Fiche technique - Photocoupleur Photodarlington 6 broches DIP - Séries TIL113, 4NXX, H11BX - Isolation 5000 Vrms

1. Vue d'ensemble du produit

Les séries TIL113, 4NXX et H11BX sont des familles de photocoupleurs photodarlington (opto-isolateurs). Chaque dispositif est constitué d'une diode électroluminescente infrarouge (LED) couplée optiquement à un détecteur transistor photodarlington. Cette configuration offre un rapport de transfert de courant (CTR) élevé, les rendant adaptés pour l'interface entre des signaux de commande à faible courant et des charges à courant plus élevé. Les dispositifs sont logés dans un boîtier DIP (Dual In-line Package) compact à 6 broches, avec des options pour le montage traversant standard, l'espacement large des broches et la technologie CMS (Composant Monté en Surface). L'avantage principal de cette série est la haute isolation électrique (5000 V_rms) entre les circuits d'entrée et de sortie, ce qui est crucial pour la sécurité et l'immunité au bruit dans les systèmes avec des potentiels de masse différents.

2. Caractéristiques clés et homologations

La série offre plusieurs caractéristiques significatives pour un fonctionnement robuste et fiable dans des applications exigeantes. La haute tension d'isolation de 5000 V_rmset une distance de fuite dépassant 7,62 mm assurent un fonctionnement sûr dans des environnements haute tension. Ces dispositifs sont spécifiés pour une plage de température de fonctionnement étendue jusqu'à +110°C. De plus, la série de produits est conforme aux principales normes internationales de sécurité et d'environnement, incluant les homologations UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO et CQC. Les dispositifs sont également conformes au règlement REACH de l'UE et sont disponibles en versions compatibles RoHS.

3. Applications

Ces photocoupleurs sont conçus pour une large gamme d'applications nécessitant une isolation électrique et un couplage de signal. Les utilisations typiques incluent :

• Interface de circuits logiques basse puissance et changement de niveau.
• Équipements de télécommunications pour l'isolation de signaux.
• Électronique portable et alimentée par batterie.
• Systèmes d'interface et de couplage fonctionnant à des potentiels et impédances électriques différents, comme dans les systèmes de contrôle industriel, les alimentations et les équipements de mesure.

4. Configuration des broches et schéma

Les dispositifs utilisent une configuration DIP standard à 6 broches. Le brochage est le suivant :

• Broche 1 : Anode de la LED d'entrée.
• Broche 2 : Cathode de la LED d'entrée.
• Broche 3 : Non connectée (NC).
• Broche 4 : Émetteur du transistor photodarlington de sortie.
• Broche 5 : Collecteur du transistor photodarlington de sortie.
• Broche 6 : Base du transistor photodarlington de sortie (généralement laissée ouverte ou connectée pour des réseaux d'accélération).

Le schéma interne montre la LED infrarouge connectée entre les broches 1 et 2, et le transistor photodarlington connecté entre les broches 4 (Émetteur), 5 (Collecteur) et 6 (Base).

5. Limites absolues

Des contraintes au-delà de ces limites peuvent causer des dommages permanents au dispositif. Toutes les spécifications sont données à une température ambiante (T_a) de 25°C sauf indication contraire.

• Entrée (LED) :Courant direct (I_F) : 60 mA ; Courant direct de crête (I_FP, impulsion 1µs) : 1 A ; Tension inverse (V_R) : 6 V ; Puissance dissipée (P_D) : 120 mW (dégradation requise au-dessus de T_a= 100°C à 3,8 mW/°C).
• Sortie (Transistor) :Puissance dissipée (P_C) : 150 mW (dégradation requise au-dessus de T_a= 80°C à 6,5 mW/°C) ; Tension Collecteur-Émetteur (V_CEO) : 55 V ; Tension Collecteur-Base (V_CBO) : 55 V ; Tension Émetteur-Collecteur (V_ECO) : 7 V ; Tension Émetteur-Base (V_EBO) : 7 V.
• Dispositif total :Puissance totale dissipée (P_TOT) : 200 mW ; Tension d'isolation (V_ISO) : 5000 V_rms(AC pendant 1 minute, 40-60% HR).
• Température :Température de fonctionnement (T_OPR) : -55°C à +100°C ; Température de stockage (T_STG) : -55°C à +125°C ; Température de soudure (T_SOL) : 260°C (pendant 10 secondes).

6. Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres définissent les performances électriques et optiques dans des conditions de fonctionnement normales, typiquement à T_a=25°C.

6.1 Caractéristiques d'entrée (LED)

• Tension directe (V_F) : Typiquement 1,2V, Maximum 1,5V à I_F= 10mA (50mA pour H11B3).
• Courant inverse (I_R) : Maximum 10 µA à V_R= 6V.
• Capacité d'entrée (C_in) : Typiquement 50 pF à V=0, f=1MHz.

6.2 Caractéristiques de sortie (Photodarlington)

• Courant d'obscurité Collecteur-Émetteur (I_CEO) : Maximum 100 nA à V_CE= 10V.
• Tension de claquage Collecteur-Émetteur (BV_CEO) : Minimum 55 V à I_C=1mA.
• Tension de claquage Collecteur-Base (BV_CBO) : Minimum 55 V à I_C=0.1mA.
• Tension de claquage Émetteur-Collecteur (BV_ECO) : Minimum 7 V à I_E=0.1mA.

6.3 Caractéristiques de transfert

Ces paramètres définissent l'efficacité du couplage et les performances de commutation.

• Rapport de transfert de courant (CTR) :C'est le rapport du courant de collecteur de sortie au courant direct de la LED d'entrée, exprimé en pourcentage. Il varie selon la référence :
  • 4N32, 4N33, H11B1 : CTR ≥ 500% (à I_F=10mA, V_CE=10V ou I_F=1mA, V_CE=5V).
  • 4N29, 4N30 : CTR ≥ 100%.
  • 4N31, H11B3, H11B255 : CTR ≥ 100%.
  • H11B2 : CTR ≥ 200%.
  • TIL113 : CTR ≥ 300% (à I_F=10mA, V_CE=1V).
• Tension de saturation Collecteur-Émetteur (V_CE(sat)) :Maximum 1,0V à 1,2V selon la série, sous des conditions spécifiées I_Fet I_C conditions.
• Résistance d'isolation (R_IO) :Minimum 10¹¹Ω à V_IO=500V DC.
• Capacité Entrée-Sortie (C_IO) :Typiquement 0,8 pF à V_IO=0, f=1MHz.
• Temps de commutation :Le temps d'allumage (t_on) et le temps d'extinction (t_off) sont spécifiés pour différentes séries sous des conditions de test spécifiques (V_CC=10V, avec I_Fet résistance de charge R_L=100Ω spécifiés). Par exemple, pour la série H11Bx, t_onest typiquement de 25µs et t_offest typiquement de 18µs. Les séries 4Nxx et TIL113 ont un allumage plus rapide (max 5µs) mais une extinction potentiellement plus lente (jusqu'à 100µs pour certaines variantes).

7. Courbes de performance et caractéristiques de commutation

La fiche technique inclut des courbes de performance typiques (bien que non détaillées dans le texte fourni). Ces courbes illustrent généralement la relation entre le CTR et la température, le courant direct ou le courant de collecteur. Elles sont essentielles pour que les concepteurs comprennent les écarts de performance dans des conditions non standard. Un circuit de test des temps de commutation est défini, montrant l'impulsion d'entrée pilotant la LED et l'impulsion de sortie résultante au collecteur. Les paramètres temporels clés comme 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 entre les points 10% et 90% des impulsions respectives.

8. Informations mécaniques et de boîtier

Les dispositifs sont proposés en plusieurs variantes de boîtier pour s'adapter à différents processus d'assemblage.

• Type DIP standard :Le boîtier traversant classique.
• Type Option M :Caractérisé par un espacement large des broches, offrant un espacement de 0,4 pouce (environ 10,16 mm) pour les applications nécessitant une distance de fuite accrue ou une insertion manuelle plus aisée.
• Type Option S :Forme de broches pour montage en surface (CMS) pour soudage par refusion.
• Type Option S1 :Une variante de forme de broches CMS à profil bas.

