Fiche technique de la série EL354N-G - Photocoupleur à entrée AC - Boîtier SOP 4 broches - Isolation 3750 Vrms - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

La série EL354N-G représente une famille de photocoupleurs phototransistors compacts et hautes performances, conçus spécifiquement pour les applications à entrée AC. Ces dispositifs sont conçus pour fournir une isolation électrique fiable et une transmission de signal dans des environnements où la polarité d'entrée peut être inconnue ou alternative. Le cœur du dispositif est constitué de deux diodes électroluminescentes infrarouges connectées en parallèle inverse, couplées optiquement à un détecteur phototransistor au silicium. Cette configuration unique permet au dispositif de répondre au courant circulant dans les deux sens à travers les LED d'entrée, le rendant intrinsèquement adapté aux applications de surveillance et de détection de signaux AC où la polarité DC n'est pas fixe.

Logés dans un boîtier SOP (Small Outline Package) 4 broches économisant de l'espace, ces photocoupleurs sont idéaux pour les conceptions modernes de cartes de circuits imprimés (PCB) à haute densité. Une philosophie de conception clé de cette série est la conformité aux normes environnementales et de sécurité mondiales. Les dispositifs sont sans halogène, respectant des limites strictes sur le brome (Br<900 ppm), le chlore (Cl<900 ppm) et leur total combiné (Br+Cl<1500 ppm). De plus, ils restent conformes aux directives RoHS (Restriction des Substances Dangereuses) et au règlement REACH de l'UE, garantissant qu'ils répondent aux exigences environnementales contemporaines pour les composants électroniques.

1.1 Avantages principaux et marché cible

L'avantage principal de la série EL354N-G réside dans sa combinaison de capacité d'entrée AC, de haute isolation et de facteur de forme compact. La haute tension d'isolement de 3750 V_rmsentre l'entrée et la sortie fournit une barrière de sécurité robuste, protégeant les circuits de commande basse tension sensibles des lignes secteur haute tension ou des lignes industrielles bruyantes. Cela les rend indispensables dans les applications nécessitant une isolation galvanique.

Les marchés cibles pour ce composant sont divers, couvrant l'automatisation industrielle, les télécommunications et la gestion de l'alimentation. Les principaux domaines d'application incluent la surveillance de ligne AC dans les alimentations et les appareils électroménagers, fournissant une isolation d'entrée dans les automates programmables (PLC), l'interface dans les circuits de ligne téléphonique, et servant de capteurs pour les signaux DC de polarité inconnue. Les homologations du dispositif par les principales agences de sécurité internationales—incluant UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO et CQC—facilitent son utilisation dans les produits finaux destinés aux marchés mondiaux, simplifiant le processus de certification pour les fabricants d'équipements.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Une compréhension approfondie des limites et des caractéristiques de performance du dispositif est cruciale pour une conception de circuit fiable. Les paramètres définissent l'enveloppe opérationnelle et garantissent que le composant est utilisé dans sa zone de fonctionnement sûre (SOA).

2.1 Valeurs maximales absolues

Les Valeurs Maximales Absolues spécifient les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Ce ne sont pas des conditions de fonctionnement.

• Courant direct d'entrée (I_F): ±50 mA (DC). Cette valeur s'applique au courant dans les deux sens à travers les diodes d'entrée.
• Courant direct de crête (I_FP): 1 A pour une impulsion de 1 µs. Cela permet au dispositif de résister à de brèves surtensions de courant.
• Dissipation de puissance: La dissipation de puissance totale du dispositif (P_TOT) ne doit pas dépasser 200 mW. Le côté entrée (P_D) est spécifié pour 70 mW avec un facteur de déclassement de 3,7 mW/°C au-dessus de 90°C de température ambiante (T_a). Le côté sortie (P_C) est spécifié pour 150 mW, avec déclassement au-dessus de 70°C T_a.
• Tensions nominales: La tension collecteur-émetteur (V_CEO) est de 80 V, tandis que la tension émetteur-collecteur (V_ECO) est de 6 V. L'asymétrie est due à la structure du phototransistor.
• Tension d'isolement (V_ISO): 3750 V_rmspendant 1 minute à 40-60% d'humidité relative. C'est un paramètre de sécurité critique.
• Plage de température: La température de fonctionnement (T_OPR) s'étend de -55°C à +100°C. La température de stockage (T_STG) varie de -55°C à +125°C.
• Température de soudure: Le dispositif peut supporter une température de soudure de pointe (T_SOL) de 260°C pendant 10 secondes, ce qui est compatible avec les processus de refusion sans plomb.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres définissent la performance du dispositif dans des conditions de fonctionnement normales à 25°C, sauf indication contraire.

