Hoja de Datos de la Serie EL263X - Fotocoplador de Puerta Lógica de Alta Velocidad 10Mbit/s en DIP de 8 Pines - Aislamiento 5000Vrms - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie EL263X representa una familia de fotocopladores (aisladores ópticos) de salida de puerta lógica de alta velocidad. Estos dispositivos están diseñados para proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida mientras transmiten señales lógicas digitales a alta velocidad. La función principal es traducir un nivel lógico de entrada (ALTO/BAJO) en un nivel lógico de salida correspondiente, pero eléctricamente aislado.

La aplicación principal se da en escenarios donde la eliminación de bucles de masa, la inmunidad al ruido y el cambio de nivel de tensión son críticos. Se utilizan comúnmente como reemplazo de transformadores de pulso en transmisión de datos, ofreciendo una solución de estado sólido, potencialmente más fiable y compacta.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

La serie EL263X está diseñada para aplicaciones que exigen tanto integridad de señal digital de alta velocidad como un aislamiento eléctrico robusto. Sus ventajas clave derivan de sus parámetros técnicos específicos.

• Transmisión de Datos de Alta Velocidad:Con una velocidad de datos máxima de 10 Mbit/s y retardos de propagación típicamente alrededor de 35-40 ns, es adecuado para interfaces de comunicación digital modernas, periféricos de computadora y sistemas de multiplexación donde el tiempo es crucial.
• Inmunidad al Ruido Superior:Una Inmunidad Transitoria en Modo Común (CMTI) mínima de 10 kV/μs (para EL2631) garantiza un funcionamiento fiable en entornos eléctricamente ruidosos, como fuentes de alimentación conmutadas y accionamientos de motores, donde son comunes grandes picos de tensión rápidos a través de la barrera de aislamiento.
• Alta Tensión de Aislamiento:La tensión de aislamiento de 5000 V_rmsproporciona una fuerte barrera de seguridad y protección, adecuada para sistemas de control industrial, equipos médicos y otras aplicaciones que requieren aislamiento reforzado.
• Funcionamiento en Amplio Rango de Temperatura:El rendimiento garantizado desde -40°C hasta +85°C lo hace adecuado para aplicaciones automotrices, industriales y exteriores donde se encuentran temperaturas extremas.
• Compatibilidad con Puertas Lógicas:La salida es directamente compatible con familias lógicas estándar (LSTTL, TTL, CMOS de 5V), simplificando el diseño de la interfaz sin necesidad de circuitos buffer adicionales.

El mercado objetivo incluye a diseñadores de automatización industrial, fuentes de alimentación (convertidores AC-DC, DC-DC), sistemas de adquisición de datos, interfaces de comunicación y cualquier sistema electrónico donde el aislamiento galvánico de señales digitales sea necesario por seguridad, reducción de ruido o cambio de nivel.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

La hoja de datos proporciona características eléctricas y de conmutación completas. Una interpretación detallada es esencial para un diseño de circuito adecuado.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos son límites de estrés que no deben excederse bajo ninguna condición, ni siquiera momentáneamente. Operar el dispositivo más allá de estos límites puede causar daños permanentes.

• Corriente Directa de Entrada (I_F):20 mA. El LED infrarrojo de entrada debe ser excitado con una resistencia limitadora de corriente para asegurar que I_Fse mantenga por debajo de este valor.
• Tensión de Alimentación de Salida (V_CC):7.0 V. Esta es la tensión máxima absoluta que se puede aplicar al pin V_CCdel lado de salida (pin 8).
• Tensión de Salida (V_O):7.0 V. La tensión en los pines de salida (6, 7) no debe exceder este límite.
• Tensión de Aislamiento (V_ISO):5000 V_rmsdurante 1 minuto. Este es un parámetro de prueba para la rigidez dieléctrica de la barrera de aislamiento entre las secciones de entrada (pines 1-4) y salida (pines 5-8).
• Temperatura de Soldadura (T_SOL):260°C durante 10 segundos. Esto guía el perfil de soldadura por reflujo, indicando la temperatura máxima que el cuerpo del encapsulado puede soportar.

2.2 Características Eléctricas y de Transferencia

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de funcionamiento (T_A= -40°C a 85°C).

• Tensión Directa (V_F):Típicamente 1.4V a I_F=10mA. Se utiliza para calcular la resistencia en serie de entrada cuando se excita desde una fuente de tensión (ej., R_limit= (V_source- V_F) / I_F).
• Tensión de Salida en Nivel Bajo (V_OL):Máximo 0.6V a I_F=5mA e I_OL=13mA. Esto define la capacidad de la salida para sumidero de corriente mientras mantiene una tensión lógica BAJA válida.
• Corriente Umbral de Entrada (I_FT):Máximo 5mA. Esta es la corriente de entrada requerida para garantizar que la salida conmute a un estado lógico BAJO válido (V_O <0.6V). El diseño debe usar una I_Fsignificativamente mayor que esta (ej., 7.5mA o 10mA como se muestra en las condiciones de prueba) para tener margen.
• Corrientes de Alimentación (I_CCH, I_CCL):La corriente en reposo del CI de salida. I_CCL(salida BAJA) es ligeramente mayor (~14.5mA típ.) que I_CCH(~12.5mA típ.) porque el transistor de salida está activo.

