Hoja de Datos del Optoacoplador Fototransistor de Alta Tensión EL851 Serie DIP 4 Pines - Paquete 6.35x4.57x3.3mm - VCEO 350V - CTR 50-600% - Documentación Técnica en Español

1. Descripción General del Producto

La serie EL851 representa una familia de optoacopladores fototransistor de alta tensión diseñados para un aislamiento eléctrico robusto en aplicaciones exigentes. Estos dispositivos integran un diodo emisor de infrarrojos acoplado ópticamente a un detector fototransistor de silicio, alojado en un compacto paquete Dual In-line (DIP) de 4 pines. Su función principal es transmitir señales eléctricas entre dos circuitos aislados utilizando luz, evitando así que altas tensiones o ruido se propaguen del lado de salida al de entrada, o viceversa. La serie se caracteriza por su alta tensión nominal colector-emisor, lo que la hace adecuada para la interfaz con circuitos de fuentes de alimentación y otros sistemas de alta tensión.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

La serie EL851 ofrece varias ventajas clave que definen su posición en el mercado. Su característica más destacada es la altaV_CEOtensión nominal de 350V, que le permite soportar diferencias de tensión significativas entre los lados de entrada y salida. Esto se complementa con una alta tensión de aislamiento (V_ISO) de 5000 V_rms, garantizando barreras de seguridad fiables en equipos industriales y de telecomunicaciones. Los dispositivos cumplen con las principales normas internacionales de seguridad, incluyendo UL, cUL, VDE y varias otras aprobaciones regionales (SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, CQC), facilitando su uso en mercados globales. Además, la serie está diseñada para ser libre de halógenos (para versiones con marco de cobre) y cumple con las normativas RoHS y REACH de la UE, atendiendo a los requisitos medioambientales y regulatorios modernos. Las aplicaciones objetivo incluyen interfaces de línea telefónica, interfaces de circuitos de fuentes de alimentación, controladores para relés de estado sólido (SSR) y motores de CC, y controladores programables donde el aislamiento de señal y la inmunidad al ruido son críticos.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

Una comprensión exhaustiva de las características eléctricas y ópticas del dispositivo es esencial para un diseño de circuito adecuado y 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. No están destinados para el funcionamiento normal. Los límites clave para el EL851 incluyen:

• Corriente Directa de Entrada (I_F): 60 mA (continua).
• Corriente Directa de Pico (I_FM): 1 A para un pulso de 1µs, útil para condiciones de sobretensión breves.
• Tensión Colector-Emisor (V_CEO): 350 V, la tensión máxima que se puede aplicar a través del transistor de salida cuando la base está abierta.
• Corriente de Colector (I_C): 50 mA.
• Disipación de Potencia Total (P_TOT): 200 mW, combinando los límites de potencia de entrada y salida.
• Tensión de Aislamiento (V_ISO): 5000 V_rmsdurante 1 minuto a una humedad relativa del 40-60%. Esta prueba se realiza con los pines 1 y 2 cortocircuitados entre sí y los pines 3 y 4 cortocircuitados entre sí.
• Temperatura de Funcionamiento (T_OPR): -55°C a +100°C.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL): 260°C durante 10 segundos, relevante para procesos de soldadura por ola o de reflujo.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros, típicamente especificados a 25°C, describen el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de funcionamiento.

2.2.1 Características de Entrada (Lado LED)

• Tensión Directa (V_F): Típicamente 1.2V, con un máximo de 1.4V a I_F= 10 mA. Se utiliza para calcular la resistencia limitadora de corriente necesaria para el lado de entrada.
• Corriente Inversa (I_R): Máximo 10 µA a V_R= 5V, indicando una fuga muy baja cuando el LED está polarizado inversamente.
• Capacitancia de Entrada (C_in): Típicamente 30 pF, con un máximo de 250 pF. Esto puede afectar al rendimiento de conmutación de alta frecuencia en el lado de entrada.

