Hoja de Datos de la Serie ELM8XL-G - Fotocoplador de Puerta Lógica - 5 Pines SOP - 3.3V/5V - 15MBit/s - Documentación Técnica en Español

1. Descripción General del Producto

La serie ELM8XL-G representa una familia de fotocopladores (optoaisladores) de salida de puerta lógica de alta velocidad, diseñados para aplicaciones modernas de aislamiento digital. La función principal de este dispositivo es proporcionar aislamiento galvánico entre los circuitos de entrada y salida mientras transmite señales lógicas digitales a alta velocidad. Integra un diodo emisor de luz infrarroja (LED) en el lado de entrada, que está acoplado ópticamente a un circuito integrado detector CMOS en el lado de salida. Este método de acoplamiento óptico elimina la conexión eléctrica, proporcionando alto aislamiento de voltaje e inmunidad al ruido, lo cual es crítico en sistemas con diferentes potenciales de tierra o en entornos eléctricos ruidosos.

El dispositivo viene en un encapsulado compacto de montaje superficial SOP de 5 pines, lo que lo hace adecuado para procesos de ensamblaje automatizado y diseños de PCB con espacio limitado. Su objetivo principal de diseño es facilitar la transmisión de datos fiable y de alta velocidad a través de barreras de aislamiento, sirviendo como reemplazo directo de transformadores de pulso en muchas aplicaciones, ofreciendo ventajas en tamaño, costo e integración.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

La serie ELM8XL-G ofrece varias ventajas clave que definen su posición en el mercado. La primera es sucapacidad de alta velocidad, que soporta velocidades de datos de hasta 15 Megabits por segundo (MBit/s). Esto lo hace adecuado para interfaces de comunicación modernas y señales de control rápidas. La segunda es sucompatibilidad con doble voltaje de alimentación, funcionando correctamente con niveles lógicos CMOS de 3.3V y 5V, lo que proporciona flexibilidad de diseño para sistemas de voltaje mixto. La tercera es sualto nivel de aislamientode 3750 V_rms, garantizando seguridad y fiabilidad en aplicaciones que requieren protección contra transitorios de alto voltaje o diferencias en el potencial de tierra.

El dispositivo también se fabrica para cumplir con estrictos estándares ambientales y de seguridad. Eslibre de halógenos(con Bromo <900ppm, Cloro <900ppm, Br+Cl <1500ppm), cumple con las regulaciones REACH de la UE, y está libre de plomo y es compatible con RoHS. Cuenta con aprobaciones de importantes agencias de seguridad internacionales como UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO y FIMKO, lo cual es esencial para productos dirigidos a mercados globales, particularmente en equipos industriales, de telecomunicaciones y de computación.

Las aplicaciones objetivo son diversas y se centran en la necesidad de aislamiento de señal:

• Receptores de Línea y Transmisión de Datos:Aislamiento de líneas de comunicación serie (RS-232, RS-485, etc.) para evitar bucles de tierra y ruido.
• Multiplexación de Datos:Proporcionar aislamiento en sistemas de bus de datos multiplexados.
• Fuentes de Alimentación Conmutadas:Aislamiento de señales de realimentación en topologías de convertidores flyback u otros convertidores aislados.
• Reemplazo de Transformadores de Pulso:Ofrece una solución más pequeña e integrada para el aislamiento de señales tradicionalmente realizado con transformadores.
• Interfaces de Periféricos de Computadora:Aislamiento de señales hacia/desde impresoras, E/S industriales y otros periféricos.
• Aislamiento de Tierra Lógica de Alta Velocidad:Separación de tierras digitales entre subsistemas, como entre un microcontrolador y controladores de motor, para evitar el acoplamiento de ruido.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

Una comprensión exhaustiva de las características eléctricas y de conmutación es crucial para la implementación exitosa del fotocoplador ELM8XL-G en un diseño de circuito.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los niveles de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. No se garantiza el funcionamiento bajo estas condiciones y debe evitarse.

