Hoja de Datos del Fotocoplador 6N138 y 6N139 - Paquete DIP de 8 Pines - Alta Ganancia con Darlington Dividido - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

Los modelos 6N138 y 6N139 son fotocopladores de alto rendimiento y baja corriente de entrada, que cuentan con una etapa de salida de fototransistor Darlington dividido. Estos dispositivos están diseñados para proporcionar una relación de transferencia de corriente (CTR) muy elevada, lo que permite una transmisión de señal fiable con una corriente de excitación de entrada mínima. Se presentan en un encapsulado estándar DIP de 8 pines, con opciones de espaciado amplio entre terminales y configuraciones para montaje superficial. Su función principal es proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida, protegiendo la lógica sensible de picos de tensión y bucles de masa.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

La ventaja clave de estos fotocopladores es su CTR típico excepcionalmente alto del 2000%, lo que permite la interfaz directa con señales lógicas de baja corriente sin necesidad de amplificación adicional. Están certificados por las principales agencias de seguridad internacionales (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) y ofrecen un alto voltaje de aislamiento de 5000 Vrms. Estas características los hacen ideales para aplicaciones industriales, de telecomunicaciones y computación donde la inmunidad al ruido, el aislamiento de seguridad y la integridad de la señal son críticos. Los mercados objetivo incluyen automatización industrial, bucles de realimentación de fuentes de alimentación, aislamiento de interfaces digitales y receptores de líneas de comunicación.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona una interpretación objetiva de los principales parámetros eléctricos y ópticos especificados en la hoja de datos.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estos valores definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente. El LED infrarrojo de entrada tiene una corriente directa continua máxima (IF) de 20 mA y puede soportar una corriente transitoria de pico de 1 A para pulsos muy cortos (<1 µs). La corriente máxima de colector (IO) del transistor de salida es de 60 mA, y su disipación de potencia (PO) está limitada a 100 mW. El dispositivo puede operar en un rango de temperatura ambiente de -40°C a +85°C. El voltaje de aislamiento de 5000 Vrms es un parámetro de seguridad clave, probado con todos los pines de entrada cortocircuitados entre sí y todos los pines de salida cortocircuitados entre sí.

2.2 Características Eléctricas

Las características eléctricas están garantizadas en el rango de temperatura comercial de 0°C a 70°C. Para el LED de entrada, el voltaje directo típico (VF) es de 1.3V con IF = 1.6 mA. Los parámetros de la sección de salida difieren ligeramente entre el 6N138 y el 6N139. El 6N139 típicamente ofrece una corriente de fuga de salida en estado alto lógico (IOH) más baja, de 0.01 µA, en comparación con los 100 µA del 6N138 bajo la misma condición (IF=0mA, VCC=18V). La corriente de alimentación en estado bajo lógico (ICCL) es típicamente de 0.6 mA para ambos cuando el LED es excitado con 1.6 mA.

2.3 Características de Transferencia

La Relación de Transferencia de Corriente (CTR) es el parámetro más crítico, definido como (IC / IF) * 100%. El 6N139 tiene una CTR mínima del 400% con IF=0.5mA y del 500% con IF=1.6mA. El 6N138 tiene una CTR mínima del 300% con IF=1.6mA. El valor típico para ambos es del 2000-2500%, lo que indica una alta sensibilidad. El voltaje de salida en estado bajo lógico (VOL) se especifica bajo varias condiciones de carga, con un máximo de 0.4V, asegurando compatibilidad con los niveles lógicos estándar TTL y CMOS.

2.4 Características de Conmutación

La velocidad de conmutación depende de la corriente de excitación de entrada y de la resistencia de carga. Se proporcionan los tiempos de retardo de propagación (tPLH, tPHL) para condiciones de prueba específicas. Por ejemplo, el 6N139 con IF=0.5mA y RL=4.7kΩ tiene un tPHL típico de 5 µs y un tPLH de 16 µs. Aumentar IF a 12mA con RL=270Ω mejora drásticamente la velocidad a 0.2 µs y 1.7 µs, respectivamente. El 6N138 es generalmente más lento bajo su condición de prueba especificada (IF=1.6mA, RL=2.2kΩ). La Inmunidad Transitoria en Modo Común (CMTI) se especifica con un mínimo de 1000 V/µs para ambos estados lógicos alto y bajo, lo que indica un buen rechazo al ruido contra transitorios de voltaje rápidos a través de la barrera de aislamiento.

