Fiche technique de la série EL815 - Photocoupleur Photodarlington - Boîtier DIP 4 broches - Isolation 5000Vrms - CTR 600-7500% - Température de fonctionnement -55 à +110°C

1. Vue d'ensemble du produit

La série EL815 représente une famille de photocoupleurs photodarlington (optocoupleurs) hautes performances logés dans un boîtier DIP (Dual In-line Package) compact à 4 broches. La fonction principale de ce dispositif est de fournir une isolation électrique et une transmission de signal entre deux circuits ayant des potentiels ou des impédances différents. Il y parvient en utilisant une diode électroluminescente infrarouge (LED) du côté entrée, qui est couplée optiquement à un transistor photodarlington du côté sortie. Cette conception garantit une isolation galvanique complète, empêchant les boucles de masse et protégeant les circuits sensibles des pointes de tension ou du bruit provenant de l'autre circuit.

La configuration photodarlington offre un taux de transfert de courant (CTR) très élevé, ce qui la rend très sensible et adaptée aux applications où un faible courant d'entrée doit contrôler un courant de sortie plus important. Un avantage clé de cette série est sa conformité à diverses normes internationales de sécurité et environnementales, y compris les exigences sans halogène, RoHS et REACH de l'UE, la rendant adaptée aux marchés mondiaux et aux conceptions soucieuses de l'environnement.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

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

• Courant direct d'entrée (I_F): 60 mA (DC). C'est le courant continu maximal qui peut traverser la LED infrarouge d'entrée.
• Courant direct de crête (I_FP): 1 A pendant 1 µs. La LED peut supporter de courtes impulsions à courant élevé, ce qui est utile pour certaines conditions de commutation ou transitoires.
• Tension inverse d'entrée (V_R): 6 V. La tension de polarisation inverse maximale pouvant être appliquée aux bornes de la LED d'entrée.
• Tension collecteur-émetteur (V_CEO): 35 V. La tension maximale pouvant être supportée entre le collecteur et l'émetteur du transistor photodarlington de sortie lorsque la base est ouverte.
• Courant collecteur (I_C): 80 mA. Le courant continu maximal que le transistor de sortie peut absorber.
• Dissipation totale de puissance (P_TOT): 200 mW. The maximum combined power that can be dissipated by the input and output sections of the device.
• Tension d'isolement (V_ISO): 5000 V_rmspendant 1 minute. Ce paramètre critique spécifie la capacité d'isolement haute tension entre les côtés entrée et sortie, testée avec les broches 1-2 court-circuitées et les broches 3-4 court-circuitées.
• Température de fonctionnement (T_OPR): -55°C à +110°C. La plage de température ambiante dans laquelle le dispositif est spécifié pour fonctionner.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres sont mesurés dans des conditions de test spécifiées (typiquement T_a= 25°C) et définissent les performances du dispositif.

2.2.1 Caractéristiques d'entrée

• Tension directe (V_F): Typiquement 1,2V, maximum 1,4V à I_F= 20 mA. C'est la chute de tension aux bornes de la LED infrarouge lorsqu'elle est alimentée.
• Courant inverse (I_R): Maximum 10 µA à V_R= 4V. Le faible courant de fuite lorsque la LED est polarisée en inverse.

2.2.2 Caractéristiques de sortie

• Courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO): Maximum 1 µA à V_CE= 10V, I_F= 0mA. Le courant de fuite du transistor de sortie lorsque la LED d'entrée est éteinte.
• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(sat)): Typiquement 0,8V, maximum 1,0V à I_F= 20mA, I_C= 5mA. La tension aux bornes du transistor de sortie lorsqu'il est complètement activé (saturé). Une valeur plus faible est souhaitable pour minimiser les pertes de puissance.