2.2.2 Características de Salida (Lado Fototransistor)

• Corriente de Oscuridad Colector-Emisor (I_CEO): Máximo 100 nA a V_CE= 200V. Esta es la corriente de fuga cuando el LED está apagado (sin luz), crucial para determinar la integridad de la señal en estado 'apagado'.
• Tensión de Ruptura Colector-Emisor (BV_CEO): Mínimo 350V a I_C= 0.1mA, confirmando la capacidad de alta tensión.
• Capacitancia Colector-Emisor (C_CE): Típicamente 10 pF a V_CE= 0V.

2.2.3 Características de Transferencia

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR): Varía del 50% al 600% a I_F= 5mA y V_CE= 5V. CTR se define como (I_C/ I_F) * 100%. Un CTR más alto permite una corriente de entrada más baja para impulsar una corriente de salida dada, mejorando la eficiencia. El amplio rango indica un sistema de clasificación; los diseñadores deben tener en cuenta el CTR mínimo en su circuito para garantizar la funcionalidad.
• Tensión de Saturación Colector-Emisor (V_CE(sat)): Máximo 0.4V a I_F= 20mA y I_C= 1mA. Esta baja tensión de saturación es importante cuando el fototransistor se utiliza como interruptor en estado 'encendido', minimizando la caída de tensión y la pérdida de potencia.
• Resistencia de Aislamiento (R_IO): Mínimo 10¹¹Ω a V_IO= 500V DC, indicando un excelente aislamiento DC entre entrada y salida.
• Capacitancia Entrada-Salida (C_IO): Típicamente 0.6 pF, que es muy baja y ayuda a minimizar el acoplamiento capacitivo de ruido de alta frecuencia a través de la barrera de aislamiento.
• Tiempo de Subida (t_r) & Tiempo de Bajada (t_f): Los valores típicos son 4 µs y 5 µs respectivamente, con máximos de 18 µs cada uno bajo las condiciones de prueba (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Estos parámetros definen la velocidad de conmutación del optoacoplador y son críticos para la transmisión de señales digitales o aplicaciones PWM.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

Si bien los datos gráficos específicos se hacen referencia en el PDF (Curvas de Características Electro-Ópticas Típicas, Figura 9), las interpretaciones clave se basan en los datos tabulares y el circuito de prueba proporcionados.

El circuito de prueba de tiempo de conmutación muestra una configuración estándar donde una corriente pulsada impulsa el LED de entrada, y se mide la respuesta del fototransistor de salida a través de una resistencia de carga (R_L). El tiempo de subida (t_r) es el tiempo que tarda la corriente de salida en pasar del 10% al 90% de su valor final cuando el LED se enciende. El tiempo de bajada (t_f) es el tiempo para pasar del 90% al 10% cuando el LED se apaga. Los valores típicos en el rango de 4-5 µs indican que este dispositivo es adecuado para aplicaciones de conmutación de velocidad moderada, como el accionamiento de relés o el aislamiento de líneas de datos de baja frecuencia, pero puede no ser ideal para comunicaciones digitales de muy alta velocidad.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Dimensiones y Opciones del Paquete

El EL851 se ofrece en tres opciones principales de forma de terminales, cada una con dimensiones y aplicaciones específicas.

• Tipo DIP Estándar: El paquete de orificio pasante por defecto.
• Tipo Opción M: Presenta una curvatura ancha de terminales con un espaciado de 0.4 pulgadas (aprox. 10.16mm), adecuado para placas que requieren un espaciado de pines más amplio.
• Tipo Opción S1: Una forma de terminal para montaje superficial (SMD) con perfil bajo. Esta es la variante SMD del dispositivo.

Si bien las dimensiones numéricas exactas se proporcionan en los dibujos del PDF, el tamaño general del cuerpo del paquete es de aproximadamente 6.35mm de longitud, 4.57mm de ancho y 3.3mm de altura para el tipo DIP estándar, lo que lo convierte en un componente compacto.

