Fiche technique - Photocoupleur à phototransistor 6 broches DIP - Séries 4N2X, 4N3X, H11AX - Tension d'isolement 5000Vrms - Température de fonctionnement -55 à +110°C

1. Vue d'ensemble du produit

Les séries 4N2X, 4N3X et H11AX sont des familles de photocoupleurs à phototransistor (également appelés optocoupleurs ou opto-isolateurs) en boîtier DIP (Dual In-line Package) à 6 broches. Chaque dispositif est constitué d'une diode électroluminescente infrarouge à l'arséniure de gallium (LED) couplée optiquement à un détecteur phototransistor au silicium. Cette configuration assure un isolement électrique complet entre les circuits d'entrée et de sortie, ce qui en fait des composants essentiels pour la sécurité, l'immunité au bruit et la conversion de niveaux de tension dans les systèmes électroniques.

La fonction principale est la transmission de signaux via la lumière, éliminant toute connexion électrique directe. Le courant d'entrée alimente la LED infrarouge, qui émet une lumière proportionnelle au courant. Cette lumière atteint la région de base du phototransistor, générant un courant de base et permettant au courant collecteur-émetteur de circuler, reproduisant ainsi le signal d'entrée sur le côté de sortie isolé.

1.1 Avantages clés et marché cible

Ces photocoupleurs sont conçus pour des applications nécessitant un isolement de signal fiable. Leurs principaux avantages incluent une tension d'isolement élevée de 5000V_eff, ce qui est crucial pour protéger les circuits de commande basse tension (comme les microprocesseurs) des sections haute tension du secteur ou des entraînements de moteurs. La distance de fuite étendue de >7,62 mm améliore encore la sécurité et la fiabilité dans les environnements haute tension. Avec une plage de température de fonctionnement de -55°C à +110°C, ils conviennent aux applications industrielles, automobiles et dans les environnements sévères.

Le boîtier DIP compact est disponible en versions standard, à espacement large des broches (0,4 pouce) et montage en surface (SMD), offrant une flexibilité pour les procédés d'assemblage traversant et automatisés. Les dispositifs disposent d'approbations des principales agences de sécurité internationales, notamment UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO et CQC, facilitant leur utilisation dans les équipements commercialisés mondialement qui doivent respecter des normes de sécurité strictes.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

La fiche technique fournit des spécifications électriques et optiques complètes, essentielles pour une conception de circuit correcte et l'assurance de la fiabilité.

2.1 Caractéristiques maximales absolues

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

• Côté entrée (LED) :Le courant direct continu maximal (I_F) est de 60mA. Un courant direct de crête bref (I_FM) de 1A pendant 10µs est autorisé, ce qui est pertinent pour la suppression des transitoires. La tension inverse maximale (V_R) est modeste à 6V, indiquant que la LED n'est pas conçue pour une polarisation inverse élevée et nécessite une protection si elle est utilisée dans des circuits alternatifs.
• Côté sortie (Phototransistor) :Les tensions de claquage collecteur-émetteur et collecteur-base (V_CEO, V_CBO) sont toutes deux de 80V, définissant la tension maximale pouvant être appliquée au transistor à l'état bloqué. Les tensions émetteur-base et émetteur-collecteur (V_EBO, V_ECO) sont limitées à 7V.
• Puissance et thermique :La dissipation de puissance totale du dispositif (P_TOT) est de 200mW à 25°C. Des facteurs de déclassement sont fournis : 3,8 mW/°C pour le côté entrée au-dessus de 100°C et 9,0 mW/°C pour le côté sortie au-dessus de 100°C. Ces valeurs sont essentielles pour calculer la puissance maximale admissible à des températures ambiantes élevées afin d'éviter l'emballement thermique.
• Isolement :La tension d'isolement (V_ISO) de 5000V_eff pendant 1 minute est un paramètre de sécurité clé, testée avec les broches 1-2-3 court-circuitées ensemble et les broches 4-5-6 court-circuitées ensemble.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres sont mesurés dans des conditions typiques (T_a=25°C) et définissent les performances du dispositif.

• Caractéristiques de la LED d'entrée :La tension directe (V_F) est typiquement de 1,2V à I_F=10mA, avec un maximum de 1,5V. Elle est utilisée pour calculer la résistance de limitation de courant requise. Le courant inverse (I_R) est très faible (<10µA à V_R=6V). La capacité d'entrée (C_in) est typiquement de 30pF.
• Caractéristiques du phototransistor de sortie :Les courants d'obscurité (I_CBO, I_CEO) sont de l'ordre du nanoampère, indiquant une fuite très faible lorsque la LED est éteinte. Les tensions de claquage (BV_CEO, BV_CBO, etc.) confirment les limites de 80V et 7V des caractéristiques maximales absolues.

