Fiche technique de la série H11AAX - Photocoupleur à entrée AC - Boîtier DIP 6 broches - Isolation 5000Vrms - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

La série H11AAX représente une famille de photocoupleurs à entrée AC, également appelés optocoupleurs ou opto-isolateurs. Ces dispositifs sont spécifiquement conçus pour assurer une isolation galvanique entre un circuit d'entrée AC ou DC de polarité inconnue et un circuit de commande de sortie. La fonction principale est de transférer des signaux électriques en utilisant la lumière, éliminant ainsi les connexions électriques et empêchant les boucles de masse, les pointes de tension et le bruit de se propager entre les circuits.

La série comprend quatre variantes principales : H11AA1, H11AA2, H11AA3 et H11AA4. Le principal facteur de différenciation entre elles est le Taux de Transfert de Courant (CTR), qui définit l'efficacité du transfert de signal de l'entrée vers la sortie. Ces 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 de montage en surface (SMD).

1.1 Avantages clés et marché cible

La série H11AAX offre plusieurs avantages clés qui la rendent adaptée aux applications industrielles et grand public exigeantes. Sa caractéristique la plus marquante est la haute tension d'isolation de 5000Vrms, essentielle pour la sécurité et la fiabilité des équipements connectés au secteur. Une distance de fuite supérieure à 7,62mm renforce encore cette cote de sécurité. Les dispositifs ont reçu les agréments des principales agences de sécurité internationales, notamment UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO et CQC, ce qui les rend acceptables mondialement pour les produits nécessitant une conformité réglementaire.

La configuration intégrée de LED infrarouges antiparallèles côté entrée est une caractéristique déterminante. Cette conception permet au dispositif d'être piloté directement par une tension AC ou une tension DC de polarité inconnue, simplifiant la conception du circuit en éliminant le besoin d'un circuit de redressement externe. La sortie est un phototransistor NPN au silicium.

Les marchés et applications cibles sont divers, se concentrant principalement sur les domaines où l'isolation électrique et la détection de signaux AC sont primordiales. Les applications typiques incluent la surveillance de ligne AC pour détecter la présence ou l'absence de tension secteur, les circuits d'interface de ligne téléphonique et les capteurs pour détecter des signaux DC de polarité inconnue dans les systèmes de contrôle industriel.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Cette section fournit une analyse objective détaillée des caractéristiques électriques, optiques et thermiques spécifiées dans la fiche technique. Comprendre ces paramètres est crucial pour une conception de circuit fiable.

2.1 Caractéristiques maximales absolues

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

• Courant direct d'entrée (IF) :60 mA (continu). C'est le courant DC maximum qui peut être appliqué aux LED d'entrée.
• Courant direct de crête (IFM) :1 A pour une durée d'impulsion très courte de 10 µs. Cette valeur est importante pour résister aux transitoires de surtension.
• Dissipation de puissance d'entrée (PD) :120 mW à 25°C ambiant, déclassement de 3,8 mW/°C au-dessus de 90°C. Cela limite le produit combiné VF * IF.
• Tension Collecteur-Émetteur de sortie (VCEO) :80 V. La tension maximale qui peut être supportée entre le collecteur et l'émetteur du phototransistor lorsque la base est ouverte.
• Dissipation de puissance totale du dispositif (PTOT) :200 mW. La somme des puissances d'entrée et de sortie ne doit pas dépasser cette valeur.
• Tension d'isolation (VISO) :5000 Vrms pendant 1 minute à 40-60% d'humidité relative. C'est un paramètre de sécurité clé testé avec les broches d'entrée et de sortie court-circuitées séparément.
• Température de fonctionnement (TOPR) :-55°C à +100°C. Le dispositif est fonctionnel dans cette plage de température industrielle complète.
• Température de soudure (TSOL) :260°C pendant 10 secondes, pertinent pour les procédés de soudure à la vague ou par refusion.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

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

2.2.1 Caractéristiques d'entrée

• Tension directe (VF) :Typiquement 1,2V, avec un maximum de 1,5V à un courant direct (IF) de ±10mA. La valeur symétrique indique le comportement de la paire de LED antiparallèles.
• Capacité d'entrée (Cin) :Typiquement 80 pF. Cela peut affecter les performances haute fréquence du circuit de pilotage.

