Fiche technique de la série EL121N - Boîtier SOP 4 broches - Profil 2,0 mm - Isolation 3750 Vrms - CTR 50-400% - Document technique

1. Vue d'ensemble du produit

La série EL121N représente une famille de composants optoélectroniques infrarouges conçus pour l'isolation et la transmission de signaux. Son cœur est constitué d'une diode électroluminescente infrarouge (IRED) en arséniure de gallium couplée optiquement à un phototransistor NPN au silicium, le tout logé dans un boîtier SOP (Small Outline Package) 4 broches compact pour montage en surface. Sa fonction principale est de transférer des signaux électriques entre deux circuits tout en maintenant un fort isolement électrique, empêchant ainsi la propagation du bruit, des boucles de masse et des pointes de tension d'un côté à l'autre.

Le composant est conçu pour des applications nécessitant un isolement fiable dans des espaces restreints. Son profil bas de 2,0 mm le rend adapté aux 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, notamment l'absence d'halogènes, l'absence de plomb (Pb-free) et la conformité aux directives RoHS et REACH de l'UE. De plus, il bénéficie d'homologations de sécurité internationales majeures, notamment UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO et FIMKO, ce qui souligne sa fiabilité et son adéquation pour une utilisation dans des équipements commerciaux et industriels à l'échelle mondiale.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques absolues maximales

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents peuvent survenir. Le fonctionnement à ces limites ou au-delà n'est pas garanti.

• Entrée (côté LED) :Le courant direct (I_F) est spécifié à 50 mA en continu. Un pic de courant direct bref (I_FP) de 1 A pendant 1 microseconde est autorisé, ce qui est pertinent pour un fonctionnement en impulsions. La tension inverse maximale (V_R) est de 6 V, soulignant la nécessité d'une protection de polarité adéquate.
• Sortie (côté transistor) :Le courant de collecteur (I_C) est spécifié à 50 mA. La tension collecteur-émetteur (V_CEO) est de 80 V, tandis que la tension émetteur-collecteur (V_ECO) n'est que de 7 V, mettant en évidence la nature asymétrique des caractéristiques de claquage du phototransistor.
• Puissance et thermique :La dissipation de puissance totale du composant (P_TOT) est de 200 mW. Des facteurs de déclassement séparés sont fournis : 2,9 mW/°C pour l'entrée (LED) au-dessus de 100°C ambiant, et 3,7 mW/°C pour la sortie (transistor) au-dessus de 70°C ambiant. Ceci est crucial pour la gestion thermique dans les environnements à haute température.
• Isolement et environnement :La tension d'isolement (V_ISO) est de 3750 V_effpendant 1 minute, testée avec les broches 1-2 court-circuitées ensemble et les broches 3-4 court-circuitées ensemble. La plage de température de fonctionnement est de -55°C à +110°C, et le stockage s'étend de -55°C à +125°C.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres définissent les performances du composant dans des conditions de fonctionnement normales (Ta=25°C sauf indication contraire).

• Caractéristiques d'entrée :La tension directe (V_F) est typiquement de 1,2 V à un courant de test de 20 mA, avec un maximum de 1,4 V. Cette faible tension est bénéfique pour les circuits d'interface logique basse consommation. Le courant de fuite inverse (I_R) est au maximum de 10 µA à 4 V.
• Caractéristiques de sortie :Le courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO), qui est le courant de fuite avec la LED éteinte, est au maximum de 100 nA à V_CE=20 V. Les tensions de claquage (BV_CEO=80 V,BV_ECO=7 V) confirment les spécifications.
• Caractéristiques de transfert :C'est le cœur de la spécification du composant.
  • Taux de transfert de courant (CTR) :C'est le rapport entre le courant de collecteur de sortie et le courant direct de la LED d'entrée, exprimé en pourcentage. La série EL121N propose unsystème de classement/binning:
    • EL121N (Standard) :Plage de CTR de 50 % à 400 % à I_F=5 mA, V_CE=5 V.
    • EL121N B :Un bin plus serré de 130 % à 260 %.
    • EL121N C :Un bin haute performance de 200 % à 400 %.
    • EL121N BC :Un bin large couvrant 130 % à 400 %.
    Ce classement permet aux concepteurs de sélectionner les composants en fonction du gain et de la cohérence requis, optimisant ainsi les performances et le coût du circuit.
  • Tension de saturation (V_CE(sat)) :Typiquement 0,1 V (max 0,2 V) lorsqu'il est piloté avec I_F=20 mA et chargé avec I_C=1 mA. Cette faible valeur est excellente pour les applications de commutation numérique, minimisant la perte de tension.
  • Résistance d'isolement (R_IO) :Minimum 5 x 10¹⁰Ω, indiquant une résistance d'isolement en courant continu extrêmement élevée.
  • Vitesse de commutation :Le temps de montée (t_r) est typiquement de 6 µs (max 18 µs) et le temps de descente (t_f) est typiquement de 8 µs (max 18 µs) dans des conditions de test spécifiées (V_CE=2 V, I_C=2 mA, R_L=100 Ω). Ceci définit la capacité du composant pour la transmission de signaux numériques à vitesse moyenne.