2.3 Caractéristiques de transfert

Ces paramètres décrivent l'efficacité du couplage et les performances de commutation entre l'entrée et la sortie.

• Taux de transfert de courant (CTR) :C'est le paramètre le plus critique, défini comme (I_C/ I_F) * 100%. Il varie considérablement selon la référence, créant un système de classement de performance :
  • CTR élevé (>100%) :4N35, 4N36, 4N37.
  • CTR moyen-élevé (50%) : H11A1.
  • CTR moyen (30%) : H11A5.
  • CTR standard (20%) :4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • CTR inférieur (10%) :4N27, 4N28, H11A4.
  Ce classement permet aux concepteurs de sélectionner un dispositif avec la sensibilité requise pour leur application spécifique et le niveau de courant de sortie souhaité.
• Tension de saturation (V_CE(sat)) :C'est la chute de tension aux bornes du phototransistor lorsqu'il est complètement saturé. Des valeurs plus basses (par ex., 0,3V max pour la série 4N3X à I_F=10mA, I_C=0,5mA) indiquent de meilleures performances, minimisant les pertes de puissance dans l'étage de sortie.
• Vitesse de commutation :Les temps de montée (t_on) et de descente (t_off) sont spécifiés pour les différentes séries dans des conditions de test spécifiques (V_CC=10V, R_L=100Ω). La série 4N2X/H11AX est généralement plus rapide (3µs typ.) que la série 4N3X (10µs typ. pour t_on, 9µs typ. pour t_off). Ceci est vital pour la transmission de signaux numériques et les applications PWM.
• Paramètres d'isolement :La résistance d'isolement (R_IO) est extrêmement élevée (>10¹¹Ω), et la capacité entrée-sortie (C_IO) est très faible (0,2pF typ.), ce qui minimise le couplage capacitif du bruit haute fréquence à travers la barrière d'isolement.

3. Analyse des courbes de performance

Bien que le PDF montre un texte de remplacement pour "Courbes de caractéristiques électro-optiques typiques", de telles courbes sont standard pour les photocoupleurs et incluent généralement :

• Taux de transfert de courant (CTR) en fonction du courant direct (I_F) :Montre comment l'efficacité change avec le courant de commande de la LED, atteignant souvent un pic à un courant spécifique.
• CTR en fonction de la température :Illustre la dégradation du CTR à haute température, ce qui est un facteur de déclassement critique pour le fonctionnement à haute température.
• Courant collecteur (I_C) en fonction de la tension collecteur-émetteur (V_CE) :Courbes caractéristiques de sortie montrant le comportement du phototransistor dans différentes régions (saturation, active).
• Temps de commutation en fonction de la résistance de charge (R_L) :Démontre comment le choix de la résistance de rappel affecte les temps de montée et de descente.

Les concepteurs doivent consulter ces courbes dans la fiche technique complète pour optimiser des paramètres tels que le courant de la LED, la résistance de charge et la température de fonctionnement en fonction de leurs besoins spécifiques en vitesse et en sortie.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

Les dispositifs sont proposés en plusieurs variantes de boîtier DIP 6 broches pour répondre à différents besoins d'assemblage.

4.1 Dimensions du boîtier et variantes

La fiche technique inclut des dessins mécaniques détaillés pour chaque option. Les dimensions clés incluent la longueur totale, la largeur, l'espacement des broches et les dimensions des pattes.

• Type DIP standard :Le boîtier traversant classique avec un espacement entre rangées de 0,1 pouce (2,54mm).
• Type Option M :Caractérisé par un "pli large des pattes" offrant un espacement de 0,4 pouce (10,16mm). Cela augmente la distance de fuite et d'isolement entre les broches d'entrée et de sortie, améliorant la fiabilité de l'isolement pour les applications haute tension.
• Types Option S & S1 :Versions pour montage en surface (SMD). L'option S1 est une variante "profil bas", dont la hauteur de boîtier est réduite par rapport à l'option S standard, bénéfique pour les applications à espace limité.

Tous les boîtiers présentent un corps moulé assurant l'isolation nécessaire. La configuration des broches est standardisée : Broche 1 (Anode), Broche 2 (Cathode), Broche 3 (NC), Broche 4 (Émetteur), Broche 5 (Collecteur), Broche 6 (Base). La broche de base (6) est souvent laissée non connectée mais peut être utilisée pour améliorer la bande passante ou le contrôle de polarisation dans certains circuits.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Les caractéristiques maximales absolues spécifient une température de soudure (T_SOL) de 260°C pendant 10 secondes. C'est une valeur typique pour les procédés de soudure à la vague ou par refusion. Pour les options SMD (S, S1), les profils de refusion standard par infrarouge ou convection avec une température de pic autour de 260°C sont applicables. Il est crucial de ne pas dépasser cette limite temps-température pour éviter d'endommager le boîtier plastique et les connexions internes par fil. Les dispositifs doivent être stockés dans des conditions comprises dans la plage de température de stockage (-55°C à +125°C) et dans un emballage sensible à l'humidité si spécifié pour les composants SMD pour éviter l'effet "pop-corn" pendant la refusion.

