Hoja de Datos Técnica de la Serie ELM6XX - Fotocoplador de Puerta Lógica de Alta Velocidad 10Mbit/s en Envoltura SOP de 5 Pines

1. Descripción General del Producto

La serie ELM6XX representa una familia de fotocopladores de puerta lógica de alto rendimiento y alta velocidad, diseñados para exigentes aplicaciones de aislamiento digital. Estos dispositivos integran un diodo emisor de infrarrojos acoplado ópticamente a un fotodetector integrado de alta velocidad con una etapa de salida de puerta lógica, que cuenta con una capacidad de salida con habilitación (strobe). Envasados en una compacta envoltura SOP (Small Outline Package) de 5 pines, se ajustan a una huella estándar de la industria, facilitando su integración en diseños existentes y en el diseño de placas de circuito impreso (PCB).

La función principal de este componente es proporcionar aislamiento galvánico entre dos circuitos eléctricos mientras transmite señales lógicas digitales. Este aislamiento es crucial para romper bucles de tierra, proteger circuitos lógicos sensibles de picos de tensión y ruido presentes en otras partes de un sistema, y garantizar la seguridad en aplicaciones con altos voltajes de modo común.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

La serie ELM6XX está diseñada con varias ventajas clave que la hacen adecuada para sistemas electrónicos modernos. Su capacidad de alta velocidad de 10 Mbit/s permite su uso en interfaces de comunicación de datos rápidas. Los dispositivos garantizan un rendimiento en un amplio rango de temperatura de funcionamiento, desde -40°C hasta +85°C, asegurando fiabilidad en entornos industriales y automotrices. Un alto voltaje de aislamiento de 3750 V_rmsproporciona una protección robusta. Además, la serie cumple con las principales normas medioambientales y de seguridad, incluyendo ser libre de halógenos, libre de plomo (Pb), compatible con RoHS, y aprobada por UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO y FIMKO.

Los mercados y aplicaciones objetivo principales incluyen:

• Automatización Industrial:Para aislar las E/S de PLCs, los accionamientos de motores y las interfaces de sensores de la lógica de control.
• Telecomunicaciones y Transmisión de Datos:En receptores de línea y sistemas de multiplexación de datos para eliminar ruido.
• Electrónica de Potencia:Como un reemplazo fiable de transformadores de pulso en los bucles de realimentación de fuentes de alimentación conmutadas.
• Periféricos de Computadora:Para la interfaz entre sistemas con diferentes potenciales de tierra.
• Interfaz Digital General:Para traducción de niveles y aislamiento entre familias lógicas como LSTTL, TTL y CMOS de 5V.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona una interpretación objetiva y detallada de los parámetros eléctricos y de rendimiento clave especificados en la hoja de datos. Comprender estos parámetros es crítico para un diseño de circuito adecuado y para garantizar un funcionamiento fiable.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Los Límites Absolutos Máximos definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. Estas no son condiciones de funcionamiento.

• Corriente Directa de Entrada (I_F):50 mA. Superar esta corriente probablemente destruirá el Diodo Emisor de Infrarrojos (IRED) interno.
• Voltaje Inverso de Entrada (V_R):5 V. El IRED es sensible a la polarización inversa; este límite debe observarse estrictamente.
• 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 al pin de salida del lado de salida.
• Voltaje de Aislamiento (V_ISO):3750 V_rmsdurante 1 minuto. Este es un parámetro de seguridad clave, probado con los pines de entrada (1,3) cortocircuitados entre sí y los pines de salida (4,5,6) cortocircuitados entre sí. Certifica la resistencia dieléctrica de la barrera de aislamiento interna.
• Temperatura de Funcionamiento y Almacenamiento:El dispositivo está clasificado para funcionamiento de -40°C a +85°C y almacenamiento de -55°C a +125°C.
• Temperatura de Soldadura:260°C durante 10 segundos. Esto es importante para los procesos de montaje de PCB que utilizan soldadura por reflujo.

2.2 Características Eléctricas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de funcionamiento (T_A= -40°C a 85°C, salvo que se indique lo contrario).

