Fiche technique du photocoupleur EL2514-G - Boîtier DIP 4 broches - Isolation 5000 Vrms - CTR 50-200% - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

La série EL2514-G représente une famille de photocoupleurs à phototransistor haute performance en boîtier DIP (Dual In-line Package) 4 broches. Ces dispositifs sont conçus pour assurer une isolation électrique fiable et la transmission de signaux entre deux circuits. L'élément central est une diode électroluminescente infrarouge couplée optiquement à un détecteur phototransistor au silicium. Une caractéristique clé de la conception de l'EL2514-G est son optimisation pour des vitesses de commutation relativement élevées, atteignables même avec des résistances de charge de l'ordre du kiloohm. Cela le rend adapté aux applications nécessitant à la fois une isolation et une bande passante modérée.

La série se caractérise par sa conformité à des normes environnementales et de sécurité strictes. Elle est fabriquée en tant que produit sans halogène, respectant des limites spécifiques pour la teneur en brome (Br) et en chlore (Cl). De plus, elle bénéficie d'homologations d'organismes de sécurité internationaux majeurs, notamment UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO et CQC, garantissant ainsi son adéquation aux marchés mondiaux et aux applications réglementées.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

Le dispositif est conçu pour fonctionner de manière fiable dans des limites spécifiées. Le dépassement de ces valeurs maximales absolues peut entraîner des dommages permanents. Les valeurs clés incluent : un courant direct continu (I_F) de 50 mA pour la LED d'entrée, un courant direct crête (I_FP) de 0,5 A pour une impulsion de 1 µs, et une tension inverse (V_R) de 6 V. Du côté sortie, le courant de collecteur (I_C) est spécifié à 20 mA, avec une tension collecteur-émetteur (V_CEO) de 40 V. La dissipation de puissance totale (P_TOT) du dispositif est de 200 mW. Un paramètre de sécurité critique est la tension d'isolement (V_ISO) de 5000 V_eff, testée pendant 1 minute dans des conditions d'humidité spécifiques (40-60% HR) avec les broches d'entrée et de sortie court-circuitées séparément. La plage de température de fonctionnement est étendue, de -55°C à +110°C.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres définissent les performances du dispositif dans des conditions de fonctionnement normales à 25°C.

2.2.1 Caractéristiques d'entrée (côté LED)

• Tension directe (V_F) :Typiquement 1,2 V, avec un maximum de 1,4 V lorsque pilotée à I_F= 20 mA. Ceci est crucial pour la conception de l'alimentation du circuit de pilotage.
• Courant inverse (I_R) :Maximum de 10 µA à V_R= 4V, indiquant de bonnes caractéristiques de diode.
• Capacité d'entrée (C_in) :Varie d'une valeur typique de 30 pF à un maximum de 250 pF. Cette capacité peut affecter la capacité de pilotage haute fréquence.

2.2.2 Caractéristiques de sortie (côté phototransistor)

• Courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO) :Maximum de 100 nA à V_CE= 10V avec la LED éteinte. Ce faible courant de fuite est essentiel pour obtenir un bon état \"OFF\".
• Tension de claquage collecteur-émetteur (BV_CEO) :Minimum de 40 V, mesurée à I_C= 0,1 mA.
• Tension de claquage émetteur-collecteur (BV_ECO) :Minimum de 0,45 V, ce qui est relativement bas et indique l'asymétrie du phototransistor.

2.2.3 Caractéristiques de transfert

• Taux de transfert de courant (CTR) :Il s'agit d'une métrique de performance centrale, définie comme (I_C/ I_F) * 100%. Pour l'EL2514-G, le CTR varie de 50% à 200% dans les conditions de test standard de I_F= 5 mA et V_CE= 5V. Cette large plage nécessite une conception de circuit appropriée pour s'adapter à la variation d'un composant à l'autre.
• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(sat)) :Maximum de 0,35 V à I_F= 5 mA et I_C= 0,4 mA. Une faible tension de saturation est souhaitable pour obtenir un niveau de sortie logique bas robuste.
• Résistance d'isolement (R_IO) :Minimum de 5 x 10¹⁰Ω à 500 V_DC, assurant un excellent isolement en courant continu.
• Capacité flottante (C_IO) :Typiquement 0,6 pF, avec un maximum de 1,0 pF. Cette faible capacité contribue à une haute immunité aux transitoires en mode commun.
• Temps de commutation :Le temps de montée (t_on) et le temps de descente (t_off) ont une spécification maximale de 25 µs dans les conditions de test de V_CC= 5V, I_F= 5 mA, et R_L= 5 kΩ. Ceci définit la vitesse du dispositif pour la transmission de signaux numériques.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fait référence à des courbes caractéristiques électro-optiques typiques. Bien que les graphiques spécifiques ne soient pas détaillés dans le texte fourni, de telles courbes illustrent généralement la relation entre les paramètres clés. Les concepteurs peuvent s'attendre à voir des courbes représentant :

