Fiche technique de la série ELM8XL-G - Photocoupleur logique haute vitesse - Boîtier SOP 5 broches - Alimentation 3,3V/5V - 15 MBit/s - Documentation technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

La série ELM8XL-G représente une famille de photocoupleurs (optocoupleurs) à sortie logique et haute vitesse, conçus pour les applications modernes d'isolation numérique. La fonction principale de ce dispositif est de fournir une isolation galvanique entre les circuits d'entrée et de sortie tout en transmettant des signaux logiques numériques à haute vitesse. Il intègre une diode électroluminescente infrarouge (DEL) côté entrée, qui est couplée optiquement à un circuit intégré détecteur CMOS côté sortie. Cette méthode de couplage optique élimine toute connexion électrique, offrant ainsi une isolation haute tension et une immunité au bruit, ce qui est crucial dans les systèmes avec des potentiels de masse différents ou dans des environnements électriques bruyants.

Le dispositif est conditionné dans un boîtier SOP (Small Outline Package) 5 broches compact pour montage en surface, le rendant adapté aux processus d'assemblage automatisés et aux conceptions de PCB à espace limité. Son objectif de conception principal est de faciliter une transmission de données fiable et haute vitesse à travers des barrières d'isolation, servant de remplacement direct aux transformateurs d'impulsions dans de nombreuses applications tout en offrant des avantages en termes de taille, de coût et d'intégration.

1.1 Avantages clés et marché cible

La série ELM8XL-G offre plusieurs avantages clés qui définissent sa position sur le marché. Le premier est sacapacité haute vitesse, prenant en charge des débits de données allant jusqu'à 15 mégabits par seconde (MBit/s). Cela la rend adaptée aux interfaces de communication modernes et aux signaux de contrôle rapides. Le deuxième est sacompatibilité double tension d'alimentation, fonctionnant correctement avec les niveaux logiques CMOS 3,3V et 5V, ce qui offre une flexibilité de conception pour les systèmes à tension mixte. Le troisième est sontaux d'isolation élevéde 3750 V_eff, garantissant la sécurité et la fiabilité dans les applications nécessitant une protection contre les transitoires haute tension ou les différences de potentiel de masse.

Le dispositif est également fabriqué pour répondre à des normes environnementales et de sécurité strictes. Il estsans halogène(avec Brome <900ppm, Chlore <900ppm, Br+Cl <1500ppm), conforme au règlement REACH de l'UE, et est à la fois sans plomb et conforme RoHS. Il possède les approbations des principales agences de sécurité internationales, notamment UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO et FIMKO, ce qui est essentiel pour les produits destinés aux marchés mondiaux, en particulier dans l'équipement industriel, les télécommunications et l'informatique.

Les applications cibles sont diverses et centrées sur le besoin d'isolation de signal :

• Récepteurs de ligne et transmission de données :Isolation des lignes de communication série (RS-232, RS-485, etc.) pour éviter les boucles de masse et le bruit.
• Multiplexage de données :Fourniture d'isolation dans les systèmes de bus de données multiplexés.
• Alimentations à découpage :Isolation des signaux de rétroaction dans les topologies de convertisseurs à isolation galvanique comme le flyback.
• Remplacement de transformateur d'impulsions :Offre une solution plus petite et plus intégrée pour l'isolation de signal traditionnellement réalisée avec des transformateurs.
• Interfaces de périphériques informatiques :Isolation des signaux vers/depuis les imprimantes, les entrées/sorties industrielles et autres périphériques.
• Isolation de masse logique haute vitesse :Séparation des masses numériques entre sous-systèmes, par exemple entre un microcontrôleur et des pilotes de moteur, pour éviter le couplage de bruit.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Une compréhension approfondie des caractéristiques électriques et de commutation est cruciale pour une mise en œuvre réussie du photocoupleur ELM8XL-G dans une conception de circuit.