2.2.1 Características de Entrada (Lado del IRED)

• Voltaje Directo (V_F):Típicamente 1.45V, con un máximo de 1.8V a I_F=10mA. Se utiliza para calcular la resistencia limitadora de corriente requerida en el lado de entrada.
• Coeficiente de Temperatura de V_F:Aproximadamente -1.9 mV/°C. El voltaje directo disminuye ligeramente a medida que aumenta la temperatura.
• Capacitancia de Entrada (C_IN):Típicamente 70 pF. Esto afecta la respuesta de alta frecuencia y los requisitos de excitación del circuito de entrada.

2.2.2 Características de Salida y de Transferencia

• Corrientes de Alimentación: I_CCH(salida alta) es típicamente 6.0 mA, e I_CCL(salida baja) es típicamente 7.5 mA con V_CC=5.5V. Estos valores determinan el consumo de energía en el lado de salida.
• Corriente de Salida en Nivel Alto (I_OH):La salida puede suministrar una corriente muy pequeña (típ. 2.1 µA) cuando está en estado alto. Este dispositivo está diseñado para excitar entradas CMOS de alta impedancia, no para suministrar una corriente significativa.
• Voltaje de Salida en Nivel Bajo (V_OL):Típicamente 0.4V, máximo 0.6V cuando absorbe 13mA. Esto define un nivel lógico '0' sólido.
• Corriente Umbral de Entrada (I_FT):Típicamente 2.4 mA, máximo 5 mA. Esta es la corriente de entrada mínima requerida para garantizar que la salida cambie a un estado bajo válido (V_OL≤ 0.6V) bajo las condiciones de carga especificadas. Es un parámetro crítico para garantizar la inmunidad al ruido.

2.3 Características de Conmutación

Estos parámetros definen el rendimiento dinámico del fotocoplador, medido en condiciones estándar (V_CC=5V, I_F=7.5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω).

• Retardos de Propagación (t_PHL, t_PLH):El tiempo desde el punto del 50% de la transición de corriente de entrada hasta el punto correspondiente en la transición de voltaje de salida. t_PLH(a alto) es típicamente 50 ns, y t_PHL(a bajo) es típicamente 41 ns, ambos con un máximo de 100 ns. Estos retardos limitan la tasa de datos máxima.
• Distorsión del Ancho de Pulso (|t_PHL– t_PLH|):Típicamente 9 ns, máx. 35 ns. Esta asimetría en los retardos de subida/bajada puede estrechar los pulsos de salida a altas frecuencias.
• Tiempos de Subida/Bajada (t_r, t_f):El tiempo de subida de la salida es típicamente 40 ns, y el tiempo de bajada es típicamente 10 ns. Los flancos más rápidos son generalmente mejores para la integridad de la señal.
• Inmunidad a Transitorios de Modo Común (CMH, CML):Este es un parámetro crítico para dispositivos de aislamiento. Mide la inmunidad del estado de salida a transitorios de voltaje rápidos a través de la barrera de aislamiento. El ELM601, por ejemplo, puede tolerar un dV/dt de 5,000 V/µs con una señal de modo común de 50V pico a pico sin cambiar de estado erróneamente. El ELM611 ofrece una inmunidad aún mayor (20,000 V/µs a 1000V_p-p).

3. Información Mecánica y de Envoltura

El dispositivo está alojado en una envoltura SOP (Small Outline Package) de 5 pines. La configuración de pines es la siguiente:

• Pin 1:Ánodo del IRED de entrada.
• Pin 2:No conectado (NC).
• Pin 3:Cátodo del IRED de entrada.
• Pin 4:Tierra (GND) para el lado de salida.
• Pin 5:Voltaje de Salida (V_OUT).
• Pin 6:Voltaje de Alimentación (V_CC) para el lado de salida.

La hoja de datos incluye un dibujo detallado de las dimensiones de la envoltura (en milímetros) que debe consultarse para el diseño de la huella en el PCB. También se proporciona un diseño recomendado de las almohadillas para el montaje superficial, para garantizar una soldadura fiable y estabilidad mecánica.

4. Guías de Soldadura y Montaje

Un manejo y montaje adecuados son esenciales para la fiabilidad. El dispositivo está clasificado para una temperatura máxima de soldadura de 260°C durante 10 segundos, lo que se alinea con los perfiles estándar de soldadura por reflujo sin plomo (por ejemplo, IPC/JEDEC J-STD-020).

