Hoja de Datos Técnica en Español - Fotocoplador de Puerta Lógica de Alta Velocidad 10Mbit/s en Carcasa Ancha DIP de 8 Pines Serie ELW137

1. Descripción General del Producto

Las series ELW137, ELW2601 y ELW2611 son fotocopladores de puerta lógica de alta velocidad (optoaisladores) diseñados para aplicaciones que requieren aislamiento rápido de señales digitales. El componente central es un diodo emisor de infrarrojos acoplado ópticamente a un fotodetector integrado de alta velocidad con una salida de puerta lógica. Este dispositivo se presenta en un encapsulado Dual In-line Package (DIP) de 8 pines de carcasa ancha, estándar en la industria, y también hay opciones de montaje superficial (SMD). Su función principal es proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida mientras transmite señales lógicas digitales a velocidades de hasta 10 Megabits por segundo (Mbit/s).

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Las ventajas clave de esta serie incluyen su capacidad de alta velocidad, lo que la hace adecuada para interfaces de comunicación digital modernas. Ofrece un alto voltaje de aislamiento de 5000 V_rms, mejorando la seguridad del sistema y la inmunidad al ruido. El dispositivo está diseñado para garantizar un rendimiento en un amplio rango de temperatura industrial, desde -40°C hasta +85°C. Cuenta con las principales homologaciones de seguridad internacionales (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) y cumple con las directivas REACH y RoHS de la UE. Los mercados objetivo incluyen automatización industrial, telecomunicaciones, periféricos informáticos, equipos médicos y fuentes de alimentación conmutadas, donde un aislamiento de señal fiable es crítico.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona una interpretación objetiva de los principales parámetros eléctricos y de rendimiento listados en la hoja de datos.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los niveles de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No son para condiciones normales de funcionamiento.

• Corriente Directa de Entrada (I_F): 50 mA. Superar este valor puede destruir el LED de entrada.
• Voltaje Inverso (V_R): 5 V. El diodo de entrada tiene una tolerancia limitada al voltaje inverso.
• Voltaje de Alimentación (V_CC) y Voltaje de Salida (V_O): 7.0 V. Esto define el voltaje máximo que se puede aplicar a la alimentación y a los pines de señal del lado de salida.
• Voltaje de Aislamiento (V_ISO): 5000 V_rmsdurante 1 minuto. Este es un parámetro de seguridad clave que indica la rigidez dieléctrica entre los lados de entrada y salida.
• Temperatura de Funcionamiento (T_OPR): -40°C a +85°C. El dispositivo está clasificado para entornos industriales.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL): 260°C durante 10 segundos. Esto es importante para los procesos de montaje en PCB.

2.2 Características Eléctricas

Estos son parámetros garantizados bajo condiciones de prueba específicas en todo el rango de temperatura de funcionamiento.

2.2.1 Características de Entrada

• Voltaje Directo (V_F): Típicamente 1.4V, máximo 1.8V con I_F=10mA. Se utiliza para diseñar el circuito limitador de corriente de entrada.
• Capacitancia de Entrada (C_IN): Típicamente 70 pF. Esto afecta a la respuesta en alta frecuencia de la etapa de entrada.

2.2.2 Características de Salida y de Transferencia

• Corrientes de Alimentación (I_CCH, I_CCL): El circuito integrado de salida consume 6.5-10mA (salida alta) y 8-13mA (salida baja). Esto determina el requisito de potencia en el lado de salida.
• Voltaje de Salida en Nivel Bajo (V_OL): Máximo 0.6V cuando sumidera 13mA. Esto asegura la compatibilidad con entradas lógicas TTL y CMOS de bajo voltaje.
• Corriente Umbral de Entrada (I_FT): 3.0 a 5.0 mA. Esta es la corriente mínima del LED de entrada necesaria para garantizar una salida lógica-baja válida en las peores condiciones. El diseño debe utilizar una corriente por encima del valor máximo.

2.3 Características de Conmutación

Estos parámetros definen el rendimiento temporal crítico para la transmisión de datos de alta velocidad.