2.2.1 Caractéristiques d'entrée

• Tension directe (V_F): Typiquement 1,2 V, avec un maximum de 1,4 V à un courant direct (I_F) de ±20 mA. Cette faible chute de tension est bénéfique pour les circuits basse consommation.
• Capacité d'entrée (C_in): Varie de 50 pF (typique) à 250 pF (max) à 1 kHz. Ce paramètre affecte la réponse en haute fréquence et le bruit de couplage potentiel.

2.2.2 Caractéristiques de sortie

• Courant d'obscurité (I_CEO): Le courant de fuite du collecteur à l'émetteur lorsque la LED d'entrée est éteinte (I_F=0) et V_CE=20V est un maximum de 100 nA. Un faible courant d'obscurité est essentiel pour un bon rapport signal/bruit dans les conditions d'état éteint.
• Tensions de claquage: BV_CEOest un minimum de 80 V, et BV_ECOest un minimum de 7 V. Celles-ci définissent les tensions inverses maximales supportables.

2.2.3 Caractéristiques de transfert

Ces paramètres décrivent l'efficacité et la vitesse de couplage entre l'entrée et la sortie.

• Taux de Transfert de Courant (CTR): C'est le rapport du courant de collecteur de sortie (I_C) au courant direct d'entrée (I_F), exprimé en pourcentage. C'est le paramètre clé pour le gain. Le EL354N standard a une plage CTR de 20% à 300% à I_F= ±1mA, V_CE= 5V. La variante EL354NA offre un classement plus serré et plus élevé avec une plage CTR de 50% à 150% dans les mêmes conditions. Ce classement permet aux concepteurs de sélectionner des dispositifs pour un gain plus cohérent en production.
• Tension de saturation (V_CE(sat)): Typiquement 0,1 V, maximum 0,2 V lorsque I_F=±20mA et I_C=1mA. Une faible tension de saturation minimise la perte de puissance lorsque le transistor de sortie est complètement activé.
• Résistance d'isolement (R_IO): Minimum 5×10¹⁰Ω, typique 10¹¹Ω à 500 V DC. Cette résistance extrêmement élevée est fondamentale pour la fonction d'isolement.
• Fréquence de coupure (f_c): Typiquement 80 kHz (point -3dB) dans des conditions de test spécifiées. Cela définit la fréquence de signal utile maximale.
• Capacité flottante (C_IO): Typiquement 0,6 pF, maximum 1,0 pF à 1 MHz. C'est la capacité parasite à travers la barrière d'isolement, qui peut coupler du bruit haute fréquence.
• Vitesse de commutation: Le temps de montée (t_r) et le temps de descente (t_f) sont spécifiés comme un maximum de 18 µs. Cette vitesse relativement modérée convient à la surveillance de fréquence de ligne (50/60 Hz) et à de nombreux signaux de contrôle industriel, mais pas à la communication numérique haute vitesse.

3. Analyse des courbes de performance

Bien que la fiche technique fasse référence à des courbes caractéristiques électro-optiques typiques, leurs tracés spécifiques (par exemple, CTR vs. Température, CTR vs. Courant direct) sont essentiels pour une conception détaillée. Ces courbes montrent généralement que le CTR diminue avec l'augmentation de la température ambiante et peut avoir une relation non linéaire avec le courant direct. Les concepteurs doivent consulter ces graphiques pour déclasser correctement la performance pour leur environnement de fonctionnement spécifique, garantissant que le circuit maintient un gain suffisant sur la plage de température prévue. La relation entre le courant de sortie et le courant direct est également critique pour déterminer le courant de commande requis pour atteindre un état de sortie souhaité, en particulier lors d'un fonctionnement près des limites de la spécification CTR.

4. Informations mécaniques, de boîtier et d'assemblage

4.1 Dimensions du boîtier et polarité

Le dispositif est logé dans un boîtier SOP 4 broches. La configuration des broches est la suivante : Broche 1 est Anode/Cathode, Broche 2 est Cathode/Anode (pour la paire de LED en parallèle inverse), Broche 3 est l'Émetteur du phototransistor, et Broche 4 est le Collecteur. Ce brochage est crucial pour un placement correct sur le PCB. Le dessin du boîtier fournit des dimensions mécaniques précises incluant la longueur, la largeur, la hauteur du corps, le pas des broches et leurs dimensions, qui doivent être respectées pour une empreinte PCB précise.

4.2 Configuration recommandée des pastilles PCB

Une configuration de pastilles pour montage en surface est suggérée. Il est souligné qu'il s'agit d'une conception de référence et qu'elle doit être modifiée en fonction des processus de fabrication individuels, du matériau du PCB et des exigences thermiques. L'objectif de la conception des pastilles est d'assurer la formation fiable des joints de soudure pendant la refusion tout en gérant la contrainte thermique sur le composant.