• Corriente Directa de Entrada (I_F):15 mA máximo. La corriente que impulsa el LED interno no debe exceder este valor.
• Voltaje Inverso de Entrada (V_R):5 V máximo. El voltaje inverso aplicado a través del LED debe ser limitado.
• Disipación de Potencia de Entrada (P_D):35 mW máximo para el lado de entrada.
• Disipación de Potencia de Salida (P_O):85 mW máximo para el CI CMOS de salida.
• Corriente de Salida (I_O):20 mA máximo de corriente de sumidero/fuente desde el pin de salida.
• Voltaje de Alimentación (V_CC):5.5 V máximo. Este es el voltaje absoluto máximo que se puede aplicar al pin de alimentación del lado de salida.
• Disipación de Potencia Total (P_T):100 mW máximo para todo el dispositivo.
• Voltaje de Aislamiento (V_ISO):3750 V_rmsdurante 1 minuto. Esta es una especificación de seguridad probada bajo condiciones específicas (pines 1 y 3 en corto, pines 4, 5 y 6 en corto) a una humedad relativa del 40-60%.
• Temperatura de Operación (T_OPR):-40°C a +85°C. Se garantiza que el dispositivo cumple con sus especificaciones publicadas dentro de este rango.
• Temperatura de Almacenamiento (T_STG):-55°C a +125°C.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL):260°C durante 10 segundos, compatible con perfiles típicos de reflujo sin plomo.

Nota de Diseño:La hoja de datos especifica que la alimentación V_CCdebe ser desacoplada con un condensador de 0.1µF o mayor (cerámico o tantalio sólido con buenas características de alta frecuencia) colocado lo más cerca posible de los pines V_CCy GND del dispositivo. Esto es crítico para una operación estable y la inmunidad al ruido de la etapa de salida CMOS de alta velocidad.

2.2 Características Eléctricas

Estos parámetros definen el rendimiento garantizado del dispositivo bajo condiciones normales de operación (T_A=25°C a menos que se indique lo contrario).

2.2.1 Características de Entrada (Lado del LED)

• Voltaje Directo (V_F):Típicamente 1.4V, con un máximo de 1.8V a una corriente directa (I_F) de 8mA. Esto se usa para calcular el valor de la resistencia limitadora de corriente requerida en el lado de entrada: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
• Voltaje Inverso (V_R):5.0V mínimo. El LED puede soportar hasta 5V en polarización inversa.
• Coeficiente de Temperatura de V_F(ΔV_F/ΔT_A):Aproximadamente -1.7 mV/°C. El voltaje directo disminuye ligeramente al aumentar la temperatura.
• Capacitancia de Entrada (C_IN):Típicamente 60 pF. Esto afecta la respuesta de alta frecuencia del circuito de excitación de entrada.

2.2.2 Características de Salida (Lado del CI CMOS)

• Corriente de Alimentación (I_CCH, I_CCL):Típicamente 1.3mA, con un máximo de 6mA, ya sea que la salida esté en estado alto (I_F=0mA) o bajo (I_F=8mA). Esta es la corriente en reposo consumida por el CI de salida desde V_CC.
• Voltaje de Salida en Nivel Alto (V_OH):Para una alimentación de 3.3V, se garantiza que V_OHsea al menos V_CC- 1V (es decir, 2.3V) y típicamente V_CC- 0.3V (3.0V) cuando sume 4mA. Para una alimentación de 5V, es V_CC- 1V (4.0V) mínimo, típicamente V_CC- 0.2V (4.8V). Esto asegura niveles lógicos altos sólidos.
• Voltaje de Salida en Nivel Bajo (V_OL):Para una alimentación de 3.3V, V_OLes típicamente 0.21V con un máximo de 0.6V cuando suministra 4mA (I_F=8mA). Para una alimentación de 5V, es típicamente 0.17V, máximo 0.6V. Esto asegura niveles lógicos bajos sólidos.
• Corriente Umbral de Entrada (I_FT):La corriente del LED requerida para garantizar una salida en nivel bajo. Es típicamente 2.5mA (máx. 5mA) a V_CC=3.3V con una carga muy ligera (I_OL=20µA). El diseño debe usar una I_Fmuy por encima de este valor (por ejemplo, 8mA como se muestra en las condiciones de prueba) para una conmutación fiable y margen de ruido.

2.3 Características de Conmutación

Estos parámetros definen el rendimiento de temporización, que es crítico para la transmisión de datos de alta velocidad.

