Fiche technique des photodécoupleurs CNY17-X et CNY17F-X - Boîtier DIP 6 broches - Isolation 5000 Vrms - CTR 40-320% - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Les séries CNY17-X et CNY17F-X sont des familles de photodécoupleurs (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 phototransistor NPN au silicium. Sa fonction principale est d'assurer une isolation électrique entre deux circuits tout en permettant la transmission de signaux via la lumière. La distinction principale entre les deux séries réside dans la disponibilité d'une connexion de base externe (broche 6) pour le CNY17-X, qui est absente (Non Connectée) dans la série CNY17F-X, cette dernière offrant une sensibilité réduite au bruit.

1.1 Avantages principaux et marché cible

Ces dispositifs sont conçus pour des applications nécessitant une isolation de signal fiable. Leurs avantages principaux incluent une tension d'isolation élevée de 5000 V_eff, un facteur de forme DIP compact adapté au montage traversant, et des groupements sélectionnés de taux de transfert de courant (CTR) pour une cohérence de conception. Ils sont approuvés par les principaux organismes de normalisation de sécurité internationaux (UL, cUL, VDE, SEMKO, etc.), ce qui les rend adaptés à une large gamme d'applications industrielles, grand public et d'alimentations où la sécurité et l'immunité au bruit sont critiques.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques maximales absolues

Les Caractéristiques Maximales Absolues définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Ce ne sont pas des conditions de fonctionnement recommandées.

• Entrée (côté LED) :Le courant direct continu maximal (I_F) est de 60 mA. Un courant direct de crête de courte durée (10 µs) (I_FM) de 1 A est autorisé. La tension inverse maximale (V_R) aux bornes de la LED est de 6 V. La dissipation de puissance d'entrée (P_D) est de 100 mW à 25°C, avec un déclassement de 3,8 mW/°C au-dessus de 100°C.
• Sortie (côté Phototransistor) :La tension collecteur-émetteur (V_CEO) et la tension collecteur-base (V_CBO, pour CNY17-X uniquement) sont spécifiées à 80 V. Les tensions émetteur-collecteur (V_ECO) et émetteur-base (V_EBO) sont de 7 V. La dissipation de puissance de sortie (P_C) est de 150 mW à 25°C, avec un déclassement de 9,0 mW/°C au-dessus de 100°C.
• Dispositif total :La dissipation de puissance totale du dispositif (P_TOT) ne doit pas dépasser 200 mW.
• Isolation & Environnement :La tension d'isolation (V_ISO) est de 5000 V_eff(AC pendant 1 minute). La plage de température de fonctionnement (T_OPR) est de -55°C à +110°C. La température maximale de soudure est de 260°C pendant 10 secondes.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres définissent les performances du dispositif dans des conditions de fonctionnement typiques (T_a= 25°C sauf indication contraire).

2.2.1 Caractéristiques d'entrée (LED infrarouge)

• Tension directe (V_F) :Maximum 1,65 V à I_F= 60 mA. C'est la chute de tension aux bornes de la LED lorsqu'elle conduit.
• Courant inverse (I_R) :Maximum 10 µA à V_R= 6 V. C'est le courant de fuite lorsque la LED est polarisée en inverse.
• Capacité d'entrée (C_in) :Typique 18 pF. Cela affecte les performances de commutation haute fréquence du côté entrée.

2.2.2 Caractéristiques de sortie (Phototransistor)

• Courants d'obscurité :Lorsque la LED est éteinte (I_F=0), des courants de fuite existent. I_CEO(collecteur-émetteur) est typiquement de 50 nA à V_CE=10V. I_CBO(collecteur-base, CNY17-X uniquement) est max 20 nA à V_CB=10V.
• Tensions de claquage : BV_CEOet BV_CBOsont min 80 V. BV_ECOest min 7 V.
• Capacité de sortie (C_CE) :Typique 8 pF. Cela affecte la vitesse de commutation en sortie.

2.3 Caractéristiques de transfert

Ce sont les paramètres les plus critiques pour les applications de couplage de signaux.

