Fiche technique de la série CNY64S - Photocoupleur 4 broches DIP - Tension d'isolement 8200V - Taux de transfert de courant 50-300% - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

La série CNY64S représente une famille de photocoupleurs (optocoupleurs) hautes performances conçus pour des applications exigeant un isolement électrique robuste et une transmission de signal fiable. Au cœur du dispositif, on trouve une diode électroluminescente (LED) infrarouge à l'Arséniure de Gallium (GaAs) couplée optiquement à un phototransistor NPN au silicium. Cette configuration permet le transfert de signaux électriques entre deux circuits tout en maintenant un degré élevé d'isolement électrique, empêchant les boucles de masse, la transmission de bruit et les surtensions de haute tension d'endommager les composants sensibles.

L'objectif de conception principal de la série CNY64S est de fournir unisolement de sécurité renforcé. Ceci est obtenu grâce à la combinaison d'une distance de fuite et de contournement substantielle (garantie par un boîtier avec une épaisseur d'isolation traversante ≥3mm) et de matériaux à haute rigidité diélectrique. Le dispositif est logé dans un boîtier DIP (Dual In-line Package) compact à 4 broches, de type montage traversant, offrant une stabilité mécanique et facilitant les processus de soudure manuelle ou à la vague. La série se caractérise par ses tensions d'isolement nominales très élevées, la rendant adaptée aux équipements industriels, aux alimentations et au matériel médical où la sécurité des utilisateurs et l'intégrité du système sont primordiales.

1.1 Avantages clés et marché cible

Les principaux avantages du photocoupleur CNY64S découlent de sa conception axée sur la sécurité et de ses paramètres de performance fiables.

• Isolement exceptionnel :Avec une tension d'isolement transitoire maximale (V_IOTM) de 8200V crête pour la version standard et 10000V crête pour la variante approuvée VDE "-V", il offre une protection supérieure contre les transitoires haute tension. La tension d'isolement crête répétitive nominale (V_IORM) est de 2200V.
• Capacité haute tension :Le phototransistor de sortie a une tension de claquage Collecteur-Émetteur minimale (BV_CEO) de 80V, lui permettant d'interfacer directement avec des circuits à tension plus élevée sans tampon supplémentaire dans de nombreux cas.
• Certifications de sécurité :Le dispositif est approuvé par les principaux organismes de normalisation internationaux, notamment CUL, VDE et FIMKO. L'approbation VDE le certifie spécifiquement pour unisolement renforcéselon la norme DIN EN 60747-5-5, une exigence critique pour les applications critiques pour la sécurité.
• Conformité environnementale :Il est fabriqué sans plomb (Pb-free) et conforme à la directive RoHS (Restriction des substances dangereuses).
• Large plage de fonctionnement :Il fonctionne de manière fiable sur une plage de température étendue de -55°C à +85°C.

Le marché cible du CNY64S inclut les concepteurs d'Alimentations à découpage (SMPS)pour l'isolement de la boucle de rétroaction, des systèmes d'automatisation industrielle (E/S d'API, entraînements de moteurs), d'équipements médicauxnécessitant l'isolement du patient, d'équipements detélécommunications, et de toutsystème à microprocesseuroù les signaux doivent traverser différents domaines de tension ou des frontières de sécurité en toute sécurité.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Une compréhension approfondie des paramètres électriques et optiques est essentielle pour une conception de circuit appropriée et pour garantir la fiabilité à long terme.

2.1 Caractéristiques maximales absolues

Ces caractéristiques définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Elles ne sont pas destinées au fonctionnement normal.