3. Información Mecánica y del Encapsulado

Los dispositivos se suministran en un encapsulado DIP estándar de 8 pines. La configuración de pines es la siguiente: Pin 1: Sin Conexión, Pin 2: Ánodo, Pin 3: Cátodo, Pin 4: Sin Conexión, Pin 5: Masa (Gnd), Pin 6: Salida (Vout), Pin 7: Base (VB), Pin 8: Voltaje de Alimentación (VCC). El pin de base (7) proporciona acceso a la base del fototransistor, que puede usarse para conectar una resistencia o condensador de aceleración para intercambiar ancho de banda por estabilidad. Las opciones de encapsulado incluyen DIP estándar, terminales doblados con espaciado amplio (0.4 pulgadas) y formas de terminal para montaje superficial (S y perfil bajo S1).

4. Directrices de Soldadura y Montaje

El valor máximo absoluto para la temperatura de soldadura es de 260°C durante 10 segundos. Esto es típico para procesos de soldadura por ola o por reflujo. Se deben observar las precauciones estándar para el manejo de dispositivos sensibles a descargas electrostáticas (ESD). Los dispositivos deben almacenarse en condiciones dentro del rango de temperatura de almacenamiento especificado de -55°C a +125°C.

5. Información de Empaquetado y Pedido

El número de parte sigue el formato: 6N13XY(Z)-V. 'X' es el número de parte (8 para 6N138, 9 para 6N139). 'Y' indica la opción de forma de terminal: ninguna para DIP estándar (45 unidades/tubo), 'M' para terminales doblados con espaciado amplio (45 unidades/tubo), 'S' para montaje superficial, 'S1' para montaje superficial de perfil bajo. 'Z' especifica la opción de cinta y carrete para piezas SMD: 'TA' o 'TB' (1000 unidades/carrete). 'V' es un sufijo opcional para la aprobación VDE. Los usuarios deben seleccionar la combinación correcta según los requisitos de montaje.

6. Sugerencias de Aplicación

6.1 Escenarios de Aplicación Típicos

La hoja de datos enumera varias aplicaciones clave: Aislamiento de masa para lógica digital, receptores de línea RS-232C, receptores de línea de baja corriente de entrada, aislamiento de bus de microprocesador y receptores de bucle de corriente. Su alta CTR los hace excelentes para conectar directamente pines GPIO de microcontroladores, aislar señales de sensores en entornos ruidosos o proporcionar aislamiento galvánico en líneas de comunicación serie como RS-232 o RS-485.

6.2 Consideraciones de Diseño

1. Limitación de Corriente de Entrada:Se debe usar una resistencia externa en serie para limitar la corriente directa del LED (IF) a un valor dentro del máximo absoluto y del rango de operación deseado. El valor de resistencia requerido es (Vdrive - VF) / IF. 2.Carga de Salida:El transistor de salida actúa como un sumidero de corriente. La resistencia de carga (conectada entre VCC y el pin 6) debe elegirse para establecer el rango de voltaje de salida deseado y la velocidad de conmutación. Una resistencia más pequeña aumenta la velocidad pero también el consumo de potencia. 3.Velocidad vs. Estabilidad:Conectar una resistencia (típicamente de 10kΩ a 1MΩ) desde el pin de base (7) a masa puede mejorar la estabilidad y la inmunidad al ruido, pero reducirá la CTR y ralentizará la velocidad de conmutación. Se puede añadir un condensador en paralelo para un mayor filtrado. 4.Desacoplamiento de la Fuente de Alimentación:Una buena práctica consiste en colocar un condensador cerámico de 0.1 µF cerca del pin VCC (8) conectado a masa para suprimir el ruido.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

La principal diferenciación de la familia 6N138/6N139 radica en su configuración Darlington dividido y su CTR muy alto. En comparación con los fotocopladores estándar de transistor único (por ejemplo, la serie 4N25), estos dispositivos ofrecen una sensibilidad significativamente mayor, permitiendo ser excitados directamente por lógica CMOS de baja corriente. En comparación con los aisladores digitales más nuevos, ofrecen una solución analógica más simple y altamente rentable para aplicaciones que requieren aislamiento básico sin necesidad de velocidad ultra alta o protocolos complejos. La disponibilidad de un pin de base proporciona a los diseñadores un grado único de libertad para adaptar la respuesta en frecuencia y la inmunidad al ruido.

8. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P1: ¿Cuál es la principal diferencia entre el 6N138 y el 6N139?