• Taux de Transfert de Courant (CTR) :C'est le rapport entre le courant de collecteur de sortie (I_C) et le courant direct d'entrée de la LED (I_F), exprimé en pourcentage. Les dispositifs sont regroupés en quatre plages CTR distinctes :
  • CNY17-1 / CNY17F-1 :CTR = 40% à 80% (à I_F=10mA, V_CE=5V)
  • CNY17-2 / CNY17F-2 :CTR = 63% à 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3 :CTR = 100% à 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4 :CTR = 160% à 320%
• CTR à faible courant :À I_F= 1mA, le CTR minimum est spécifié (par ex., 13% pour la grade -1, 56% pour la grade -4), ce qui est important pour les applications à faible puissance ou de détection analogique.
• Tension de saturation (V_CE(sat)) :Maximum 0,3 V à I_F=10mA, I_C=2,5mA. C'est la tension aux bornes du transistor lorsqu'il est complètement "passant".
• Résistance d'isolation (R_IO) :Minimum 10¹¹Ω. Cela indique la résistance DC extrêmement élevée entre les côtés entrée et sortie.
• Capacité entrée-sortie (C_IO) :Typique 0,5 pF. Cette faible capacité est essentielle pour atteindre une haute immunité aux transitoires en mode commun (CMTI).

2.4 Caractéristiques de commutation

Les performances dynamiques sont définies par les temps d'allumage/extinction et de montée/descente, qui dépendent des conditions de test.

• Condition 1 (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω) :
  • Temps d'allumage (t_on) : Typique 10 µs, Max 12 µs.
  • Temps d'extinction (t_off) : Typique 9 µs, Max 12 µs.
  • Temps de montée (t_r) : Typique 6 µs, Max 10 µs.
  • Temps de descente (t_f) : Typique 8 µs, Max 10 µs.
• Condition 2 (V_CC=5V, I_F=10mA, R_L=75Ω) :
  • Temps de montée (t_r) : Typique 2 µs, Max 10 µs.
  • Temps de descente (t_f) : Typique 3 µs, Max 10 µs.

3. Explication du système de classement

Le classement principal pour ces photodécoupleurs est basé sur leTaux de Transfert de Courant (CTR). Les quatre grades (1, 2, 3, 4) offrent des valeurs CTR minimum et maximum progressivement plus élevées. Cela permet aux concepteurs de sélectionner un dispositif correspondant au gain de signal requis et d'assurer une cohérence dans les lots de production. Par exemple, un circuit d'entrée numérique nécessitant un signal fort et bien défini pourrait utiliser un grade -3 ou -4, tandis qu'un circuit sensible aux variations pourrait spécifier un grade -1 plus serré et à gain plus faible.

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 détaillés dans le texte fourni, les courbes typiques pour de tels dispositifs incluent :

• CTR vs. Courant direct (I_F) :Montre comment le taux de transfert change avec le courant de commande de la LED, atteignant généralement un pic à un courant spécifique.
• CTR vs. Température :Illustre la diminution du CTR lorsque la température ambiante augmente, ce qui est critique pour un fonctionnement à haute température.
• Courant de collecteur (I_C) vs. Tension collecteur-émetteur (V_CE) :Les caractéristiques de sortie du phototransistor, montrant la région de saturation et la région active.
• Tension directe (V_F) vs. Courant direct (I_F) :La caractéristique IV de la LED infrarouge.

Ces courbes sont essentielles pour comprendre le comportement du dispositif dans des conditions non standard et pour optimiser la conception du circuit.

5. Informations mécaniques et de boîtier

Les dispositifs sont proposés dans un boîtier DIP 6 broches standard avec plusieurs options de forme de broches.

5.1 Dimensions du boîtier et options

• DIP standard :Le boîtier traversant par défaut.
• Option M :Présente un "cintrage large des broches" offrant un espacement de broches de 0,4 pouce (environ 10,16 mm) pour une compatibilité avec des empreintes PCB plus larges.
• Option S :Forme de broches pour montage en surface. Conçue pour les procédés de soudage par refusion.
• Option S1 :Forme de broches pour montage en surface avec un "profil bas" pour les applications avec restrictions de hauteur.

Des dessins cotés détaillés (en mm) sont fournis pour chaque option, spécifiant la taille du corps, la longueur des broches, l'espacement des broches et le plan d'assise.

5.2 Configuration des broches et polarité

Une identification claire des broches est cruciale pour une installation correcte.