Des dessins cotés détaillés sont fournis pour chaque type de boîtier, incluant la longueur, la largeur, la hauteur du corps, le pas des broches et leurs dimensions. Un plan de pastilles recommandé pour les options CMS est également inclus pour assurer la formation de joints de soudure fiables lors de l'assemblage sur carte.

9. Recommandations de soudure et d'assemblage

La limite absolue spécifie une température de soudure de 260°C pendant 10 secondes. C'est un paramètre critique pour les processus de soudure par refusion ou à la vague. Les concepteurs doivent s'assurer que le profil thermique pendant l'assemblage ne dépasse pas cette limite pour éviter d'endommager la puce semi-conductrice interne ou le boîtier plastique. Pour les variantes CMS, suivre le plan de pastilles recommandé est crucial pour éviter le phénomène de "tombstoning" ou des mauvais joints de soudure. Des conditions de stockage appropriées, conformément à la spécification de température de stockage (-55°C à +125°C), doivent être maintenues pour préserver l'intégrité du dispositif avant utilisation.

10. Conditionnement et informations de commande

Le système de numérotation des références est structuré pour indiquer la série, la référence spécifique, l'option de forme de broches, l'option de bande et bobine, et l'homologation de sécurité optionnelle.

Format de la référence :[Série][PartNo][LeadForm][TapeReel]-[Safety]

• Série : 4NXX, H11BX, ou TIL113.
• PartNo : Pour 4NXX : 29,30,31,32,33. Pour H11BX : 1,2,3,255.
• LeadForm (Y) : S (CMS), S1 (CMS profil bas), M (Broches larges), ou aucun (DIP standard).
• TapeReel (Z) : TA, TB (pour options CMS), ou aucun.
• Safety (V) : Homologation VDE optionnelle.

Quantités de conditionnement :

• Options DIP standard et M : 65 unités par tube.
• Options S et S1 avec TA/TB : 1000 unités par bobine.

11. Considérations de conception d'application

Lors de la conception avec ces photocoupleurs photodarlington, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Le CTR élevé permet de saturer le transistor de sortie avec un courant LED relativement faible, ce qui est bénéfique pour l'interface avec des microcontrôleurs. Cependant, la structure photodarlington est intrinsèquement plus lente en commutation que les coupleurs à phototransistor ou à circuit intégré photo, les rendant plus adaptés aux applications basse fréquence (typiquement jusqu'à la dizaine de kHz selon les conditions de charge). La broche de base (Broche 6) peut être utilisée pour connecter une résistance externe afin de dériver une partie du courant de base photogénéré vers la masse, ce qui peut améliorer significativement le temps d'extinction au détriment d'une réduction du CTR. Le concepteur doit s'assurer que les tensions nominales du transistor de sortie (V_CEO, V_CBO) ne sont pas dépassées par le circuit de charge. Une résistance de limitation de courant est toujours requise en série avec la LED d'entrée. Sa valeur est calculée en fonction de la tension d'alimentation, du I_Fdésiré, et du V_F.

de la LED.

12. Comparaison technique et guide de sélection

La principale différenciation au sein de cette série est le Rapport de Transfert de Courant (CTR). Des références comme les 4N32/33 et H11B1 offrent une très haute sensibilité (CTR ≥ 500%), les rendant idéales pour les applications où le signal de commande est très faible. Les 4N29/30 et H11B2 offrent une sensibilité moyenne. Les 4N31, H11B3 et H11B255 fournissent un CTR standard de 100%. Le TIL113 offre un bon équilibre à 300%. Le choix entre les boîtiers DIP et CMS dépend du processus de fabrication. L'option à broches larges (M) est bénéfique pour les applications haute tension nécessitant une distance de fuite accrue sur la carte. Comparés aux coupleurs à phototransistor plus simples, les photodarlingtons offrent un gain beaucoup plus élevé mais sont plus lents. Pour l'isolation numérique très haute vitesse, d'autres technologies comme les isolateurs numériques (basés sur un couplage capacitif ou magnétique) ou les optocoupleurs rapides avec sorties logiques seraient plus appropriés.

13. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Quel est le principal avantage d'un photodarlington par rapport à un phototransistor standard ?

R : L'avantage principal est un rapport de transfert de courant (CTR) beaucoup plus élevé, souvent d'un facteur 10 à 100. Cela signifie qu'un très faible courant d'entrée LED peut contrôler un courant de sortie beaucoup plus important, simplifiant le circuit de commande.

Q : Pourquoi les temps de commutation sont-ils plus lents pour les photodarlingtons ?

R : La configuration en paire Darlington comporte un étage transistor supplémentaire, ce qui augmente le stockage de charge et réduit la vitesse de commutation, particulièrement lors de l'extinction.

Q : Comment puis-je améliorer le temps d'extinction du photodarlington ?

R : Connecter une résistance externe (typiquement entre 10kΩ et 100kΩ) entre la broche de base (6) et la broche d'émetteur (4) fournira un chemin pour évacuer la charge stockée, réduisant significativement le temps d'extinction._{Q : Que signifie la spécification d'isolation de 5000 V}rms

pour ma conception ?

R : Cette spécification certifie que le dispositif peut supporter une différence de potentiel AC de 5000 Volts entre les côtés d'entrée et de sortie pendant une minute sans claquage. Elle définit la barrière de sécurité pour votre système, protégeant les utilisateurs et les circuits basse tension des défauts haute tension.

Q : Puis-je les utiliser pour des signaux d'entrée AC ?

R : L'entrée est une LED, qui est une diode. Elle ne conduira que pendant la demi-onde positive d'un signal AC. Pour une détection d'entrée AC véritable, un pont redresseur ou un optocoupleur à entrée AC dédié est requis.

14. Exemples de conception et d'utilisationExemple 1 : Pilote de relais pour microcontrôleur :_FUne utilisation courante est d'isoler un microcontrôleur 3,3V ou 5V d'une bobine de relais 12V ou 24V. La broche GPIO du microcontrôleur, via une résistance de limitation de courant (par ex., 220Ω pour une alimentation 5V et ~10mA I

), pilote le côté LED. Le collecteur du photodarlington est connecté à la bobine du relais, et l'émetteur à la masse. Une diode de roue libre doit être placée aux bornes de la bobine du relais. Le CTR élevé assure que le relais est complètement activé même si la broche du microcontrôleur ne peut fournir qu'un courant modeste.Exemple 2 : Détection de passage par zéro de tension secteur :

Bien que non destinés à une connexion directe au secteur, ces coupleurs peuvent être utilisés dans la voie de rétroaction isolée d'une alimentation à découpage ou dans un circuit de détection de passage par zéro où un signal isolé à plus haute tension doit être communiqué à un circuit logique basse tension. La haute tension d'isolation est ici critique.Exemple 3 : Module d'entrée numérique industriel :

Dans un module d'entrée d'automate (PLC), ces optocoupleurs peuvent isoler les signaux de capteurs de terrain (par ex., détecteurs de proximité 24V DC) du circuit logique interne, fournissant une immunité au bruit et protégeant le contrôleur central des transitoires de tension côté terrain.

15. Principe de fonctionnement_FLe principe fondamental est la conversion électro-optique-électrique. Lorsqu'un courant direct (I_C) est appliqué à la LED infrarouge d'entrée, elle émet des photons (lumière). Cette lumière traverse un espace isolant transparent à l'intérieur du boîtier et frappe la région de base du transistor photodarlington de sortie en silicium. Les photons absorbés génèrent des paires électron-trou, créant un photocourant qui agit comme le courant de base pour le premier transistor de la paire Darlington. Ce faible photocourant est amplifié par le gain élevé des deux transistors, résultant en un courant de collecteur (I

) beaucoup plus important qui peut commuter une charge externe. L'essentiel est que la seule connexion entre l'entrée et la sortie est le faisceau lumineux, fournissant l'isolation électrique.

16. Tendances technologiques