2.1 Valeurs maximales absolues

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

• Courant direct d'entrée (I_F) :15 mA maximum. Le courant pilotant la DEL interne ne doit pas dépasser cette valeur.
• Tension inverse d'entrée (V_R) :5 V maximum. La tension inverse appliquée aux bornes de la DEL doit être limitée.
• Dissipation de puissance d'entrée (P_D) :35 mW maximum pour le côté entrée.
• Dissipation de puissance de sortie (P_O) :85 mW maximum pour le circuit intégré CMOS de sortie.
• Courant de sortie (I_O) :20 mA maximum en courant de puits/source depuis la broche de sortie.
• Tension d'alimentation (V_CC) :5,5 V maximum. C'est la tension absolue maximale qui peut être appliquée à la broche d'alimentation du côté sortie.
• Dissipation de puissance totale (P_T) :100 mW maximum pour l'ensemble du dispositif.
• Tension d'isolation (V_ISO) :3750 V_effpendant 1 minute. Il s'agit d'une spécification de sécurité testée dans des conditions spécifiques (broches 1 & 3 court-circuitées, broches 4, 5 & 6 court-circuitées) à 40-60% d'humidité relative.
• Température de fonctionnement (T_OPR) :-40°C à +85°C. Le dispositif est garanti pour respecter ses spécifications publiées dans cette plage.
• Température de stockage (T_STG) :-55°C à +125°C.
• Température de soudure (T_SOL) :260°C pendant 10 secondes, conforme aux profils de refusion sans plomb typiques.

Note de conception :La fiche technique spécifie que l'alimentation V_CCdoit être découplée avec un condensateur de 0,1µF ou plus (céramique ou tantale solide avec de bonnes caractéristiques haute fréquence) placé aussi près que possible des broches V_CCet GND du dispositif. Ceci est critique pour un fonctionnement stable et l'immunité au bruit de l'étage de sortie CMOS haute vitesse.

2.2 Caractéristiques électriques

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

2.2.1 Caractéristiques d'entrée (côté DEL)

• Tension directe (V_F) :Typiquement 1,4V, avec un maximum de 1,8V à un courant direct (I_F) de 8mA. Ceci est utilisé pour calculer la valeur de la résistance de limitation de courant requise côté entrée : R_limite= (V_alim- V_F) / I_F.
• Tension inverse (V_R) :5,0V minimum. La DEL peut supporter jusqu'à 5V en polarisation inverse.
• Coefficient de température de V_F(ΔV_F/ΔT_A) :Approximativement -1,7 mV/°C. La tension directe diminue légèrement lorsque la température augmente.
• Capacité d'entrée (C_IN) :Typiquement 60 pF. Ceci affecte la réponse en haute fréquence du circuit de pilotage d'entrée.

2.2.2 Caractéristiques de sortie (côté circuit intégré CMOS)

• Courant d'alimentation (I_CCH, I_CCL) :Typiquement 1,3mA, avec un maximum de 6mA, que la sortie soit à l'état haut (I_F=0mA) ou bas (I_F=8mA). C'est le courant de repos consommé par le circuit intégré de sortie depuis V_CC.
• Tension de sortie à l'état haut (V_OH) :Pour une alimentation de 3,3V, V_OHest garantie d'être au moins V_CC- 1V (soit 2,3V) et est typiquement V_CC- 0,3V (3,0V) lors d'un courant de puits de 4mA. Pour une alimentation de 5V, c'est V_CC- 1V (4,0V) min, typiquement V_CC- 0,2V (4,8V). Ceci garantit des niveaux logiques hauts solides.
• Tension de sortie à l'état bas (V_OL) :Pour une alimentation de 3,3V, V_OLest typiquement de 0,21V avec un maximum de 0,6V lors d'un courant source de 4mA (I_F=8mA). Pour une alimentation de 5V, elle est typiquement de 0,17V, max 0,6V. Ceci garantit des niveaux logiques bas solides.
• Courant de seuil d'entrée (I_FT) :Le courant de DEL requis pour garantir une sortie logique basse. Il est typiquement de 2,5mA (max 5mA) à V_CC=3,3V avec une charge très légère (I_OL=20µA). La conception doit utiliser un I_Fnettement supérieur à cela (par exemple, 8mA comme indiqué dans les conditions de test) pour une commutation fiable et une marge de bruit.

