Hoja de Datos Técnicos de la Serie ELS611-G - Fotocoplador de Puerta Lógica de Alta Velocidad 10MBit/s en Envolvente SDIP de 6 Pines

1. Descripción General del Producto

La serie ELS611-G representa una familia de fotocopladores (optoaisladores) de salida de puerta lógica y alta velocidad, diseñados para el aislamiento de señales digitales. Estos dispositivos integran un diodo emisor de infrarrojos acoplado ópticamente a un fotodetector integrado de alta velocidad con una salida de puerta lógica almacenable. Alojados en una compacta envolvente SDIP (Small Dual In-line Package) de 6 pines, están diseñados para reemplazar transformadores de pulso y proporcionar una robusta eliminación de bucles de masa en entornos eléctricos ruidosos.

La función principal es proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida, evitando que los bucles de masa, los picos de tensión y el ruido se propaguen. La salida de puerta lógica garantiza una transmisión limpia de la señal digital, haciéndola adecuada para la interfaz entre diferentes familias lógicas o dominios de tensión.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Las ventajas principales de la serie ELS611-G incluyen su capacidad de alta velocidad de hasta 10MBit/s, que soporta protocolos de comunicación digital rápidos. Ofrece un alto voltaje de aislamiento de 5000Vrms, proporcionando una excelente protección para circuitos sensibles. Los dispositivos cumplen con los requisitos libres de halógenos (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm), no contienen plomo y cumplen con las directivas RoHS y REACH de la UE. Poseen aprobaciones de las principales agencias de seguridad internacionales, incluyendo UL, cUL, VDE, NEMKO, FIMKO, SEMKO, DEMKO y CQC, facilitando su uso en mercados globales.

Las aplicaciones objetivo se encuentran principalmente en automatización industrial, sistemas de alimentación (por ejemplo, fuentes de alimentación conmutadas para aislamiento de realimentación), interfaces de periféricos de computadora, sistemas de transmisión de datos, multiplexación de datos y cualquier escenario que requiera un aislamiento galvánico confiable y de alta velocidad para señales digitales.

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

Las siguientes secciones proporcionan un análisis detallado y objetivo de los parámetros eléctricos y de rendimiento clave especificados 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 se recomienda operar el dispositivo continuamente en o cerca de estos límites.

• Corriente Directa de Entrada (I_F): 20 mA. La corriente continua máxima permitida a través del LED de entrada.
• Voltaje Inverso de Entrada (V_R): 5 V. El voltaje de polarización inversa máximo que el LED de entrada puede soportar.
• Disipación de Potencia de Entrada (P_D): 40 mW. La potencia máxima que el lado de entrada puede disipar.
• Voltaje de Alimentación de Salida (V_CC): 7.0 V. El voltaje absoluto máximo que se puede aplicar al pin de alimentación del lado de salida.
• Voltaje de Salida (V_O): 7.0 V. El voltaje máximo que puede aparecer en el pin de salida.
• Corriente de Salida (I_O): 50 mA. La corriente máxima que el pin de salida puede sumiderar o suministrar.
• Voltaje de Aislamiento (V_ISO): 5000 Vrms durante 1 minuto. Esta es una especificación crítica de seguridad, probada con los pines de entrada (1,2,3,4) cortocircuitados juntos y los pines de salida (5,6) cortocircuitados juntos.
• Temperatura de Operación (T_OPR): -40°C a +85°C. El rango de temperatura ambiente para operación normal.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL): 260°C durante 10 segundos. Esto define la tolerancia del perfil de soldadura por reflujo.

2.2 Características Eléctricas

Estos son los parámetros de rendimiento garantizados bajo condiciones de prueba específicas.

2.2.1 Características de Entrada (Lado del LED)

• Voltaje Directo (V_F): Típicamente 1.45V, máximo 1.8V a I_F=10mA. Se utiliza para diseñar el circuito limitador de corriente de entrada.
• Corriente Inversa (I_R): Máximo 10 µA a V_R=5V. Esto indica la corriente de fuga del LED en estado apagado.
• Capacitancia de Entrada (C_IN): Típicamente 60pF. Este parámetro afecta el rendimiento de conmutación de alta frecuencia en el lado de entrada.