R1: Las diferencias clave están en sus especificaciones eléctricas. El 6N139 generalmente ofrece un mejor rendimiento: una CTR mínima más alta (500% vs. 300% con IF=1.6mA), una corriente de fuga de salida en estado apagado más baja y características de conmutación ligeramente diferentes en las pruebas. El 6N138 es la variante con especificaciones más bajas.

P2: ¿Cómo elijo el valor para la resistencia limitadora de corriente de entrada?

R2: Determine la corriente directa requerida (IF) para su aplicación (por ejemplo, 1.6 mA para un buen equilibrio entre velocidad y CTR). Mida o use el VF típico de la hoja de datos (1.3V). Si su voltaje de excitación es 5V, la resistencia R = (5V - 1.3V) / 0.0016A = 2312.5Ω. Una resistencia estándar de 2.2kΩ sería una elección adecuada.

P3: ¿Por qué mi fotocoplador conmuta lentamente?

R3: La velocidad de conmutación está muy influenciada por IF y la resistencia de carga RL. Para aumentar la velocidad, puede: a) Aumentar la corriente de excitación del LED (IF). b) Disminuir el valor de la resistencia de carga (RL) en el colector de salida. c) Opcionalmente, usar el pin de base (7) con una pequeña resistencia a masa para eliminar la carga almacenada, pero esto reducirá la CTR.

P4: ¿Qué significa "Inmunidad Transitoria en Modo Común"?

R4: Mide la capacidad del dispositivo para ignorar picos de voltaje rápidos que aparecen por igual en los lados de entrada y salida de la barrera de aislamiento. Un CMTI alto (como 1000 V/µs) significa que la salida no cambiará erróneamente debido a dicho ruido, lo cual es crucial en entornos de potencia ruidosos.

9. Caso Práctico de Diseño

Caso: Aislamiento de una Señal UART de Microcontrolador para Comunicación RS-232.

La línea TX UART de 3.3V de un microcontrolador necesita ser aislada antes de conectarse a un chip transceptor RS-232 en un plano de masa diferente. Se puede usar un 6N139. El pin del microcontrolador excita el LED a través de una resistencia de 1kΩ (IF ~ (3.3V-1.3V)/1k = 2mA). El colector de salida (pin 6) se conecta al pin de entrada del chip RS-232 a través de una resistencia de pull-up de 4.7kΩ al VCC (5V) del chip RS-232. El pin de base (7) se deja abierto o se conecta a masa a través de una resistencia grande (por ejemplo, 1MΩ) para mayor estabilidad. Este circuito simple proporciona un aislamiento robusto, protege al microcontrolador de cambios de masa o sobretensiones en la línea RS-232 y mantiene la integridad de la señal.

10. Principio de Funcionamiento

El dispositivo opera bajo el principio de acoplamiento optoelectrónico. Una corriente aplicada a los pines de entrada (Ánodo y Cátodo) hace que el Diodo Emisor de Luz (LED) infrarrojo emita luz. Esta luz viaja a través de un espacio de aislamiento transparente e incide en la región base fotosensible de un par Darlington dividido de fototransistores de silicio. La luz incidente genera una corriente de base, que es amplificada por las dos etapas de transistores, resultando en una corriente de colector mucho mayor en la salida. La configuración "dividida" típicamente significa que la base del primer transistor es accesible (pin 7), permitiendo polarización externa. El aislamiento eléctrico completo entre el LED de entrada y los transistores de salida lo proporciona el encapsulado plástico moldeado, que tiene una alta rigidez dieléctrica.

11. Tendencias y Contexto de la Industria

Los fotocopladores como el 6N138/139 representan una tecnología de aislamiento madura y fiable. Las tendencias actuales en aislamiento de señales incluyen el crecimiento de aisladores digitales basados en CMOS y acoplamiento RF o capacitivo, que ofrecen velocidad, eficiencia energética e integración superiores (múltiples canales en un solo encapsulado). Sin embargo, los fotocopladores mantienen fuertes ventajas en ciertas áreas: ofrecen un voltaje de trabajo de aislamiento muy alto (varios kV), excelente inmunidad transitoria en modo común, simplicidad y robustez frente a tensiones de dv/dt altas. A menudo se prefieren en entornos industriales de alto ruido, bucles de realimentación de fuentes de alimentación y aplicaciones donde la fiabilidad probada y las certificaciones de seguridad son primordiales. El desarrollo de nuevos materiales para LED y detectores continúa mejorando la velocidad y la CTR de los optoacopladores, asegurando su relevancia junto con las tecnologías más nuevas.