Hoja de Datos Técnica en Español de la Serie ELM453H-G - Fotocoplador Lógico de Alta Velocidad 10Mbit/s en Paquete SOP de 5 Pines - Voltaje de Aislamiento 3750Vrms

1. Descripción General del Producto

La serie ELM453H-G representa una familia de fotocopladores lógicos (optoaisladores) de alta velocidad diseñados para aplicaciones exigentes de aislamiento digital. Estos dispositivos están diseñados para proporcionar una transmisión de señal confiable manteniendo un alto aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. La función principal es transferir señales lógicas digitales a través de una barrera de aislamiento utilizando un LED infrarrojo acoplado ópticamente a un fotodetector de alta velocidad y un amplificador de transistor.

El mercado principal para este componente incluye automatización industrial, sistemas de accionamiento de motores, redes de comunicación fieldbus y control de fuentes de alimentación, donde la inmunidad al ruido y el aislamiento de seguridad son críticos. Sus ventajas principales provienen de su rendimiento de velocidad mejorado en comparación con los fotocopladores de fototransistor convencionales, logrado mediante una conexión de polarización de fotodiodo separada que reduce la capacitancia base-colector.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona un análisis objetivo de los parámetros eléctricos y ópticos clave especificados en la hoja de datos.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los umbrales de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente. Los límites clave incluyen:

• Corriente Directa de Entrada (I_F): 25 mA máximo. Exceder este valor puede degradar o destruir el LED de entrada.
• Voltaje de Aislamiento (V_ISO): 3750 V_rmsdurante 1 minuto. Esta es una especificación de seguridad crítica que certifica la resistencia dieléctrica de la barrera de aislamiento interna, probada con los pines 1 y 3 cortocircuitados en un lado y los pines 4, 5 y 6 cortocircuitados en el otro.
• Temperatura de Operación (T_OPR): -40 a +125 °C. Este amplio rango garantiza una operación confiable en entornos industriales hostiles.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL): 260 °C durante 10 segundos, compatible con perfiles típicos de reflujo sin plomo.

2.2 Características Eléctricas

Los parámetros de rendimiento garantizados bajo condiciones de prueba especificadas.

2.2.1 Características de Entrada

• Voltaje Directo (V_F): Típicamente 1.4V, con un máximo de 1.8V a I_F=16mA. Se utiliza para calcular la resistencia limitadora de corriente requerida para el circuito excitador del LED.
• Capacitancia de Entrada (C_IN): Típicamente 70 pF. Una capacitancia más baja puede contribuir a un mejor rendimiento de alta frecuencia en el lado de entrada.

2.2.2 Características de Salida y Transferencia

• Voltaje de Salida de Nivel Bajo (V_OL): Máximo 0.4V a I_F=16mA, I_O=3mA, V_CC=4.5V. Esto define el nivel lógico de salida '0' bajo carga.
• Relación de Transferencia de Corriente (CTR): Mínimo 20% bajo las mismas condiciones de prueba. El CTR es la relación entre la corriente del transistor de salida y la corriente del LED de entrada. Una garantía mínima asegura una capacidad de excitación de salida suficiente.
• Corriente de Salida de Nivel Alto (I_OH): Corriente de fuga muy baja (máx. 5 µA a 25°C) cuando el LED está apagado, asegurando una salida lógica '1' limpia.

2.3 Características de Conmutación

Estos parámetros definen la velocidad y la inmunidad al ruido del dispositivo, cruciales para la transmisión de datos.

• Retardo de Propagación (T_PHL, T_PLH): Típico 0.35 µs (bajo) y 0.45 µs (alto), con un máximo de 1.0 µs. Esto permite tasas de transmisión de señal de hasta 1Mbit/s, aunque el título sugiere una capacidad de 10Mbit/s para la versión de puerta lógica.
• Inmunidad Transitoria en Modo Común (CM_H, CM_L): Mínimo 10 kV/µs. Este es un parámetro vital que indica la capacidad del dispositivo para rechazar transitorios de voltaje rápidos (ruido) que aparecen por igual en ambos lados de la barrera de aislamiento. Un CMTI alto evita conmutaciones falsas en la salida en entornos ruidosos como los accionamientos de motores.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a curvas típicas de características electro-ópticas. Aunque no se muestran en el texto proporcionado, estas curvas suelen ilustrar relaciones críticas para el diseño:

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR) vs. Corriente Directa (I_F): Muestra cómo varía la eficiencia con la corriente de excitación, ayudando a optimizar el punto de operación.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_A): Demuestra la reducción del CTR con el aumento de la temperatura, esencial para la operación a alta temperatura.
• Retardo de Propagación vs. Resistencia de Carga (R_L): Muestra la compensación entre la velocidad de conmutación y la capacidad de excitación de salida.
• Voltaje Directo vs. Temperatura: Importante para la gestión térmica del circuito de entrada.

