Hoja de Datos del Fotocoplador ELQ3H4 - Paquete SSOP de 16 Pines - Entrada CA - CTR 20-300% - Aislamiento 3750Vrms - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie ELQ3H4 representa una familia de aisladores acoplados ópticamente diseñados para aplicaciones de alta densidad que requieren aislamiento de señal confiable. El componente central consiste en un diodo emisor de luz (LED) de Arseniuro de Galio (GaAs) acoplado ópticamente a un fototransistor de silicio NPN, todo alojado dentro de un compacto paquete SSOP (Shrink Small Outline Package) de 16 pines. Una característica clave de este paquete es su pantalla de luz integrada, que minimiza eficazmente el impacto de la luz ambiental en el rendimiento del fototransistor, mejorando la integridad de la señal en entornos eléctricos ruidosos.

Este dispositivo está diseñado para aceptar señales de entrada de CA directamente, eliminando la necesidad de circuitos rectificadores externos en muchas aplicaciones. Su principal propuesta de valor radica en combinar un factor de forma muy pequeño (perfil de 2.0 mm) con un rendimiento de aislamiento robusto (3750 V_rms) y el cumplimiento de las principales normas internacionales de seguridad y medio ambiente.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

El fotocoplador ELQ3H4 ofrece varias ventajas distintivas. Su construcciónlibre de halógenosy su cumplimiento con las directivas RoHS y libre de plomo lo hacen adecuado para diseños con conciencia medioambiental. El dispositivo cuenta con aprobaciones de las principales agencias de seguridad, incluidas UL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC, facilitando su uso en productos destinados a mercados globales con estrictos requisitos regulatorios.

Las aplicaciones objetivo principales están en la automatización y medición industrial, donde la inmunidad al ruido y la seguridad son primordiales. Estas incluyen:

• Controladores Lógicos Programables (PLC):Para aislar señales digitales de E/S, buses de comunicación o entradas de sensores analógicos de la unidad central de procesamiento.
• Instrumentos de Medición:Proporcionando aislamiento en sistemas de adquisición de datos, multímetros u osciloscopios para proteger circuitos sensibles de puntos de prueba de alto voltaje.
• Circuitos Integrados Híbridos y Fuentes de Alimentación:Sirviendo como elemento de retroalimentación en fuentes de alimentación conmutadas aisladas o dentro de módulos híbridos personalizados para el accionamiento de puertas o acondicionamiento de señal.

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

Una comprensión exhaustiva de los parámetros eléctricos y ópticos es crucial para un diseño de circuito confiable. Las siguientes secciones proporcionan un análisis detallado de las especificaciones clave.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los umbrales de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. No está previsto el funcionamiento bajo estas condiciones. Los límites clave para el ELQ3H4 incluyen:

• Entrada (Lado del LED):Una corriente directa continua (I_F) de ±60mA y una corriente de pulso de 1μs (I_FP) de 1A. La disipación de potencia por canal es de 70mW, con una reducción de 0.7mW/°C.
• Salida (Lado del Fototransistor):Una corriente de colector (I_C) de 50mA. El voltaje colector-emisor (V_CEO) es de 80V, mientras que el voltaje emisor-colector (V_ECO) es un valor más bajo de 7V, lo que indica la asimetría de las características de ruptura del fototransistor. La disipación de potencia de salida es de 150mW por canal, con una reducción de 1.4mW/°C.
• Aislamiento y Ambiente:El dispositivo soporta un voltaje de aislamiento (V_ISO) de 3750 V_rmsdurante un minuto. El rango de temperatura de operación es de -55°C a +110°C.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo en condiciones normales de operación (T_A=25°C a menos que se indique lo contrario).

Características de Entrada:El voltaje directo (V_F) del LED de GaAs es típicamente de 1.2V a I_F= 20mA, con un máximo de 1.4V. La capacitancia de entrada (C_in) es de hasta 250pF, lo que puede afectar el rendimiento de conmutación de alta frecuencia.