• Retardos de Propagación (t_PHL, t_PLH): Máximo 100 ns cada uno. Esto limita la velocidad de datos máxima. La hoja de datos especifica una capacidad de 10 Mbit/s.
• Distorsión del Ancho de Pulso |t_PHL- t_PLH|: Máximo 40 ns. Esta asimetría puede afectar al ciclo de trabajo en las señales transmitidas.
• Tiempos de Subida/Bajada (t_r, t_f): t_res típicamente 40 ns, t_fes típicamente 10 ns. Un tiempo de bajada más rápido es común en este tipo de dispositivos.
• Inmunidad Transitoria en Modo Común (CMH, CML): Este es un parámetro crítico para la inmunidad al ruido. El ELW2611 ofrece el mayor rendimiento (10.000 - 20.000 V/µs), lo que significa que puede rechazar picos de voltaje muy rápidos entre las masas de entrada y salida sin causar errores en la salida. El ELW137 tiene CMTI no especificado, mientras que el ELW2601 ofrece 5.000 V/µs.

3. Configuración de Pines y Descripción Funcional

El dispositivo utiliza una configuración DIP de 8 pines. Los pines 1 y 4 son Sin Conexión (NC). El lado de entrada consiste en el Pin 2 (Ánodo) y el Pin 3 (Cátodo) para el LED. El lado de salida incluye el Pin 5 (Masa), Pin 6 (V_OUT- Salida), Pin 7 (V_E- Habilitación), y Pin 8 (V_CC- Voltaje de Alimentación). El pin de habilitación (V_E) controla la salida. La tabla de verdad muestra la lógica: cuando Habilitación está en Alto, la salida es la inversa de la entrada (activo en bajo). Cuando Habilitación está en Bajo, la salida se fuerza a Alto independientemente de la entrada. La hoja de datos exige un condensador de desacoplo de 0.1µF entre los pines 8 (V_CC) y 5 (GND) para un funcionamiento estable.

4. Sugerencias de Aplicación

4.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Eliminación de Bucles de Masa y Aislamiento de Niveles Lógicos: Aislar señales digitales entre subsistemas con diferentes potenciales de masa para prevenir ruido y bucles de masa.
• Transmisión de Datos y Receptores de Línea: Se utiliza en enlaces de comunicación serie (interfaces RS-232, RS-485) para aislamiento.
• Fuentes de Alimentación Conmutadas: Proporcionar aislamiento de realimentación en topologías de convertidor aislado como flyback.
• Interfaces de Periféricos Informáticos: Aislar señales hacia/desde impresoras, tarjetas de E/S industriales.
• Sustitución de Transformadores de Pulso: Ofrecer una alternativa de estado sólido para el aislamiento de señales con un circuito de excitación más simple.

4.2 Consideraciones de Diseño

• Configuración de la Corriente de Entrada: La corriente del LED de entrada debe establecerse usando una resistencia en serie. Para garantizar la conmutación, I_Fdebe establecerse por encima del máximo I_FT(5mA). La condición de prueba típica utiliza 7.5mA. El valor de la resistencia es (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• Uso del Pin de Habilitación: El pin de habilitación puede usarse para controlar la salida o conectarse a un voltaje fijo si no se necesita. No debe exceder V_CCen más de 0.5V.
• Carga de Salida: La salida puede sumiderar hasta 13mA para un V_OLválido. Para excitar corrientes más altas o cargas capacitivas, puede ser necesario un buffer externo.
• Inmunidad al Ruido: Para entornos con mucho ruido, elija la variante ELW2611 por su superior Inmunidad Transitoria en Modo Común (CMTI). El circuito de excitación recomendado en la Fig. 15 para ELW2611 utiliza un transistor para agudizar los flancos de la corriente del LED de entrada, mejorando aún más el rendimiento de CMTI.
• Desacoplo: El condensador de 0.1µF en el lado de salida es esencial para minimizar el ruido de la alimentación y garantizar un funcionamiento estable a alta velocidad.

5. Comparativa Técnica y Guía de Selección

La serie incluye tres variantes principales: ELW137, ELW2601 y ELW2611. El factor diferenciador principal es la Inmunidad Transitoria en Modo Común (CMTI). El ELW137 tiene aislamiento básico. El ELW2601 ofrece CMTI media (5.000 V/µs). El ELW2611 proporciona CMTI alta (10.000 - 20.000 V/µs). La selección debe basarse en el entorno de ruido eléctrico de la aplicación. Para accionamientos de motores, PLCs industriales o fuentes de alimentación ruidosas, se recomienda el ELW2611. Para aislamiento digital menos exigente, el ELW2601 o ELW137 pueden ser suficientes.

6. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

6.1 ¿Cuál es la velocidad de datos máxima alcanzable?

Aunque el dispositivo está especificado para 10 Mbit/s, la velocidad máxima utilizable real depende de los retardos de propagación y los tiempos de subida/bajada. Con un retardo de propagación máximo de 100 ns, la frecuencia máxima teórica para una onda cuadrada es menor. Para una transmisión de datos fiable, considere la distorsión total del pulso y los márgenes temporales del sistema.