Los diseñadores deben consultar los gráficos completos de la hoja de datos para comprender estas relaciones no lineales y lograr un diseño de circuito robusto.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Dimensiones del Paquete

El dispositivo está alojado en un paquete Small Outline Package (SOP) estándar de 5 pines. El dibujo mecánico detallado proporciona las dimensiones exactas de longitud, ancho, altura, paso de terminales y separación. Esta información es crítica para el diseño de la huella en el PCB y para garantizar el espacio libre adecuado.

4.2 Diseño Recomendado de Pads

Se proporciona un diseño sugerido de pads para montaje superficial. La hoja de datos señala correctamente que este es un diseño de referencia y debe modificarse según los procesos de fabricación individuales (por ejemplo, tipo de pasta de soldadura, perfil de reflujo). Se recomienda adherirse a los estándares IPC para el diseño final de los pads.

4.3 Identificación de Polaridad y Marcado del Dispositivo

Configuración de Pines:

1. Ánodo (LED de Entrada +)
2. Sin Conexión / Interno
3. Cátodo (LED de Entrada -)
4. GND (Tierra de Salida)
5. V_OUT(Señal de Salida)
6. V_CC(Voltaje de Alimentación de Salida)

Marcado del Dispositivo:La parte superior del paquete está marcada con "EL" (código del fabricante), "M453H" (número del dispositivo), un código de un dígito para el año (Y), un código de dos dígitos para la semana (WW) y una "V" opcional para las versiones aprobadas por VDE. Esto permite la trazabilidad.

5. Guías de Soldadura y Montaje

Soldadura por Reflujo:El componente está clasificado para una temperatura máxima de soldadura de 260°C durante 10 segundos. Esto se alinea con los perfiles estándar de reflujo sin plomo (IPC/JEDEC J-STD-020). La temperatura máxima y el tiempo por encima del punto líquido deben controlarse para evitar daños en el paquete.

Condiciones de Almacenamiento:El rango de temperatura de almacenamiento es de -55 a +125 °C. La información del Nivel de Sensibilidad a la Humedad (MSL), crítica para dispositivos de montaje superficial, debe verificarse en la hoja de datos completa o en el embalaje. Deben seguirse las precauciones estándar para el horneado de componentes que han absorbido humedad antes del reflujo, si corresponde.

6. Información de Embalaje y Pedido

6.1 Número de Parte para Pedido

El número de parte sigue la estructura:ELM453H(Z)-VG

• Z: Opción de Cinta y Carrete. 'Ninguno' para tubo (100 unidades), 'TA' o 'TB' para diferentes orientaciones en el carrete (3000 unidades/carrete).
• V: Denota que la certificación VDE está incluida.
• G: Indica composición de material libre de halógenos.

6.2 Especificaciones de Cinta y Carrete

Se proporcionan dimensiones detalladas de la cinta portadora (ancho, tamaño del bolsillo, paso) y especificaciones del carrete para el montaje automatizado pick-and-place. Las opciones TA y TB difieren en la orientación del componente dentro de la cinta, afectando la dirección de alimentación desde el carrete.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Circuitos de Aplicación Típicos

Receptor de Línea / Aislamiento de Señal Digital:El dispositivo es ideal para aislar líneas de datos serie RS-485, CAN u otras en redes industriales. El alto CMTI protege contra diferencias de potencial de tierra y ruido.

Aislamiento de Excitación de Puerta en Accionamientos de Motores:Se utiliza para aislar la señal de control de bajo voltaje del circuito excitador de puerta de alto voltaje y ruidoso para IGBTs o MOSFETs. El alto voltaje de aislamiento (3750Vrms) y la velocidad son clave aquí.

Aislamiento de Tierra Lógica:Separar las tierras digitales entre subsistemas (por ejemplo, entre una interfaz de sensor analógico sensible y un microcontrolador ruidoso) para evitar bucles de tierra y acoplamiento de ruido.

7.2 Consideraciones de Diseño

• Limitación de Corriente de Entrada:Debe usarse una resistencia externa para establecer la corriente directa del LED (I_F), típicamente alrededor de 16mA para los parámetros garantizados. El valor de la resistencia es R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• Resistencia de Pull-Up de Salida:Se requiere una resistencia de pull-up (R_L) en la salida (pin 5 a V_CC). Su valor afecta la velocidad de conmutación (R_Lmás baja = más rápido, pero mayor corriente) y el nivel lógico alto. La condición de prueba utiliza 1.9 kΩ.
• Desacoplamiento de la Fuente de Alimentación:Coloque un capacitor cerámico de 0.1 µF cerca de los pines 4 (GND) y 6 (V_CC) para garantizar una operación estable y minimizar el ruido de conmutación.
• Distancia de Fuga y Espacio Libre:En el PCB, mantenga distancias de fuga y espacio libre adecuadas entre los circuitos de entrada y salida (incluidas trazas y componentes) para preservar la clasificación de aislamiento de alto voltaje. Siga los estándares de seguridad relevantes (por ejemplo, IEC 61010-1).

