Fiche technique du photocoupleur EL3H7U-G - Boîtier SSOP 4 broches - Profil 2,0 mm - Isolation 3750 Vrms - CTR 100-560% - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

La série EL3H7U-G représente une famille de photocoupleurs à phototransistor (optocoupleurs) compacts et montés en surface, conçus pour une isolation de signal fiable dans les circuits électroniques modernes. Ces dispositifs assurent une fonction cruciale en transférant des signaux électriques entre deux circuits isolés grâce à la lumière, empêchant ainsi les hautes tensions ou les boucles de masse d'un circuit d'affecter ou d'endommager l'autre.

La construction repose sur une diode électroluminescente infrarouge (IRED) en arséniure de gallium, couplée optiquement à un phototransistor NPN en silicium. Les deux éléments sont encapsulés dans un composé vert sans halogène et logés dans un boîtier Small Outline Package (SSOP) à 4 broches avec un faible profil de 2,0 mm. Ce boîtier est idéal pour les applications à encombrement réduit sur les cartes de circuits imprimés (PCB).

1.1 Avantages principaux et marché cible

Les principaux avantages de la série EL3H7U-G incluent sa haute capacité d'isolation, son facteur de forme compact et sa conformité aux normes internationales de sécurité et environnementales. Avec une tension d'isolement (Viso) de 3750 Vrms, elle offre une protection robuste aux circuits sensibles. Sa composition sans halogène est conforme aux réglementations environnementales comme RoHS et REACH. Le dispositif est homologué par les principales agences de sécurité internationales, notamment UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO et CQC, ce qui le rend adapté aux marchés mondiaux exigeant des composants certifiés.

Les applications cibles sont variées, se concentrant sur les domaines où l'isolation électrique et l'immunité au bruit sont primordiales. Les marchés clés incluent les alimentations à découpage (SMPS), en particulier les convertisseurs DC-DC, les automates programmables industriels (API), les équipements de télécommunication et la transmission de signaux généraux entre circuits avec des potentiels de masse ou des niveaux d'impédance différents.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

La compréhension des caractéristiques maximales absolues et des caractéristiques électriques est essentielle pour une conception de circuit fiable et pour garantir la fiabilité à long terme du photocoupleur.

2.1 Caractéristiques maximales absolues

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

• Entrée (côté LED) :Le courant direct (I_F) ne doit pas dépasser 20 mA. La tension inverse (V_R) est limitée à 5 V, ce qui souligne la nécessité d'une protection de polarité adéquate si l'entrée peut être soumise à une polarisation inverse.
• Sortie (côté phototransistor) :Le courant de collecteur (I_C) est nominalement de 30 mA. La tension collecteur-émetteur (V_CEO) peut supporter jusqu'à 60 V, tandis que la tension émetteur-collecteur (V_ECO) est beaucoup plus faible à 5 V, indiquant l'asymétrie des caractéristiques de claquage du phototransistor.
• Thermique et isolation :La dissipation de puissance totale du dispositif (P_TOT) est de 200 mW. La tension d'isolement (V_ISO) de 3750 Vrms est testée pendant 1 minute avec les broches 1-2 et 3-4 court-circuitées ensemble dans des conditions d'humidité contrôlée (40-60% HR). La plage de température de fonctionnement est spécifiée de -40°C à +125°C.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

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

• Caractéristiques d'entrée :La tension directe (V_F) est typiquement de 1,3 V à un courant direct (I_F) de 1 mA, ce qui est important pour la conception du circuit de commande. La capacité d'entrée (C_in) peut atteindre 250 pF, ce qui peut affecter les performances de commutation à haute fréquence.
• Caractéristiques de sortie :Le courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO) est très faible (max 100 nA à V_CE=20V), représentant le courant de fuite lorsque la LED est éteinte. La tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(sat)) est au maximum de 0,4 V dans des conditions de test spécifiées (I_F=3mA, I_C=1,6mA), indiquant une faible chute de tension lorsque le transistor est complètement passant.
• Paramètres d'isolation :La résistance d'isolement (R_IO) est d'un minimum de 5 x 10¹⁰Ω, et la capacité d'isolement (C_IO) est d'un maximum de 1,0 pF. Ces valeurs sont critiques pour déterminer le taux de réjection en mode commun et le couplage des bruits haute fréquence à travers la barrière d'isolation.

2.3 Caractéristiques de transfert et système de classement

Le Taux de Transfert de Courant (CTR) est le paramètre le plus critique d'un photocoupleur, défini comme le rapport entre le courant de collecteur de sortie (I_C) et le courant direct de la LED d'entrée (I_F), exprimé en pourcentage : CTR = (I_CF) * 100%.