6. Conditionnement et informations de commande

Le système de numérotation des références est clairement défini :4NXXY(Z)-VouH11AXY(Z)-V.

• XX / X :Numéro de référence spécifique (par ex., 25, 35, 1, 5).
• Y (Forme des pattes) :
  • Aucun : DIP standard (65 unités/tube).
  • M : Pli large des pattes (65 unités/tube).
  • S : Forme des pattes pour montage en surface.
  • S1 : Forme des pattes pour montage en surface profil bas.
• Z (Bandage et bobine) :S'applique uniquement aux options SMD.
  • TA ou TB : Différentes spécifications de bande et bobine (1000 unités/bobine).
• V :Suffixe optionnel indiquant l'approbation de sécurité VDE.

Ce système flexible permet de se procurer la variante mécanique exacte requise pour la production.

7. Recommandations d'application

7.1 Circuits d'application typiques

Comme listé dans la fiche technique, les applications principales incluent :

• Régulateurs d'alimentation :Fournissant un isolement de rétroaction dans les alimentations à découpage (SMPS) entre le côté secondaire (sortie) et le contrôleur côté primaire. Ceci est essentiel pour la sécurité et le rejet du bruit.
• Entrées logiques numériques / Entrées microprocesseur :Isoler les signaux bruyants de capteurs industriels (par ex., de fin de course, d'encodeurs) ou de différents domaines de masse avant qu'ils n'entrent dans les broches sensibles de la logique numérique ou du microcontrôleur.
• Isolement de signal à usage général :Tout circuit où deux sous-systèmes doivent communiquer sans partager une masse commune, pour rompre les boucles de masse, éliminer le bruit en mode commun ou assurer la conversion de niveaux de tension.

7.2 Considérations de conception et bonnes pratiques

• Limitation du courant de la LED :Toujours utiliser une résistance en série pour définir le courant direct (I_F). Calculer R_limite= (V_{CC_entrée}- V_F) / I_F. Fonctionner dans la plage recommandée de I_F (souvent 5-20mA) pour un CTR optimal et une longue durée de vie.
• Polarisation côté sortie :Le phototransistor nécessite une résistance de rappel (R_L) connectée du collecteur à V_{CC_sortie}. Sa valeur est un compromis : un R_L plus petit offre une commutation plus rapide mais une consommation de puissance plus élevée et une excursion de tension de sortie plus faible ; un R_L plus grand donne une meilleure marge de bruit mais une vitesse plus lente.
• Optimisation de la vitesse :Pour une commutation plus rapide, utiliser un dispositif de la série la plus rapide (4N2X/H11AX), minimiser R_L, et assurer un courant de commande I_F adéquat. Connecter une résistance (par ex., 100kΩ à 1MΩ) entre la base (broche 6) et l'émetteur peut aider à évacuer la charge stockée et réduire le temps de descente.
• Immunité au bruit :La résistance d'isolement élevée et la faible capacité rejettent intrinsèquement le bruit en mode commun. Pour une robustesse supplémentaire dans des environnements électriquement bruyants, il est recommandé de placer des condensateurs de découplage (par ex., 0,1µF) près des broches d'alimentation du dispositif, à la fois côté entrée et côté sortie.

8. Comparaison technique et guide de sélection

Les trois séries (4N2X, 4N3X, H11AX) offrent une gamme de performances pour répondre à différents besoins :

• Série 4N3X (4N35-38) :Offrent généralement les valeurs de CTR les plus élevées (>100% pour 4N35-37), les rendant adaptées aux applications nécessitant un courant de sortie élevé ou où un courant de commande d'entrée minimal est souhaité. Leur tension de saturation est également très faible.
• Série 4N2X (4N25-28) & Série H11AX (H11A1-A5) :Fournissent une gamme graduée de CTR de 10% à 50%. La série 4N2X a généralement des temps de commutation plus rapides. Ce sont des isolateurs polyvalents à usage général. Le H11A5 (CTR 30%) et le H11A1 (CTR 50%) comblent des points de performance spécifiques.
• Critères de sélection :Choisir en fonction du CTR requis (gain en courant de sortie), de la vitesse de commutation, de la tension de saturation et du coût. Par exemple, une entrée de microprocesseur lisant un commutateur lent peut utiliser une référence à CTR faible et économique comme le H11A4. Une boucle de rétroaction dans une alimentation nécessitant une bonne linéarité et un bon gain pourrait utiliser un 4N35 ou 4N36.

9. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Quel est le rôle de la broche de base (broche 6) ?