Consideraciones Clave:

• Utilice el diseño de almohadillas recomendado para evitar el efecto "tombstoning" o la desalineación durante el reflujo.
• Cumpla con el perfil de temperatura especificado para evitar daños térmicos al chip interno y a la envoltura de plástico.
• Siga las precauciones estándar contra descargas electrostáticas (ESD) durante el manejo, ya que el dispositivo contiene componentes semiconductores sensibles.
• Almacene los dispositivos en un entorno seco y controlado de acuerdo con la clasificación de temperatura de almacenamiento (-55°C a +125°C).

5. Información de Empaquetado y Pedido

La serie ELM6XX está disponible en diferentes opciones de empaquetado para adaptarse a las necesidades de producción:

• Opción Estándar (Ninguna):Los dispositivos se suministran en tubos antiestáticos, con 100 unidades por tubo.
• Opción en Cinta y Carrete (TA/TB):Los dispositivos se suministran en cinta y carrete para montaje automatizado pick-and-place, con 3000 unidades por carrete. 'TA' y 'TB' probablemente se refieren a diferentes tamaños de carrete o especificaciones de cinta.

Sistema de Numeración de Partes:ELM6XX(Z)-V

• XX:Número de parte específico (00, 01, o 11). Estos diferencian variantes, probablemente basadas en las clasificaciones de Inmunidad a Transitorios de Modo Común (por ejemplo, ELM600, ELM601, ELM611).
• Z:Opción de cinta y carrete (TA, TB, o ninguna para tubo).
• V:Marcado opcional de aprobación VDE.

6. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La aplicación principal es el aislamiento de señales digitales. Un circuito típico implica una resistencia limitadora de corriente en serie con el IRED de entrada, conectada a una señal lógica. El pin de salida (V_OUT) se conecta a V_CCa través de una resistencia de pull-up (R_L) y excita la entrada de la puerta lógica receptora. El valor de R_L(por ejemplo, 350Ω) y la capacitancia de carga afectan la velocidad de conmutación.

6.2 Notas Críticas de Diseño

• Corriente de Entrada:Asegúrese de que la corriente de entrada (I_F) cumple o excede la Corriente Umbral de Entrada máxima (I_FT) para garantizar una salida baja, pero no excede el Límite Absoluto Máximo. Una I_Fde funcionamiento típica de 7.5mA a 10mA es común.
• Inmunidad al Ruido:Para entornos ruidosos, elija una variante (ELM601 o ELM611) con mayor Inmunidad a Transitorios de Modo Común apropiada para los niveles de ruido esperados en la aplicación.
• Desacoplamiento de la Fuente de Alimentación:Utilice condensadores de desacoplamiento (por ejemplo, 0.1 µF) cerca de los pines V_CCy GND en el lado de salida para garantizar un funcionamiento estable y minimizar el ruido de conmutación.
• Tabla de Verdad:El dispositivo funciona como un buffer no inversor. Un nivel lógico Alto (H) en la entrada (IRED encendido) produce un nivel lógico Bajo (L) en la salida. Un nivel lógico Bajo (L) en la entrada (IRED apagado) produce un nivel lógico Alto (H) en la salida (debido a la resistencia de pull-up).

7. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los fotocopladores estándar de la serie 4N25/4N35, la serie ELM6XX ofrece una velocidad significativamente mayor (10 Mbit/s frente a ~100 kbit/s) y un Rechazo en Modo Común superior. Su salida de puerta lógica proporciona formas de onda digitales limpias sin necesidad de circuitos adicionales de disparador Schmitt, a menudo requeridos con salidas de fototransistores. La envoltura SOP de 5 pines es más compacta que los antiguos encapsulados DIP. La diferenciación clave dentro de la propia serie ELM6XX es la Inmunidad a Transitorios de Modo Común graduada, lo que permite a los diseñadores seleccionar el nivel de costo/rendimiento apropiado para su entorno de ruido específico.

8. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P1: ¿Cuál es la tasa de datos máxima que puedo lograr con este fotocoplador?

R: Los retardos de propagación típicos permiten tasas de datos de hasta 10 Mbit/s como se especifica. Sin embargo, la tasa máxima fiable real en un sistema será menor debido a la distorsión del ancho de pulso y a los tiempos de establecimiento y retención de la lógica receptora. Un diseño conservador podría apuntar a 5-8 Mbit/s.

P2: ¿Cómo elijo entre ELM600, ELM601 y ELM611?