2.2.3 Caractéristiques de transfert

• Taux de transfert de courant (CTR): 600% (Min) à 7500% (Max) à I_F= 1mA, V_CE= 2V. C'est le paramètre le plus important pour un photocoupleur, défini comme (I_C/ I_F) * 100%. La plage extrêmement large indique que le dispositif est disponible en plusieurs grades de sensibilité. Un CTR élevé permet un transfert de signal efficace avec un courant d'entraînement minimal.
• Résistance d'isolement (R_IO): Minimum 5 x 10¹⁰Ω à V_IO= 500V DC. Cela indique la résistance DC extrêmement élevée entre les côtés isolés.
• Temps de montée (t_r): Typiquement 60 µs, maximum 300 µs. Temps de descente (t_f): Typiquement 53 µs, maximum 250 µs. Ces paramètres, ainsi qu'une fréquence de coupure (f_c) typique de 6 kHz, définissent la vitesse de commutation du dispositif. La structure photodarlington est intrinsèquement plus lente que les phototransistors ou les coupleurs photo-IC, la rendant plus adaptée aux applications DC et AC basse fréquence plutôt qu'à l'isolation numérique haute vitesse.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique inclut des courbes caractéristiques typiques essentielles pour comprendre le comportement du dispositif dans des conditions non standard. Bien que les graphiques spécifiques ne soient pas reproduits en texte, leurs implications sont critiques pour la conception.

• CTR vs. Courant direct (I_F): Typiquement, le CTR diminue lorsque le courant direct augmente. Les concepteurs doivent consulter cette courbe pour sélectionner le point de fonctionnement optimal pour le courant de sortie requis et l'efficacité de transfert.
• CTR vs. Température ambiante (T_a): Le CTR dépend de la température, diminuant généralement aux extrêmes de température. Cette courbe est vitale pour garantir un fonctionnement fiable sur toute la plage spécifiée de -55°C à +110°C. Les conceptions pour environnements sévères doivent déclasser les performances sur la base de ces données.
• Courant collecteur vs. Tension collecteur-émetteur (I_C-V_CE): Ces courbes de sortie, paramétrées par différents courants d'entrée (I_F), montrent les régions de fonctionnement (saturation, active) du photodarlington. Elles sont utilisées pour déterminer la ligne de charge et s'assurer que le dispositif fonctionne dans des limites sûres et fonctionnelles.
• Formes d'onde des temps de commutation: Le circuit de test et le diagramme de forme d'onde illustrent comment le temps de montée (t_r), le temps de descente (t_f), le retard à l'allumage (t_on) et le retard à l'extinction (t_off) sont mesurés. Comprendre ces éléments aide à concevoir des circuits de temporisation et à prédire l'intégrité du signal.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions du boîtier

L'EL815 est proposé en trois options principales de forme de broches, chacune avec des dessins mécaniques détaillés spécifiant toutes les dimensions critiques en millimètres.

• Type DIP standard: Le boîtier traversant classique avec un espacement de broches standard.
• Type Option M: Présente une large courbure des broches, offrant un espacement de 0,4 pouce (environ 10,16 mm), ce qui peut être bénéfique pour les exigences de cheminement et de distance d'isolement sur les cartes.
• Type Option S1: Une forme de broche pour dispositif monté en surface (CMS) à profil bas. C'est la variante CMS du boîtier.

Tous les boîtiers maintiennent une distance de cheminement supérieure à 7,62 mm, ce qui contribue à la haute tension d'isolement nominale.

4.2 Identification de la polarité et marquage

La configuration des broches est standard pour un photocoupleur DIP 4 broches :

1. Anode (positif de la LED d'entrée)
2. Cathode (négatif de la LED d'entrée)
3. Émetteur (émetteur du transistor de sortie)
4. Collecteur (collecteur du transistor de sortie)

Le dispositif est marqué sur le dessus avec "EL" (désignant la série), "815" (le numéro du dispositif), suivi d'un code année à 1 chiffre (Y), d'un code semaine à 2 chiffres (WW), et d'un "V" optionnel pour les versions approuvées VDE.