• Retardo de Propagación a Salida Alta (t_PHL):El tiempo desde que el LED de entrada se apaga (I_Fpasa de 8mA a 0mA) hasta que la salida alcanza un nivel ALTO lógico válido. Típicamente es 30ns (máx. 65ns) a V_CC=3.3V, y 33ns típico a V_CC=5V.
• Retardo de Propagación a Salida Baja (t_PLH):El tiempo desde que el LED de entrada se enciende (I_Fpasa de 0mA a 8mA) hasta que la salida alcanza un nivel BAJO lógico válido. Típicamente es 48ns (máx. 65ns) a V_CC=3.3V, y 52ns típico a V_CC=5V.
• Distorsión del Ancho de Pulso (|t_PHL– t_PLH|):La diferencia absoluta entre los dos retardos de propagación. Esto es crucial para mantener la integridad de los anchos de pulso. Es típicamente 20ns (máx. 50ns) a 3.3V y 22ns típico a 5V. Un valor más bajo es mejor.
• Tiempo de Subida/Bajada de Salida (t_r, t_f):Típicamente 7ns cada uno. Esto define la velocidad de los flancos de la señal de salida.
• Inmunidad a Transitorios en Modo Común (CMTI):Este es un parámetro clave de aislamiento. Mide la capacidad del dispositivo para ignorar transitorios rápidos de voltaje entre las tierras de entrada y salida. Se especifican dos grados: M80L con un mínimo de 5,000 V/µs, y M81L con un mínimo de 10,000 V/µs. Esto se prueba con un voltaje en modo común de 1000V pico a pico (V_CM) y asegura que el estado de salida no cambie erróneamente debido al ruido.

3. Información Mecánica y de Encapsulado

3.1 Configuración de Pines y Tabla de Verdad

El dispositivo utiliza un encapsulado SOP de 5 pines, aunque se hace referencia a seis números de pin (1-6, siendo el pin 2 presumiblemente No Conectado o una conexión interna). Los pines funcionales son:

• Pin 1: Ánododel LED de entrada.
• Pin 3: Cátododel LED de entrada.
• Pin 4: GNDpara el CI CMOS de salida.
• Pin 5: V_OUT, la señal de salida digital.
• Pin 6: V_CC, el voltaje de alimentación (3.3V o 5V) para el CI CMOS de salida.

El dispositivo implementa una función depuerta lógica no inversora(Lógica Positiva):

• Entrada ALTA (LED ENCENDIDO, I_F> I_FT):Salida = BAJA
• Entrada BAJA (LED APAGADO, I_F= 0):Salida = ALTA

Esta es una entrada de tipo sumidero de corriente; se debe impulsar una corriente hacia el LED para producir una salida baja.

3.2 Dimensiones del Encapsulado y Diseño del PCB

La hoja de datos proporciona dibujos mecánicos detallados para el encapsulado SOP de 5 pines. Las dimensiones clave incluyen el tamaño del cuerpo, el paso de los terminales y la altura de separación. También se proporciona undiseño recomendado de padspara montaje superficial. Este diseño está pensado para asegurar la formación fiable de las soldaduras durante el proceso de reflujo. La hoja de datos señala que estas dimensiones de pad son sugerencias y pueden necesitar modificación según procesos específicos de fabricación de PCB o requisitos térmicos, pero sirven como un excelente punto de partida para el diseño.

3.3 Marcado del Dispositivo

La parte superior del encapsulado está marcada con un código láser o de tinta para identificación. El marcado sigue el formato:EL M81L YWW V.

• EL:Código del fabricante.
• M81L:Número de dispositivo (específico para el grado CMTI y variante).
• Y:Código de un dígito para el año.
• WW:Código de dos dígitos para la semana.
• V:Marcado opcional que indica aprobación VDE.

