Fiche technique - Photocoupleur à phototransistor SOP 8 broches Série EL20X/EL21X - Boîtier SO-8 - Tension d'isolement 3750 Vrms

1. Vue d'ensemble du produit

Les séries EL20X et EL21X sont des familles de photocoupleurs (optocoupleurs) à base de phototransistor, logés dans un boîtier SOP (Small Outline Package) standard à 8 broches. Ces dispositifs assurent un isolement électrique entre deux circuits en utilisant une diode électroluminescente (LED) infrarouge pour transmettre un signal à un détecteur phototransistor. La fonction principale est de transférer des signaux électriques à travers une barrière d'isolement sans aucune connexion électrique directe, empêchant ainsi la propagation de hautes tensions ou de bruits d'un circuit à l'autre.

L'avantage principal de cette série réside dans la combinaison d'un encombrement compact et standardisé (SO-8) avec des performances d'isolement robustes. Les caractéristiques clés incluent une tension d'isolement élevée de 3750 V_rms, une large plage de température de fonctionnement de -55°C à +110°C, et une tension de claquage collecteur-émetteur (BV_CEO) élevée de 80V. Les dispositifs sont proposés en plusieurs grades de taux de transfert de courant (CTR), permettant aux concepteurs de sélectionner une référence optimisée pour les besoins de gain de leur application spécifique. La conformité aux normes environnementales et de sécurité, telles que l'absence d'halogène et de plomb, la conformité RoHS, et l'approbation UL/cUL, les rend adaptés à une large gamme d'applications commerciales et industrielles.

1.1 Applications cibles

Ces photocoupleurs sont conçus pour des tâches d'isolement et de commutation à usage général dans les systèmes électroniques. Les domaines d'application typiques incluent :

• Circuits de contrôle par rétroaction :Isolement des signaux de rétroaction dans les alimentations à découpage (SMPS) pour maintenir la régulation et protéger le circuit intégré de contrôle.
• Interfaçage de systèmes :Couplage de signaux numériques ou analogiques entre des circuits fonctionnant à des potentiels de masse ou des niveaux de tension différents, comme dans l'interfaçage de microcontrôleurs avec des entraînements de moteurs ou des modules d'E/S industriels.
• Commutation à usage général :Remplacement des relais mécaniques pour une commutation de signaux sans bruit et à l'état solide.
• Circuits de surveillance et de détection :Utilisés dans la surveillance de sécurité, la détection de défauts ou la détection de ligne où l'isolement est critique.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Cette section fournit une interprétation détaillée et objective des principaux paramètres électriques et optiques spécifiés dans la fiche technique.

2.1 Limites absolues

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

• Courant direct d'entrée (I_F) :60 mA (continu). Le courant direct de crête (I_FM) est de 1 A pour une impulsion très courte (10 µs), ce qui est pertinent pour les conditions de surtension à la mise sous tension.
• Tension inverse d'entrée (V_R) :6 V. La LED d'entrée a une tension de claquage inverse relativement faible ; il faut veiller dans la conception du circuit à éviter l'application d'une polarisation inverse.
• Tension collecteur-émetteur de sortie (V_CEO) :80 V. C'est la tension maximale qui peut être supportée entre le collecteur et l'émetteur du phototransistor lorsque la base est ouverte (pas de lumière incidente).
• Dissipation totale de puissance (P_TOT) :240 mW. C'est la puissance combinée maximale qui peut être dissipée par la LED d'entrée et le transistor de sortie. Les limites individuelles sont de 90 mW pour l'entrée (P_D) et de 150 mW pour la sortie (P_C).
• Tension d'isolement (V_ISO) :3750 V_rmspendant 1 minute. Il s'agit d'un paramètre de sécurité critique, testé en appliquant cette tension alternative entre toutes les broches d'entrée court-circuitées (1-4) et toutes les broches de sortie court-circuitées (5-8). Il certifie la rigidité diélectrique de l'isolation interne.
• Température de fonctionnement et de stockage :-55°C à +110°C (fonctionnement), -55°C à +125°C (stockage). La large plage garantit la fiabilité dans des environnements sévères.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres sont mesurés dans des conditions de test standard (Ta=25°C sauf indication contraire) et définissent les performances du dispositif.