4.3 Configuration recommandée des pastilles CMS

Pour l'option S1 (montage en surface), la fiche technique fournit un diagramme de configuration de pastilles suggéré. Les dimensions sont données à titre indicatif, et la note indique explicitement que les concepteurs doivent modifier les dimensions des pastilles en fonction de leur procédé de fabrication de carte spécifique et de leurs exigences de fiabilité.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Les Valeurs Maximales Absolues spécifient une température de soudure (T_SOL) de 260°C pendant 10 secondes. C'est un paramètre critique pour les procédés de soudure par refusion.

• Soudure par refusion: Pour l'assemblage CMS (option S1), un profil de refusion standard sans plomb avec une température de pic ne dépassant pas 260°C pendant le temps spécifié doit être utilisé. Le profil doit être contrôlé pour éviter les chocs thermiques.
• Soudure à la vague/à la main: Pour les boîtiers traversants (Standard et option M), les techniques de soudure à la vague ou à la main standard peuvent être utilisées, mais il faut veiller à limiter le temps d'exposition du corps du dispositif à haute température.
• Conditions de stockage: La plage de température de stockage est spécifiée de -55°C à +125°C. Les dispositifs doivent être stockés dans un environnement sec et antistatique. Pour les pièces CMS fournies en bande et bobine, la bobine doit être stockée dans son sac barrière à l'humidité d'origine avec un dessiccant si les dispositifs sont sensibles à l'humidité (bien que cela ne soit pas explicitement indiqué comme classé MSL dans cette fiche technique).

6. Conditionnement et informations de commande

6.1 Structure du code de commande

Le numéro de pièce suit le format :EL815X(Z)-V

• X: Option de forme de broche.
  • Aucun : DIP-4 standard (100 unités/tube).
  • M : Large courbure des broches, espacement 0,4" (100 unités/tube).
  • S1 : Forme de broche pour montage en surface, profil bas.
• Z: Option bande et bobine (applicable uniquement avec S1).
  • TA, TB, TU, TD : Différentes spécifications de bande et bobine affectant la quantité d'emballage et la direction d'alimentation.
• V: Suffixe optionnel désignant l'approbation de sécurité VDE.

6.2 Spécifications de la bande et de la bobine

Des dessins dimensionnels détaillés et des tableaux sont fournis pour la bande (bande porteuse, bande de couverture) et la bobine. Les dimensions clés incluent la taille de la poche (A, B), le diamètre du trou (D0), l'espacement des composants (P0), la largeur de la bande (W) et les dimensions du moyeu de la bobine. Les options TA et TB diffèrent par la direction d'alimentation depuis la bobine, qui doit être correctement configurée dans les équipements de placement automatique.

7. Suggestions d'application

7.1 Circuits d'application typiques

La fiche technique liste plusieurs domaines d'application : téléphones/centraux téléphoniques, contrôleurs de séquence, appareils système, instruments de mesure et transmission de signaux entre circuits de potentiels/impédances différents. Le CTR élevé et la tension d'isolement le rendent particulièrement adapté pour :

• Isolation d'E/S de microcontrôleur: Protéger un microcontrôleur basse tension des signaux de contrôle industriel à tension plus élevée ou bruyants.
• Détection de ligne AC: Utiliser le photocoupleur pour fournir une rétroaction isolée depuis un triac ou un relais pilotant une charge AC.
• Élimination des boucles de masse: Rompre les boucles de masse dans les chaînes de signaux analogiques entre capteurs et systèmes d'acquisition de données.
• Traduction de niveau logique avec isolation: Interfacer des circuits logiques fonctionnant à différents niveaux de tension tout en maintenant l'isolation.

7.2 Considérations de conception

• Limitation du courant d'entrée: Une résistance série doit toujours être utilisée avec la LED d'entrée pour limiter le courant direct (I_F) à la valeur souhaitée, calculée comme (Tension d'alimentation - V_F) / I_F.
• Charge de sortie: Le photodarlington de sortie agit comme un puits de courant. Une résistance de rappel est typiquement connectée du collecteur à une tension d'alimentation positive (V_CC). La valeur de cette résistance et de la charge déterminera l'excursion de tension de sortie et la vitesse de commutation.
• Compromis Vitesse vs. Sensibilité: Le CTR élevé se fait au détriment de vitesses de commutation plus lentes. Ce dispositif n'est pas adapté aux communications haute fréquence (par ex., isolateurs numériques pour USB, SPI > 10 kHz). Il est idéal pour la détection d'état, les signaux de contrôle lents et la synchronisation de ligne d'alimentation AC (50/60 Hz).
• Considérations thermiques:** Bien que la dissipation de puissance soit faible, fonctionner à la température de jonction maximale (déduite de T_OPRjusqu'à 110°C) peut nécessiter de déclasser les courants maximaux admissibles ou la dissipation de puissance.