Características de Salida:La corriente oscura colector-emisor (I_CEO) es un máximo de 100nA a V_CE=20V con el LED apagado, representando la fuga del fototransistor. Los voltajes de ruptura (BV_CEO=80V, BV_ECO=7V) confirman la estructura asimétrica.

Características de Transferencia (T_A= -40 a 85°C):Este es el núcleo del rendimiento del fotocoplador.

• Relación de Transferencia de Corriente (CTR):Definida como (I_C/ I_F) * 100% en condiciones especificadas. El ELQ3H4 tiene un rango de CTR muy amplio, del 20% al 300% a I_F= 1mA, V_CE= 5V. Esta amplia dispersión requiere un diseño de circuito cuidadoso o una selección por lotes para aplicaciones precisas.
• Relación de CTR (CTR1/CTR2):Este parámetro, que oscila entre 0.5 y 2.0, indica la coincidencia entre canales en un dispositivo multicanal o la consistencia del CTR bajo operación de CA. Una relación de 1.0 representa una coincidencia perfecta.
• Voltaje de Saturación: V_CE(sat)es típicamente 0.1V (máx. 0.2V) a I_F=20mA, I_C=1mA, lo que indica buenas características de conmutación cuando se lleva a saturación.
• Parámetros de Aislamiento:La resistencia de aislamiento (R_IO) es un mínimo de 5 x 10¹⁰Ω, y la capacitancia de aislamiento (C_IO) es típicamente 0.3pF (máx. 1.0pF). Una capacitancia baja es crítica para rechazar el ruido de modo común de alta frecuencia.
• Velocidad de Conmutación:El tiempo de subida (t_r) y el tiempo de bajada (t_f) se especifican con un máximo de 18μs cada uno bajo la condición de prueba de V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω. Esto indica que el dispositivo es adecuado para señalización digital de baja a media frecuencia, no para transmisión de datos de alta velocidad.

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 reproducen en el texto proporcionado, típicamente ilustran las siguientes relaciones críticas para el diseño:

• CTR vs. Corriente Directa (I_F):Muestra cómo cambia la eficiencia de transferencia con la corriente de accionamiento del LED. El CTR a menudo disminuye a I_Fmuy altas debido a la caída de eficiencia del LED.
• CTR vs. Temperatura:Ilustra la dependencia de la temperatura de la eficiencia de acoplamiento, que típicamente disminuye a medida que aumenta la temperatura.
• Voltaje Directo (V_F) vs. Temperatura:Muestra el coeficiente de temperatura negativo del voltaje directo del LED.
• Corriente de Colector (I_C) vs. Voltaje Colector-Emisor (V_CE):Las características de salida del fototransistor para diferentes corrientes de entrada, similares a las curvas de un transistor bipolar.
• Tiempo de Conmutación vs. Resistencia de Carga (R_L):Demuestra cómo los tiempos de subida y bajada se ven afectados por la carga de salida. Una R_Lmayor generalmente aumenta el tiempo de subida debido al aumento de la constante de tiempo RC.

Los diseñadores deben consultar los datos gráficos completos para optimizar los puntos de operación según sus requisitos específicos de velocidad, consumo de energía y estabilidad térmica.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Dimensiones y Disposición del Paquete

El ELQ3H4 utiliza un SSOP de 16 pines con un perfil bajo de 2.0 mm, lo que permite un montaje en PCB de alta densidad. La hoja de datos incluye un dibujo detallado con dimensiones que especifica la longitud, anchura, altura, paso de pines y dimensiones de los pines del paquete. El cumplimiento de estas especificaciones mecánicas es esencial para un ajuste adecuado en la PCB y en los equipos de montaje automatizado.