• Entrée (LED) :Le courant direct continu maximal (I_F) est de 75 mA. Un courant de crête de courte durée (I_FM) de 1,5A pendant moins de 10µs est autorisé. La tension inverse maximale absolue (V_R) n'est que de 5V, soulignant la sensibilité de la LED à la polarisation inverse. Dépasser cette valeur peut rapidement dégrader la LED. La dissipation de puissance d'entrée (P_D) ne doit pas dépasser 120 mW.
• Sortie (Phototransistor) :Le courant de collecteur continu maximal (I_C) est de 50 mA. La limite de dissipation de puissance du collecteur (P_C) est de 150 mW. La tension Collecteur-Émetteur (V_CEO) doit rester inférieure à 80V, et la tension Émetteur-Collecteur (V_ECO) inférieure à 7V.
• Limites du dispositif :La dissipation de puissance totale du dispositif (P_tot) est de 250 mW. La tension d'isolement (V_iso) est testée à 8200 V_RMSpendant une minute dans des conditions d'humidité contrôlée (40-60% HR).

2.2 Caractéristiques électriques

Ces paramètres sont garantis dans des conditions de test spécifiées et définissent les performances du dispositif.

• Caractéristiques d'entrée :À un courant direct de 50mA, la tension directe de la LED (V_F) est typiquement de 1,6V avec un maximum de 2,0V. Ceci est important pour calculer la valeur de la résistance de limitation de courant. Le courant de fuite inverse (I_R) est très faible (<10 µA à 5V).
• Caractéristiques de sortie :Le courant d'obscurité (I_CEO), qui est le courant de fuite du phototransistor lorsque la LED est éteinte, est au maximum de 200 nA à V_CE=20V. Ce paramètre est crucial pour déterminer l'intégrité du signal à l'état bloqué et le bruit de fond. La tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(sat)) est au maximum de 0,3V lorsque le transistor est complètement saturé (I_F=10mA, I_C=1mA), indiquant de bonnes performances de commutation.
• Caractéristiques d'isolement :La capacité de couplage (C_IO) est typiquement très faible, 0,3 pF, ce qui minimise le couplage capacitif du bruit haute fréquence à travers la barrière d'isolement. La résistance d'isolement (R_IO) est d'un minimum de 10¹¹Ω (100 GΩ) à 500V DC, représentant une excellente propriété d'isolation DC.

2.3 Caractéristiques de transfert

C'est le cœur de la fonctionnalité du photocoupleur, définissant la relation entre le courant d'entrée et le courant de sortie.

• Taux de transfert de courant (CTR) :C'est le rapport du courant de collecteur de sortie (I_C) au courant direct de la LED d'entrée (I_F), exprimé en pourcentage (CTR = I_C/ I_F* 100%). La série CNY64S est proposée en trois grades ou "rangs" de CTR :
  • CNY64S :Plage de CTR de 50% à 300%.
  • CNY64SA :Plage de CTR de 63% à 125%.
  • CNY64SB :Plage de CTR de 100% à 200%.

Le CTR est mesuré dans des conditions standard (I_F= 5mA, V_CE= 5V). Choisir le grade CTR approprié permet aux concepteurs d'optimiser pour le gain, l'efficacité énergétique ou la vitesse de commutation. Un dispositif à CTR plus élevé nécessite moins de courant de commande de la LED pour obtenir le même courant de sortie, améliorant l'efficacité mais peut avoir des caractéristiques dynamiques légèrement différentes.

• Vitesse de commutation :Les performances dynamiques sont caractérisées par le temps d'allumage (t_on), le temps d'extinction (t_off), le temps de montée (t_r) et le temps de descente (t_f). Pour le CNY64S, dans des conditions de test de V_CC=5V, I_C=5mA et R_L=100Ω, les valeurs maximales sont de 18 µs pour tous les paramètres de temporisation, les valeurs typiques étant nettement plus rapides (par exemple, t_on~6µs, t_off~7µs). Ces vitesses conviennent à l'isolement de signaux numériques et aux signaux PWM basse fréquence mais ne sont pas destinées à la communication de données très haute vitesse.

3. Explication du système de classement

La série CNY64S utilise un système de classement simple basé uniquement sur leTaux de transfert de courant (CTR). Il n'y a pas de classement pour la longueur d'onde ou la tension directe dans cette famille de dispositifs particulière, car elle utilise une LED infrarouge standard.