8. Comparaison et différenciation technique

La série EL815, en tant que coupleur photodarlington, occupe une niche spécifique par rapport aux autres types d'optocoupleurs :

• vs. Coupleurs phototransistor standard: Les coupleurs photodarlington offrent un CTR beaucoup plus élevé (souvent 10 à 100 fois plus) mais sont nettement plus lents. Choisissez un phototransistor pour une vitesse modérée (dizaines de kHz) et un photodarlington pour une sensibilité maximale avec un faible courant d'entrée à basse fréquence.
• vs. Coupleurs photo-IC (sortie logique): Les coupleurs photo-IC ont une sortie numérique (commutation propre) et peuvent être très rapides (gamme MBd), mais ils ont une fonction de transfert de courant fixe, souvent plus faible, et nécessitent une tension d'alimentation spécifique du côté sortie. L'EL815 fournit une sortie de courant analogique et peut fonctionner sur une large plage de tensions de sortie (jusqu'à V_CEO).
• vs. Autres photodarlingtons: Les principaux points de différenciation de l'EL815 sont sa haute isolation de 5000V_rms, sa large plage de température de fonctionnement (-55°C à +110°C) et sa conformité aux principales approbations de sécurité internationales (UL, VDE, cUL, SEMKO, etc.). Le large classement CTR (600-7500%) permet de sourcer des pièces adaptées à des besoins de sensibilité spécifiques.

9. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

Q : Quel est l'objectif de la haute tension d'isolement (5000Vrms) ?

R : Elle garantit un fonctionnement fiable et la sécurité dans les applications où les circuits isolés ont une grande différence de potentiel, comme dans les alimentations à découplage, les commandes de moteurs industriels ou les équipements médicaux. Elle protège contre les transitoires haute tension et empêche le claquage.

Q : Mon circuit doit commuter à 1 kHz. L'EL815 est-il adapté ?

R : Oui, absolument. Avec une fréquence de coupure typique (f_c) de 6 kHz et des temps de montée/descente de l'ordre de la dizaine de microsecondes, l'EL815 peut facilement gérer la commutation à 1 kHz. La forme d'onde de sortie sera arrondie, pas carrée, mais pour un contrôle marche/arrêt à cette fréquence, il est parfaitement adéquat.

Q : Comment choisir le bon grade de CTR ?

R : Sélectionnez un CTR minimum qui garantit que votre transistor de sortie sature (s'allume complètement) avec votre pire cas (le plus bas) de courant d'entrée prévu. Par exemple, si votre conception pilote I_F= 1mA et que vous avez besoin de I_C> 5mA pour saturer la charge, vous avez besoin d'un CTR > 500%. Choisir une pièce d'un bin CTR plus élevé offre une marge de conception plus importante. Consultez toujours la courbe CTR vs. température pour vos conditions de fonctionnement.

Q : Puis-je l'utiliser pour l'isolation de signaux analogiques ?

R : Bien que possible, ce n'est pas idéal. Le CTR des photodarlingtons est non linéaire et varie considérablement avec la température et le courant direct. Pour l'isolation analogique de précision, des optocoupleurs linéaires dédiés ou des amplificateurs d'isolation sont recommandés. L'EL815 est mieux adapté pour l'isolation numérique (marche/arrêt) ou analogique de faible précision.

10. Étude de cas pratique de conception

Scénario : Entrée numérique isolée pour un module d'automate programmable (API) 24V.