2.3 Caractéristiques de commutation

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

• Délai de propagation vers la sortie haute (t_PHL) :Le temps entre l'extinction de la DEL d'entrée (I_Fpassant de 8mA à 0mA) et l'atteinte d'un niveau logique HAUT valide en sortie. Typiquement 30ns (max 65ns) à V_CC=3,3V, et 33ns typique à V_CC=5V.
• Délai de propagation vers la sortie basse (t_PLH) :Le temps entre l'allumage de la DEL d'entrée (I_Fpassant de 0mA à 8mA) et l'atteinte d'un niveau logique BAS valide en sortie. Typiquement 48ns (max 65ns) à V_CC=3,3V, et 52ns typique à V_CC=5V.
• Distorsion de largeur d'impulsion (|t_PHL– t_PLH|) :La différence absolue entre les deux délais de propagation. Ceci est crucial pour maintenir l'intégrité des largeurs d'impulsion. Elle est typiquement de 20ns (max 50ns) à 3,3V et de 22ns typique à 5V. Une valeur plus faible est meilleure.
• Temps de montée/descente de sortie (t_r, t_f) :Typiquement 7ns chacun. Ceci définit la vitesse des fronts du signal de sortie.
• Immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) :C'est un paramètre d'isolation clé. Il mesure la capacité du dispositif à ignorer les transitoires de tension rapides entre les masses d'entrée et de sortie. Deux grades sont spécifiés : M80L avec un minimum de 5 000 V/µs, et M81L avec un minimum de 10 000 V/µs. Ceci est testé avec une tension de mode commun crête à crête de 1000V (V_CM) et garantit que l'état de sortie ne bascule pas erronément à cause du bruit.

3. Informations mécaniques et de conditionnement

3.1 Configuration des broches et table de vérité

Le dispositif utilise un boîtier SOP 5 broches, bien que six numéros de broches soient référencés (1-6, la broche 2 étant probablement Non Connectée ou une connexion interne). Les broches fonctionnelles sont :

• Broche 1 : Anodede la DEL d'entrée.
• Broche 3 : Cathodede la DEL d'entrée.
• Broche 4 : GNDpour le circuit intégré CMOS de sortie.
• Broche 5 : V_OUT, le signal de sortie numérique.
• Broche 6 : V_CC, la tension d'alimentation (3,3V ou 5V) pour le circuit intégré CMOS de sortie.

Le dispositif implémente une fonctionde porte logique non inverseuse(Logique Positive) :

• Entrée HAUTE (DEL ALLUMÉE, I_F> I_FT) :Sortie = BAS
• Entrée BASSE (DEL ÉTEINTE, I_F= 0) :Sortie = HAUT

Il s'agit d'une entrée à puits de courant ; un courant doit être injecté dans la DEL pour produire une sortie basse.

3.2 Dimensions du boîtier et implantation PCB

La fiche technique fournit des dessins mécaniques détaillés pour le boîtier SOP 5 broches. Les dimensions clés incluent la taille du corps, le pas des broches et la hauteur de dégagement. Uneimplantation de pastilles recommandéepour le montage en surface est également fournie. Cette implantation est conçue pour assurer la formation fiable des joints de soudure pendant le soudage par refusion. La fiche technique note que ces dimensions de pastilles sont des suggestions et peuvent nécessiter des modifications basées sur des processus de fabrication de PCB spécifiques ou des exigences thermiques, mais elles servent d'excellent point de départ pour la conception.

3.3 Marquage du dispositif

Le dessus du boîtier est marqué d'un code laser ou à l'encre pour identification. Le marquage suit le format :EL M81L YWW V.

• EL :Code du fabricant.
• M81L :Numéro du dispositif (spécifique au grade CMTI et à la variante).
• Y :Code année à un chiffre.
• WW :Code semaine à deux chiffres.
• V :Marquage optionnel indiquant l'approbation VDE.