4.2 Identificación de Polaridad y Marcado

La configuración de pines está estandarizada:

1. Ánodo (positivo del LED de entrada)
2. Cátodo (negativo del LED de entrada)
3. Emisor (emisor del fototransistor, típicamente conectado a tierra/común en el lado de salida)
4. Colector (colector del fototransistor, la salida)

El dispositivo está marcado en la parte superior con "EL" (denotando el fabricante), "851" (el número del dispositivo), seguido de 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. La identificación correcta del pin 1 (a menudo indicado por un punto, muesca o borde biselado en el paquete) es crucial para la orientación correcta durante el montaje.

4.3 Diseño Recomendado de Pads de Soldadura

Para la opción S1 (montaje superficial), se proporciona un diseño recomendado de pads. Las dimensiones sugeridas son de referencia, y se recomienda a los diseñadores modificarlas en función de sus procesos específicos de fabricación de PCB, aplicación de pasta de soldadura y requisitos de gestión térmica para garantizar uniones de soldadura fiables.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

El dispositivo puede soportar una temperatura de soldadura de 260°C hasta 10 segundos. Esto es compatible con la soldadura por ola estándar para paquetes de orificio pasante y los perfiles de soldadura por reflujo sin plomo para la opción SMD. Es fundamental respetar este límite de tiempo-temperatura para evitar daños al chip interno, las uniones de alambre o el material del paquete plástico. Se deben observar las precauciones estándar contra descargas electrostáticas (ESD) durante el manejo y montaje. El rango de temperatura de almacenamiento es de -55°C a +125°C.

6. Información de Embalaje y Pedido

6.1 Regla de Numeración de Modelos

El número de pieza sigue el formato:EL851X(Z)-V.

• X: Opción de forma de terminales.
  • Ninguno: DIP-4 estándar (100 unidades/tubo).
  • M: Curvatura ancha de terminales, espaciado 0.4" (100 unidades/tubo).
  • S1: Forma de terminal para montaje superficial (perfil bajo).
• Z: Opción de cinta y carrete (solo aplicable con S1).
  • TA, TB, TU, TD: Diferentes especificaciones de cinta y carrete que afectan a la cantidad de embalaje (1000 o 1500 unidades/carrete).
• V: Sufijo opcional que denota aprobación de seguridad VDE.

6.2 Especificaciones de Cinta y Carrete

Se proporcionan dimensiones detalladas de la cinta (A, B, D0, D1, E, F, P0, P1, P2, t, W, K) para la opción S1. Estas dimensiones son críticas para que las máquinas de montaje de PCB recojan y coloquen correctamente los componentes desde el carrete. El ancho de la cinta (W) es de 16.0mm ±0.3mm, y el paso de los alvéolos (P0) es de 4.0mm ±0.1mm.

7. Notas de Aplicación y Consideraciones de Diseño

7.1 Circuitos de Aplicación Típicos

El EL851 es muy adecuado para varias aplicaciones clave:

• Interfaz de Línea Telefónica: Aislando la circuitería lógica sensible de un módem o sistema telefónico de las señales de timbre de alta tensión y posibles sobretensiones en la línea telefónica.
• Bucle de Realimentación de Fuente de Alimentación: Proporcionando realimentación aislada de la tensión de salida en fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), permitiendo la regulación mientras se mantiene el aislamiento de seguridad entre el lado primario (alta tensión) y el secundario (baja tensión).
• Control de SSR y Motor de CC: Accionando la puerta o entrada de un Relé de Estado Sólido o actuando como una interfaz aislada entre un microcontrolador y un puente H de control de motor, protegiendo el controlador lógico del ruido y los picos de tensión inducidos por el motor.
• Módulos de E/S de Controladores Programables (PLC): Aislando canales de entrada/salida digitales para proteger la unidad central de procesamiento de fallos en el cableado de campo, ruido y diferentes potenciales de tierra.