4. Guías de Aplicación y Consideraciones de Diseño

4.1 Diseño del Circuito de Entrada

El circuito de entrada debe proporcionar una corriente controlada al LED. Una simple resistencia en serie es suficiente. Su valor se calcula en base al voltaje de excitación y la I_Fdeseada. Por ejemplo, para impulsar I_F= 8mA desde una señal lógica de 5V con una V_Ftípica de 1.4V: R_limit= (5V - 1.4V) / 0.008A = 450Ω. Una resistencia estándar de 470Ω sería adecuada. Asegúrese de que la fuente de excitación pueda proporcionar la corriente necesaria. Para excitar desde un pin GPIO de un microcontrolador, verifique la capacidad de suministro de corriente del pin. Si es insuficiente, puede ser necesario un simple buffer de transistor (por ejemplo, un NPN o un MOSFET de canal N).

4.2 Diseño del Circuito de Salida

La salida es una salida digital CMOS estándar. Puede excitar directamente entradas CMOS, TTL o LVCMOS. Los requisitos clave son:

1. Desacoplamiento de la Fuente de Alimentación:Como se enfatiza en la hoja de datos, un condensador cerámico de 0.1µF debe colocarse directamente entre el Pin 6 (V_CC) y el Pin 4 (GND). Esto es no negociable para una operación estable de alta velocidad y para prevenir ruido en la salida.
2. Consideraciones de Carga:La salida puede sumidero/fuente hasta 20mA, pero para la mejor velocidad e integridad de señal, las cargas deben ser principalmente capacitivas (por ejemplo, la capacitancia de entrada de otra puerta). Excitar cargas resistivas pesadas o trazas largas aumentará los tiempos de subida/bajada y puede afectar los márgenes de temporización.
3. Resistencias de Pull-up:No son necesarias, ya que la salida impulsa activamente tanto el estado alto como el bajo.

4.3 Consideraciones de Velocidad y Temporización

Para una velocidad de datos de 15 MBit/s, el período de bit es aproximadamente 66.7ns. El retardo total de la señal a través del fotocoplador es la suma de t_PLHo t_PHLmás una porción del tiempo de subida/bajada. Con retardos típicos alrededor de 30-50ns, hay un margen adecuado para esta velocidad de datos. Sin embargo, ladistorsión del ancho de pulsoes importante. Una distorsión de 20ns significa que un pulso se estrechará o ensanchará en esa cantidad después de pasar por el aislador. Para pulsos muy estrechos, esto podría hacer que desaparezcan si la distorsión es mayor que el ancho del pulso. Siempre considere los valores máximos, no los típicos, para diseños críticos en temporización.

4.4 Diseño de Aislamiento y Seguridad

La especificación de aislamiento de 3750V_rmses un requisito de seguridad. Para mantener esta especificación en el producto final, el diseño del PCB es crítico. Asegúrese de que las distancias decreepage y clearanceen el PCB entre todas las trazas/componentes del lado de entrada y las trazas/componentes del lado de salida cumplan o excedan los requisitos para el voltaje de aislamiento de trabajo del sistema (que es menor que el voltaje de prueba de 3750V_rms). Esto a menudo significa incorporar una ranura ancha o una barrera en el PCB debajo del encapsulado del fotocoplador. Consulte los estándares de seguridad relevantes (por ejemplo, IEC 60950, IEC 61010) para requisitos de distancia específicos basados en voltaje, grado de contaminación y grupo de material.

5. Información de Pedido y Empaquetado

El número de parte sigue la estructura:ELM8XL(Z)-V.

• ELM8XL:Número de parte base.
• (Z):Opción de cinta y carrete. Puede ser "TA", "TB", u omitido para empaquetado en tubo.
• -V:Sufijo opcional que denota que se incluye la aprobación VDE.

Opciones de Empaquetado:

• Tubo:100 unidades por tubo. Estándar para ensamblaje manual o de bajo volumen.
• Cinta y Carrete (TA o TB):3000 unidades por carrete. "TA" y "TB" probablemente se refieren a diferentes tamaños de carrete o anchos de cinta (por ejemplo, 8mm vs. 12mm). Esta opción es para ensamblaje automatizado pick-and-place.

La hoja de datos incluye especificaciones detalladas de cinta y carrete, incluyendo dimensiones de los bolsillos (A, B, D0, D1), paso (P0, P1, P2), grosor de la cinta (t) y ancho del carrete (W). Estas dimensiones son esenciales para programar el alimentador en una máquina de ensamblaje automatizado.