Un Automate Programmable Industriel (API) doit lire un signal de capteur 24V DC tout en fournissant une isolation de 4000V pour la sécurité et l'immunité au bruit.

1. Conception du circuit: La sortie du capteur 24V est connectée en série avec une résistance de limitation de courant et la LED d'entrée de l'EL815 (broches 1-2). La valeur de la résistance est calculée pour I_F≈ 5-10 mA à 24V. Du côté sortie, le collecteur (broche 4) est connecté via une résistance de rappel de 10kΩ à l'alimentation logique interne 3,3V de l'API. L'émetteur (broche 3) est connecté à la masse interne de l'API. Le signal de sortie est prélevé sur le collecteur.
2. Sélection des composants: Un EL815 avec un grade de CTR garantissant la saturation à I_F= 5mA est choisi. L'isolement de 5000V_rmset les approbations de sécurité (UL, VDE) répondent aux normes industrielles. Le boîtier S1 (CMS) est sélectionné pour l'assemblage de carte à haute densité.
3. Performance: Lorsque le capteur 24V est actif, la LED s'allume, provoquant la conduction du photodarlington, tirant la tension de sortie du collecteur vers le bas (à V_CE(sat)≈ 0,8V), ce qui est lu comme un logique '0' par l'API. Lorsque le capteur est éteint, le photodarlington est éteint, et la résistance de rappel tire la sortie à 3,3V (logique '1'). La barrière d'isolation protège la logique sensible de l'API de toute défaillance ou transitoire sur la ligne du capteur 24V.

11. Principe de fonctionnement

L'EL815 fonctionne sur le principe fondamental de la conversion opto-électronique. Un signal électrique appliqué au côté entrée provoque un courant (I_F) qui traverse la diode électroluminescente infrarouge (LED). Cette LED émet une lumière infrarouge dont l'intensité est proportionnelle au courant direct. La lumière traverse un espace d'isolation transparent à l'intérieur du boîtier et frappe la région de base d'un transistor photodarlington du côté sortie.

Un photodarlington est essentiellement deux transistors bipolaires connectés en configuration Darlington, où le photocourant généré dans la jonction base-collecteur du premier transistor (agissant comme une photodiode) est amplifié par le second transistor. Cette structure fournit un gain en courant très élevé (h_FE), ce qui se traduit par le Taux de Transfert de Courant (CTR) élevé observé. Le courant collecteur de sortie (I_C) est ainsi contrôlé par l'intensité lumineuse d'entrée, et donc par le signal électrique d'entrée, sans aucune connexion électrique entre les deux côtés.

12. Tendances technologiques

La technologie des photocoupleurs continue d'évoluer. Bien que les dispositifs traditionnels comme l'EL815 restent essentiels pour les applications à coût maîtrisé, à haute isolation et à CTR élevé, plusieurs tendances sont notables :

• Intégration: Les nouveaux dispositifs intègrent des composants supplémentaires comme des résistances base-émetteur sur le transistor de sortie pour améliorer la stabilité thermique et la vitesse de commutation.
• Isolation numérique haute vitesse: Les technologies basées sur des coupleurs RF, la magnétorésistance géante (GMR) ou le couplage capacitif concurrencent les optocoupleurs dans l'isolation de données haute vitesse (≥1 Mbps) en raison de leur vitesse, stabilité et longévité supérieures.
• Miniaturisation: Il y a une poussée continue vers des boîtiers CMS plus petits (par ex., SO-4, SO-5) avec les mêmes ou de meilleures tensions d'isolement, motivée par le besoin de densité de carte plus élevée.
• Fiabilité améliorée: Concentration sur l'amélioration de la dégradation à long terme du CTR, en particulier dans des conditions de contrainte à haute température et à courant élevé, pour répondre aux exigences des applications automobiles et industrielles avec des durées de vie plus longues.

Malgré ces tendances, le coupleur photodarlington fondamental, comme illustré par la série EL815, maintient une position forte sur le marché grâce à sa simplicité, sa robustesse, sa haute capacité d'isolement et ses excellentes performances dans son domaine de fréquence basse à modérée prévu.