4. Guide d'application et considérations de conception

4.1 Conception du circuit d'entrée

Le circuit d'entrée doit fournir un courant contrôlé à la DEL. Une simple résistance en série est suffisante. Sa valeur est calculée en fonction de la tension de pilotage et du I_Fdésiré. Par exemple, pour piloter I_F= 8mA à partir d'un signal logique 5V avec un V_Ftypique de 1,4V : R_limite= (5V - 1,4V) / 0,008A = 450Ω. Une résistance standard de 470Ω serait appropriée. Assurez-vous que la source de pilotage peut fournir le courant nécessaire. Pour un pilotage depuis une broche GPIO d'un microcontrôleur, vérifiez la capacité de courant de la broche. Si elle est insuffisante, un tampon à transistor simple (par exemple, un NPN ou un MOSFET canal N) peut être requis.

4.2 Conception du circuit de sortie

La sortie est une sortie numérique CMOS standard. Elle peut piloter directement des entrées CMOS, TTL ou LVCMOS. Les exigences clés sont :

1. Découplage de l'alimentation :Comme souligné dans la fiche technique, un condensateur céramique de 0,1µF doit être placé directement entre la broche 6 (V_CC) et la broche 4 (GND). Ceci est non négociable pour un fonctionnement haute vitesse stable et pour éviter le bruit sur la sortie.
2. Considérations de charge :La sortie peut absorber/fournir jusqu'à 20mA, mais pour une vitesse et une intégrité du signal optimales, les charges doivent être principalement capacitives (par exemple, la capacité d'entrée d'une autre porte). Piloter des charges résistives importantes ou des pistes longues augmentera les temps de montée/descente et peut affecter les marges temporelles.
3. Résistances de rappel :Non nécessaires, car la sortie pilote activement les états haut et bas.

4.3 Considérations de vitesse et de temporisation

Pour un débit de données de 15 MBit/s, la période de bit est d'environ 66,7ns. Le délai total du signal à travers le photocoupleur est la somme de t_PLHou t_PHLplus une partie du temps de montée/descente. Avec des délais typiques autour de 30-50ns, il y a une marge adéquate pour ce débit. Cependant, ladistorsion de largeur d'impulsionest importante. Une distorsion de 20ns signifie qu'une impulsion sera rétrécie ou élargie de cette quantité après avoir traversé l'isolateur. Pour des impulsions très étroites, cela pourrait les faire disparaître si la distorsion est supérieure à la largeur d'impulsion. Toujours considérer les valeurs maximales, et non typiques, pour les conceptions critiques en temporisation.

4.4 Isolation et conception de sécurité

Le taux d'isolation de 3750V_effest une exigence de sécurité. Pour maintenir ce taux dans le produit final, l'implantation PCB est critique. Assurez-vous que les distances decrémage et d'isolementsur le PCB entre toutes les pistes/composants côté entrée et les pistes/composants côté sortie respectent ou dépassent les exigences pour la tension d'isolation de travail du système (qui est inférieure à la tension de test de 3750V_eff). Cela signifie souvent incorporer une large fente ou barrière dans le PCB sous le boîtier du photocoupleur. Consultez les normes de sécurité pertinentes (par exemple, IEC 60950, IEC 61010) pour les exigences de distance spécifiques basées sur la tension, le degré de pollution et le groupe de matériaux.

5. Informations de commande et conditionnement

Le numéro de pièce suit la structure :ELM8XL(Z)-V.

• ELM8XL :Numéro de pièce de base.
• (Z) :Option bande et bobine. Peut être "TA", "TB", ou omis pour le conditionnement en tube.
• -V :Suffixe optionnel indiquant que l'approbation VDE est incluse.

Options de conditionnement :

• Tube :100 unités par tube. Standard pour l'assemblage manuel ou en faible volume.
• Bande et bobine (TA ou TB) :3000 unités par bobine. Les "TA" et "TB" font probablement référence à différentes tailles de bobine ou largeurs de bande (par exemple, 8mm vs 12mm). Cette option est pour l'assemblage automatisé pick-and-place.

La fiche technique inclut des spécifications détaillées de bande et bobine, y compris les dimensions des alvéoles (A, B, D0, D1), le pas (P0, P1, P2), l'épaisseur de la bande (t) et la largeur de la bobine (W). Ces dimensions sont essentielles pour programmer l'alimenteur sur une machine d'assemblage automatisée.