2.2.1 Caractéristiques de l'entrée (LED)

• Tension directe (V_F) :Typiquement 1,3V, maximum 1,5V à I_F= 10 mA. Elle est utilisée pour calculer la résistance de limitation de courant nécessaire pour le circuit de pilotage de la LED.
• Courant inverse (I_R) :Maximum 100 µA à V_R= 6V, indiquant la fuite de la LED à l'état bloqué.

2.2.2 Caractéristiques de la sortie (Phototransistor)

• Courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO) :Maximum 50 nA à V_CE= 10V, I_F= 0mA. C'est le courant de fuite du phototransistor lorsqu'aucune lumière n'est incidente, important pour déterminer le niveau de signal à l'état "bloqué".
• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(sat)) :Maximum 0,4V à I_F= 10mA, I_C= 2mA. Une faible tension de saturation est souhaitable lorsque le dispositif est utilisé comme interrupteur pour minimiser la chute de tension et les pertes de puissance.

2.2.3 Caractéristiques de transfert

Le paramètre le plus critique pour un photocoupleur est le Taux de Transfert de Courant (CTR).

• Définition :CTR = (I_C/ I_F) * 100%, où I_Cest le courant collecteur du phototransistor et I_Fest le courant direct de la LED. Il représente l'efficacité de conversion d'un courant d'entrée en un courant de sortie.
• Système de classement :La série est divisée en plages de CTR spécifiques, permettant une cohérence de conception.
  • Série EL20X (CTR standard à I_F=10mA) :EL205 (40-80%), EL206 (63-125%), EL207 (100-200%), EL208 (160-320%).
  • Série EL21X (CTR minimum à I_F=10mA) :EL211 (>20%), EL212 (>50%), EL213 (>100%).
  • CTR à faible courant (à I_F=1mA) :Différentes références (EL215, EL216, EL217) sont spécifiées pour un fonctionnement à des courants de LED plus faibles, montrant que le CTR dépend de I_F.
• Vitesse de commutation :Les temps typiques de mise en conduction (t_on) et de blocage (t_off) sont chacun de 3,0 µs, avec un temps de montée (t_r) de 1,6 µs et un temps de descente (t_f) de 2,2 µs dans des conditions de test spécifiées (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Ces paramètres limitent la fréquence maximale du signal pouvant être transmis.
• Paramètres d'isolement :La résistance d'isolement (R_IO) est typiquement de 10¹¹Ω, et la capacité entrée-sortie (C_IO) est typiquement de 0,5 pF. Une faible capacité est cruciale pour maintenir une haute immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) dans des environnements bruyants.

3. Analyse des courbes de performance

Bien que l'extrait PDF mentionne des courbes caractéristiques typiques sans les afficher, leur objectif général et leur impact sur la conception sont expliqués ci-dessous.

3.1 Taux de transfert de courant (CTR) en fonction du courant direct (I_F)

Une courbe typique montrerait que le CTR n'est pas constant. Il atteint généralement un pic à un I_Fspécifique (souvent dans la plage de 1-10 mA pour ce type de dispositifs) et diminue à la fois à des courants plus faibles et plus élevés. Les concepteurs doivent consulter cette courbe pour sélectionner un point de fonctionnement optimal offrant un gain et une linéarité suffisants pour leur application.

3.2 CTR en fonction de la température

Le CTR a un coefficient de température négatif ; il diminue lorsque la température ambiante augmente. Cette caractéristique est critique pour les conceptions fonctionnant sur toute la plage de -55°C à +110°C. Le circuit doit être conçu pour garantir un fonctionnement correct (par exemple, une excursion de sortie ou une capacité de commutation suffisante) à la température maximale attendue, où le CTR est à son minimum.