2.3 Características de Conmutación

Estos parámetros son críticos para el análisis de temporización en circuitos de alta velocidad. Condiciones de prueba: V_CC=5V, I_F=7.5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω.

• Retardos de Propagación (t_PLH, t_PHL):El tiempo desde que la corriente de entrada cruza 3.75mA hasta que la tensión de salida cruza 1.5V. t_PLH(entrada ALTO-a-BAJO a salida BAJO-a-ALTO) es 35 ns típ., 100 ns máx. t_PHLes 40 ns típ., 100 ns máx. La asimetría (5 ns típ.) contribuye a la distorsión del ancho de pulso.
• Distorsión del Ancho de Pulso (PWD):|t_PHL- t_PLH|, máximo 35 ns. Esta es la diferencia en los retardos de propagación, que puede causar que el ancho de pulso de salida difiera del de entrada. Es crucial en la transmisión de señales de reloj o temporización precisa.
• Tiempos de Subida/Bajada (t_r, t_f): t_r(10% a 90%) es 40 ns típ. t_f(90% a 10%) es 10 ns típ. El tiempo de bajada más rápido es típico de circuitos de pull-down activo.
• Inmunidad Transitoria en Modo Común (CMTI):Este es un parámetro clave de aislamiento. EL2631 garantiza un mínimo de 10,000 V/μs (típ. 20,000 V/μs), mientras que EL2630 garantiza 5,000 V/μs. Mide la inmunidad del estado de salida a transitorios de tensión rápidos entre las masas de entrada y salida. Un CMTI alto evita conmutaciones falsas en entornos ruidosos.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

Si bien el extracto del PDF menciona "Curvas Típicas de Características Electro-Ópticas" en la página 5, los gráficos específicos no están incluidos en el texto. Típicamente, tales curvas para un fotocoplador incluirían:

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa:Muestra la eficiencia de la corriente de salida acoplada en relación con la corriente del LED de entrada, aunque para una salida de puerta lógica, esto es interno al CI.
• Retardo de Propagación vs. Temperatura:Ilustra cómo varían los parámetros de temporización de la señal en el rango de temperatura de operación.
• Tensión Directa vs. Temperatura:Muestra el coeficiente de temperatura negativo (V_F/T_A≈ -1.8 mV/°C), lo cual es importante para el diseño de excitación de corriente constante.
• Tensión de Salida vs. Corriente de Salida (Sumidero/Fuente):Detallaría la capacidad del driver de salida.

Los diseñadores deben consultar la hoja de datos completa del fabricante para estos gráficos y comprender los límites de rendimiento y la reducción de especificaciones.

4. Información Mecánica, de Empaquetado y Montaje

4.1 Configuración de Pines y Esquema

El dispositivo está encapsulado en un paquete Dual In-line (DIP) estándar de 8 pines.

• Asignación de Pines:
  1. Ánodo 1
  2. Cátodo 1
  3. Cátodo 2
  4. Ánodo 2
  5. Masa (GND)
  6. Tensión de Salida 2 (V_OUT2)
  7. Tensión de Salida 1 (V_OUT1)
  8. Tensión de Alimentación (V_CC)
• Tabla de Verdad (Lógica Positiva):Entrada ALTO = Salida BAJO; Entrada BAJO = Salida ALTO. Los pines duales de ánodo/cátodo permiten una conexión flexible del LED de entrada.
• Desacoplamiento Crítico:Un condensador cerámico de 0.1 µF (o mayor) con buenas características de alta frecuenciadebeconectarse entre V_CC(pin 8) y GND (pin 5), colocado lo más cerca posible de los pines del dispositivo. Esto es esencial para una operación estable y minimizar el ruido de conmutación.

4.2 Soldadura y Manipulación

El límite máximo absoluto para soldadura es 260°C durante 10 segundos. Esto corresponde a un perfil de reflujo estándar sin plomo. Para soldadura por ola o manual, el tiempo de contacto y la temperatura deben controlarse para evitar daños al encapsulado. Se deben observar las precauciones estándar ESD (Descarga Electroestática) durante la manipulación.