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 reproduits en texte, ils incluent généralement les relations suivantes, cruciales pour la conception :

• CTR vs. Courant direct (I_F) :Le CTR n'est pas constant ; il diminue généralement lorsque I_Faugmente. Les concepteurs doivent consulter cette courbe pour choisir un point de fonctionnement qui fournit le gain souhaité sans suralimenter la LED.
• CTR vs. Température ambiante (T_a) :Le CTR des optocoupleurs a un coefficient de température négatif ; il diminue lorsque la température augmente. Cette courbe est vitale pour assurer la stabilité du circuit sur la plage de température de fonctionnement prévue.
• Courant collecteur vs. Tension collecteur-émetteur (I_C-V_CE) :Ces courbes caractéristiques de sortie montrent le phototransistor fonctionnant dans ses régions linéaire (active) et saturée, similaire à un transistor bipolaire standard, mais avec I_Fcomme paramètre de contrôle au lieu du courant de base.
• Tension directe vs. Courant direct (V_F-I_F) :Cette caractéristique de la LED est importante pour concevoir le circuit de pilotage à limitation de courant.

La figure 10 de la fiche technique fournit le circuit de test standard et les définitions des formes d'onde pour mesurer les temps de commutation (t_on, t_off, t_r, t_f), en utilisant une charge résistive (R_L) et une impulsion d'entrée définie.

4. Informations mécaniques, de boîtier et d'assemblage

4.1 Configuration des broches et dimensions du boîtier

Le boîtier SOP 4 broches a un brochage clair :

1. Anode (A) de la LED infrarouge
2. Cathode (K) de la LED infrarouge
3. Émetteur (E) du phototransistor
4. Collecteur (C) du phototransistor

Le dessin du boîtier fournit des dimensions précises, y compris la taille du corps, l'espacement des broches et la hauteur totale, confirmant le profil de 2,0 mm. Un motif de pastilles recommandé pour le PCB (layout des pads) est également fourni pour assurer une soudure fiable et une stabilité mécanique lors de l'assemblage en surface.

4.2 Recommandations de soudure et d'assemblage

Le composant est spécifié pour une température de soudure maximale (T_SOL) de 260°C pendant 10 secondes. De plus, un profil de soudure par refusion détaillé est fourni, conforme à la norme IPC/JEDEC J-STD-020D. Les paramètres clés de ce profil incluent :

• Préchauffage :150°C à 200°C sur 60-120 secondes.
• 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.
• Nombre maximum de refusions :3 fois.

Respecter ce profil est essentiel pour éviter la fissuration du boîtier, le délaminage ou l'endommagement de la puce interne et des fils de liaison.

5. Commande, conditionnement et marquage

5.1 Système de numérotation des références

Le numéro de référence suit le format :EL121N(X)(Y)-V

• EL121N :Numéro de base du composant.
• X :Classe de CTR (B, C, BC, ou vide pour la classe standard).
• Y :Option de bande et bobine (TA ou TB, différant par le sens d'alimentation).
• -V :Suffixe optionnel indiquant l'inclusion de l'homologation VDE.

Exemples : EL121NBC-TA, EL121NC-TB-V.

5.2 Spécifications de conditionnement

Les composants sont fournis en bande et bobine pour l'assemblage automatisé. Les dimensions de la bande (largeur, taille des poches, pas) et les spécifications de la bobine sont fournies en détail. Les deux options TA et TB contiennent 3000 unités par bobine.

5.3 Marquage du composant

Chaque composant est marqué sur le dessus avec un code laser ou à l'encre :EL 121N RYWWV

• EL :Code du fabricant.
• 121N :Numéro du composant.
• R :Code de la classe de CTR (par exemple, B ou C).
• Y :Code de l'année (1 chiffre).
• WW :Code de la semaine (2 chiffres).
• V :Présence du marquage d'homologation VDE.

Ce marquage permet la traçabilité et la vérification du type de composant.

6. Notes d'application et considérations de conception

6.1 Applications typiques

La série EL121N est adaptée à un large éventail de besoins d'isolement et d'interface :

• Alimentations à découpage (SMPS) :Fournissant une isolation de rétroaction dans les convertisseurs DC-DC, cruciale pour réguler la tension de sortie tout en maintenant l'isolement de sécurité du côté primaire.
• Systèmes de contrôle industriel :Interface entre les contrôleurs logiques basse tension (API) et les actionneurs ou capteurs industriels à tension/courant plus élevés, empêchant le bruit des boucles de masse.
• Équipements de télécommunication :Isolation des lignes de signal ou fourniture d'une isolation galvanique dans les interfaces de modem, routeur ou carte de ligne.
• Isolement de circuit général :Toute application nécessitant un transfert de signal entre des circuits de potentiels de masse ou d'impédances différents.