Le numéro de pièce indique le grade CTR :

• Le numéro de pièce de baseCNY64Sdésigne la plage CTR standard large (50-300%).
• Le suffixe-A(comme dans CNY64SA) spécifie une plage CTR plus serrée de 63-125%.
• Le suffixe-B(comme dans CNY64SB) spécifie une plage CTR plus serrée de 100-200%.
• Le suffixe optionnel-Vindique que le composant a reçu la certification de sécurité VDE pour l'isolement renforcé.

Ce classement permet aux concepteurs de systèmes de choisir un dispositif avec des valeurs CTR minimales et maximales garanties. Par exemple, dans une application de rétroaction analogique linéaire, une plage CTR plus serrée (A ou B) assure un gain plus cohérent d'une unité à l'autre, améliorant le rendement de production et la cohérence des performances. Pour un simple isolement numérique marche/arrêt, le grade standard peut être parfaitement adéquat et plus économique.

4. Analyse des courbes de performance

Bien que l'extrait PDF fourni mentionne "Courbes de performance typiques" sans les afficher, les courbes typiques pour un photocoupleur comme le CNY64S incluraient les suivantes, critiques pour la conception :

• CTR en fonction du courant direct (I_F) :Cette courbe montre comment le CTR change avec le courant de commande. Typiquement, le CTR est le plus élevé à un courant direct modéré (par exemple, 5-10mA) et peut diminuer à des courants très faibles ou très élevés. Cela informe le choix du point de fonctionnement pour une efficacité et une linéarité optimales.
• CTR en fonction de la température :Le CTR d'un photocoupleur a généralement un coefficient de température négatif ; il diminue lorsque la température ambiante augmente. Comprendre cette déclassement est essentiel pour concevoir des systèmes qui doivent fonctionner de manière fiable sur toute la plage de -55°C à +85°C.
• Tension directe (V_F) en fonction du courant direct (I_F) :La courbe IV standard pour la LED infrarouge, utilisée pour la gestion thermique et la conception du pilote.
• Temps de commutation en fonction de la résistance de charge (R_L) :La vitesse de commutation (t_on, t_off) dépend fortement de la résistance de charge connectée au collecteur du phototransistor. Un R_Lplus petit fournit généralement une commutation plus rapide mais au prix d'une consommation d'énergie plus élevée et d'une excursion de tension de sortie plus faible.

Le circuit de test pour le temps de commutation (Figure 10 dans le PDF) montre une configuration standard : une impulsion pilote la LED via une résistance de limitation de courant (R_IN), et la sortie du phototransistor est surveillée aux bornes d'une résistance de charge (R_L) connectée à une tension d'alimentation (V_CC). Les formes d'onde définissent les paramètres de temporisation entre les points à 10% et 90% des impulsions d'entrée et de sortie.

5. Informations mécaniques et sur le boîtier

Le CNY64S utilise un boîtier DIP (Dual In-line Package) à 4 broches. La caractéristique mécanique clé pour la sécurité est ladistance d'isolation traversante, garantie ≥3mm. Cette séparation physique entre le côté entrée (broches 1 & 2) et le côté sortie (broches 3 & 4) du boîtier est une exigence fondamentale pour atteindre les classements d'isolement renforcé à haute tension.

Brochage :

1. Anode de la LED infrarouge
2. Cathode de la LED infrarouge
3. Émetteur du phototransistor
4. Collecteur du phototransistor

Le dessin du boîtier (sous-entendu dans le PDF) fournirait les dimensions exactes pour la planification de l'empreinte PCB, y compris l'espacement des broches, la largeur du corps et la hauteur totale. Un schéma de pastilles recommandé pour le montage en surface (probablement pour un boîtier DIP destiné au montage traversant mais avec des broches formées pour le montage en surface) est également fourni pour assurer des soudures fiables et une résistance mécanique appropriée pendant le processus d'assemblage.