A Se proporciona undiseño de almohadilla recomendado para el montaje superficial. Seguir este patrón de pistas es crítico para asegurar la formación confiable de las juntas de soldadura, la resistencia mecánica adecuada y evitar problemas como el efecto "tumba" durante la soldadura por reflujo. El patrón tiene en cuenta la formación del filete de soldadura y el alivio térmico.

4.2 Marcado del Dispositivo y Polaridad

El dispositivo está marcado en la parte superior del paquete. El marcado sigue el formato:EL Q3H4 YWW V.

• EL:Identificador del fabricante.
• Q3H4:Número del dispositivo.
• Y:Código de un dígito para el año.
• WW:Código de dos dígitos para la semana.
• V:Marcado opcional que indica la aprobación VDE.

La orientación correcta es vital. El indicador del pin 1 en el paquete (típicamente un punto, muesca o borde biselado) debe alinearse con el marcador del pin 1 en la huella de la PCB. Una inserción incorrecta impedirá el funcionamiento del dispositivo y puede causar daños.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

5.1 Condiciones de Soldadura por Reflujo

El dispositivo es adecuado para soldadura por reflujo de montaje superficial. La hoja de datos especifica unperfil de temperatura corporal máxima críticoconforme con IPC/JEDEC J-STD-020D. Los parámetros clave incluyen:

• Precalentamiento:150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Tiempo por Encima del Líquido (T_L=217°C):60-100 segundos.
• Temperatura Máxima (T_P):260°C máximo.
• Tiempo dentro de 5°C de la Máxima:30 segundos máximo.
• Ciclos de Reflujo Máximos:3 veces.

Cumplir estrictamente este perfil previene daños térmicos al paquete de plástico, los enlaces de alambre internos y el dado semiconductor. Exceder la temperatura máxima o el tiempo a temperatura puede provocar delaminación, agrietamiento o cambios paramétricos.

5.2 Manipulación y Almacenamiento

Deben observarse las precauciones estándar contra descargas electrostáticas (ESD), ya que el LED de GaAs interno y el fototransistor de silicio son susceptibles a daños por electricidad estática. Utilice estaciones de trabajo y muñequeras conectadas a tierra. Los dispositivos deben almacenarse en sus bolsas barrera de humedad originales con desecante en un ambiente controlado (típicamente <40°C/90% HR) para prevenir la absorción de humedad, que puede causar el efecto "palomitas de maíz" durante el reflujo.

6. Empaquetado e Información de Pedido

6.1 Numeración de Modelos y Opciones

La estructura del número de parte es:ELQ3H4(Z)-V.

• Z (Opción de Empaque):"TA" denota empaque en Cinta y Carrete. Si se omite, el valor por defecto es empaque en Tubo.
• V (Opción de Aprobación):Denota el marcado de aprobación VDE.

Cantidades de Empaque:La opción en Tubo contiene 40 unidades por tubo. La opción en Cinta y Carrete (TA) contiene 1000 unidades por carrete.

6.2 Especificaciones de Cinta y Carrete

Se proporcionan dimensiones detalladas para la cinta portadora, incluyendo el tamaño del bolsillo (A0, B0, D0, D1), el paso (P0) y las dimensiones del carrete. Esta información es necesaria para configurar correctamente las máquinas de colocación automática. El ancho de la cinta (W) es de 16.0 mm ± 0.3 mm, y se especifica la dirección de alimentación.

7. Consideraciones de Diseño de Aplicación

7.1 Diseño del Circuito de Entrada

Para operación conentrada CA, el LED puede ser accionado directamente por una señal de CA. Es obligatorio un resistor limitador de corriente para establecer la corriente directa deseada (I_F). Su valor debe calcularse en función del voltaje pico de la señal de CA, la V_Fdel LED y la I_Fdeseada. Dado que el LED es un diodo, solo conducirá durante los semiciclos a menos que se utilice un puente rectificador delante de él para operación de onda completa. El amplio rango de CTR significa que la corriente de salida variará significativamente entre dispositivos si se utiliza una I_Ffija. Para un rendimiento más consistente, considere usar una I_Fmás alta (donde la variación de CTR podría ser menor) o implementar retroalimentación.