7.2 Factores Críticos de Diseño

1. Degradación del CTR: El CTR de los optoacopladores puede degradarse con el tiempo, especialmente cuando se opera a altas temperaturas y altas corrientes del LED. Para una fiabilidad a largo plazo, diseñe el circuito para que funcione con elmínimoCTR especificado después de tener en cuenta un margen de degradación apropiado (a menudo del 50% durante la vida útil del producto).
2. Limitación de Corriente de Entrada: Siempre se debe utilizar una resistencia externa en serie con el LED de entrada para limitar la corriente directa (I_F) a un valor seguro, típicamente muy por debajo del máximo absoluto de 60mA. El valor de la resistencia se calcula como R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
3. Resistencia de Carga de Salida: El valor de la resistencia de carga (R_L) conectada al colector del fototransistor afecta tanto a la excursión de tensión de salida como a la velocidad de conmutación. Una R_Lmás pequeña permite una mayor velocidad pero reduce la ganancia de tensión de salida. La condición de prueba de R_L=100Ω proporciona una referencia para los tiempos de conmutación especificados.
4. Inmunidad al Ruido: Si bien el dispositivo proporciona un excelente aislamiento galvánico, la capacitancia entrada-salida muy baja (0.6 pF) ayuda a minimizar el acoplamiento de ruido de alta frecuencia. Para entornos extremadamente ruidosos, aún puede ser necesario un filtrado adicional en las señales de entrada y salida.
5. Disipación de Calor: Asegúrese de que la disipación de potencia total (P_TOT= V_F*I_F+ V_CE*I_C) no exceda los 200 mW, considerando la temperatura ambiente máxima de funcionamiento. Puede ser necesario reducir la potencia nominal a temperaturas superiores a 25°C.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los optoacopladores de baja tensión estándar (a menudo con clasificaciones V_CEOde 30-70V), la clasificación de 350V del EL851 es su principal diferenciador. Esto le permite ser utilizado directamente en circuitos de realimentación de fuentes de alimentación fuera de línea (donde la tensión rectificada de la red puede ser ~300V+) o en interfaces de control industrial sin requerir circuitos adicionales de sujeción de tensión o reducción en el lado de salida. Su rango de CTR es amplio, ofreciendo opciones tanto para requisitos de accionamiento sensibles como estándar. La disponibilidad de paquetes de orificio pasante (DIP, curvatura ancha) y de montaje superficial (S1) en formato de cinta y carrete lo hace versátil tanto para prototipos como para montaje automatizado de gran volumen.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es el CTR mínimo para el que debo diseñar?

R: Siempre diseñe su circuito para que funcione con el CTR mínimo del 50% en su I_Fy V_CEde funcionamiento previstas. Tenga en cuenta la posible degradación a lo largo de la vida útil del producto.

P: ¿Puedo usar este optoacoplador para conmutar directamente una carga de 120VAC?

R: No. La clasificación V_CEOes de 350V DC. La tensión pico de 120VAC es de unos 170V, que está dentro de la clasificación, pero el fototransistor del optoacoplador no está diseñado para manejar directamente las altas corrientes de una carga de CA. Debe usarse para accionar la entrada de control de un interruptor de alta potencia separado, como un triac, MOSFET o SSR.

P: ¿Cuál es la diferencia entre V_CEOy V_ISO?

R: V_CEO(350V) es la tensión DC máxima que se puede aplicar entre los pines de colector y emisor del transistor de salida. V_ISO(5000 V_rms) es la tensión de aislamiento AC probada entre los pines de entrada cortocircuitados (1,2) y los pines de salida cortocircuitados (3,4), que representa la resistencia de aislamiento de la barrera plástica interna.

P: ¿Cómo elijo entre los paquetes DIP y SMD?

R: Utilice los paquetes DIP de orificio pasante para prototipos, montaje manual o aplicaciones donde el espacio en la placa sea menos crítico y se desee robustez mecánica de la soldadura a través de la placa. Elija el paquete SMD (S1) para montaje automatizado, diseños de PCB de alta densidad y para reducir el grosor de la placa.