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le dispositif peut supporter une température de soudure maximale de 260°C pendant une durée inférieure à 10 secondes, mesurée à 2mm du corps du boîtier. Ceci est compatible avec les profils de soudure standard sans plomb par refusion ou à la vague. Il faut veiller à éviter une contrainte thermique excessive, qui pourrait endommager les fils de liaison internes ou le matériau du boîtier plastique, compromettant potentiellement l'intégrité de l'isolement. Les pratiques standards de l'industrie pour la manipulation des dispositifs sensibles à l'humidité (le cas échéant) doivent être suivies. La plage de température de stockage est de -55°C à +100°C.

7. Informations de commande et d'emballage

La structure du numéro de pièce est :CNY64SX-V

• CNY64S :Numéro de pièce de base pour la série.
• X :Option de rang CTR : 'A', 'B', ou vide pour le grade standard.
• -V :Suffixe optionnel indiquant la certification de sécurité VDE.

Options d'emballage :

• CNY64S / CNY64S-V :Emballé en tubes contenant 60 unités chacun.
• CNY64S(TA) :Emballé en tubes contenant 500 unités chacun (probablement une option d'emballage en vrac).

Marquage du dispositif :Le dessus du boîtier est marqué de plusieurs lignes de texte :

• EL :Code du fabricant.
• CNY64 :Numéro de pièce de base.
• R :Un caractère représentant le rang CTR (par exemple, 'A' ou 'B').
• Y :Un code à un chiffre pour l'année de fabrication.
• WW :Un code à deux chiffres pour la semaine de fabrication.
• V :Un marquage optionnel indiquant la certification VDE.

8. Recommandations d'application

8.1 Circuits d'application typiques

Le CNY64S est polyvalent et peut être utilisé dans plusieurs configurations clés :

• Isolement de signal numérique :Le cas d'utilisation le plus simple. Un signal numérique pilote la LED via une résistance de limitation de courant. Le phototransistor, connecté comme un interrupteur avec une résistance de rappel à V_CC, recrée le signal logique inversé du côté isolé. La vitesse de commutation (max 18µs) supporte des débits de données jusqu'à plusieurs dizaines de kHz.
• Rétroaction d'alimentation à découpage (SMPS) :Une application critique. Le photocoupleur est utilisé pour transférer la tension d'erreur du côté secondaire (sortie) de l'alimentation vers le contrôleur PWM côté primaire, maintenant la barrière d'isolement. La linéarité et la stabilité du CTR en fonction de la température sont importantes ici. La haute tension d'isolement est essentielle pour la sécurité dans les alimentations hors ligne.
• Interface de système à microprocesseur :Isoler les lignes d'E/S numériques entre un environnement industriel bruyant (par exemple, entrées API 24V) et un microprocesseur sensible. Le BV_CEOde 80V offre une bonne marge pour les pointes de tension.

8.2 Considérations de conception

• Limitation de courant de la LED :Toujours utiliser une résistance en série pour définir le courant direct de la LED (I_F). Calculer la valeur de la résistance en fonction de la tension d'alimentation (V_supply), du I_Fdésiré, et du V_Fde la LED (utiliser la valeur max pour une conception au pire cas) : R = (V_supply- V_F) / I_F. Ne pas dépasser le I_Fmaximal absolu de 75mA.
• Polarisation du phototransistor :La résistance de charge (R_L) sur le collecteur détermine l'excursion de tension de sortie, la vitesse de commutation et la consommation d'énergie. Un R_Lplus petit donne une vitesse plus rapide mais un gain plus faible et un courant plus élevé. S'assurer que la tension aux bornes du phototransistor (V_CE) ne dépasse pas 80V à l'état bloqué.
• Dégradation du CTR :Le CTR des photocoupleurs diminue progressivement avec le temps, surtout lorsqu'il est utilisé à des températures de jonction élevées et à des courants directs élevés. Pour les conceptions à longue durée de vie, déclasser le I_Fde fonctionnement et assurer une gestion thermique adéquate. Choisir un dispositif avec un CTR initial bien supérieur au minimum requis pour votre circuit en fin de vie.
• Immunité au bruit :La faible capacité de couplage (0,3 pF) offre une bonne réjection du bruit de mode commun haute fréquence. Pour les environnements extrêmement bruyants, envisager d'ajouter un petit condensateur de découplage (par exemple, 0,1µF) entre les broches d'entrée et/ou de sortie près du dispositif pour filtrer les pointes haute fréquence.