• CTR en fonction du courant direct (I_F) :Montre comment le taux de transfert de courant varie avec différents courants de pilotage de la LED.
• CTR en fonction de la température ambiante (T_A) :Illustre la dépendance à la température du CTR, qui diminue généralement lorsque la température augmente.
• Courant de collecteur (I_C) en fonction de la tension collecteur-émetteur (V_CE) :Famille de courbes pour différents courants de LED, montrant les caractéristiques de sortie du phototransistor.
• Formes d'onde de commutation :Un circuit de test et les formes d'onde associées sont fournis (Figure 7) pour définir les conditions de mesure de t_onet t_off. Cela implique généralement un générateur d'impulsions pilotant la LED et un oscilloscope surveillant la sortie du phototransistor aux bornes de la résistance de charge.

L'analyse de ces courbes est essentielle pour optimiser les performances du circuit sur les plages de température et de courant de fonctionnement prévues.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Options de boîtier et dimensions

L'EL2514-G est proposé en plusieurs variantes de boîtier DIP 4 broches pour s'adapter à différents processus d'assemblage :

• DIP standard :Le boîtier traversant classique.
• Option M :Présente un \"cintrage large des broches\" offrant un espacement de 0,4 pouce (environ 10,16 mm), ce qui peut être utile pour des configurations PCB spécifiques ou des exigences de ligne de fuite.
• Option S1 :Une forme de broche pour montage en surface (SMD) à profil bas. Elle est proposée avec deux options de bande et bobine (TU, TD), conditionnant 1500 unités par bobine.
• Option S2 :Une autre forme de broche pour montage en surface, également à profil bas, avec des options de bande et bobine conditionnant 2000 unités par bobine.

Des dessins cotés détaillés sont fournis pour chaque type de boîtier, incluant des mesures critiques telles que la taille du corps, la longueur des broches, l'espacement des broches et la hauteur de dégagement. La distance de ligne de fuite entre les côtés entrée et sortie est spécifiée à plus de 7,62 mm, contribuant à la haute tension d'isolement.

4.2 Configuration des broches et polarité

Le dispositif utilise un brochage DIP 4 broches standard :

1. Anode (de la LED d'entrée)
2. Cathode (de la LED d'entrée)
3. Émetteur (du phototransistor de sortie)
4. Collecteur (du phototransistor de sortie)

L'orientation correcte est critique. Le marquage du dispositif inclut le code \"EL2514GYWWV\", où EL représente le fabricant, 2514 est le numéro du dispositif, G indique sans halogène, Y est un code d'année à un chiffre, WW est un code de semaine à deux chiffres, et V indique l'homologation VDE optionnelle.

4.3 Configuration recommandée des pastilles PCB

Pour les options de montage en surface (S1 et S2), la fiche technique fournit des configurations de pastilles suggérées. Ce sont des conceptions de référence destinées à assurer une soudure fiable et une stabilité mécanique. La documentation note explicitement que ces dimensions doivent être modifiées en fonction des processus de fabrication individuels et des exigences, telles que le volume de pâte à souder et les considérations de dissipation thermique.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le dispositif est spécifié pour une température de soudure (T_SOL) de 260°C pendant un maximum de 10 secondes. Ceci est conforme aux profils typiques de refusion sans plomb. Pour la soudure à la vague des boîtiers traversants, les pratiques standards de l'industrie doivent être suivies, en veillant à ne pas dépasser la température maximale du corps du boîtier. La plage de température de stockage est de -55°C à +125°C. Il est recommandé de stocker les dispositifs dans un emballage sensible à l'humidité s'ils sont destinés à un assemblage SMD et de suivre les procédures de séchage appropriées si le niveau d'exposition à l'humidité est dépassé.

6. Conditionnement et informations de commande

Le code de commande suit le modèle : EL2514X(Y)-VG.

• X :Option de forme de broche (S1, S2, M, ou aucune pour le DIP standard).
• Y :Option de bande et bobine (TU, TD, ou aucune pour le conditionnement en tube).
• V :Désigne l'homologation de sécurité VDE (optionnelle).
• G :Indique une construction sans halogène.

Les quantités par conditionnement varient : 100 unités par tube pour les options traversantes, et 1500 ou 2000 unités par bobine pour les options SMD en bande et bobine. Des spécifications détaillées de bande et bobine, incluant les dimensions des alvéoles (A0, B0), la largeur de bande (W), le pas (P0) et le diamètre du moyeu de bobine, sont fournies pour la programmation des machines de placement automatique.