La série EL3H7U-G utilise un système de classement CTR pour offrir aux concepteurs des plages de performances cohérentes :

• EL3H7U (Standard) :Plage CTR de 50% à 600% à I_F= 0,5 mA, V_CE= 5V.
• EL3H7UA :Plage CTR de 100% à 200%.
• EL3H7UB :Plage CTR de 150% à 300%.
• EL3H7UC :Plage CTR de 200% à 400%.

Ce classement permet une conception plus précise, en particulier dans les circuits où la constance du gain est importante, comme dans les boucles de rétroaction des alimentations. La version standard offre la plage la plus large, adaptée aux applications générales où le CTR exact est moins critique.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs graphiques illustrant les tendances clés de performance. Il est crucial de noter que ces courbes représentent un comportement typique et ne sont pas garanties par les tests de production.

3.1 Courant direct vs Tension directe (Figure 1)

Ce graphique montre la caractéristique I-V de l'IRED d'entrée à différentes températures ambiantes (-40°C, 25°C, 125°C). La tension directe (V_F) a un coefficient de température négatif, ce qui signifie qu'elle diminue lorsque la température augmente pour un courant donné. C'est un comportement typique des diodes et doit être pris en compte dans la gestion thermique et la conception de commande à courant constant.

3.2 Courant de collecteur vs Courant direct (Figure 2) et CTR vs Courant direct (Figure 3)

La figure 2 trace le courant de collecteur de sortie (I_C) en fonction du courant de la LED d'entrée (I_F) pour deux tensions collecteur-émetteur différentes (V_CE=0,4V et 5V). La relation est linéaire aux courants plus faibles mais montre une saturation aux niveaux de I_Fplus élevés, en particulier à la V_CEplus basse. La figure 3 montre que le CTR normalisé diminue lorsque I_Faugmente. Cela indique que le dispositif est le plus efficace (CTR le plus élevé) aux courants de commande plus faibles, typiquement autour de la condition de test de 0,5 mA.

3.3 Dépendance à la température (Figures 6 & 7)

La figure 6 démontre que le courant de collecteur (I_C) pour un I_Ffixe augmente avec la température. La figure 7 montre que le CTR normalisé atteint un pic autour de la température ambiante et diminue à la fois aux températures plus élevées et plus basses. Cette dépendance du CTR à la température est un facteur de conception critique. Les circuits doivent être conçus pour fonctionner correctement sur toute la plage de température spécifiée, en tenant compte de la variation du gain.

3.4 Caractéristiques de commutation (Figure 9)

Le graphique du temps de commutation en fonction de la résistance de charge (R_L) montre que le temps de montée (t_r) et le temps de descente (t_f) diminuent tous deux lorsque la résistance de charge diminue. Une commutation plus rapide est obtenue avec des résistances de charge plus petites, mais cela se fait au prix d'une dissipation de puissance plus élevée dans l'étage de sortie. Le circuit de test (Figure 13) définit t_rcomme le temps de 10% à 90% de l'impulsion de sortie et t_fcomme de 90% à 10%.

4. Informations mécaniques, d'emballage et d'assemblage

4.1 Configuration des broches et polarité

Le dispositif utilise un empreinte standard SSOP à 4 broches. Le brochage est le suivant : Broche 1 : Anode de l'IRED, Broche 2 : Cathode de l'IRED, Broche 3 : Émetteur du phototransistor, Broche 4 : Collecteur du phototransistor. La polarité correcte doit être respectée lors de la conception du PCB et de l'assemblage pour éviter tout dommage.

4.2 Directives de soudage et de manipulation

La caractéristique maximale absolue pour la température de soudage (T_SOL) est de 260°C pendant 10 secondes. Cela correspond aux profils typiques de soudage par refusion sans plomb. Les directives standard IPC/JEDEC J-STD-020 pour les dispositifs sensibles à l'humidité doivent être suivies. Le dispositif doit être stocké dans son sac barrière à l'humidité d'origine avec un dessiccant dans des conditions contrôlées et être séché avant soudage si le sac a été ouvert ou si la limite de temps d'exposition est dépassée.

5. Informations de commande et emballage

La référence suit la structure : EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X :Classe CTR (A, B, C, ou vide pour la qualité standard).
• Y :Option bande et bobine (TA, TB, ou vide). TA et TB font probablement référence à différentes tailles de bobine ou orientations d'emballage, toutes deux contenant 5000 unités par bobine.
• V :Marquage d'homologation VDE optionnel.
• G :Désigne un matériau sans halogène.

Exemples : EL3H7UB-TA-VG serait un dispositif de classe CTR B, emballé sur une bande et bobine TA, avec homologation VDE et matériau sans halogène.

6. Directives d'application et considérations de conception

6.1 Circuits d'application typiques

L'application principale est l'isolation de signal. Un circuit typique implique de commander la LED d'entrée avec une résistance de limitation de courant depuis une source de signal numérique (par exemple, une GPIO de microcontrôleur). Le phototransistor de sortie peut être utilisé en configuration émetteur commun (collecteur connecté à une résistance de rappel, émetteur à la masse) pour produire un signal de sortie inversé, ou en configuration suiveur d'émetteur pour un signal non inversé.