5. Guías de Aplicación y Consideraciones de Diseño

5.1 Circuitos de Aplicación Típicos

El EL263X es versátil. Las aplicaciones clave incluyen:

• Aislamiento de Interfaz Digital:Aislar líneas UART, SPI o I2C entre un microcontrolador y un periférico en un dominio de potencia diferente o un entorno ruidoso.
• Realimentación de Fuente de Alimentación Conmutada:Aislar la señal de error de realimentación del lado secundario (salida) al controlador del lado primario, proporcionando aislamiento de seguridad e inmunidad al ruido de los transitorios de conmutación de potencia.
• Ruptor de Bucle de Masa en Líneas de Datos:Evitar corrientes circulantes y ruido en enlaces de comunicación entre sistemas con masas separadas.
• Traductor de Nivel Lógico con Aislamiento:Cambiar niveles de tensión (ej., de 3.3V a 5V) mientras también proporciona aislamiento galvánico.

5.2 Consideraciones de Diseño Críticas

• Configuración de la Corriente de Entrada:Elija I_Fbasándose en la velocidad y el margen. La condición de prueba es 7.5mA. Usar 10-16 mA proporciona una conmutación más rápida y mejor margen de ruido, pero aumenta la disipación de potencia. Siempre use una resistencia en serie: R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Recuerde que V_Fdisminuye con la temperatura.
• Carga de Salida:La carga de prueba es 350Ω a V_CC. La salida puede sumidero un mínimo de 13mA (condición I_OL) manteniendo V_OL <0.6V. No exceda la corriente de salida máxima (I_O= 50 mA).
• Desacoplamiento de la Fuente de Alimentación:El condensador de desacoplamiento de 0.1 µF esno negociable. Su ausencia puede provocar oscilaciones, disparos falsos o degradación del rendimiento del CMTI.
• Diseño de Placa para Alto CMTI:Para lograr el CMTI nominal, minimice la capacitancia parásita a través de la barrera de aislamiento. Mantenga las trazas de entrada y salida físicamente separadas en el PCB. Siga las distancias de fuga y aislamiento recomendadas por el fabricante para los 5000V_rms isolation.
• Elección entre EL2630 y EL2631:La diferencia principal es el CMTI garantizado. Use EL2631 en aplicaciones con ruido dV/dt extremadamente alto, como en accionamientos de motores o inversores de alta potencia. EL2630 es adecuado para entornos menos exigentes.

6. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los fotocopladores estándar de la serie 4N25/4N35 (que son de salida de transistor), el EL263X ofrece ventajas decisivas para sistemas digitales:

• Velocidad:10 Mbit/s frente a típicamente<100 kbit/s para los copladores de salida de transistor.
• Tipo de Salida:La salida de puerta lógica con pull-up y pull-down activos proporciona flancos limpios y rápidos y compatibilidad lógica directa, a diferencia de la salida de transistor de colector abierto que requiere una resistencia de pull-up externa y es más lenta.
• CMTI:Un CMTI alto especificado y garantizado (10 kV/µs) es una métrica crítica para la robustez industrial, a menudo no especificada o mucho más baja en copladores básicos.

En comparación con otros copladores de alta velocidad o aisladores digitales (basados en acoplamiento capacitivo o magnético), los fotocopladores como el EL263X ofrecen la ventaja de basarse en tecnología óptica bien comprendida con alta inmunidad intrínseca a campos magnéticos.

7. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros)

P: ¿Cuál es la velocidad de datos máxima que puedo lograr?

R: El dispositivo está caracterizado para operación a 10 Mbit/s. Los factores limitantes son los retardos de propagación y la distorsión del ancho de pulso. Para una onda cuadrada con ciclo de trabajo del 50%, la frecuencia máxima es aproximadamente 1/(2 * t_PHL) o 1/(2 * t_PLH), el que sea menor. Usando los retardos máximos (100 ns), esto da ~5 MHz. Sin embargo, para datos sin retorno a cero (NRZ), la tasa de 10 Mbit/s es válida.

P: ¿Por qué es obligatorio un condensador de desacoplamiento?

R: La conmutación de alta velocidad de la etapa de salida interna causa picos de corriente repentinos en la línea V_CC. Sin un condensador local de baja inductancia, estos picos pueden hacer que la tensión de alimentación interna caiga o pique, llevando a un funcionamiento errático, reducción del margen de ruido y fallo en cumplir la especificación CMTI.

P: ¿Puedo excitar la entrada directamente desde un pin de un microcontrolador?

R: Sí, perodebeusar una resistencia limitadora de corriente. Un pin típico de microcontrolador a 3.3V o 5V puede suministrar/absorber suficiente corriente. Por ejemplo, para obtener I_F≈ 10mA desde un pin de 3.3V: R = (3.3V - 1.4V) / 0.01A = 190Ω (use un valor estándar de 180Ω o 200Ω). Siempre verifique la capacidad de corriente del pin del MCU.

P: ¿Qué significa la característica de "salida con habilitación"?