• CNY17-X (avec broche de base) :
  1. Anode (LED +)
  2. Cathode (LED -)
  3. Non Connectée
  4. Émetteur (Phototransistor)
  5. Collecteur (Phototransistor)
  6. Base (Phototransistor, connexion externe)
• CNY17F-X (sans broche de base) :
  1. Anode (LED +)
  2. Cathode (LED -)
  3. Non Connectée
  4. Émetteur (Phototransistor)
  5. Collecteur (Phototransistor)
  6. Non Connectée

6. Recommandations de soudage et d'assemblage

La fiche technique spécifie une température de soudage maximale de 260°C pendant 10 secondes. Cela concerne typiquement le soudage à la vague ou manuel des broches traversantes. Pour les options de montage en surface (S, S1), des profils de refusion standard par infrarouge ou convection avec une température de pic ne dépassant pas 260°C doivent être utilisés. Des précautions doivent être prises pour éviter les contraintes mécaniques excessives sur le boîtier pendant la manipulation. Le stockage doit se faire dans un environnement sec et antistatique, dans la plage de température spécifiée de -55°C à +125°C.

7. Informations sur l'emballage et la commande

7.1 Règle de numérotation des modèles

Le numéro de pièce suit le format :CNY17-XY(Z)-VouCNY17F-XY(Z)-V

• X :Numéro de pièce / grade CTR (1, 2, 3, ou 4).
• Y :Option de forme de broches (S, S1, M, ou aucune pour DIP standard).
• Z :Option bande et bobine (TA, TB, ou aucune). S'applique uniquement aux options S et S1.
• V :Marquage optionnel d'approbation VDE.

7.2 Spécifications d'emballage

• Emballage en tube :Le DIP standard et l'option M sont fournis dans des tubes contenant 65 unités chacun.
• Bande et bobine :Les options S et S1 sont disponibles en bande et bobine. Les options TA et TB contiennent toutes deux 1000 unités par bobine.

8. Recommandations d'application

8.1 Circuits d'application typiques

La fiche technique liste les utilisations courantes : Régulateurs d'alimentation (pour l'isolation de rétroaction), entrées de logique numérique (pour le changement de niveau et l'isolation du bruit), et entrées de microprocesseur (pour l'interface avec des signaux externes bruyants). Un circuit de test spécifique pour les temps de commutation est montré (Figure 11), qui inclut une résistance de limitation de courant d'entrée (R_IN), une résistance base-émetteur optionnelle pour le CNY17-X (R_BE), et une résistance de charge de collecteur (R_L).

8.2 Considérations de conception

• Limitation du courant de la LED :Toujours utiliser une résistance en série pour limiter I_Fà la valeur souhaitée, typiquement entre 1 mA et 20 mA pour un équilibre entre vitesse, CTR et puissance.
• Résistance de charge (R_L) :La valeur de R_Lsur le collecteur affecte la vitesse de commutation, l'excursion de sortie et la consommation d'énergie. Un R_Lplus petit donne des temps de descente plus rapides mais réduit l'excursion de tension de sortie.
• Immunité au bruit (CNY17F-X) :La série CNY17F-X, sans connexion de base externe, est moins sensible à l'injection de bruit dans la base du phototransistor, ce qui la rend préférable dans les environnements électriquement bruyants.
• Compromis Vitesse vs. Courant :Un I_Fplus élevé améliore généralement la vitesse de commutation mais augmente la dissipation de puissance. Se référer aux spécifications des temps de commutation sous différentes conditions de test.
• Dégradation du CTR :Le CTR peut diminuer au cours de la durée de vie du dispositif, en particulier à des températures et courants de fonctionnement élevés. Déclasser la conception en conséquence pour une fiabilité à long terme.

9. Comparaison technique

Le principal différenciateur au sein de cette famille est la présence (CNY17-X) ou l'absence (CNY17F-X) de la broche de base externe. Le CNY17-X offre plus de flexibilité de conception ; la broche de base peut être laissée ouverte, connectée à l'émetteur via une résistance (pour améliorer la vitesse en évacuant la charge stockée), ou utilisée dans des configurations de polarisation spécifiques. Le CNY17F-X offre une immunité au bruit supérieure car la base du phototransistor est complètement interne et inaccessible, ce qui est un avantage significatif dans les environnements industriels à fort bruit. Les deux séries partagent des spécifications d'isolation, de tension et de CTR identiques.

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

Q : Quelle est la principale différence entre les grades -1, -2, -3 et -4 ?

R : La différence est la plage garantie du Taux de Transfert de Courant (CTR). Le grade -4 a le gain le plus élevé (160-320%), tandis que le grade -1 a le plus faible (40-80%). Choisissez en fonction de l'amplification de signal requise dans votre circuit.

Q : Quand dois-je utiliser le CNY17F-X au lieu du CNY17-X ?