3.2 Diseño del Circuito de Salida

El fototransistor puede usarse en modoconmutaciónolineal. Para conmutación digital, el dispositivo se lleva a saturación (I_Fsuficientemente alta para hacer V_CE≈ V_CE(sat)). El resistor de carga (R_L) conectado al colector determina la excursión del voltaje de salida y afecta la velocidad de conmutación (una R_Lmayor aumenta el tiempo de subida). Para aplicaciones analógicas o lineales, el fototransistor opera en su región activa. Sin embargo, la no linealidad de la curva CTR vs. I_Fy su fuerte dependencia de la temperatura hacen que la operación lineal precisa sea un desafío sin compensación.

7.3 Inmunidad al Ruido y Disposición

Para maximizar la alta capacidad de aislamiento (3750V_rms, baja C_IO), un diseño cuidadoso de la PCB es esencial. Mantenga distancias de fuga y de separación adecuadas entre los lados de entrada y salida del circuito según las normas de seguridad. Utilice un plano de tierra, pero considere dividir el plano debajo del fotocoplador para minimizar el acoplamiento capacitivo a través de la barrera de aislamiento. Los condensadores de desacoplamiento colocados cerca de los pines del dispositivo en ambos lados pueden ayudar a suprimir el ruido de alta frecuencia.

8. Comparación Técnica y Guía de Selección

Los diferenciadores clave del ELQ3H4 son sucapacidad de entrada CA, paquete SSOP ultrapequeñoy suscertificaciones de seguridad integrales. Al seleccionar un fotocoplador, compare lo siguiente con los requisitos del proyecto:

• vs. Fotocopladores de Entrada CC:El ELQ3H4 simplifica los circuitos al eliminar rectificadores externos para señales de CA, ahorrando espacio en la placa y costos.
• vs. Paquetes Más Grandes (DIP, etc.):El SSOP ofrece un ahorro de espacio significativo, pero puede tener características térmicas ligeramente diferentes y requiere un montaje más preciso.
• vs. Optoacopladores de Alta Velocidad:Los dispositivos con puertas lógicas más rápidas o aisladores digitales ofrecen tasas de datos mucho más altas (>1 Mbps), pero pueden tener diferentes clasificaciones de aislamiento, requisitos de potencia o estructuras de costos.
• vs. Fotocopladores con Salida Darlington:Las configuraciones Darlington ofrecen un CTR mucho más alto (500-1000%), pero tienen velocidades de conmutación más lentas y voltajes de saturación más altos.
• Selección de Lote de CTR:Si el rendimiento del circuito es muy sensible a la ganancia, consulte sobre la disponibilidad de dispositivos clasificados en rangos de CTR más estrechos (por ejemplo, 100-200%).

9. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P1: ¿Puedo accionar el LED directamente con una fuente de voltaje?

R1: No. Un LED es un dispositivo accionado por corriente. Siempre use un resistor limitador de corriente en serie para controlar I_Fy prevenir daños por sobrecorriente.

P2: ¿Por qué el tiempo de subida de la salida es más lento que el tiempo de bajada en las especificaciones?

R2: Esto es típico de los fototransistores. El tiempo de subida está limitado por el tiempo requerido para cargar la capacitancia de unión del fototransistor a través de la fotocorriente. El tiempo de bajada está gobernado por la descarga de esta capacitancia a través del resistor de carga externo y los procesos de recombinación interna del dispositivo.

P3: ¿Cómo afecta la temperatura al rendimiento?

R3: El CTR generalmente disminuye al aumentar la temperatura. El voltaje directo (V_F) del LED también disminuye. Estos efectos deben tenerse en cuenta en diseños que operen en un amplio rango de temperaturas para garantizar umbrales de conmutación o linealidad confiables.