2.2.2 Caractéristiques de sortie

• Courant d'obscurité Collecteur-Émetteur (ICEO) :Maximum 50 nA à VCE=10V et IF=0mA. C'est le courant de fuite du phototransistor lorsqu'aucune lumière n'incide, important pour la fuite à l'état bloqué.
• Tensions de claquage (BVCEO, BVCBO, BVECO) :Minimum 80V, 80V et 7V respectivement. Elles définissent la capacité de tenue en tension sous différentes configurations de broches.
• Tension de saturation Collecteur-Émetteur (VCE(sat)) :Maximum 0,4V à IF=±10mA et IC=0,5mA. C'est la chute de tension aux bornes du transistor de sortie lorsqu'il est complètement saturé.

2.2.3 Caractéristiques de transfert

Ces paramètres définissent l'efficacité et la vitesse du transfert de signal.

• Taux de Transfert de Courant (CTR) :C'est le paramètre de classement principal de la série, défini comme (IC / IF) * 100% dans des conditions spécifiées (IF=±10mA, VCE=10V).
  • H11AA1 : CTR ≥ 20%
  • H11AA2 : CTR ≥ 10%
  • H11AA3 : CTR ≥ 50%
  • H11AA4 : CTR ≥ 100%
  Les dispositifs à CTR plus élevé nécessitent moins de courant d'entrée pour obtenir un courant de sortie donné, améliorant l'efficacité.
• Symétrie du CTR :Rapport du CTR pour une polarité de LED à l'autre, spécifié entre 0,5 et 2,0. Cela indique l'équilibre entre les deux LED antiparallèles.
• Résistance d'isolation (RIO) :Minimum 10^11 Ω à 500V DC. C'est la résistance DC entre l'entrée et la sortie, contribuant à la qualité de l'isolation.
• Capacité Entrée-Sortie (CIO) :Typiquement 0,7 pF. Cette très faible capacité est cruciale pour rejeter le bruit de mode commun haute fréquence à travers la barrière d'isolation.
• Temps de commutation (Ton, Toff, Tr, Tf) :Tous ont une valeur maximale de 10 µs dans la condition de test (VCC=10V, IC=10mA, RL=100Ω). Ces temps définissent la rapidité avec laquelle la sortie peut répondre aux changements du signal d'entrée, limitant la fréquence AC maximale ou le débit de données.

3. Explication du système de classement

La série H11AAX utilise un système de classement simple basé uniquement sur le Taux de Transfert de Courant (CTR).

Classement CTR (X dans H11AAX) :Le suffixe numérique (1, 2, 3, 4) correspond directement au pourcentage CTR minimum garanti comme listé dans la section 2.2.3. Il n'y a pas de classement basé sur la longueur d'onde, la tension directe ou d'autres paramètres. Les concepteurs doivent sélectionner la classe appropriée en fonction de la capacité de commande de courant de sortie requise par rapport au courant d'entrée disponible. Par exemple, le H11AA4 (CTR min 100%) est le plus sensible et serait choisi pour les applications où la capacité de pilotage d'entrée est très faible, tandis que le H11AA2 pourrait être suffisant et plus économique dans les circuits avec un courant de pilotage disponible plus élevé.

4. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fait référence à des courbes de caractéristiques électro-optiques typiques. Bien que les graphiques spécifiques ne soient pas reproduits dans le texte fourni, leur objectif et les informations qu'ils véhiculent sont standard pour ce type de composants.

Les courbes typiques incluraient :

• Taux de Transfert de Courant (CTR) en fonction du Courant Direct (IF) :Cette courbe montre comment le CTR varie avec le courant de pilotage. Typiquement, le CTR est le plus élevé à un IF modéré et peut diminuer à des courants très faibles ou très élevés.
• CTR en fonction de la Température Ambiante (Ta) :Le CTR d'un photocoupleur a généralement un coefficient de température négatif, ce qui signifie qu'il diminue lorsque la température augmente. Ce graphique est essentiel pour concevoir des circuits fonctionnant sur toute la plage de température.
• Courant Collecteur (IC) en fonction de la Tension Collecteur-Émetteur (VCE) :C'est la famille de courbes caractéristiques de sortie, similaire à un transistor bipolaire, avec le courant de LED d'entrée (IF) comme paramètre. Elle montre la région de saturation et la région active.
• Tension Directe (VF) en fonction du Courant Direct (IF) :La caractéristique IV de la paire de LED d'entrée.
• Temps de Commutation en fonction de la Résistance de Charge (RL) :Montre comment les temps de montée, de descente, d'allumage et d'extinction sont affectés par la charge de sortie.