4.3 Consignes de soudure et de refusion

Des conditions détaillées de soudure par refusion sont spécifiées, en référence à IPC/JEDEC J-STD-020D. Le profil est critique pour l'assemblage sans plomb :

• Préchauffage: 150°C à 200°C sur 60-120 secondes.
• Montée en température: Maximum 3°C/seconde de 200°C au pic.
• Temps au-dessus du liquidus (217°C): 60-100 secondes.
• Température de pic: 260°C maximum.
• Temps à moins de 5°C du pic: 30 secondes maximum.
• Taux de refroidissement: Maximum 6°C/seconde.
• Temps total du cycle: De 25°C au pic en 8 minutes maximum.
• Passes de refusion: Le dispositif peut supporter un maximum de 3 cycles de refusion.

Le respect de ce profil prévient les dommages thermiques au boîtier plastique et aux liaisons internes par fil.

5. Commande, conditionnement et marquage

5.1 Numérotation des pièces et système de classement

Le numéro de pièce suit la structure : EL354N(X)(Y)-VG.

• X: Option de classement CTR. 'A' désigne le classement 50-150% (EL354NA). Aucune lettre désigne le classement standard 20-300% (EL354N).
• Y: Option de bande et bobine. 'TA' ou 'TB' spécifie le type de bobine et l'orientation. L'omission indique un conditionnement en tube (100 unités).
• V: Suffixe optionnel indiquant l'homologation VDE est inclus.
• G: Désigne une construction sans halogène.

Les options de conditionnement incluent des tubes (100 unités) ou de la bande et bobine (3000 unités par bobine pour les options TA et TB). Les options 'TA' et 'TB' diffèrent par l'orientation des composants sur la bande porteuse, qui doit correspondre aux exigences du chargeur de la machine de placement.

5.2 Marquage du dispositif

Les dispositifs sont marqués sur la surface supérieure avec un code :EL 354N RYWWV.

• EL: Code du fabricant.
• 354N: Numéro de base du dispositif.
• R: Classement CTR (par exemple, 'A' ou vide).
• Y: Code d'année à 1 chiffre.
• WW: Code de semaine à 2 chiffres.
• V: La présence indique l'homologation VDE (optionnel).

5.3 Spécifications de la bande et bobine

Des dimensions détaillées pour la bande porteuse emboutie sont fournies, incluant les dimensions des alvéoles (A, B, D0, D1), la largeur de la bande (W), le pas (P0) et les dimensions du scellement de la bande de couverture. Celles-ci sont nécessaires pour configurer correctement l'équipement d'assemblage automatisé.

6. Consignes d'application et considérations de conception

6.1 Circuits d'application typiques

L'application principale est la détection de tension de ligne AC ou la détection de passage par zéro. Un circuit typique implique de connecter les broches d'entrée (1 & 2) en série avec une résistance limitant le courant à travers la ligne AC. La valeur de la résistance doit être calculée pour limiter le courant direct de crête (I_F) à une valeur sûre inférieure à 50 mA, en considérant la tension AC de crête. Le transistor de sortie peut être connecté dans une configuration émetteur commun (Émetteur à la masse, Collecteur tiré à travers une résistance de charge vers une alimentation logique) pour fournir un signal numérique qui bascule avec le cycle AC. Pour la détection DC de polarité inconnue, le dispositif peut être placé directement dans la ligne de détection, car il conduira quel que soit le sens du courant.

6.2 Facteurs de conception critiques

• Limitation de courant: L'aspect le plus critique de la conception du circuit d'entrée. La résistance doit limiter le courant dans les pires conditions (tension de ligne maximale, tolérance minimale de la résistance).
• Dégradation du CTR: Le CTR peut se dégrader avec le temps, surtout à hautes températures et courants de fonctionnement. La conception doit incorporer une marge (par exemple, utiliser le CTR minimum de la fiche technique puis appliquer un facteur de déclassement supplémentaire pour la durée de vie).
• Immunité au bruit: La capacité parasite (C_IO) peut coupler des transitoires haute fréquence (comme ESD ou EMI) à travers la barrière d'isolement. Dans des environnements bruyants, un filtrage supplémentaire côté sortie ou l'utilisation d'un filtre numérique plus rapide dans le microcontrôleur peut être nécessaire.
• Limitation de vitesse de commutation: Le temps de montée/descente de 18 µs limite le dispositif aux applications basse fréquence. Il n'est pas adapté à l'isolement de lignes de données numériques haute vitesse.
• Dissipation thermiqueAssurez-vous que la dissipation de puissance totale (perte LED d'entrée + perte transistor de sortie) ne dépasse pas 200 mW, en considérant le déclassement avec la température.