R: Esto se refiere a la capacidad de forzar la salida a un estado de alta impedancia. Aunque la tabla de verdad proporcionada no muestra una función de deshabilitación, algunos fotocopladores de puerta lógica tienen un pin de habilitación de salida. La descripción del EL263X lo menciona, pero la asignación de pines y la tabla no muestran un pin dedicado para esto. Los diseñadores deben confirmar la implementación de esta característica en la variante específica.

8. Caso Práctico de Diseño

Escenario:Aislar una señal UART de 1 Mbit/s entre un nodo sensor de 3.3V y un controlador de sistema de 5V en un entorno industrial con ruido de motores.

Pasos de Diseño:

1. Selección de Componente:Elija EL2631 por su CMTI garantizado más alto (10 kV/µs) para resistir el ruido de motores cercanos.
2. Circuito de Entrada:El pin TX del sensor de 3.3V excita la entrada del fotocoplador. Calcule la resistencia en serie para I_F= 10mA: R_IN= (3.3V - 1.4V) / 0.01A = 190Ω. Use una resistencia de 180Ω. Conecte el ánodo (pin 1 o 4) a la resistencia, el cátodo (pin 2 o 3) a la GND del sensor.
3. Circuito de Salida:Alimente V_CC= 5V desde el lado del controlador. Coloque un condensador cerámico de 0.1 µF directamente entre el pin 8 (V_CC) y el pin 5 (GND). Conecte el pin de salida (6 o 7) al pin RX del controlador de 5V. Se puede añadir una resistencia en serie (ej., 100Ω) para limitar la corriente si es necesario, pero no es estrictamente requerida para una entrada lógica.
4. Diseño de PCB:Coloque el fotocoplador cruzando la brecha de aislamiento en el PCB. Asegure >8mm de distancia de fuga/aislamiento (consulte las normas de seguridad para 5000V_rms) entre todas las áreas de cobre, componentes y trazas del lado de entrada y del lado de salida. Mantenga los terminales del condensador de desacoplamiento muy cortos.
5. Verificación:Con esta configuración, un nivel lógico ALTO (3.3V) desde el TX del sensor encenderá el LED, haciendo que la salida vaya a BAJO (<0.6V), lo que el controlador de 5V lee como un nivel lógico BAJO. La señal está invertida, lo que se puede corregir en software si es necesario.

9. Principio de Funcionamiento

El EL263X opera bajo el principio de acoplamiento óptico. Una señal eléctrica de entrada excita un Diodo Emisor de Luz (LED) infrarrojo. Cuando está polarizado directamente, el LED emite luz infrarroja. Esta luz atraviesa una barrera de aislamiento transparente (típicamente un espacio de plástico moldeado). En el otro lado, un fotodetector de silicio monolítico y un circuito integrado detectan esta luz. El CI incluye un amplificador de alta ganancia, un disparador Schmitt para inmunidad al ruido y una etapa de salida driver tipo totem-pole. El driver activamente lleva el pin de salida a ALTO (hacia V_CC) o BAJO (hacia GND) basándose en la presencia o ausencia de luz, creando una señal lógica limpia y bufferizada que está eléctricamente aislada de la entrada. La barrera de aislamiento proporciona alta capacidad de soportar tensión y evita bucles de masa.

10. Tendencias Tecnológicas

La tecnología de fotocopladores continúa evolucionando. Las tendencias relevantes para dispositivos como el EL263X incluyen:

• Mayores Velocidades:El desarrollo continuo apunta a velocidades de datos superiores a 50 Mbit/s e incluso en el rango de 100+ Mbit/s para interfaces seriales modernas de alta velocidad.
• Menor Consumo de Energía:Reducir el requisito de corriente del LED de entrada (I_F) y la corriente de alimentación de salida (I_CC) para satisfacer las demandas de dispositivos portátiles y energéticamente eficientes.
• Integración Mejorada:Combinar múltiples canales de aislamiento (doble, cuádruple) en un solo paquete para ahorrar espacio en placa y coste en interfaces multi-línea como SPI o GPIO aislados.
• CMTI Mejorado:A medida que aumentan las velocidades de conmutación de la electrónica de potencia (ej., con transistores SiC y GaN), crece la demanda de aisladores con índices CMTI aún más altos (25-100 kV/µs) para mantener la fiabilidad.
• Miniaturización del Paquete:Pasar de paquetes DIP de orificio pasante a opciones de montaje superficial como SOIC-8 e incluso paquetes SOIC de cuerpo ancho más pequeños para acomodar diseños de PCB más densos.

La serie EL263X se sitúa en un rango de rendimiento bien establecido, ofreciendo un equilibrio robusto de velocidad, fuerza de aislamiento e inmunidad al ruido para una amplia gama de aplicaciones industriales y de comunicación.