6.2 Considérations de conception clés

• Courant de commande de la LED :Sélectionnez I_Fen fonction de la vitesse de commutation requise et du CTR. Un I_Fplus faible offre un CTR plus élevé mais une commutation plus lente. Une résistance série doit être calculée en utilisant R = (V_source- V_F) / I_F.
• Résistance de charge de sortie (R_L) :Cette résistance détermine l'excursion de tension de sortie, la vitesse de commutation et la dissipation de puissance. Un R_Lplus petit donne une commutation plus rapide mais une excursion de tension de sortie plus faible et un I_C.
• plus élevé. Dégradation du CTR :Le CTR des photocoupleurs peut se dégrader avec le temps, en particulier lorsqu'ils fonctionnent à haute température et avec des courants de LED élevés. Pour les conceptions à longue durée de vie, dératez le I_Fde fonctionnement et assurez une gestion thermique adéquate.
• Immunité au bruit :Pour les environnements bruyants, un petit condensateur de découplage (par exemple, 0,1 μF) entre les broches d'entrée, près du dispositif, peut aider. Sur la sortie, une conception de PCB soignée pour minimiser la capacité parasite est importante pour les signaux haute vitesse.

7. Comparaison technique et FAQ

7.1 Différenciation par rapport aux autres photocoupleurs

La série EL3H7U-G se différencie par la combinaison d'un boîtier SSOP compact, d'une haute tension d'isolement de 3750 Vrms, d'une large plage de température de fonctionnement de -40°C à +125°C et de certifications de sécurité internationales complètes. De nombreux dispositifs concurrents peuvent offrir un CTR ou une vitesse similaires, mais manquent de l'ensemble complet d'homologations ou de la capacité à haute température.

7.2 Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Quelle est la différence entre la qualité standard et les qualités A/B/C ?

A : La qualité standard a une plage CTR très large (50-600%). Les qualités A, B et C sont triées dans des plages CTR garanties plus étroites (par exemple, 200-400% pour la qualité C). Utilisez les pièces classées pour les conceptions nécessitant un gain prévisible.

Q : Puis-je l'utiliser pour l'isolation de signaux d'entrée CA ?

A : Pas directement. L'entrée est une IRED, qui est une diode et ne conduit que dans un sens. Pour isoler un signal CA, vous devriez d'abord le redresser ou utiliser un photocoupleur à entrée CA dédié.

Q : Comment calculer le débit de données maximum ?

A : Le débit de données maximum est limité par la somme des temps de montée et de descente (t_r+ t_f). Une estimation approximative pour un signal numérique est Bande passante ≈ 0,35 / (t_r). Avec un t_rtypique de 8 μs, la bande passante est d'environ 44 kHz. Pour une communication numérique fiable, le débit de données pratique sera inférieur.

Q : Pourquoi la capacité d'isolement est-elle importante ?

A : Une faible capacité d'isolement (C_IO) est cruciale pour rejeter le bruit en mode commun haute fréquence. Dans les applications avec des transitoires de tension rapides à travers la barrière d'isolation (comme dans les entraînements de moteurs), un C_IOélevé peut coupler le bruit du côté primaire au côté secondaire, pouvant potentiellement causer des dysfonctionnements.

8. Principe de fonctionnement et tendances technologiques

8.1 Principe de fonctionnement fondamental

Un photocoupleur fonctionne sur le principe de la conversion électro-optique-électrique. Un signal électrique appliqué au côté d'entrée fait émettre à l'IRED une lumière infrarouge proportionnelle au courant. Cette lumière traverse une barrière d'isolation transparente à l'intérieur du boîtier. Sur le côté de sortie, le phototransistor détecte cette lumière, générant un courant de base qui contrôle à son tour un courant de collecteur beaucoup plus important. Les deux circuits sont électriquement isolés, avec seulement un couplage optique entre eux.

8.2 Tendances de l'industrie

La tendance dans la technologie des photocoupleurs va vers une vitesse plus élevée, une consommation d'énergie plus faible, une intégration plus élevée et des boîtiers plus petits. Alors que les dispositifs traditionnels à base de phototransistor comme l'EL3H7U-G sont excellents pour l'isolation CC et basse fréquence, les nouvelles technologies comme les isolateurs numériques (utilisant le CMOS et le couplage RF ou capacitif) offrent des débits de données nettement plus élevés, une puissance plus faible et de meilleures caractéristiques temporelles. Cependant, les photocoupleurs conservent des avantages en matière d'immunité élevée aux transitoires en mode commun (CMTI), de simplicité et d'homologations de sécurité bien établies pour l'isolation haute tension, assurant leur pertinence continue dans les applications de conversion de puissance et de contrôle industriel.