7. Comparaison et différenciation techniques

Le principal différentiateur de l'EL354N-G est son entrée LED en parallèle inverse intégrée, éliminant le besoin de ponts redresseurs externes ou de circuits complexes pour gérer les signaux AC ou DC de polarité inconnue. Comparé aux photocoupleurs à entrée DC standard, cela simplifie la nomenclature et économise de l'espace sur la carte. Dans le segment des photocoupleurs à entrée AC, sa combinaison d'isolement 3750Vrms, de matériau sans halogène et d'homologations de sécurité internationales complètes (UL, VDE, etc.) dans un boîtier SOP compact présente une proposition de valeur forte pour les applications mondiales sensibles aux coûts mais critiques pour la sécurité. La disponibilité d'un classement CTR plus serré (EL354NA) offre un avantage pour les conceptions nécessitant un gain plus cohérent sans tri manuel ou calibration.

8. Questions Fréquemment Posées (FAQ)

Q : Puis-je utiliser ce dispositif pour détecter directement le secteur 120VAC ou 230VAC ?

R : Oui, mais vous devez utiliser une résistance série externe limitant le courant. Calculez sa valeur en fonction de la tension de crête du secteur (par exemple, 230VAC RMS a une crête d'environ 325V) et du courant LED souhaité, en veillant à ce que le courant de crête reste bien en dessous de la Valeur Maximale Absolue de 50 mA.

Q : Quelle est la différence entre l'EL354N et l'EL354NA ?

R : La différence réside dans le classement du Taux de Transfert de Courant (CTR). L'EL354N a une plage plus large (20-300%), tandis que l'EL354NA a une plage plus serrée, avec un minimum plus élevé (50-150%). Utilisez la version 'NA' pour les applications nécessitant un gain plus cohérent d'une unité à l'autre.

Q : La sortie est un phototransistor. Puis-je l'utiliser pour piloter directement un relais ?

R : Ce n'est pas recommandé. La capacité de courant du phototransistor est limitée (liée à sa puissance dissipée nominale). Il est conçu comme un dispositif de niveau signal. Pour piloter un relais, utilisez la sortie du photocoupleur pour piloter un transistor de puissance plus grand ou la grille d'un MOSFET.

Q : Comment garantir une isolation fiable dans ma conception ?

R : Maintenez des distances de fuite et de clairance appropriées sur le PCB entre les circuits d'entrée et de sortie conformément à la norme de sécurité pertinente (par exemple, IEC 60950-1, IEC 62368-1). La tension nominale de 3750Vrms du composant lui-même doit être soutenue par un espacement adéquat sur la carte.

9. Principe de fonctionnement

Le dispositif fonctionne sur le principe de la conversion optoélectronique et de l'isolement. Lorsqu'un courant traverse l'une des deux LED infrarouges d'entrée (selon la polarité), elle émet de la lumière. Cette lumière traverse une barrière d'isolement transparente (typiquement du plastique moulé) et frappe la région de base du phototransistor au silicium côté sortie. Les photons génèrent des paires électron-trou dans la base, agissant efficacement comme un courant de base, ce qui active le transistor, permettant à un courant de collecteur beaucoup plus important de circuler. La clé est que la seule connexion entre l'entrée et la sortie est optique, fournissant l'isolement galvanique. La configuration LED en parallèle inverse signifie que le courant entrant dans la broche 1 (Anode) et sortant de la broche 2 (Cathode) allume une LED, tandis que le courant dans la direction opposée allume l'autre LED, assurant le fonctionnement avec AC ou DC bidirectionnel.

10. Tendances de l'industrie

La tendance dans les optocoupleurs et la technologie d'isolement va vers une plus grande intégration, des vitesses plus rapides et une consommation d'énergie plus faible. Bien que les coupleurs traditionnels à base de phototransistor comme l'EL354N-G restent vitaux pour une isolation rentable et à vitesse moyenne dans les contrôles de puissance et industriels, de nouvelles technologies émergent. Celles-ci incluent les isolateurs numériques basés sur la technologie CMOS et le couplage RF, qui offrent des débits de données significativement plus élevés, une consommation plus faible et une fiabilité accrue. Cependant, pour la détection de ligne AC de base et la surveillance de tension où la simplicité, la haute tension d'isolement et la robustesse éprouvée sont primordiales, les coupleurs AC phototransistor continuent d'être une solution préférée et fiable. Le mouvement vers le sans halogène et une conformité environnementale renforcée, comme on le voit dans la série '-G', est une réponse directe aux tendances réglementaires mondiales.