesa una barrera de aislamiento ópticamente transparente (típicamente hecha de silicona o material similar). En el lado de salida, un fotodetector, que es un circuito integrado monolítico, recibe esta luz y la convierte nuevamente en una señal eléctrica. Este CI incluye un elemento fotosensible, etapas de amplificación y un potente buffer de salida capaz de suministrar y sumiderar altas corrientes pico. La ventaja clave es que la señal y la potencia se transmiten mediante luz, proporcionando un aislamiento galvánico que bloquea altos voltajes, bucles de tierra y ruido.

11. Tendencias de la Industria

El mercado de aisladores controladores de puerta continúa evolucionando. Las tendencias incluyen la integración de más funciones en el CI aislador, como funciones de protección avanzadas (detección de desaturación, apagado suave, clamp Miller), mayores niveles de integración con otras funciones del sistema y soporte para frecuencias de conmutación más altas demandadas por semiconductores de banda ancha (SiC y GaN). También hay un impulso hacia una mayor fiabilidad, vidas operativas más largas y certificaciones de seguridad mejoradas para aplicaciones automotrices (AEC-Q100) y de seguridad funcional (ISO 26262). Los tamaños de los paquetes también tienden hacia tipos de montaje superficial más pequeños para diseños de mayor densidad de potencia, aunque los paquetes de orificio pasante como el DIP siguen siendo populares por su robustez y facilidad para prototipos.