6.2 Considérations de conception critiques

• Dégradation du CTR :Le CTR des optocoupleurs peut se dégrader avec le temps, surtout lorsqu'il est utilisé à des courants de LED élevés et à des températures élevées. Déclasser le courant de la LED et choisir un composant avec un CTR initial bien supérieur au minimum requis fournit une marge de longévité.
• Compromis vitesse vs. courant :La vitesse de commutation s'améliore avec un courant de pilotage de LED plus élevé, mais au prix d'une consommation d'énergie plus élevée et d'un vieillissement potentiellement accéléré. La condition de test (I_F=10 mA typ.) donne une base ; pour des vitesses plus rapides, un I_Fplus élevé peut être nécessaire.
• Sélection de la résistance de charge :La valeur de la résistance de charge (R_Lsur le collecteur) affecte à la fois la vitesse de commutation et l'excursion de tension de sortie. Un R_Lplus petit améliore la vitesse mais réduit le gain et la plage de tension de sortie.
• Immunité au bruit :Pour les applications numériques, assurer une "marge de bruit" suffisante en concevant le circuit récepteur pour distinguer clairement les états allumé et éteint du phototransistor est essentiel.
• Ligne de fuite et distance d'isolement :Lors de la conception du layout du PCB, maintenez les distances de ligne de fuite et d'isolement spécifiées (impliquées par la spécification de 3750 V_eff) entre les pistes du côté entrée et du côté sortie pour préserver l'intégrité de l'isolement.

7. Comparaison et positionnement technique

Sur le marché des photocoupleurs à sortie phototransistor, la série EL121N se positionne par plusieurs attributs clés :

• Boîtier :Le SOP 4 broches offre un encombrement plus compact que les anciens boîtiers DIP 4 broches tout en étant plus facile à manipuler et à souder que les boîtiers ultra-miniatures 4 broches, offrant un équilibre entre taille et fabricabilité.
• Classement CTR :Proposer plusieurs classes de CTR clairement définies (B, C, BC) offre une flexibilité pas toujours disponible avec les composants génériques, permettant une conception optimisée.
• Certifications complètes :L'accumulation des homologations UL, cUL, VDE et nordiques SEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO dans un seul composant simplifie le processus de sélection des composants pour les produits ciblant les marchés mondiaux avec des exigences de sécurité strictes.
• Équilibre des performances :Avec un CTR allant jusqu'à 400 %, une tension de saturation inférieure à 0,2 V et des temps de commutation dans la gamme microseconde, il offre des performances équilibrées adaptées à un large spectre de tâches d'isolement analogiques et numériques, des signaux simples marche/arrêt à la rétroaction PWM.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

8.1 Quelle est la différence entre les options de bande TA et TB ?

La principale différence est lesens d'alimentationdepuis la bobine. TA et TB ont les poches à composants orientées différemment sur la bande porteuse. Le concepteur doit spécifier l'option correcte en fonction de l'orientation requise par le système d'alimentation de sa machine de placement spécifique. Les deux contiennent 3000 unités.

8.2 Comment choisir entre les classes de CTR B, C et BC ?

Sélectionnez en fonction des besoins en gain et en cohérence de votre circuit.

• Utilisez laClasse C (200-400 %)pour les applications nécessitant une haute sensibilité ou lorsque le circuit de pilotage ne peut fournir qu'un faible courant de LED.
• Utilisez laClasse B (130-260 %)pour les applications où un gain modéré et étroitement contrôlé est nécessaire pour des performances prévisibles sur toutes les unités.
• Utilisez laclasse Standard (50-400 %)ou laclasse BC (130-400 %)pour les applications sensibles au coût où la conception du circuit peut tolérer une variation plus large du CTR, souvent en utilisant une rétroaction ou des niveaux de signal moins critiques.

8.3 Ce composant peut-il être utilisé pour l'isolation de signaux analogiques ?

Oui, mais avec d'importantes mises en garde. La non-linéarité du phototransistor, la dépendance à la température du CTR et la variation inhérente d'un composant à l'autre le rendent moins idéal pour l'isolation analogique de haute précision par rapport aux optocoupleurs linéaires dédiés (qui contiennent une photodiode et un amplificateur opérationnel). Pour les signaux analogiques de moindre précision ou dans les circuits utilisant une linéarisation externe et une compensation de température, il peut être utilisé efficacement.

8.4 Quel est l'objectif du test de tension d'isolement (broches 1-2 court-circuitées vers 3-4) ?

Ce test vérifie l'intégrité de la barrière d'isolation interne entre les sections d'entrée (LED) et de sortie (phototransistor) du boîtier. Court-circuiter les broches de chaque côté assure que la tension de test est appliquée sur toute la frontière d'isolement, vérifiant tout chemin de claquage potentiel à travers le composé de moulage ou le long du cadre de broches.