2.2.2 Características de Salida

• Corriente de Alimentación, Nivel Alto (I_CCH): 7mA a 13mA cuando I_F=0mA (LED apagado) y V_CC=5.5V. Esta es la corriente en reposo cuando la salida está en estado lógico alto.
• Corriente de Alimentación, Nivel Bajo (I_CCL): 9mA a 15mA cuando I_F=10mA (LED encendido) y V_CC=5.5V. Esta es la corriente de operación cuando la salida es activamente llevada a nivel bajo.
• Voltaje de Salida en Nivel Bajo (V_OL): Típicamente 0.4V, máximo 0.6V bajo la condición V_CC=5.5V, I_F=5mA, I_OL=13mA. Esto define el voltaje de salida cuando sumidera corriente en el estado bajo.
• Corriente Umbral de Entrada (I_FT): Máximo 5mA. Esta es la corriente mínima del LED de entrada requerida para garantizar que la salida cambie a un nivel lógico bajo válido (V_OL<= 0.6V) bajo las condiciones especificadas de V_CCe I_OL. Es un parámetro clave para determinar la corriente de accionamiento requerida.

2.3 Características de Conmutación

Estos parámetros definen el rendimiento temporal del fotocoplador, crucial para la transmisión de datos de alta velocidad. Las condiciones de prueba son V_CC=5V, I_F=7.5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω a menos que se indique lo contrario.

• Retardo de Propagación a Nivel Alto (t_PHL): Típicamente 40ns, máximo 100ns. Tiempo desde que el LED de entrada se apaga hasta que la salida sube a un nivel lógico alto.
• Retardo de Propagación a Nivel Bajo (t_PLH): Típicamente 50ns, máximo 100ns. Tiempo desde que el LED de entrada se enciende hasta que la salida baja a un nivel lógico bajo.
• Distorsión del Ancho de Pulso (|t_PHL– t_PLH|): Típicamente 10ns, máximo 50ns. La diferencia entre los dos retardos de propagación. Un valor más bajo es mejor para preservar la integridad de la señal y el ciclo de trabajo.
• Tiempo de Subida de la Salida (t_r): Típicamente 50ns. Tiempo para que la salida suba del 10% al 90% de su valor alto final.
• Tiempo de Bajada de la Salida (t_f): Típicamente 10ns. Tiempo para que la salida baje del 90% al 10% de su valor alto inicial.
• Inmunidad a Transitorios de Modo Común (CMH, CML): Mínimo 5 kV/µs. Esto mide la inmunidad del dispositivo a transitorios de voltaje rápidos entre las masas de entrada y salida. CMH se aplica cuando la salida está alta, y CML cuando la salida está baja. Un valor alto indica un fuerte rechazo al ruido acoplado a través de la barrera de aislamiento.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a curvas típicas de características electro-ópticas. Aunque los gráficos específicos no se detallan en el texto proporcionado, típicamente incluyen los siguientes, que son esenciales para el diseño:

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa: Muestra la eficiencia del optoacoplador. Para un tipo de puerta lógica, esto está integrado en los parámetros de conmutación, pero puede indicar el rendimiento en función de la temperatura y la corriente.
• Retardo de Propagación vs. Corriente Directa: Ilustra cómo varía la velocidad de conmutación con la corriente de accionamiento del LED. Una I_Fmás alta generalmente disminuye el retardo de propagación pero aumenta la disipación de potencia.
• Retardo de Propagación vs. Temperatura: Muestra la variación del parámetro temporal a lo largo del rango de temperatura de operación.
• Corriente de Alimentación vs. Temperatura: Indica cómo cambia el consumo de energía en el lado de salida con la temperatura.

Los diseñadores deben consultar los gráficos completos de la hoja de datos para comprender los límites de rendimiento y las necesidades de desclasificación para sus condiciones de aplicación específicas.