10. Ejemplo Práctico de Diseño

Escenario: Entrada Digital Aislada para un Sensor Industrial de 24V.

Objetivo:Interfazar un sensor de proximidad de 24V con un microcontrolador de 3.3V, proporcionando aislamiento para proteger al MCU de transitorios de tensión en la línea de 24V.

Diseño del Circuito:

1. Lado de Entrada:La salida del sensor (tipo sumidero) se conecta entre +24V y el ánodo del EL851 (pin 1). Una resistencia limitadora de corriente (R_in) se coloca entre el cátodo (pin 2) y tierra. Elija R_inpara establecer I_Fa un valor nominal de 5-10 mA cuando el sensor está activo. Por ejemplo, con V_F~1.2V, R_in= (24V - 1.2V) / 0.005A ≈ 4.56kΩ (use el valor estándar de 4.7kΩ).
2. Lado de Salida:El colector del fototransistor (pin 4) se conecta a la alimentación de 3.3V del MCU a través de una resistencia de pull-up (R_pullup). El emisor (pin 3) se conecta a la tierra del MCU. Cuando el sensor está activo, el LED se enciende, el fototransistor se satura, llevando el colector (señal de salida) a un nivel bajo (~0.4V). Cuando el sensor está apagado, el fototransistor está apagado, y R_pulluplleva la salida a un nivel alto de 3.3V. Elija R_pullupbasándose en la velocidad y potencia deseadas; 1kΩ a 10kΩ es común.
3. Aislamiento:La tierra del sensor de 24V y la tierra del MCU de 3.3V se mantienen completamente separadas. La barrera de aislamiento de 5000V_rmsdel EL851 protege al MCU de fallos en la línea de 24V.

Este circuito simple proporciona una transmisión de señal digital robusta y aislada.

11. Principio de Funcionamiento

El EL851 opera según el principio de conversión y aislamiento optoelectrónico. Una corriente eléctrica aplicada al lado de entrada fluye a través del Diodo Emisor de Luz (LED) infrarrojo, haciendo que emita luz. Esta luz viaja a través de un espacio de aislamiento transparente dentro del paquete plástico e incide en la región de base del fototransistor de silicio en el lado de salida. La luz incidente genera pares electrón-hueco en la base, actuando efectivamente como una corriente de base. Esta corriente de base fotogenerada es amplificada por la ganancia de corriente del transistor (h_FE), resultando en una corriente de colector mucho mayor (I_C). La relación entre esta corriente de colector de salida y la corriente del LED de entrada es la Relación de Transferencia de Corriente (CTR). No existe conexión eléctrica entre los circuitos de entrada y salida; solo la luz los acopla, proporcionando el aislamiento galvánico.

12. Tendencias Tecnológicas

La tecnología de optoacopladores continúa evolucionando. Si bien los dispositivos tradicionales basados en fototransistor como el EL851 siguen siendo populares para un aislamiento general rentable, están surgiendo nuevas tecnologías para necesidades específicas. Los aisladores digitales basados en tecnología CMOS y acoplamiento RF o capacitivo ofrecen velocidades de datos significativamente más altas (hasta cientos de Mbps), menor consumo de energía y mayor integración (múltiples canales en un solo paquete). Sin embargo, para aplicaciones que requieren alta tensión de trabajo (como los 350V del EL851), alta inmunidad a transitorios de modo común (CMTI) y fiabilidad probada en entornos industriales adversos, los optoacopladores basados en fototransistor y foto-IC mantienen una posición sólida. La tendencia para tales dispositivos incluye una mayor miniaturización de los paquetes, mejora en la estabilidad y longevidad del CTR, e integración de características adicionales como bloqueo por baja tensión (UVLO) o capacidades de accionamiento de puerta en versiones más especializadas.