7. Suggestions d'application

7.1 Scénarios d'application typiques

L'EL2514-G est bien adapté aux applications nécessitant une isolation galvanique, une immunité au bruit ou un changement de niveau. Les applications spécifiques mentionnées incluent :

• Automates programmables industriels (API) :Pour isoler les modules d'E/S numériques de l'unité centrale de traitement et des dispositifs de terrain.
• Appareils système et instruments de mesure :Isolation des signaux de capteurs ou des lignes de communication dans les équipements industriels.
• Compteurs d'électricité électroniques :Fournissant une isolation dans les circuits de mesure pour la sécurité et le rejet du bruit.
• Équipements de télécommunication :Isolation de signal dans les lignes de données ou les boucles de rétroaction d'alimentation.
• Alimentations :Couramment utilisés dans les boucles de rétroaction des alimentations à découpage (SMPS) pour isoler le signal de rétroaction du côté secondaire du contrôleur côté primaire, améliorant la sécurité et la stabilité.

7.2 Considérations de conception

• Variation du CTR :Concevez le circuit récepteur (par exemple, les seuils du comparateur, les valeurs de la résistance de rappel) pour fonctionner de manière fiable sur toute la plage de CTR de 50 à 200%.
• Vitesse vs. Charge :La vitesse de commutation est spécifiée avec une charge de 5 kΩ. Utiliser une résistance de charge plus petite améliorera généralement la vitesse de commutation mais réduira l'excursion de sortie et augmentera la consommation d'énergie. Une résistance plus grande ralentit la réponse, en particulier le temps de descente, en raison du temps de stockage du phototransistor.
• Limitation du courant de la LED :Utilisez toujours une résistance en série pour limiter le courant direct (I_F) à la plage de fonctionnement recommandée (5-7 mA typique) ou en dessous du maximum absolu. Cela garantit une fiabilité à long terme et un CTR stable.
• Immunité au bruit :Bien que les photocoupleurs offrent un excellent rejet en mode commun, assurez une disposition PCB appropriée en séparant les pistes d'entrée et de sortie et en utilisant des condensateurs de découplage près des broches du dispositif pour supprimer le bruit haute fréquence.

8. Comparaison et positionnement technique

L'EL2514-G se différencie sur le marché par une combinaison d'attributs clés. Sa haute tension d'isolement (5000 Vrms) et sa longue distance de ligne de fuite en font un candidat sérieux pour les applications aux exigences de sécurité strictes. La construction sans halogène répond aux réglementations environnementales et aux préférences des clients pour l'électronique \"verte\". Le large portefeuille d'homologations (UL, VDE, etc.) réduit les barrières de qualification pour les produits finaux ciblant les marchés mondiaux. Bien que sa vitesse de commutation (25 µs) soit adaptée à de nombreuses applications d'isolation numérique et de rétroaction d'alimentation, elle n'est pas positionnée comme un coupleur ultra-rapide pour la communication de données ; ces applications nécessiteraient des dispositifs avec des temps de commutation de l'ordre de la nanoseconde. Par conséquent, l'EL2514-G est mieux considéré comme un photocoupleur robuste et polyvalent, optimisé pour la fiabilité, la conformité aux normes de sécurité et des performances modérées.

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

Q : Que signifie la plage de CTR de 50-200% pour ma conception de circuit ?

R : Cela signifie que le courant de sortie peut être aussi faible que la moitié du courant d'entrée ou aussi élevé que le double. Votre circuit doit fonctionner correctement aux deux extrêmes. Pour une interface numérique, cela affecte le choix de la résistance de rappel et le seuil d'entrée de la porte ou du microcontrôleur suivant.

Q : Puis-je piloter la LED directement avec une source de tension ?

R : Non. Une LED est un dispositif piloté en courant. Vous devez toujours utiliser une résistance limitatrice de courant en série avec la LED pour définir le I_Fdésiré et éviter les dommages dus au surcourant, même si votre tension d'alimentation correspond au V_F.

Q : La tension d'isolement est de 5000 Vrms. Cela signifie-t-il que je peux appliquer 5000V entre l'entrée et la sortie en continu ?

R : Non. Il s'agit d'une tension de tenue testée pendant une minute dans des conditions contrôlées. La tension de service continue dans une application doit être nettement inférieure, comme défini par les normes de sécurité pertinentes pour l'équipement final.

Q : Quelle est la différence entre les options S1 et S2 ?