Les concepteurs doivent consulter ces courbes dans la fiche technique complète pour comprendre les comportements non linéaires et les facteurs de déclassement non capturés par le tableau des valeurs minimales/typiques/maximales.

5. Informations mécaniques et sur le boîtier

Le dispositif est proposé en plusieurs variantes de boîtier pour s'adapter à différents processus d'assemblage.

5.1 Dimensions et types de boîtier

• Type DIP standard :Le boîtier traversant par défaut.
• Type Option M :Présente un \"espacement large des broches\" offrant un espacement de 0,4 pouce (env. 10,16mm) au lieu du standard 0,3 pouce (7,62mm), utile pour les cartes nécessitant une plus grande distance de fuite.
• Type Option S :Forme de broche pour montage en surface par refusion.
• Type Option S1 :Une version pour montage en surface \"profil bas\", probablement avec une hauteur réduite par rapport au PCB.

Des dessins cotés détaillés sont fournis pour chaque type, incluant la taille du corps, la longueur des broches, l'espacement des broches et les spécifications de coplanarité. Ceux-ci sont essentiels pour la conception de l'empreinte PCB.

5.2 Schéma de pastilles et identification de polarité

Un schéma de pastilles recommandé pour les options de montage en surface (S et S1) est fourni. La fiche technique note qu'il s'agit d'une suggestion et que les concepteurs doivent le modifier en fonction de leur procédé de fabrication PCB spécifique et des exigences thermiques.

Marquage du dispositif :Le dessus du boîtier est marqué avec :

- \"EL\" (code fabricant)

- Le numéro de pièce complet (ex. : H11AA1)

- Un code année à 1 chiffre (Y)

- Un code semaine à 2 chiffres (WW)

- Un suffixe optionnel \"V\" si l'agrément de sécurité VDE est spécifié pour cette unité.

Configuration des broches (DIP 6 broches) :

1. Anode / Cathode (Anode LED1, Cathode LED2)

2. Cathode / Anode (Cathode LED1, Anode LED2)

3. Non Connecté (NC)

4. Émetteur (du Phototransistor)

5. Collecteur (du Phototransistor)

6. Base (du Phototransistor). La broche de base est généralement laissée ouverte ou connectée à l'émetteur via une résistance pour ajuster la sensibilité ou améliorer la vitesse.

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

La recommandation clé des Caractéristiques Maximales Absolues est la température de soudure : 260°C pendant un maximum de 10 secondes. Ceci est compatible avec les profils de refusion standard sans plomb (SnAgCu).

Considérations importantes :

• Sensibilité à l'humidité :Bien que non explicitement indiqué dans le texte fourni, les optocoupleurs SMD encapsulés en plastique ont souvent un Niveau de Sensibilité à l'Humidité (MSL). Pour les composants montés en surface (Options S, S1), il est essentiel de suivre les instructions de manipulation du fabricant concernant le pré-séchage et la durée de vie en atelier pour éviter l'effet \"pop-corn\" pendant la refusion.
• Nettoyage :S'assurer que les solvants de nettoyage sont compatibles avec le matériau plastique du dispositif.
• Conditions de stockage :Selon la fiche technique, la plage de température de stockage est de -55°C à +125°C. Les dispositifs doivent être stockés dans un environnement sec et anti-statique.

7. Conditionnement et informations de commande

Le code de commande suit le modèle :H11AAXY(Z)-V

• X :Rang CTR (1, 2, 3, 4).
• Y :Option de forme de broche.
  • Aucun : DIP-6 standard (65 unités/tube).
  • M : Forme de broche à espacement large (65 unités/tube).
  • S : Forme de broche pour montage en surface.
  • S1 : Forme de broche pour montage en surface profil bas.
• Z :Option de bande et bobine (pour S/S1 uniquement).
  • TA : Type de bande et bobine spécifique.
  • TB : Type de bande et bobine alternatif.
  • TA et TB conditionnent tous deux 1000 unités par bobine.
• V :Marquage optionnel d'agrément de sécurité VDE.

Spécifications de la bande et bobine :Des dimensions détaillées pour la bande porteuse (taille de poche A, B), la bande de couverture et la bobine sont fournies pour l'assemblage automatisé par pick-and-place.