6. Curvas de Rendimiento y Características Típicas

Si bien el extracto del PDF menciona "Curvas Típicas de Características Electro-Ópticas", los gráficos específicos no están incluidos en el texto proporcionado. Típicamente, tales hojas de datos incluyen curvas que muestran:

• Corriente Directa (I_F) vs. Voltaje Directo (V_F):Muestra la característica tipo diodo del LED de entrada a diferentes temperaturas.
• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa:Aunque es un dispositivo digital, existe una forma de CTR: la relación entre I_Fy el estado de salida resultante. La corriente umbral I_FTes el parámetro clave.
• Retardo de Propagación vs. Voltaje de Alimentación (V_CC):Cómo cambian los parámetros de temporización con V_CC.
• Retardo de Propagación vs. Temperatura:Cómo cambian los parámetros de temporización en el rango de temperatura de operación.
• Corriente de Alimentación (I_CC) vs. Temperatura:Variación de la corriente en reposo con la temperatura.

Los diseñadores deben usar losvalores mínimos y máximosde las tablas para un diseño robusto, usando las curvas típicas solo para entender tendencias y comportamientos.

7. Comparación y Contexto Tecnológico

El ELM8XL-G se sitúa en la categoría de fotocopladores digitales de alta velocidad. En comparación con fotocopladores antiguos con salidas de transistor o Darlington, su salida de puerta lógica CMOS proporciona velocidades de conmutación mucho más rápidas, flancos más nítidos y niveles lógicos bien definidos. En comparación con transformadores de pulso, ofrece un tamaño más pequeño, capacidad de acoplamiento DC (los transformadores no pueden pasar señales DC) y a menudo un costo menor. En comparación con tecnologías de aislamiento más nuevas como aisladores capacitivos (aisladores digitales) o aisladores de magnetorresistencia gigante (GMR), fotocopladores como el ELM8XL-G ofrecen la ventaja de una fiabilidad probada, una fuerza de aislamiento intrínseca muy alta e inmunidad a campos magnéticos. La compensación es generalmente una velocidad más lenta y un mayor consumo de energía (debido a la corriente de excitación del LED) que los últimos aisladores basados en semiconductores. La elección depende de los requisitos específicos de la aplicación para velocidad, potencia, costo e inmunidad al ruido.

8. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Puedo usar esto con una señal de entrada de 3.3V para excitar el LED?

R: Sí, pero debe recalcular la resistencia limitadora de corriente. Para una excitación de 3.3V y V_F~1.4V, para obtener I_F=8mA, R = (3.3V - 1.4V) / 0.008A = 237.5Ω. Use una resistencia de 240Ω. Asegúrese de que la fuente de 3.3V pueda proporcionar 8mA.

P: ¿Cuál es la diferencia entre las versiones M80L y M81L?

R: La diferencia principal es la Inmunidad a Transitorios en Modo Común (CMTI). La versión M81L garantiza un mínimo de 10,000 V/µs, mientras que la M80L garantiza 5,000 V/µs. Elija la M81L para entornos más ruidosos, como controladores de motor o sistemas de potencia industriales.

P: ¿Se necesita una resistencia de pull-up externa en la salida?

R: No. La salida es una etapa CMOS push-pull activa que impulsa tanto niveles altos como bajos. Un pull-up externo es innecesario y solo aumentaría el consumo de energía.

P: ¿Cómo me aseguro de que se mantenga el alto nivel de aislamiento en mi diseño de PCB?

R: Debe mantener una distancia de creepage (distancia a lo largo de la superficie) y clearance (espacio de aire) adecuadas entre todos los conductores del lado de entrada y todos los conductores del lado de salida. Esto típicamente requiere un espacio físico o una ranura en el PCB debajo del cuerpo del fotocoplador. Las distancias específicas dependen del voltaje de trabajo de su aplicación y de los estándares de seguridad que debe cumplir.

P: ¿El pin de salida (5) puede conectarse directamente a la entrada de otro dispositivo, o necesito una resistencia en serie?

R: Puede conectarse directamente. La salida está diseñada para excitar entradas digitales estándar. Generalmente no se necesita una resistencia en serie y ralentizaría los flancos de la señal.