6. Courbes de performance et caractéristiques typiques

Bien que l'extrait PDF mentionne "Courbes de caractéristiques électro-optiques typiques", les graphiques spécifiques ne sont pas inclus dans le texte fourni. Typiquement, de telles fiches techniques incluent des courbes montrant :

• Courant direct (I_F) vs Tension directe (V_F) :Montre la caractéristique de type diode de la DEL d'entrée à différentes températures.
• Taux de transfert de courant (CTR) vs Courant direct :Bien qu'il s'agisse d'un dispositif numérique, une forme de CTR existe - la relation entre I_Fet l'état de sortie résultant. Le courant de seuil I_FTest le paramètre clé.
• Délai de propagation vs Tension d'alimentation (V_CC) :Comment les paramètres de temporisation changent avec V_CC.
• Délai de propagation vs Température :Comment les paramètres de temporisation changent sur la plage de température de fonctionnement.
• Courant d'alimentation (I_CC) vs Température :Variation du courant de repos avec la température.

Les concepteurs doivent utiliser lesvaleurs minimales et maximalesdes tableaux pour une conception robuste, en utilisant les courbes typiques uniquement pour comprendre les tendances et les comportements.

7. Comparaison et contexte technologique

L'ELM8XL-G se situe dans une catégorie de photocoupleurs numériques haute vitesse. Comparé aux anciens photocoupleurs avec sorties transistor ou Darlington, sa sortie de porte logique CMOS offre des vitesses de commutation beaucoup plus rapides, des fronts plus raides et des niveaux logiques bien définis. Comparé aux transformateurs d'impulsions, il offre un encombrement plus réduit, une capacité de couplage CC (les transformateurs ne peuvent pas transmettre de signaux CC) et souvent un coût inférieur. Comparé aux technologies d'isolation plus récentes comme les isolateurs capacitifs (isolateurs numériques) ou les isolateurs à magnétorésistance géante (GMR), les photocoupleurs comme l'ELM8XL-G offrent l'avantage d'une fiabilité éprouvée, d'une résistance d'isolation intrinsèque très élevée et d'une immunité aux champs magnétiques. Le compromis est généralement une vitesse plus lente et une consommation électrique plus élevée (due au courant de pilotage de la DEL) que les derniers isolateurs à base de semi-conducteurs. Le choix dépend des exigences spécifiques de l'application en termes de vitesse, puissance, coût et immunité au bruit.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Puis-je l'utiliser avec un signal d'entrée 3,3V pour piloter la DEL ?

R : Oui, mais vous devez recalculer la résistance de limitation de courant. Pour un pilotage 3,3V et V_F~1,4V, pour obtenir I_F=8mA, R = (3,3V - 1,4V) / 0,008A = 237,5Ω. Utilisez une résistance de 240Ω. Assurez-vous que la source 3,3V peut fournir 8mA.

Q : Quelle est la différence entre les versions M80L et M81L ?

R : La différence principale est l'Immunité aux transitoires en mode commun (CMTI). La version M81L garantit un minimum de 10 000 V/µs, tandis que la M80L garantit 5 000 V/µs. Choisissez la M81L pour les environnements plus bruyants, comme les entraînements de moteur ou les systèmes d'alimentation industriels.

Q : Une résistance de rappel externe est-elle nécessaire sur la sortie ?

R : Non. La sortie est un étage CMOS push-pull actif qui pilote les niveaux haut et bas. Une résistance de rappel externe est inutile et ne ferait qu'augmenter la consommation électrique.

Q : Comment m'assurer que le taux d'isolation élevé est maintenu dans ma conception PCB ?

R : Vous devez maintenir des distances de crémage (distance le long de la surface) et d'isolement (espace d'air) adéquates entre tous les conducteurs côté entrée et tous les conducteurs côté sortie. Cela nécessite généralement un espace ou une fente physique dans le PCB sous le corps du photocoupleur. Les distances spécifiques dépendent de la tension de travail de votre application et des normes de sécurité qu'elle doit respecter.

Q : La broche de sortie (5) peut-elle être connectée directement à l'entrée d'un autre dispositif, ou ai-je besoin d'une résistance en série ?

R : Elle peut être connectée directement. La sortie est conçue pour piloter des entrées numériques standard. Une résistance en série n'est généralement pas nécessaire et ralentirait les fronts du signal.