3.3 Courant collecteur en fonction de la tension collecteur-émetteur

Cet ensemble de courbes, paramétré par différentes valeurs de I_F, montre les caractéristiques de sortie du phototransistor. Il illustre la région de saturation (où V_CEest faible et I_Cest principalement contrôlé par I_F) et la région active/linéaire. Ceci est essentiel pour concevoir des amplificateurs d'isolement linéaires ou pour s'assurer que le dispositif est complètement saturé lorsqu'il est utilisé comme interrupteur.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Configuration des broches

Le boîtier SOP à 8 broches a le brochage suivant :Broche 1 :Anode,Broche 2 :Cathode,Broches 3, 4, 8 :Non connectées (NC),Broche 5 :Émetteur,Broche 6 :Collecteur,Broche 7 :Base. La broche de base est accessible extérieurement, ce qui offre une flexibilité de conception. Elle peut être laissée ouverte pour une sensibilité maximale, connectée à l'émetteur via une résistance pour réduire la sensibilité et améliorer la vitesse de commutation, ou utilisée pour une rétroaction dans des configurations spécifiques.

4.2 Dimensions du boîtier et implantation PCB

Le dispositif est conforme à l'empreinte standard SO-8. La fiche technique inclut des dessins mécaniques détaillés avec des dimensions en millimètres. Un schéma de pastilles recommandé pour l'assemblage en montage en surface est également fourni. Suivre ce modèle de pastilles est crucial pour obtenir des soudures fiables et éviter des problèmes comme le soulèvement d'un côté pendant le refusion. Le contour du boîtier assure la compatibilité avec les équipements automatisés de placement.

5. Recommandations de soudage et d'assemblage

La limite absolue pour la température de soudage est de 260°C pendant 10 secondes. C'est une valeur typique pour les procédés de refusion sans plomb. Les directives standard IPC/JEDEC J-STD-020 concernant les niveaux de sensibilité à l'humidité (MSL) et les profils de refusion doivent être suivies. Les composants doivent être stockés dans leur emballage barrière à l'humidité d'origine jusqu'à leur utilisation. S'ils sont exposés à une humidité ambiante dépassant leur classement MSL, un pré-séchage est requis avant le soudage pour éviter les dommages par "effet pop-corn" pendant la refusion.

6. Conditionnement et informations de commande

6.1 Règle de numérotation des modèles

La référence suit le format :EL2XX(Y)-V

• XX :Numéro de référence (05, 06, 07, 08, 11, 12, 13, 15, 16, 17). Définit le grade de CTR.
• Y :Option bande et bobine (TA, TB, ou rien pour le conditionnement en tube).
• V :Suffixe optionnel indiquant que l'approbation de sécurité VDE est incluse.

6.2 Options de conditionnement

• Tube :100 unités par tube. Adapté au prototypage ou à l'assemblage manuel en faible volume.
• Bande et bobine :2000 unités par bobine. Conçu pour les lignes d'assemblage automatisées à grand volume. La fiche technique inclut des spécifications détaillées de la bande et de la bobine (dimensions des alvéoles, largeur de bande, diamètre de bobine).

6.3 Marquage du composant

Le dessus du boîtier est marqué avec "EL" (code fabricant), le numéro de référence (ex. : 207), un code année à 1 chiffre (Y) et un code semaine à 2 chiffres (WW). Un "V" optionnel peut être présent pour les versions approuvées VDE. Ce marquage permet la traçabilité et la vérification du composant.

7. Considérations de conception applicative

7.1 Pilotage de la LED d'entrée

La LED doit être pilotée avec une résistance de limitation de courant. Sa valeur est calculée comme R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Utilisez la V_Fmaximale de la fiche technique pour garantir que le I_Fminimum requis est atteint dans toutes les conditions. Pour la commutation numérique, assurez-vous que le circuit de pilotage peut fournir le I_Fnécessaire pour atteindre l'état de sortie souhaité dans le temps requis, en tenant compte de la vitesse de commutation du dispositif.