R : La différence principale réside dans l'empreinte du boîtier et les dimensions de la bande. S2 est légèrement plus large en largeur de corps (dimension B0) et utilise une bande plus large (24 mm contre 16 mm pour S1), permettant plus d'unités par bobine (2000 contre 1500). Le choix dépend de vos contraintes d'espace PCB et de la compatibilité des chargeurs de votre ligne d'assemblage.

10. Cas pratique de conception

Scénario : Isolation d'un signal numérique d'un microcontrôleur vers une section haute tension.

Un microcontrôleur (logique 3,3V) doit envoyer un signal ON/OFF à un circuit fonctionnant à un potentiel haute tension différent et bruyant. Un EL2514-G peut être utilisé pour l'isolation.



Étapes de conception :

1. Côté entrée :Connectez la broche GPIO du microcontrôleur à l'anode du photocoupleur via une résistance limitatrice de courant (R_limit). Calculez R_limit= (V_{CC_MCU}- V_F) / I_F. Pour V_{CC_MCU}=3,3V, V_F~1,2V, et visant I_F=5mA, R_limit= (3,3-1,2)/0,005 = 420Ω. Utilisez une résistance standard de 470Ω. Connectez la cathode à la masse.
2. Côté sortie :Connectez le collecteur à une résistance de rappel (R_L) sur l'alimentation haute tension isolée (par exemple, 12V). L'émetteur est connecté à la masse isolée. La valeur de R_Laffecte la vitesse et le courant. Utiliser la condition de test de la fiche technique de 5kΩ fournit le temps de commutation spécifié. Le signal du nœud collecteur peut ensuite piloter une grille de MOSFET ou une autre entrée logique du côté isolé.
3. Disposition :Séparez physiquement les sections d'entrée et de sortie sur le PCB. Maintenez la distance de ligne de fuite >7,62 mm conformément à la capacité du boîtier. Placez un petit condensateur de découplage (par exemple, 0,1µF) entre l'alimentation et la masse des deux côtés du coupleur, près des broches du dispositif.

Cette configuration empêche les boucles de masse, bloque le bruit et protège le microcontrôleur des transitoires de tension du côté haute tension.

11. Principe de fonctionnement

Un photocoupleur, ou optocoupleur, est un dispositif qui transfère un signal électrique entre deux circuits isolés en utilisant la lumière. Dans l'EL2514-G, un courant électrique appliqué aux broches d'entrée (1 et 2) fait émettre des photons par la diode électroluminescente infrarouge (LED). Ces photons traversent un espace isolant transparent (généralement en matière de moulage) et frappent la région de base du phototransistor au silicium du côté sortie (broches 3 et 4). La lumière incidente génère des paires électron-trou dans la base, agissant efficacement comme un courant de base. Ce courant de base photogénéré est ensuite amplifié par le gain du transistor, résultant en un courant de collecteur (I_C) proportionnel au courant d'entrée de la LED (I_F). Le rapport I_C/I_Fest le Taux de Transfert de Courant (CTR). L'aspect clé est que la seule connexion entre l'entrée et la sortie est le faisceau lumineux, fournissant l'isolation galvanique.

12. Tendances technologiques

Le marché des photocoupleurs continue d'évoluer. Les tendances influençant des dispositifs comme l'EL2514-G incluent :

• Intégration accrue :Combinaison de plusieurs canaux d'isolation ou intégration de fonctions supplémentaires comme des pilotes de grille ou des amplificateurs d'erreur dans un seul boîtier.
• Vitesse plus élevée :Développement de coupleurs utilisant des détecteurs plus rapides comme des photodiodes avec amplificateurs intégrés pour supporter des protocoles de communication numérique (USB, CAN, RS-485) à des débits de données en Mbps.
• Fiabilité et durée de vie améliorées :Accent mis sur l'amélioration de la stabilité à long terme du CTR, qui peut se dégrader avec le temps en raison du vieillissement de la LED, surtout à haute température et courant.
• Conformité environnementale plus stricte :Au-delà de RoHS et sans halogène, une attention croissante est portée aux substances comme les PFAS et des métriques de durabilité plus larges dans la chaîne d'approvisionnement.
• Technologies d'isolation alternatives :Bien que les photocoupleurs restent dominants pour de nombreuses applications, des technologies comme l'isolation capacitive (utilisant des barrières en SiO₂) et l'isolation magnétique (utilisant des transformateurs) concurrencent dans les domaines nécessitant une très haute vitesse, une faible consommation d'énergie ou une haute densité d'intégration. Les photocoupleurs conservent des avantages en simplicité, haute immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) et certifications de sécurité bien établies.

L'EL2514-G, en mettant l'accent sur les certifications de sécurité, la conformité environnementale et des performances robustes, répond aux besoins durables des marchés industriels, de l'énergie et des appareils où ces tendances sont d'une importance cruciale.