8. Suggestions d'application

8.1 Circuits d'application typiques

Détecteur de présence secteur AC :L'entrée est connectée directement à travers la ligne AC (avec une résistance de limitation de courant). Le transistor de sortie commute en synchronisation avec les passages par zéro du secteur, fournissant un train d'impulsions numérique ou un signal redressé à un microcontrôleur pour détecter la présence de tension.

Capteur DC de polarité inconnue :L'entrée antiparallèle permet au dispositif d'être connecté à une source de tension DC sans se soucier de la polarité, ce qui le rend idéal pour la détection dans les équipements à batterie ou les capteurs industriels où le câblage pourrait être inversé.

Interface de ligne téléphonique :Utilisé pour la détection de sonnerie ou de décroché, assurant l'isolation entre la ligne téléphonique et le circuit logique.

8.2 Considérations de conception

• Limitation du courant d'entrée :Une résistance série doit toujours être utilisée pour limiter le courant d'entrée (IF) à une valeur sûre inférieure à 60mA, calculée sur la base de la tension d'entrée de crête et de la tension directe de la LED.
• Charge de sortie :La résistance de charge (RL) sur le collecteur détermine l'excursion de tension de sortie et affecte la vitesse de commutation. Un RL plus petit donne une commutation plus rapide mais consomme plus de puissance.
• Immunité au bruit :La faible capacité entrée-sortie (0,7pF) offre une excellente réjection du bruit de mode commun haute fréquence. Pour de meilleures performances, maintenez les pistes d'entrée et de sortie physiquement séparées sur le PCB.
• Dégradation du CTR :Sur de très longues périodes et à haute température, le CTR des photocoupleurs peut se dégrader. Pour les applications critiques à longue durée de vie, concevez avec une marge de CTR initiale substantielle.

9. Comparaison et différenciation technique

La série H11AAX se différencie principalement par sacapacité d'entrée ACvia la structure de LED antiparallèles. La plupart des photocoupleurs standard (ex. : 4N25, PC817) ont une seule LED d'entrée nécessitant une polarisation directe définie, nécessitant un pont redresseur externe pour fonctionner en AC. Le H11AAX intègre cette fonctionnalité.

Comparé à d'autres photocoupleurs à entrée AC, ses principaux avantages sont lahaute cote d'isolation de 5000Vrmset lagamme complète d'agréments de sécurité internationaux(UL, VDE, etc.), essentiels pour les produits vendus sur plusieurs marchés mondiaux. La disponibilité de plusieurs classes de CTR et de types de boîtiers (traversant et SMD) offre une flexibilité de conception.

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

Q1 : Puis-je piloter le H11AAX directement depuis le secteur 120VAC ou 230VAC ?

R : Pas directement. Vous devez utiliser une résistance de limitation de courant en série avec l'entrée. La valeur de la résistance doit être calculée sur la base de la tension de crête du secteur (ex. : ~340V pour 230VAC), du courant direct souhaité et de la VF de la LED. La puissance nominale de la résistance doit également être prise en compte.

Q2 : Quelle est la fréquence AC maximale que je peux utiliser avec ce photocoupleur ?

R : Le temps de commutation maximal est de 10 µs. Cela permet théoriquement une fréquence d'onde carrée jusqu'à environ 50 kHz. Cependant, pour la détection d'une sinusoïde AC propre à 50/60 Hz, il est parfaitement adapté car la période (16,7ms/20ms) est beaucoup plus longue que le temps de commutation.

Q3 : Pourquoi y a-t-il une broche Base (broche 6), et comment dois-je l'utiliser ?

R : La broche de base donne accès à la base du phototransistor. La laisser ouverte est standard. Connecter une résistance entre la base et l'émetteur peut :

1. Améliorer la Vitesse :Une résistance de faible valeur (ex. : 10kΩ à 100kΩ) dérive la charge stockée, réduisant le temps d'extinction (Toff).

2. Réduire la Sensibilité/Augmenter le Seuil :Une résistance fournit un chemin de fuite, augmentant légèrement le courant d'entrée minimum requis pour activer la sortie.

Q4 : Comment choisir entre les différentes classes de CTR (H11AA1, AA2, AA3, AA4) ?

R : Choisissez en fonction de votre capacité de pilotage d'entrée et du courant de sortie requis. Si votre circuit ne peut fournir qu'un faible courant d'entrée (ex. : depuis une résistance haute tension), choisissez une classe de CTR plus élevée (AA3 ou AA4) pour obtenir une sortie suffisante. Si le courant d'entrée est abondant, une classe inférieure (AA1 ou AA2) peut être plus économique. Conçoivez toujours avec une marge pour la dégradation du CTR dans le temps et avec la température.