9. Comparaison et différenciation techniques

Comparé aux photocoupleurs standard 4 broches avec des classements d'isolement inférieurs (par exemple, 2500V_RMSou 5000V_RMS), le principal différentiateur du CNY64S est sacapacité d'isolement crête de 8200V_RMS/10000Vet sacertification d'isolement renforcé formelle(VDE). Cela en fait non seulement un isolateur de signal mais un composant de sécurité certifié. Comparé aux isolateurs numériques plus rapides (qui utilisent un couplage capacitif ou magnétique), le CNY64S est plus lent mais offre intrinsèquement une tension d'isolement plus élevée et une robustesse contre les transitoires dV/dt, souvent à un coût inférieur. Sa combinaison de classement de transistor de sortie 80V, de large sélection de CTR et d'approbations de sécurité crée une proposition de valeur forte pour les applications industrielles et de puissance critiques pour la sécurité mais sensibles au coût.

10. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q1 : Quelle est la différence entre le CNY64S standard et le CNY64S-V ?

R1 : La variante "-V" a subi et réussi des tests et une certification supplémentaires par VDE pour l'isolement renforcé selon des normes de sécurité spécifiques (DIN EN 60747-5-5). Elle a un classement de tension d'isolement transitoire plus élevé (10000V crête contre 8200V crête). Pour les applications nécessitant une reconnaissance formelle d'un organisme de sécurité, la version -V est nécessaire.

Q2 : Comment choisir entre les grades CTR (Standard, A, B) ?

R2 : Si votre conception de circuit tolère une large variation de gain (par exemple, un interrupteur numérique avec une marge importante), le grade standard convient. Si vous avez besoin d'une performance plus cohérente d'une unité à l'autre, surtout dans les boucles de rétroaction analogiques ou les circuits où un CTR minimum spécifique est critique pour la fonctionnalité, choisissez le grade A ou B. Le grade B garantit un CTR minimum plus élevé (100%).

Q3 : Puis-je l'utiliser pour isoler des signaux de tension secteur AC ?

R3 : Oui, mais avec d'importantes mises en garde. Le dispositif est classé pour un isolement renforcé pour des tensions secteur jusqu'à des limites spécifiques selon la classe d'application (par exemple, jusqu'à 600V pour les classes I-IV). Vous devez vous assurer que les distances de fuite et de contournement sur votre PCB autour du dispositif respectent également les normes de sécurité pertinentes pour votre tension de service. Le photocoupleur lui-même n'est qu'une partie du système d'isolement.

Q4 : Pourquoi le classement de tension inverse pour la LED est-il si bas (5V) ?

R4 : Les LED infrarouges sont des diodes semi-conductrices avec une tension de claquage inverse relativement faible. Appliquer même une petite tension inverse au-delà du classement peut provoquer un claquage par avalanche et un dommage immédiat. Toujours s'assurer que le circuit de commande empêche la polarisation inverse, ou utiliser une diode de protection en parallèle avec la LED (cathode à anode) si des tensions inverses sont possibles.

11. Étude de cas de conception pratique

Scénario :Isoler un signal numérique 5V d'un microcontrôleur pour commander un relais 24V dans un armoire industrielle. L'environnement est électriquement bruyant, et un isolement fonctionnel est requis pour empêcher les boucles de masse de perturber le microcontrôleur.