R: La elección se basa principalmente en la Inmunidad a Transitorios de Modo Común (CMTI) requerida. Use ELM600 para aislamiento básico con bajo ruido. ELM601 (5,000 V/µs) es adecuado para aplicaciones de accionamiento de motores industriales y fuentes de alimentación. ELM611 (20,000 V/µs) es para entornos de muy alto ruido como inversores de alta potencia.

P3: ¿Puedo usar este dispositivo para excitar un LED o un relé directamente?

R: No. La salida está diseñada para excitar entradas lógicas CMOS o TTL de alta impedancia. Su capacidad de suministro/absorción de corriente es limitada (I_OHes muy baja, I_OLestá especificada en 13mA). Para excitar cargas de mayor corriente, se requiere una etapa adicional de buffer o transistor.

P4: ¿Qué valor de resistencia de pull-up (R_L) debo usar?

R: La hoja de datos especifica condiciones de prueba con R_L=350Ω. Este es un buen punto de partida. Una resistencia más pequeña proporcionará tiempos de subida más rápidos pero aumentará el consumo de energía y la corriente de salida. Una resistencia más grande ahorrará energía pero ralentizará el tiempo de subida. El valor debe elegirse considerando la capacitancia de carga y la velocidad requerida.

9. Caso de Estudio de Aplicación Práctica

Escenario: Aislamiento de un UART de Microcontrolador de un Transceptor RS-485.

En un nodo sensor industrial, la línea TX UART de un microcontrolador de 3.3V necesita aislarse de un transceptor RS-485 de 5V que se conecta a un bus de larga distancia ruidoso. Se puede usar un ELM601 para este propósito. El pin del microcontrolador excita el IRED a través de una resistencia limitadora de corriente (por ejemplo, (3.3V - 1.45V)/7.5mA ≈ 247Ω). El lado de salida es alimentado por el riel de 5V del transceptor RS-485. El pin V_OUT, conectado a 5V a través de una resistencia de 350Ω, se conecta directamente al pin de Entrada del Driver (DI) del IC RS-485. Esta configuración rompe la conexión de tierra entre el microcontrolador sensible y el bus ruidoso, protege al microcontrolador de transitorios inducidos por el bus y maneja la traducción de nivel lógico de 3.3V a 5V. La alta CMTI del ELM601 garantiza que la señal digital permanezca intacta a pesar del ruido en el bus.

10. Principio de Funcionamiento

El dispositivo opera bajo el principio de conversión optoelectrónica. Una corriente eléctrica aplicada al lado de entrada (pines 1 y 3) hace que el Diodo Emisor de Infrarrojos (IRED) emita luz. Esta luz cruza una barrera de aislamiento interna transparente (típicamente un espacio de plástico moldeado). En el lado de salida, un circuito integrado fotodetector de silicio monolítico recibe esta luz. Este IC contiene un fotodiodo, un amplificador de alta ganancia y una etapa de salida de puerta lógica (probablemente una estructura totem-pole o similar). El amplificador convierte la fotocorriente en un voltaje, que la etapa lógica almacena en buffer y emite como una señal digital limpia. La característica de 'salida con habilitación (strobable)' mencionada probablemente se refiere a un latch interno o función de habilitación que puede mantener el estado de salida, pero los detalles específicos requieren el esquema interno completo.

11. Tendencias Tecnológicas

La tendencia en el aislamiento digital es hacia mayores velocidades, menor consumo de energía, envolturas más pequeñas y mayor integración. Si bien los fotocopladores como la serie ELM6XX siguen siendo excelentes para muchas aplicaciones, están surgiendo tecnologías alternativas basadas en acoplamiento capacitivo (usando barreras de SiO₂) o de magnetorresistencia gigante (GMR). Estas pueden ofrecer tasas de datos aún mayores (>>100 Mbit/s), mejor simetría temporal (menor distorsión del ancho de pulso) y una vida útil más larga, ya que no tienen LED que se degrade. Sin embargo, los fotocopladores de alto rendimiento continúan siendo ampliamente utilizados debido a su fiabilidad probada, alta CMTI, simplicidad y rentabilidad para velocidades de hasta decenas de megabits por segundo. El desarrollo de dispositivos como la serie ELM6XX, con CMTI graduada y materiales libres de halógenos, refleja la evolución continua para satisfacer las demandas ambientales y de rendimiento más estrictas en la electrónica moderna.