7.2 Conception du circuit de sortie

La résistance de charge (R_L) connectée entre le collecteur et V_CCdétermine l'excursion de tension de sortie et la vitesse de commutation. Une R_Lplus petite offre une commutation plus rapide (en raison d'une constante de temps RC plus faible) mais entraîne une excursion de tension de sortie plus petite et une dissipation de puissance plus élevée. Une R_Lplus grande donne une excursion plus grande mais une vitesse plus lente. Le I_Fchoisi et le CTR doivent garantir que le phototransistor peut absorber suffisamment de courant pour abaisser la tension de sortie en dessous du seuil logique bas du circuit récepteur lorsqu'il est conducteur.

7.3 Utilisation de la broche de base

Laisser la broche de base (Broche 7) ouverte fournit le CTR et la sensibilité les plus élevés. Connecter une résistance (typiquement entre 100 kΩ et 1 MΩ) entre la base et l'émetteur (Broche 5) dérive une partie du courant de base photogénéré, réduisant le gain effectif (CTR) mais améliorant significativement la vitesse de commutation, en particulier le temps de blocage (t_off). C'est un compromis courant dans les applications d'isolement numérique haute vitesse.

7.4 Garantir un isolement fiable

Pour maintenir la tension d'isolement nominale, une implantation PCB appropriée est essentielle. Maintenez des distances de fuite et de clairance adéquates sur le PCB entre les pistes de cuivre côté entrée et côté sortie, comme spécifié par les normes de sécurité pertinentes (ex. : IEC 60950, IEC 60601). La barrière d'isolement à l'intérieur du composant lui-même est certifiée, mais l'implantation PCB ne doit pas la compromettre.

8. Comparaison technique et guide de sélection

La série EL20X/EL21X se distingue par sa tension d'isolement élevée de 3750 V_rmsdans un boîtier SO-8 standard, ce qui est supérieur à de nombreux photocoupleurs basiques à 4 broches. Comparés aux isolateurs numériques plus avancés (utilisant la technologie CMOS), les photocoupleurs à phototransistor comme ceux-ci sont généralement plus lents, ont un CTR plus faible, et le CTR se dégrade dans le temps. Cependant, ils offrent un excellent rejet en mode commun, une simplicité et une robustesse pour l'isolement de signaux continus et alternatifs basse fréquence. Les critères de sélection clés sont : la tension d'isolement requise, le CTR nécessaire au I_Fde fonctionnement, la vitesse de commutation acceptable et la plage de température de fonctionnement.

9. Questions fréquemment posées (FAQ)

9.1 Quelle est la différence entre les séries EL20X et EL21X ?

La série EL20X (EL205-EL208) spécifie le CTR avec une valeur minimale et maximale (une plage "classée"), offrant un contrôle plus strict des paramètres. La série EL21X (EL211-EL213) spécifie uniquement une valeur minimale de CTR, ce qui peut entraîner une distribution plus large des valeurs réelles mais potentiellement à un coût inférieur.

9.2 Comment la température affecte-t-elle les performances ?

Le CTR diminue avec l'augmentation de la température. Pour un fonctionnement fiable sur toute la plage de température, les calculs de conception doivent utiliser le CTR minimum attendu à la température de fonctionnement maximale. La fiche technique fournit généralement des courbes de déclassement ou un coefficient de température à cet effet.

9.3 Ce composant peut-il être utilisé pour l'isolement de signaux analogiques ?

Oui, mais avec des limitations. La réponse du phototransistor est non linéaire, et le CTR varie avec I_Fet la température. Pour un isolement analogique linéaire, des circuits externes supplémentaires (amplificateurs opérationnels, rétroaction) sont nécessaires pour linéariser la réponse, ou un photocoupleur linéaire dédié doit être envisagé.

9.4 Quel est l'objectif de l'option "V" dans la référence ?

Le suffixe "-V" indique que l'unité spécifique a été testée et certifiée conforme à la norme de sécurité VDE (Verband der Elektrotechnik) pour l'isolation renforcée. C'est souvent une exigence pour les produits vendus sur le marché européen.