R : Utilisez le CNY17F-X lorsque vous opérez dans des environnements avec un bruit électrique important (par ex., entraînements de moteurs, contrôles industriels). L'absence de connexion de base externe le rend intrinsèquement moins sensible au couplage des interférences électromagnétiques (EMI) dans la région sensible de la base.

Q : Comment calculer la résistance série d'entrée pour la LED ?

R : Utilisez la loi d'Ohm : R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F. Supposez V_F≈ 1,2V typique (max 1,65V). Par exemple, avec une alimentation de 5V et un I_Fsouhaité de 10mA : R_IN= (5V - 1,2V) / 0,01A = 380Ω. Utilisez une résistance standard de 390Ω.

Q : Puis-je l'utiliser pour l'isolation de signaux AC ?

R : Oui, mais avec des limites. La sortie du phototransistor est unidirectionnelle (DC). Pour transmettre des signaux AC, vous avez généralement besoin de deux photodécoupleurs (un pour chaque demi-cycle) ou d'un circuit supplémentaire pour polariser la sortie dans sa région linéaire pour une transmission analogique, bien que la linéarité ne soit pas un paramètre spécifié pour ce dispositif.

11. Exemple pratique de conception

Scénario :Isoler une broche GPIO d'un microcontrôleur 3,3V d'un signal de capteur industriel 24V.

1. Sélection du dispositif :Choisir CNY17F-3 pour un bon gain (CTR 100-200%) et une haute immunité au bruit.
2. Côté entrée (Microcontrôleur) :La broche GPIO pilote la LED via une résistance de limitation de courant. Avec V_{GPIO_HIGH}≈ 3,3V et I_Fcible = 5mA : R_IN= (3,3V - 1,2V) / 0,005A = 420Ω. Utiliser 430Ω.
3. Côté sortie (Interface capteur) :Connecter le collecteur du phototransistor à l'alimentation 24V via une résistance de rappel (R_L). L'émetteur est connecté à la masse. Choisir R_Lpour s'assurer que la sortie sature lorsqu'elle est passante et fournit un niveau logique haut valide lorsqu'elle est bloquée. Avec I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5mA = 7,5mA (typique), et un niveau logique haut de sortie souhaité d'environ 20V lorsqu'elle est bloquée : R_L≤ (24V - 20V) / (I_CEO). Avec I_CEOmax ~50nA, presque n'importe quelle valeur convient pour la fuite. Pour la vitesse de commutation, une résistance de 10kΩ est un point de départ courant. La sortie (nœud collecteur) fournit maintenant une copie isolée et inversée du signal d'entrée.

12. Principe de fonctionnement

Un photodécoupleur fonctionne en convertissant un signal électrique en lumière, en le transmettant à travers une barrière isolante électriquement, puis en reconvertissant la lumière en signal électrique. Dans les séries CNY17-X/F-X, un courant électrique (I_F) traverse la LED infrarouge, lui faisant émettre des photons. Ces photons traversent un composé de moulage isolant transparent et frappent la région de base du phototransistor au silicium. L'énergie des photons génère des paires électron-trou dans la base, créant un courant de base qui met le transistor en conduction, permettant à un courant de collecteur (I_C) de circuler. Le rapport I_C/I_Fest le CTR. Aucune connexion électrique n'existe entre l'entrée et la sortie, fournissant une isolation galvanique déterminée par la rigidité diélectrique du composé de moulage et l'espacement interne des broches (distance de fuite >7,6mm).

13. Tendances technologiques

La technologie des photodécoupleurs continue d'évoluer. Bien que les coupleurs traditionnels à base de phototransistor comme la série CNY17 restent populaires pour une isolation polyvalente et économique, les tendances vont vers :

Vitesse plus élevée :Développement de coupleurs plus rapides utilisant une photodiode et un amplificateur intégré (par ex., isolateurs numériques) pour la transmission de données multi-Mbps.

Intégration plus élevée :Combinaison de plusieurs canaux d'isolation ou intégration de l'isolation avec d'autres fonctions comme des pilotes de grille ou des interfaces ADC dans un seul boîtier.

Fiabilité et durée de vie améliorées :Concentration sur les matériaux et les conceptions qui minimisent la dégradation du CTR dans le temps et avec la température.

Miniaturisation :Migration vers des boîtiers de montage en surface plus petits (SOIC, SSOP) avec les mêmes ou de meilleures classes d'isolation. Les options S et S1 de la série CNY17 reflètent cette tendance vers l'assemblage en surface.