R : La broche de base donne accès à la région de base du phototransistor. La laisser ouverte (non connectée) est la pratique standard. Connecter une résistance entre la base et l'émetteur peut améliorer la vitesse de commutation en fournissant un chemin pour évacuer la charge stockée. Dans certaines conceptions, elle peut être utilisée pour une pré-polarisation ou pour connecter un réseau d'accélération.

Q : Comment assurer une fiabilité à long terme ?

R : Faire fonctionner la LED dans ses caractéristiques maximales absolues, de préférence en déclassement. Maintenir une température de jonction basse en respectant les courbes de déclassement en puissance. Utiliser des distances de fuite/isolement adéquates sur votre PCB, en particulier pour la barrière d'isolement haute tension, correspondant ou dépassant la capacité de 7,62 mm du boîtier.

Q : Puis-je l'utiliser pour l'isolement de signaux alternatifs ?

R : Oui, mais la LED d'entrée a une tension inverse nominale faible (6V). Pour isoler un signal alternatif, vous devez protéger la LED contre la polarisation inverse, typiquement en plaçant une diode standard en parallèle inverse aux bornes de l'entrée de la LED, ou en utilisant une configuration de pont redresseur avant la LED.

Q : Pourquoi le CTR est-il spécifié comme une valeur minimale ?

R : Le CTR présente une grande variation due aux tolérances de fabrication de l'efficacité de la LED et du gain du phototransistor. La fiche technique garantit un CTR minimum dans des conditions spécifiées. La conception doit être basée sur cette valeur minimale pour assurer le fonctionnement du circuit sur toutes les unités de production et sur toute la plage de température.

10. Exemple pratique de conception

Scénario :Isoler un signal numérique 24V provenant d'une sortie d'automate programmable (API) vers une entrée de microcontrôleur 3,3V.

1. Sélection du dispositif :Choisir une référence à usage général comme le 4N25 (CTR min 20%). Sa vitesse est suffisante pour les E/S numériques.
2. Circuit d'entrée :La sortie de l'API est à 24V. Cible I_F= 10mA. V_F≈ 1,2V. R_limite= (24V - 1,2V) / 0,01A = 2280Ω. Utiliser une résistance standard de 2,2kΩ. Ajouter une diode de protection inverse en parallèle avec l'entrée de la LED.
3. Circuit de sortie :V_CC du microcontrôleur = 3,3V. Choisir R_L= 1kΩ. Lorsque le phototransistor est bloqué, la sortie est tirée à l'état haut à 3,3V (logique 1). Lorsqu'il est saturé, en supposant I_C= CTR * I_F= 0,2 * 10mA = 2mA, la tension de sortie sera V_CE(sat)(max 0,5V), un solide niveau logique 0. La résistance de rappel de 1kΩ offre un bon compromis entre vitesse et consommation de courant pour cette application.

11. Principe de fonctionnement

Un photocoupleur fonctionne sur le principe de la conversion électro-optique-électrique. Un signal électrique est appliqué au côté entrée, provoquant le passage d'un courant à travers une LED infrarouge. Ce courant est directement proportionnel à l'intensité lumineuse émise. La lumière traverse un espace isolant transparent (typiquement un plastique moulé) et frappe le matériau semi-conducteur d'un photodétecteur — dans ce cas, la jonction base-collecteur d'un phototransistor NPN. Les photons génèrent des paires électron-trou, créant un courant de base. Ce courant de base photogénéré est ensuite amplifié par le gain en courant du transistor (h_FE), résultant en un courant collecteur plus important qui reproduit le signal d'entrée original sur le circuit de sortie électriquement isolé. L'absence totale de connexion galvanique est ce qui fournit l'isolement haute tension et l'immunité au bruit.

12. Tendances technologiques

Les photocoupleurs à base de phototransistor comme la série 4NXX représentent une technologie d'isolement mature et économique. Les tendances actuelles sur le marché des optocoupleurs incluent le développement de dispositifs à vitesse plus élevée (pour les bus de communication numériques comme SPI, I2C isolés avec des circuits intégrés spécifiquement conçus pour cela), une intégration plus poussée (combinant plusieurs canaux ou ajoutant des fonctions supplémentaires comme des pilotes de grille) et des métriques de fiabilité améliorées (fonctionnement à plus haute température, durée de vie plus longue). Il y a également une croissance des technologies d'isolement alternatives telles que les isolateurs capacitifs et les isolateurs basés sur la magnétorésistance géante (GMR), qui peuvent offrir des avantages en taille, vitesse et consommation pour certaines applications. Cependant, les coupleurs à phototransistor restent dominants pour les applications d'isolement à usage général, sensibles au coût et haute tension en raison de leur simplicité, de leur fiabilité éprouvée et de leur excellente immunité aux transitoires en mode commun (CMTI).