10. Exemple pratique de conception

Scénario :Isoler une broche GPIO d'un microcontrôleur 3,3V pour commander une bobine de relais 12V sur un circuit séparé. La bobine du relais nécessite 50mA pour s'activer.

Étapes de conception :

1. Sélection de l'interface :Utiliser le photocoupleur comme interrupteur côté bas pour le relais. Le microcontrôleur pilote le côté LED. Le phototransistor absorbera le courant de la bobine du relais.
2. Sélection de la référence :Choisir une référence avec un CTR suffisant. I_Crequis = 50mA. Si on cible un I_F= 5mA depuis le MCU, le CTR minimum requis = (50mA / 5mA)*100% = 1000%. Un phototransistor standard ne peut pas fournir cela. Par conséquent, le photocoupleur doit piloter un petit transistor (un "post-transistor") qui pilotera ensuite le relais. Sélectionner un EL207 (CTR 100-200%) pour un bon gain.
3. Circuit d'entrée :GPIO MCU (3,3V) -> Résistance de limitation R1 -> Broches 1 (Anode) et 2 (Cathode) de l'EL207. R1 = (3,3V - 1,5V) / 0,005A = 360Ω (utiliser 330Ω standard).
4. Circuit de sortie :Alimentation 12V -> Bobine du relais -> Collecteur (Broche 6) de l'EL207. Émetteur (Broche 5) à la masse. Une diode de roue libre doit être placée en parallèle inverse aux bornes de la bobine du relais pour protéger le phototransistor des surtensions lors de son blocage. Une résistance base-émetteur (ex. : 1 MΩ) peut être ajoutée à la broche 7 pour améliorer la vitesse de blocage.
5. Vérification :À I_F=5mA, un CTR minimum de 100% donne I_C= 5mA. C'est suffisant pour saturer un petit BJT (ex. : 2N3904) avec un gain élevé, qui peut ensuite commuter la bobine de relais de 50mA.

11. Principe de fonctionnement

Un photocoupleur se compose de deux éléments principaux logés dans un boîtier étanche à la lumière. Côté entrée, une diode électroluminescente (LED) infrarouge en Arseniure de Gallium (GaAs) convertit le courant électrique en lumière infrarouge. L'intensité de cette lumière est directement proportionnelle au courant direct (I_F) traversant la LED. Cette lumière traverse un espace d'isolement transparent (souvent rempli d'un gel diélectrique) et frappe le phototransistor en silicium côté sortie. La région de base du phototransistor est conçue pour être sensible à cette longueur d'onde spécifique de lumière. Les photons incidents génèrent des paires électron-trou dans la jonction base-collecteur, créant un photocourant qui agit comme 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 (I_C) beaucoup plus important. Le rapport I_C/I_Fest le Taux de Transfert de Courant (CTR). Le point clé est que le signal est transféré par la lumière, fournissant un isolement galvanique déterminé par les propriétés physiques du matériau d'isolation interne et la distance entre la LED et le transistor.

12. Tendances technologiques

Les photocoupleurs à base de phototransistor comme les EL20X/EL21X représentent une technologie d'isolement mature et fiable. Les tendances actuelles en matière d'isolement de signaux incluent l'adoption croissante desisolateurs numériquesbasés sur la technologie CMOS et le couplage RF ou capacitif. Ceux-ci offrent des avantages significatifs en vitesse (jusqu'à des centaines de Mbps), consommation d'énergie, taille et longévité (pas de dégradation de la LED). Cependant, les photocoupleurs traditionnels conservent des positions fortes dans les applications nécessitant une très haute tension d'isolement (>5kV), une excellente immunité aux transitoires en mode commun (CMTI), la simplicité et le rapport coût-efficacité pour l'isolement continu et basse fréquence. Il y a également un développement continu dans la technologie des photocoupleurs elle-même, comme l'intégration du phototransistor avec une résistance base-émetteur pour une vitesse plus rapide (comme on le voit avec la disponibilité de la broche de base) et le développement de boîtiers avec des distances de fuite/clairance plus élevées pour les exigences d'isolation renforcée.