6.2 ¿Cómo calculo el valor de la resistencia de entrada?

Use la fórmula: R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Asuma V_Fcomo el valor máximo (1.8V) para un diseño en el peor caso. Para una excitación de 5V e I_F= 10mA, R_IN= (5V - 1.8V) / 0.01A = 320 Ohmios. Use el valor estándar más cercano (por ejemplo, 330 Ohmios).

6.3 ¿Puedo usarlo con lógica de 3.3V?

El lado de salida V_CCpuede alimentarse con 3.3V. Sin embargo, las características eléctricas se prueban con V_CC=5.5V. Parámetros como V_OL, I_OHy los retardos de propagación pueden diferir a 3.3V. El lado de entrada es independiente; el LED puede ser excitado por una fuente de 3.3V siempre que se alcance la I_Fcorrecta.

6.4 ¿Cuál es el propósito del pin de Habilitación?

El pin de Habilitación (V_E) proporciona un control de tercer estado. Cuando se lleva a bajo (<0.8V), fuerza la salida a alto, deshabilitando efectivamente la ruta de señal de entrada a salida. Esto puede usarse para multiplexar múltiples salidas de aisladores en una sola línea de bus o para modos de ahorro de energía.

7. Caso Práctico de Diseño

Escenario:Aislar una señal UART de 1 Mbit/s entre un microcontrolador de 3.3V y un transceptor RS-485 de 5V en un nodo sensor industrial.

Pasos de Diseño:

1. Selección de Variante:Elija ELW2611 para alta inmunidad al ruido en el entorno industrial.
2. Circuito de Entrada:El GPIO del microcontrolador (3.3V) excita el LED. Calcule la resistencia: R_IN= (3.3V - 1.8V) / 0.01A = 150 Ohmios. Use una resistencia de 150Ω en serie con el ánodo del LED (Pin 2). Cátodo (Pin 3) a la masa del microcontrolador.
3. Circuito de Salida:Alimente el lado de salida con 5V (V_CCPin 8). Conecte un condensador cerámico de 0.1µF entre el Pin 8 y el Pin 5 (GND). Conecte la salida Pin 6 directamente al pin de entrada del transceptor RS-485. La impedancia de entrada del transceptor actúa como carga. El Pin de Habilitación 7 puede conectarse a V_CC(5V) a través de una resistencia de 10kΩ para operación siempre activa, o ser excitado por otro GPIO para control.
4. Diseño de Placa:Mantenga las trazas de entrada y salida físicamente separadas. Coloque el condensador de desacoplo lo más cerca posible de los pines 8 y 5.

8. Principio de Funcionamiento

Un fotocoplador funciona según el principio de acoplamiento óptico. Una señal eléctrica de entrada excita un Diodo Emisor de Luz (LED) infrarrojo. La luz emitida es detectada por un fotodiodo o fototransistor en el lado de salida aislado. En este fotocoplador de puerta lógica, el lado de salida contiene un circuito integrado más complejo. La corriente del fotodetector se amplifica y procesa mediante una puerta lógica digital (normalmente un disparador Schmitt) para producir una señal de salida digital limpia y bien definida. La ruta óptica proporciona la barrera de aislamiento eléctrico, ya que la luz puede cruzar un espacio físico (a través de material aislante transparente) donde la electricidad no puede, bloqueando bucles de masa y transitorios de alto voltaje.

9. Tendencias de la Industria

La tendencia en el aislamiento de señales es hacia mayores velocidades, menor consumo de energía, encapsulados más pequeños y funcionalidad integrada. Si bien los fotocopladores tradicionales como este encapsulado DIP siguen siendo ampliamente utilizados, las tecnologías más nuevas están ganando terreno. Los aisladores digitales basados en tecnología CMOS con acoplamiento capacitivo o magnético ofrecen velocidades de datos significativamente más altas (hasta cientos de Mbit/s), retardos de propagación más bajos, mejor simetría temporal y mayor fiabilidad con la temperatura y el tiempo. También integran múltiples canales en encapsulados diminutos. Sin embargo, los fotocopladores aún mantienen ventajas en ciertas áreas como una capacidad de voltaje de aislamiento muy alta, simplicidad y rentabilidad para muchas aplicaciones de velocidad estándar. El desarrollo de fotocopladores de alta velocidad y alto CMTI (como se ve en el ELW2611) es una respuesta a la necesidad de un aislamiento robusto en entornos ruidosos de electrónica de potencia y accionamientos de motores.