P4: ¿Cuál es el propósito del "efecto pantalla" mencionado?

R4: El paquete de plástico opaco actúa como una pantalla de luz, bloqueando que la luz ambiental llegue al fototransistor. Esto evita el disparo falso o las corrientes de desviación causadas por fuentes de luz externas como la iluminación de la habitación o la luz solar.

10. Ejemplo de Aplicación Práctica

Escenario: Detección Aislada de Red Eléctrica CA para un Módulo de Entrada de PLC.

Un caso de uso común es detectar la presencia de una señal de 120V CA de un interruptor o sensor. El ELQ3H4 es ideal para esto.

1. Circuito de Entrada:La señal de 120V CA se reduce mediante una red de resistores de alto valor y alto voltaje para limitar la corriente. Se puede colocar un diodo de protección en paralelo inverso a través del LED para limitar el voltaje inverso durante el semiciclo negativo, aunque el dispositivo está clasificado para operación de CA. El valor del resistor se elige para establecer I_Fen un valor nominal de 5-10 mA, muy dentro de los límites.
2. Circuito de Salida:El colector del fototransistor está conectado al voltaje de suministro lógico del PLC (por ejemplo, 3.3V o 5V) a través de un resistor de pull-up (R_L). El emisor está conectado a tierra. Cuando hay CA presente, el fototransistor se enciende durante los semiciclos conductores, llevando la salida del colector a un nivel bajo. La entrada digital del PLC lee esta señal baja pulsante. El software puede entonces eliminar rebotes o detectar los cruces por cero para confirmar la presencia de CA.
3. Beneficios:Este diseño proporciona un aislamiento galvánico robusto, protegiendo los circuitos sensibles del PLC de transitorios y fallas de la red eléctrica. El compacto paquete SSOP permite colocar muchos de estos canales en un solo módulo.

11. Principio de Funcionamiento

Un fotocoplador opera bajo el principio deacoplamiento ópticopara lograr aislamiento eléctrico. Una señal eléctrica de entrada acciona un diodo emisor de luz (LED), haciendo que emita luz infrarroja proporcional a la corriente. Esta luz viaja a través de un pequeño espacio transparente dentro del paquete y golpea la región de la base de un fototransistor de silicio. Los fotones incidentes generan pares electrón-hueco en la base, actuando efectivamente como una corriente de base. Esta corriente fotogenerada es luego amplificada por la ganancia del transistor, produciendo una corriente de colector que es una réplica eléctrica de la señal de entrada. La clave es que la transferencia de la señal ocurre a través de la luz, sin conexión eléctrica entre la entrada y la salida, creando la barrera de aislamiento.

12. Tendencias Tecnológicas

El campo del aislamiento de señales continúa evolucionando. Si bien los acopladores tradicionales basados en fototransistores como el ELQ3H4 siguen siendo dominantes para aplicaciones rentables, de velocidad media y alto aislamiento, varias tendencias son notables:

• Mayor Integración:Los fotocopladores multicanal en un solo paquete son comunes, reduciendo el espacio en la placa y el costo por canal.
• Alternativas de Mayor Velocidad:Para comunicación de datos, los aisladores digitales basados en tecnología CMOS y acoplamiento RF o capacitivo ofrecen tasas de datos significativamente más altas (hasta cientos de Mbps), menor consumo de energía y mejor consistencia de temporización, aunque a menudo con diferentes clasificaciones de voltaje de aislamiento.
• Confiabilidad y Certificación Mejoradas:Existe un impulso continuo hacia métricas de mayor confiabilidad (tasas FIT), rangos de temperatura de operación más amplios y la obtención de certificaciones para estándares emergentes, particularmente en aplicaciones automotrices (AEC-Q100) y médicas.
• Miniaturización del Paquete:La búsqueda de paquetes más pequeños y delgados continúa permitiendo productos finales más compactos, como se ve con el perfil de 2.0 mm del SSOP utilizado en el ELQ3H4.