Fiche technique - Photocoupleur logique haute vitesse 10 Mbit/s en boîtier DIP 8 broches large série ELW137

1. Vue d'ensemble du produit

Les séries ELW137, ELW2601 et ELW2611 sont des photocoupleurs logiques haute vitesse conçus pour les applications nécessitant une isolation rapide des signaux numériques. L'élément central est une diode électroluminescente infrarouge couplée optiquement à un photodétecteur intégré haute vitesse avec une sortie de porte logique. Ce composant est conditionné dans un boîtier DIP (Dual In-line Package) 8 broches large, standard dans l'industrie, et des options pour montage en surface (SMD) sont disponibles. Sa fonction principale est d'assurer une isolation électrique entre les circuits d'entrée et de sortie tout en transmettant des signaux logiques numériques à des vitesses allant jusqu'à 10 mégabits par seconde (Mbit/s).

1.1 Avantages clés et marché cible

Les principaux avantages de cette série incluent sa capacité haute vitesse, la rendant adaptée aux interfaces de communication numérique modernes. Elle offre une tension d'isolation élevée de 5000 V_eff, améliorant la sécurité du système et l'immunité au bruit. Le dispositif est conçu pour garantir ses performances sur une large plage de températures industrielles, de -40°C à +85°C. Il possède les principales homologations de sécurité internationales (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) et est conforme aux directives européennes REACH et RoHS. Les marchés cibles incluent l'automatisation industrielle, les télécommunications, les périphériques informatiques, l'équipement médical et les alimentations à découpage où une isolation fiable des signaux est critique.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Cette section fournit une interprétation objective des principaux paramètres électriques et de performance listés dans la fiche technique.

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au composant peuvent survenir. Elles ne correspondent pas aux conditions de fonctionnement normales.

• Courant direct d'entrée (I_F): 50 mA. Le dépassement peut détruire la LED d'entrée.
• Tension inverse (V_R): 5 V. La diode d'entrée a une tolérance limitée à la tension inverse.
• Tension d'alimentation (V_CC) & Tension de sortie (V_O): 7,0 V. Ceci définit la tension maximale pouvant être appliquée aux broches d'alimentation et de signal du côté sortie.
• Tension d'isolation (V_ISO): 5000 V_effpendant 1 minute. Il s'agit d'un paramètre de sécurité clé indiquant la rigidité diélectrique entre les côtés entrée et sortie.
• Température de fonctionnement (T_OPR): -40°C à +85°C. Le composant est conçu pour les environnements industriels.
• Température de soudure (T_SOL): 260°C pendant 10 secondes. Ceci est important pour les processus d'assemblage sur carte PCB.

2.2 Caractéristiques électriques

Ce sont des paramètres garantis dans des conditions de test spécifiées sur toute la plage de température de fonctionnement.

2.2.1 Caractéristiques d'entrée

• Tension directe (V_F): Typiquement 1,4V, maximum 1,8V à I_F=10mA. Ceci est utilisé pour concevoir le circuit de limitation de courant d'entrée.
• Capacité d'entrée (C_IN): Typiquement 70 pF. Ceci affecte la réponse en haute fréquence de l'étage d'entrée.

2.2.2 Caractéristiques de sortie et de transfert

• Courants d'alimentation (I_CCH, I_CCL): Le circuit intégré de sortie consomme 6,5-10mA (sortie haute) et 8-13mA (sortie basse). Ceci détermine l'exigence en puissance du côté sortie.
• Tension de sortie à l'état bas (V_OL): Maximum 0,6V lors d'un courant de puits de 13mA. Ceci assure la compatibilité avec les entrées logiques TTL et CMOS basse tension.
• Courant de seuil d'entrée (I_FT): 3,0 à 5,0 mA. C'est le courant minimum requis dans la LED d'entrée pour garantir une sortie logique basse valide dans les pires conditions. La conception doit utiliser un courant supérieur à la valeur maximale.

2.3 Caractéristiques de commutation

Ces paramètres définissent les performances temporelles critiques pour la transmission de données haute vitesse.

• Délais de propagation (t_PHL, t_PLH): Maximum 100 ns chacun. Ceci limite le débit de données maximal. La fiche technique spécifie une capacité de 10 Mbit/s.
• Distorsion de largeur d'impulsion |t_PHL- t_PLH|: Maximum 40 ns. Cette asymétrie peut affecter le rapport cyclique dans les signaux transmis.
• Temps de montée/descente (t_r, t_f): t_rest typiquement de 40 ns, t_fest typiquement de 10 ns. Un temps de descente plus rapide est courant dans ce type de dispositifs.
• Immunité aux transitoires en mode commun (CMH, CML): C'est un paramètre critique pour l'immunité au bruit. L'ELW2611 offre les meilleures performances (10 000 - 20 000 V/µs), ce qui signifie qu'il peut rejeter des pointes de tension très rapides entre les masses d'entrée et de sortie sans provoquer d'erreurs en sortie. L'ELW137 a une CMTI non spécifiée, tandis que l'ELW2601 offre 5 000 V/µs.