Étapes de conception :

1. Sélection du composant :Choisir CNY64SB pour un CTR minimum garanti de 100%, assurant une commande forte même après vieillissement.
2. Pilote de LED :La broche du microcontrôleur (sortie 5V) pilote la LED. Cibler I_F= 10mA pour une bonne vitesse et marge. En utilisant V_F(max)= 2,0V, R_limit= (5V - 2,0V) / 0,01A = 300Ω. Utiliser une résistance standard de 330Ω, donnant I_F≈ 9mA.
3. Circuit de sortie :La bobine du relais (24V, résistance de bobine 100Ω) est connectée entre l'alimentation 24V et le collecteur du phototransistor. L'émetteur est connecté à la masse. Lorsque la LED est allumée, le phototransistor sature, tirant le collecteur à un niveau bas et activant le relais. Une diode de roue libre doit être placée aux bornes de la bobine du relais pour supprimer les pointes de tension lorsque le transistor s'éteint. Le V_CE(sat)de 0,3V est négligeable. Le BV_CEOde 80V offre une protection ample contre les pointes de retour d'inductance qui ne sont pas entièrement écrêtées par la diode.
4. Conception du PCB :Maintenir la distance de fuite ≥3mm entre les pistes côté entrée (microcontrôleur, résistance) et les pistes côté sortie (24V, relais) sur le PCB, prolongeant l'isolement interne du dispositif. Placer des condensateurs de découplage (0,1µF) près des broches d'alimentation du dispositif des deux côtés.

Ce circuit simple et robuste isole de manière fiable la logique de commande de l'étage de puissance en utilisant les paramètres clés du CNY64S.

12. Principe de fonctionnement

Le CNY64S fonctionne sur le principe de laconversion électro-optique-électrique. Un courant électrique appliqué au côté entrée traverse la LED infrarouge, la faisant émettre des photons lumineux avec une longueur d'onde typiquement autour de 940nm. Cette lumière traverse un espace isolant transparent à l'intérieur du boîtier plastique. Du côté sortie, la lumière frappe la région de base du phototransistor NPN au silicium, générant des paires électron-trou. Ce courant photogénéré agit comme un courant de base, qui est ensuite amplifié par le gain du transistor (h_{FE), résultant en un courant de collecteur beaucoup plus important. Le point clé est que la seule connexion entre l'entrée et la sortie est le faisceau lumineux ; il n'y a pas de conducteur électrique, fournissant ainsi un isolement galvanique. Le degré d'isolement est déterminé par la distance physique du trajet optique et les propriétés diélectriques des matériaux intermédiaires.}

13. Tendances technologiques

La technologie des photocoupleurs continue d'évoluer. Bien que le principe de base reste, les tendances incluent :

• Intégration plus élevée :Combiner le photocoupleur avec des circuits supplémentaires comme des déclencheurs de Schmitt, des pilotes de grille ou des isolateurs I²C dans des boîtiers uniques.
• Vitesse améliorée :Développement de phototransistors plus rapides et de conceptions intégrées pour l'isolement numérique rivalisant dans la gamme des Mbps.
• Fiabilité et miniaturisation améliorées :Améliorations de l'efficacité des LED et des matériaux de boîtier pour prolonger la durée de vie, réduire la dégradation du CTR et permettre des boîtiers de montage en surface plus petits (comme SO-4, SO-6) tout en maintenant des classements d'isolement élevés.
• Accent sur les normes de sécurité :Demande croissante de composants avec un isolement renforcé pré-certifié pour simplifier la conformité des produits finaux aux réglementations de sécurité mondiales strictes pour les équipements médicaux, automobiles et industriels.

Les dispositifs comme le CNY64S, axés sur la fiabilité éprouvée, l'isolement élevé et la certification de sécurité, restent très pertinents sur les marchés où ces attributs sont valorisés par rapport à une vitesse ou une intégration extrême.