4. Información Mecánica y de Envolvente

4.1 Configuración y Función de los Pines

El dispositivo utiliza una envolvente SDIP de 6 pines. La asignación de pines es la siguiente:

• Pin 1: Ánodo del LED de entrada.
• Pin 2: Sin Conexión (N.C.).
• Pin 3: Cátodo del LED de entrada.
• Pin 4: Tierra (GND) para el lado de salida.
• Pin 5: Salida (V_OUT). Esta es la salida de colector abierto o totem-pole de la puerta lógica interna.
• Pin 6: Voltaje de Alimentación (V_CC) para el lado de salida.

Nota Crítica de Diseño:Un condensador de desacoplo de 0.1µF (o mayor) con buenas características de alta frecuencia debe conectarse entre los pines 6 (V_CC) y 4 (GND), colocado lo más cerca posible de la envolvente. Esto es esencial para una operación estable y para lograr el rendimiento de conmutación especificado.

4.2 Dimensiones de la Envolvente y Diseño del PCB

La hoja de datos proporciona dibujos mecánicos detallados para la envolvente tipo \"P\" (forma de terminal para montaje superficial). Las dimensiones clave incluyen el tamaño total del cuerpo de la envolvente, el paso de los terminales y la altura de separación. También se proporciona un diseño de almohadillas recomendado para el montaje superficial para garantizar una soldadura confiable y resistencia mecánica. Los diseñadores deben adherirse a estas pautas de diseño para evitar el efecto \"tombstoning\" o soldaduras deficientes.

5. Pautas de Soldadura y Montaje

El límite absoluto máximo para la temperatura de soldadura es de 260°C durante 10 segundos. Esto se alinea con los perfiles típicos de soldadura por reflujo sin plomo. Se deben observar las siguientes precauciones:

• Seguir el perfil de reflujo recomendado para la pasta de soldadura específica utilizada, asegurando que la temperatura máxima y el tiempo por encima del líquido no excedan la especificación del dispositivo.
• Evitar el estrés mecánico excesivo en la envolvente durante el manejo.
• Adherirse al diseño de almohadillas de PCB recomendado para evitar puentes de soldadura o filetes insuficientes.
• Las condiciones de almacenamiento deben estar dentro del rango de temperatura de almacenamiento especificado de -55°C a +125°C, y en un ambiente seco según los requisitos estándar del nivel de sensibilidad a la humedad (MSL) para dispositivos de montaje superficial (el MSL específico no se indica en el extracto).

6. Información de Empaquetado y Pedido

6.1 Regla de Numeración de Modelos

El número de parte sigue el formato: ELS611X(Y)-VG

• EL: Prefijo del fabricante.
• S611: Número de parte base.
• X: Tipo de terminal. \"P\" denota forma de terminal para montaje superficial.
• (Y): Opción de cinta y carrete. \"TA\" o \"TB\" especifican diferentes estilos de empaquetado en carrete.
• V: Opcional, denota aprobación VDE.
• G: Denota construcción libre de halógenos.

Ejemplo: ELS611P(TA)-VG es un dispositivo de montaje superficial en cinta y carrete TA, aprobado por VDE y libre de halógenos.

6.2 Especificaciones de Empaquetado

El dispositivo está disponible en empaquetado de cinta y carrete para montaje automatizado. Ambas opciones TA y TB contienen 1000 unidades por carrete. La hoja de datos incluye diagramas que especifican las dimensiones de la cinta, el espaciado de los bolsillos y el tamaño del carrete.

6.3 Marcado del Dispositivo

La envolvente está marcada con un código que indica el origen de fabricación, el número del dispositivo y el código de fecha. El formato incluye: Código de fábrica (\"T\" para Taiwán), \"EL\" para el fabricante, \"S611\" para el dispositivo, un código de año de 1 dígito, un código de semana de 2 dígitos y la opcional \"V\" para VDE.

7. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

7.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La aplicación principal es el aislamiento de señales digitales. Un circuito típico implica:

1. Lado de Entrada:Una resistencia limitadora de corriente en serie con el LED (pines 1 y 3) para establecer la corriente directa I_F. El valor se calcula en base al voltaje de accionamiento y la I_Fdeseada (típicamente entre la corriente umbral I_FTy el límite máximo). Para operación de alta velocidad, se recomienda un controlador rápido.
2. Lado de Salida: V_CC(pin 6) se conecta al voltaje de alimentación lógica deseado (hasta 7V). El pin 4 (GND) se conecta a la tierra de salida. El pin de salida 5 se conecta a la entrada lógica receptora. Puede ser necesaria una resistencia de pull-up externa a V_CCdependiendo de la estructura de salida interna (el esquema de la hoja de datos muestra un pull-down activo, sugiriendo una salida totem-pole, pero el diseño debe verificar si se necesita pull-up).El condensador de desacoplo crítico de 0.1µF entre V_CCy GND es obligatorio.

7.2 Consideraciones de Diseño

• Velocidad vs. Corriente:Una I_Fmás alta mejora el retardo de propagación pero aumenta la disipación de potencia y puede reducir la confiabilidad a largo plazo. Optimice I_Fbasándose en la velocidad requerida y las restricciones térmicas.
• Inmunidad al Ruido:La alta inmunidad a transitorios de modo común (5kV/µs) lo hace adecuado para entornos ruidosos como accionamientos de motores y fuentes de alimentación. Asegúrese de un diseño de PCB adecuado para minimizar el acoplamiento parásito alrededor de la barrera de aislamiento.
• Consideraciones de Carga:Respete los límites máximos de corriente de salida (I_O) y voltaje (V_O). La salida está diseñada para accionar entradas lógicas estándar (TTL, CMOS) y no cargas pesadas.
• Desacoplo de la Fuente de Alimentación:Omitir el condensador de desacoplo recomendado puede provocar oscilaciones, disparos falsos y un rendimiento de conmutación degradado.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los fotocopladores de salida de transistor estándar, la puerta lógica integrada del ELS611-G proporciona varias ventajas clave:

• Mayor Velocidad:Una tasa de datos de 10MBit/s y retardos de propagación inferiores a 100ns son significativamente más rápidos que los acopladores de transistor típicos (a menudo en el rango de µs).
• Salida Digital Limpia:La salida de puerta lógica proporciona flancos nítidos y niveles lógicos bien definidos sin necesidad de disparadores Schmitt externos, simplificando el diseño del circuito.
• Menor Distorsión de Pulso:La distorsión del ancho de pulso especificada es baja, lo cual es crítico para preservar la integridad de la señal en líneas de reloj y datos.
• Funcionalidad Integrada:Combina el fotodetector, el amplificador y la puerta lógica en un solo chip, reduciendo el número de componentes externos.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

1. P: ¿Cuál es la corriente de entrada mínima requerida para garantizar que la salida cambie a bajo?
   
   R: El parámetro I_FT(Corriente Umbral de Entrada) tiene un valor máximo de 5mA bajo las condiciones de prueba (V_CC=5.5V, V_O=0.6V, I_OL=13mA). Para garantizar un cambio confiable bajo todas las condiciones, el diseño debe usar una I_Fmayor que este valor, típicamente 7.5mA a 10mA como se indica en las características de conmutación.
2. P: ¿Puedo usar esto con una alimentación lógica de 3.3V en la salida?
   
   R: Sí, el dispositivo puede operar con V_CCtan bajo como el mínimo requerido para que funcione la puerta lógica interna (no se indica explícitamente, pero típicamente ~2.7V a 3V para CMOS). Los niveles lógicos de salida serán relativos a esta V_CC. El V_CCmáximo es 7.0V.
3. P: ¿Qué tan crítico es el condensador de desacoplo de 0.1µF?
   
   R: Es absolutamente crítico para una operación estable y de alta velocidad. Proporciona un depósito de carga local para las corrientes de conmutación de la etapa de salida, evitando caídas en la línea de alimentación y oscilaciones que pueden causar mal funcionamiento.
4. P: ¿Qué significa \"salida almacenable\"?
   