3. Configuration des broches et description fonctionnelle

Le dispositif utilise une configuration DIP 8 broches. Les broches 1 et 4 sont sans connexion (NC). Le côté entrée est constitué de la broche 2 (Anode) et de la broche 3 (Cathode) pour la LED. Le côté sortie comprend la broche 5 (Masse), la broche 6 (V_OUT- Sortie), la broche 7 (V_E- Validation), et la broche 8 (V_CC- Tension d'alimentation). La broche de validation (V_E) contrôle la sortie. La table de vérité montre la logique : lorsque Validation est à l'état Haut, la sortie est l'inverse de l'entrée (active bas). Lorsque Validation est à l'état Bas, la sortie est forcée à l'état Haut indépendamment de l'entrée. La fiche technique impose un condensateur de découplage de 0,1µF entre les broches 8 (V_CC) et 5 (Masse) pour un fonctionnement stable.

4. Suggestions d'application

4.1 Scénarios d'application typiques

• Élimination des boucles de masse & Isolation de niveaux logiques: Isoler les signaux numériques entre des sous-systèmes avec des potentiels de masse différents pour prévenir le bruit et les boucles de masse.
• Transmission de données & Récepteurs de ligne: Utilisé dans les liaisons de communication série (interfaces RS-232, RS-485) pour l'isolation.
• Alimentations à découpage: Fournir une isolation de rétroaction dans les topologies de convertisseurs à isolation galvanique comme le flyback.
• Interfaces de périphériques informatiques: Isoler les signaux vers/depuis les imprimantes, les cartes d'E/S industrielles.
• Remplacement de transformateur d'impulsions: Offrir une alternative à semi-conducteurs pour l'isolation de signaux avec un circuit de commande plus simple.

4.2 Considérations de conception

• Réglage du courant d'entrée: Le courant de la LED d'entrée doit être défini à l'aide d'une résistance en série. Pour garantir la commutation, I_Fdoit être réglé au-dessus du maximum I_FT(5mA). La condition de test typique utilise 7,5mA. La valeur de la résistance est (V_COMMANDE- V_F) / I_F.
• Utilisation de la broche de validation: La broche de validation peut être utilisée pour gâter la sortie ou connectée à une tension fixe si non nécessaire. Elle ne doit pas dépasser V_CCde plus de 0,5V.
• Charge de sortie: La sortie peut absorber jusqu'à 13mA pour un V_OLvalide. Pour piloter des courants plus élevés ou des charges capacitives, un tampon externe peut être requis.
• Immunité au bruit: Pour les environnements très bruités, choisissez la variante ELW2611 pour son excellente Immunité aux Transitoires en Mode Commun (CMTI). Le circuit de commande recommandé sur la Fig. 15 pour l'ELW2611 utilise un transistor pour accentuer les fronts du courant de la LED d'entrée, améliorant encore les performances CMTI.
• Découplage: Le condensateur de 0,1µF du côté sortie est essentiel pour minimiser le bruit d'alimentation et assurer un fonctionnement stable à haute vitesse.

5. Comparaison technique et guide de sélection

La série comprend trois variantes principales : ELW137, ELW2601 et ELW2611. Le principal facteur de différenciation est l'Immunité aux Transitoires en Mode Commun (CMTI). L'ELW137 offre une isolation basique. L'ELW2601 offre une CMTI moyenne (5 000 V/µs). L'ELW2611 fournit une CMTI élevée (10 000 - 20 000 V/µs). La sélection doit être basée sur l'environnement de bruit électrique de l'application. Pour les entraînements de moteurs, les automates programmables industriels (API) ou les alimentations bruyantes, l'ELW2611 est recommandé. Pour une isolation numérique moins exigeante, l'ELW2601 ou l'ELW137 peuvent suffire.

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

6.1 Quel est le débit de données maximal réalisable ?

Bien que le dispositif soit spécifié pour 10 Mbit/s, le débit maximal utilisable réel dépend des délais de propagation et des temps de montée/descente. Avec un délai de propagation maximal de 100 ns, la fréquence maximale théorique pour une onde carrée est plus faible. Pour une transmission de données fiable, il faut considérer la distorsion totale d'impulsion et les marges temporelles du système.