11. Étude de cas de conception pratique

Scénario : Conception d'un détecteur de présence secteur 230VAC.

Objectif :Fournir un signal logique haut 3,3V à un microcontrôleur lorsque le 230VAC est présent.

Étapes de conception :

1. Sélection de la pièce :H11AA1 (CTR minimum 20%) est choisi car le courant d'entrée sera suffisant.

2. Calcul de la résistance d'entrée :Tension de crête = 230V * √2 ≈ 325V. IF souhaité ≈ 10mA (pour un bon CTR). VF ≈ 1,2V. R = (325V - 1,2V) / 0,01A ≈ 32,4kΩ. Utiliser une résistance standard de 33kΩ. Dissipation de puissance dans R : P = (230V)^2 / 33000Ω ≈ 1,6W. Une résistance de puissance nominale 2W ou 3W est requise.

3. Circuit de sortie :Connecter le collecteur (broche 5) à l'alimentation 3,3V du microcontrôleur via une résistance de rappel (ex. : 10kΩ). Connecter l'émetteur (broche 4) à la masse. La base (broche 6) est laissée ouverte.

4. Fonctionnement :Lorsque le secteur est présent, le transistor de sortie s'active pendant chaque demi-cycle, tirant le collecteur (et la broche d'entrée du MCU) à la masse. Le MCU voit un signal bas pulsé à 50/60 Hz, qui peut être débouncé en logiciel pour indiquer \"alimentation présente\".

5. Implantation PCB :Maintenir une distance de fuite >7,62mm entre les pistes côté entrée (broches 1,2,3, résistance) et côté sortie (broches 4,5,6, MCU) sur le PCB pour préserver la cote d'isolation.

12. Principe de fonctionnement

Le H11AAX fonctionne sur le principe de l'isolation opto-électronique. Côté entrée, deux diodes électroluminescentes infrarouges (LED) à l'arséniure de gallium sont connectées en antiparallèle. Lorsqu'une tension AC est appliquée (avec une résistance de limitation de courant en série), une LED conduit et émet de la lumière pendant le demi-cycle positif, et l'autre LED conduit et émet de la lumière pendant le demi-cycle négatif. Ainsi, des impulsions de lumière infrarouge sont générées à deux fois la fréquence du signal AC d'entrée.

Cette lumière traverse une barrière d'isolation transparente à l'intérieur du boîtier. Côté sortie, la lumière tombe sur la région de base d'un phototransistor NPN au silicium. Les photons génèrent des paires électron-trou, créant un courant de base qui active le transistor, permettant à un courant de collecteur (IC) de circuler. Le rapport de ce courant de collecteur de sortie au courant direct d'entrée est le Taux de Transfert de Courant (CTR). La tension collecteur-émetteur du phototransistor est contrôlée par le circuit de charge externe.

13. Tendances technologiques

La technologie des photocoupleurs continue d'évoluer. Bien que le principe fondamental demeure, les tendances incluent :

• Vitesse plus élevée :Développement de dispositifs avec des temps de commutation plus rapides (nanosecondes) pour les applications de communication numérique et de commande d'onduleurs, utilisant souvent des sorties à photodiode ou à circuit intégré au lieu de phototransistors.
• Intégration plus élevée :Combinaison du photocoupleur avec des fonctions supplémentaires comme des pilotes de grille IGBT, des amplificateurs d'erreur ou des interfaces numériques (isolateurs I²C).
• Fiabilité et durée de vie améliorées :Progrès dans les matériaux LED et l'encapsulation pour réduire le taux de dégradation du CTR dans le temps et avec la température.
• Miniaturisation :Réduction continue de la taille des boîtiers, en particulier pour les versions montées en surface, pour économiser de l'espace PCB.
• Technologies d'isolation alternatives :Les isolateurs capacitifs et magnétiques (à magnétorésistance géante, GMR) concurrencent dans certaines applications haute vitesse et haute densité, bien que les optocoupleurs conservent des avantages en termes d'immunité élevée aux transitoires de mode commun (CMTI) et de certifications de sécurité bien établies.

La série H11AAX, avec sa conception robuste et ses agréments de sécurité, représente une solution mature et fiable pour les besoins traditionnels de détection AC et d'isolation de base, où sa capacité d'entrée AC intégrée offre un avantage distinct.