   R: Probablemente se refiere a una función de latch o flip-flop que puede mantener el estado de salida. Sin embargo, la tabla de verdad en el PDF muestra una función simple de inversor (Entrada H -> Salida L, Entrada L -> Salida H). El término puede indicar que la salida puede mantener su estado durante interrupciones breves o tiene buena inmunidad al ruido. Se debe consultar el esquema para aclaración.

10. Ejemplo de Aplicación Práctica

Escenario: Aislamiento de una Señal UART en un Controlador Industrial.

Un microcontrolador industrial se comunica con un periférico a través de UART a 115200 baudios. El periférico opera con una fuente de alimentación separada con un potencial de tierra diferente, creando un riesgo de bucles de masa.

Implementación:

Se utilizan dos dispositivos ELS611-G, uno para la línea TX (controlador a periférico) y otro para la línea RX (periférico a controlador). En el aislador TX, el pin TX del microcontrolador acciona el LED a través de una resistencia limitadora de corriente configurada para I_F=10mA. El pin de salida del aislador se conecta a la entrada RX del periférico. El V_CCdel aislador se suministra desde la línea de 5V o 3.3V del periférico, con el condensador de desacoplo obligatorio. El proceso se refleja para la línea RX. Esta configuración rompe la conexión de tierra, evita el acoplamiento de ruido y protege al microcontrolador de transitorios de voltaje en el lado periférico, todo mientras mantiene la integridad de los datos seriales de alta velocidad.

11. Principio de Funcionamiento

Un fotocoplador opera bajo el principio de acoplamiento óptico para lograr aislamiento eléctrico. En el ELS611-G:

1. Una señal eléctrica aplicada al lado de entrada hace que el Diodo Emisor de Luz (LED) infrarrojo emita luz proporcional a la corriente.
2. Esta luz viaja a través de una barrera de aislamiento transparente (típicamente un compuesto de moldeo) dentro de la envolvente.
3. En el lado de salida, un fotodiodo o fototransistor de silicio detecta la luz y la convierte nuevamente en una corriente eléctrica.
4. Esta pequeña fotocorriente es amplificada y procesada por un circuito integrado de alta velocidad que incluye una puerta lógica (en este caso, probablemente un inversor o buffer). El CI proporciona una señal de salida digital limpia que replica el estado de entrada pero está eléctricamente aislada de él.
5. La barrera de aislamiento proporciona una alta resistencia dieléctrica (5000Vrms), evitando el flujo de corriente y las diferencias de voltaje entre los dos lados.

12. Tendencias Tecnológicas

La evolución de fotocopladores como el ELS611-G está impulsada por varias tendencias clave en la electrónica:

• Mayores Tasas de Datos:La demanda de aislamiento de mayor velocidad en comunicaciones industriales (Profibus, EtherCAT), redes automotrices y sistemas de energía renovable impulsa dispositivos con menor retardo de propagación y mayor inmunidad de modo común.
• Miniaturización:Existe una tendencia continua hacia envolventes más pequeñas (por ejemplo, SOIC-4, LSSOP) con las mismas o mejores clasificaciones de aislamiento para ahorrar espacio en el PCB.
• Integración Mejorada:Los dispositivos futuros pueden integrar más funciones, como aislamiento de potencia (convertidores DC-DC aislados) con aislamiento de datos en un solo paquete, o aisladores multicanal.
• Innovación en Materiales y Procesos:Los avances en la eficiencia del LED, la sensibilidad del detector y la pureza del compuesto de moldeo contribuyen a un menor consumo de energía, mayor velocidad y una mejor confiabilidad a largo plazo.
• Tecnologías de Aislamiento Alternativas:Si bien los optoacopladores son maduros, tecnologías como el aislamiento capacitivo (usando barreras de SiO2) y el aislamiento magnético (GMR) compiten en algunas aplicaciones de alta velocidad y alta densidad. Cada tecnología tiene sus propias compensaciones en términos de velocidad, inmunidad, consumo de energía y costo.