6.2 Comment calculer la valeur de la résistance d'entrée ?

Utilisez la formule : R_IN= (V_COMMANDE- V_F) / I_F. Supposez V_Fcomme la valeur maximale (1,8V) pour une conception en pire cas. Pour une commande à 5V et I_F= 10mA, R_IN= (5V - 1,8V) / 0,01A = 320 Ohms. Utilisez la valeur standard la plus proche (par exemple, 330 Ohms).

6.3 Puis-je l'utiliser avec une logique 3,3V ?

Le côté sortie V_CCpeut être alimenté en 3,3V. Cependant, les caractéristiques électriques sont testées avec V_CC=5,5V. Des paramètres comme V_OL, I_OH, et les délais de propagation peuvent différer à 3,3V. Le côté entrée est indépendant ; la LED peut être pilotée par une source 3,3V tant que le bon I_Fest atteint.

6.4 Quel est le rôle de la broche de validation (Enable) ?

La broche de validation (V_E) fournit un contrôle à trois états. Lorsqu'elle est mise à l'état bas (<0,8V), elle force la sortie à l'état haut, désactivant effectivement le chemin du signal de l'entrée vers la sortie. Ceci peut être utilisé pour multiplexer les sorties de plusieurs isolateurs sur une seule ligne de bus ou pour des modes d'économie d'énergie.

7. Cas pratique de conception

Scénario :Isoler un signal UART à 1 Mbit/s entre un microcontrôleur 3,3V et un émetteur-récepteur RS-485 5V dans un nœud capteur industriel.

Étapes de conception :

1. Sélection de la variante :Choisir l'ELW2611 pour une haute immunité au bruit en environnement industriel.
2. Circuit d'entrée :La sortie GPIO du microcontrôleur (3,3V) pilote la LED. Calcul de la résistance : R_IN= (3,3V - 1,8V) / 0,01A = 150 Ohms. Utiliser une résistance de 150Ω en série avec l'anode de la LED (Broche 2). Cathode (Broche 3) à la masse du microcontrôleur.
3. Circuit de sortie :Alimenter le côté sortie avec 5V (V_CCBroche 8). Connecter un condensateur céramique de 0,1µF entre la broche 8 et la broche 5 (Masse). Connecter la sortie Broche 6 directement à la broche d'entrée de l'émetteur-récepteur RS-485. L'impédance d'entrée de l'émetteur-récepteur agit comme charge. La broche de validation 7 peut être reliée à V_CC(5V) via une résistance de 10kΩ pour un fonctionnement toujours actif, ou pilotée par une autre GPIO pour le contrôle.
4. Implantation :Maintenir les pistes d'entrée et de sortie physiquement séparées. Placer le condensateur de découplage aussi près que possible des broches 8 et 5.

8. Principe de fonctionnement

Un photocoupleur fonctionne sur le principe du couplage optique. Un signal électrique d'entrée pilote une diode électroluminescente infrarouge (LED). La lumière émise est détectée par une photodiode ou un phototransistor sur le côté sortie isolé. Dans ce photocoupleur logique, le côté sortie contient un circuit intégré plus complexe. Le courant du photodétecteur est amplifié et traité par une porte logique numérique (typiquement un trigger de Schmitt) pour produire un signal de sortie numérique propre et bien défini. Le chemin optique fournit la barrière d'isolation électrique, car la lumière peut traverser un espace physique (à travers un matériau isolant transparent) là où l'électricité ne le peut pas, bloquant ainsi les boucles de masse et les transitoires haute tension.

9. Tendances de l'industrie

La tendance dans l'isolation de signaux va vers des vitesses plus élevées, une consommation d'énergie plus faible, des boîtiers plus petits et des fonctionnalités intégrées. Bien que les photocoupleurs traditionnels comme ce boîtier DIP restent largement utilisés, de nouvelles technologies gagnent du terrain. Les isolateurs numériques basés sur la technologie CMOS avec couplage capacitif ou magnétique offrent des débits de données significativement plus élevés (jusqu'à des centaines de Mbit/s), des délais de propagation plus faibles, une meilleure symétrie temporelle et une fiabilité supérieure en fonction de la température et du temps. Ils intègrent également plusieurs canaux dans de minuscules boîtiers. Cependant, les photocoupleurs conservent des avantages dans certains domaines comme une capacité de tension d'isolation très élevée, la simplicité et le rapport coût-efficacité pour de nombreuses applications à vitesse standard. Le développement de photocoupleurs haute vitesse et à CMTI élevée (comme l'ELW2611) répond au besoin d'isolation robuste dans les environnements d'électronique de puissance bruyants et d'entraînements de moteurs.