8. Comparación y Diferenciación Técnica

La principal diferenciación del ELM453H-G respecto a los fotocopladores de fototransistor estándar es suvelocidad. Al proporcionar una conexión de base separada (a través del fotodiodo integrado) para polarizar el transistor de salida, reduce drásticamente el efecto de capacitancia Miller que ralentiza los fototransistores convencionales. Esto lo hace adecuado para la transmisión de datos digitales en el rango de 1Mbit/s a 10Mbit/s, mientras que los dispositivos estándar a menudo se limitan a menos de 100 kbit/s.

Además, su completo conjunto de certificaciones de seguridad internacionales (UL, cUL, VDE, SEMKO, etc.) y el cumplimiento de las regulaciones libres de halógenos, RoHS y REACH lo convierten en una opción preferida para los mercados globales con estrictos requisitos ambientales y de seguridad.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es la tasa de datos máxima que puede soportar este fotocoplador?

R: Basándose en el retardo de propagación máximo de 1.0 µs, el dispositivo puede soportar de manera confiable tasas de datos de al menos 1 Mbit/s. La referencia a 10 Mbit/s en el título sugiere un rendimiento optimizado o una versión específica; la tasa máxima real depende del diseño del circuito (R_L, I_F) y debe verificarse con mediciones de osciloscopio para aplicaciones críticas.

P: ¿Cómo me aseguro de que se mantenga la alta clasificación de aislamiento en mi diseño?

R: La construcción interna del dispositivo proporciona el aislamiento. Para mantenerlo en el PCB, debe asegurar una distancia física suficiente (fuga/espacio libre) entre todos los elementos conductores (trazas, pads, componentes) asociados con el lado de entrada (pines 1,2,3) y el lado de salida (pines 4,5,6). Siga las guías de diseño de PCB para aislamiento reforzado basado en el voltaje de trabajo.

P: ¿Puedo usar esto para aislar señales analógicas?

R: Aunque se menciona para el aislamiento de tierra de señales analógicas, es fundamentalmente un dispositivo digital (puerta lógica) con CTR no lineal. No es ideal para el aislamiento lineal de señales analógicas. Para ese propósito, un optoacoplador lineal dedicado o un amplificador de aislamiento sería más apropiado.

10. Caso Práctico de Uso

Escenario: Comunicación SPI Aislada en una Unidad de Control de Motor.

Un microcontrolador en una placa de control de 3.3V necesita enviar datos de configuración vía SPI a un ADC ubicado cerca de una fase de motor de alta potencia. Los potenciales de tierra son ruidosos y diferentes. Se puede usar un ELM453H-G para aislar las líneas de reloj SPI (SCK) y selección de chip (CS). El GPIO del microcontrolador excita el LED a través de una resistencia limitadora de corriente. El pin de salida (5) se conecta mediante pull-up a la alimentación de 5V del ADC a través de una resistencia de 2.2kΩ, proporcionando una señal lógica limpia y aislada. El alto CMTI asegura que las señales SPI no se corrompan por el ruido de conmutación del motor.

11. Principio de Funcionamiento

El dispositivo opera bajo el principio de acoplamiento óptico. Una corriente aplicada al Diodo Emisor de Infrarrojos (IRED) de entrada hace que emita luz. Esta luz atraviesa una barrera de aislamiento transparente (típicamente silicona moldeada o polímero) e incide sobre un fotodiodo dentro del chip detector integrado. La corriente del fotodiodo es amplificada y procesada por una etapa de transistor para producir una señal de salida digital correspondiente (hundiendo corriente a tierra cuando está activo). El aislamiento eléctrico completo se logra porque la señal se transfiere por luz, sin un camino de conducción eléctrica a través de la barrera.

12. Tendencias de la Industria

La tendencia en el aislamiento de señales es hacia mayores velocidades, menor consumo de energía, paquetes más pequeños e integración de múltiples canales en un solo paquete. Si bien los fotocopladores independientes como el ELM453H-G siguen siendo vitales por su robustez, capacidad de alto voltaje y simplicidad, tecnologías más nuevas como los aisladores capacitivos y los aisladores de magnetorresistencia gigante (GMR) compiten en aplicaciones que requieren tasas de datos muy altas (>100 Mbit/s) o una confiabilidad mejorada en campos magnéticos extremos. Sin embargo, el acoplamiento óptico continúa dominando en aplicaciones que requieren un aislamiento de voltaje de trabajo muy alto, una confiabilidad a largo plazo probada e inmunidad a la interferencia magnética.