Fiche technique - Photocoupleur logique haute vitesse 10MBit/s série ELS611-G en boîtier SDIP 6 broches

1. Vue d'ensemble du produit

La série ELS611-G représente une famille de photocoupleurs (optocoupleurs) de sortie logique, haute vitesse, conçus pour l'isolation de signaux numériques. Ces dispositifs intègrent une diode électroluminescente infrarouge couplée optiquement à un photodétecteur intégré haute vitesse avec une sortie logique pouvant être mémorisée. Logés dans un boîtier compact Small Dual In-line Package (SDIP) à 6 broches, ils sont conçus pour remplacer les transformateurs d'impulsions et assurer une élimination robuste des boucles de masse dans des environnements électriques bruyants.

La fonction principale est de fournir une isolation électrique entre les circuits d'entrée et de sortie, empêchant la propagation des boucles de masse, des pointes de tension et du bruit. La sortie logique garantit une transmission propre du signal numérique, la rendant adaptée à l'interface entre différentes familles logiques ou domaines de tension.

1.1 Avantages principaux et marché cible

Les principaux avantages de la série ELS611-G incluent sa capacité haute vitesse allant jusqu'à 10MBit/s, ce qui prend en charge les protocoles de communication numérique rapides. Elle offre une haute tension d'isolation de 5000Vrms, fournissant une excellente protection pour les circuits sensibles. Les dispositifs sont conformes aux exigences sans halogène (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm), sont sans plomb et respectent les directives RoHS et REACH de l'UE. Ils disposent d'approbations des principales agences de sécurité internationales, notamment UL, cUL, VDE, NEMKO, FIMKO, SEMKO, DEMKO et CQC, facilitant leur utilisation sur les marchés mondiaux.

Les applications cibles se situent principalement dans l'automatisation industrielle, les systèmes d'alimentation électrique (par exemple, les alimentations à découpage pour l'isolation de rétroaction), les interfaces de périphériques informatiques, les systèmes de transmission de données, le multiplexage de données, et tout scénario nécessitant une isolation galvanique fiable et haute vitesse pour les signaux numériques.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Les sections suivantes fournissent une analyse détaillée et objective des principaux paramètres électriques et de performance spécifiés dans la fiche technique.

2.1 Caractéristiques maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Il n'est pas recommandé de faire fonctionner le dispositif en continu à ou près de ces limites.

• Courant direct d'entrée (I_F): 20 mA. Le courant continu maximal autorisé à travers la LED d'entrée.
• Tension inverse d'entrée (V_R): 5 V. La tension de polarisation inverse maximale que la LED d'entrée peut supporter.
• Dissipation de puissance d'entrée (P_D): 40 mW. La puissance maximale que le côté entrée peut dissiper.
• Tension d'alimentation de sortie (V_CC): 7,0 V. La tension absolue maximale pouvant être appliquée à la broche d'alimentation du côté sortie.
• Tension de sortie (V_O): 7,0 V. La tension maximale pouvant apparaître à la broche de sortie.
• Courant de sortie (I_O): 50 mA. Le courant maximal que la broche de sortie peut absorber ou fournir.
• Tension d'isolation (V_ISO): 5000 Vrms pendant 1 minute. Il s'agit d'une caractéristique de sécurité critique, testée avec les broches d'entrée (1,2,3,4) court-circuitées ensemble et les broches de sortie (5,6) court-circuitées ensemble.
• Température de fonctionnement (T_OPR): -40°C à +85°C. La plage de température ambiante pour un fonctionnement normal.
• Température de soudure (T_SOL): 260°C pendant 10 secondes. Ceci définit la tolérance du profil de soudage par refusion.

2.2 Caractéristiques électriques

Ce sont les paramètres de performance garantis dans des conditions de test spécifiées.

2.2.1 Caractéristiques d'entrée (côté LED)

• Tension directe (V_F): Typiquement 1,45V, maximum 1,8V à I_F=10mA. Ceci est utilisé pour concevoir le circuit de limitation de courant d'entrée.
• Courant inverse (I_R): Maximum 10 µA à V_R=5V. Ceci indique le courant de fuite de la LED à l'état éteint.
• Capacité d'entrée (C_IN): Typiquement 60pF. Ce paramètre affecte les performances de commutation haute fréquence du côté entrée.

2.2.2 Caractéristiques de sortie

• Courant d'alimentation, niveau haut (I_CCH): 7mA à 13mA lorsque I_F=0mA (LED éteinte) et V_CC=5,5V. C'est le courant de repos lorsque la sortie est à l'état logique haut.
• Courant d'alimentation, niveau bas (I_CCL): 9mA à 15mA lorsque I_F=10mA (LED allumée) et V_CC=5,5V. C'est le courant de fonctionnement lorsque la sortie est activement tirée à un niveau bas.
• Tension de sortie niveau bas (V_OL): Typiquement 0,4V, maximum 0,6V dans les conditions V_CC=5,5V, I_F=5mA, I_OL=13mA. Ceci définit la tension de sortie lors de l'absorption de courant à l'état bas.
• Courant de seuil d'entrée (I_FT): Maximum 5mA. C'est le courant minimum de la LED d'entrée requis pour garantir que la sortie bascule vers un niveau logique bas valide (V_OL<= 0,6V) dans les conditions spécifiées V_CCet I_OL. C'est un paramètre clé pour déterminer le courant de commande requis.

2.3 Caractéristiques de commutation

Ces paramètres définissent les performances temporelles du photocoupleur, cruciales pour la transmission de données haute vitesse. Les conditions de test sont V_CC=5V, I_F=7,5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω sauf indication contraire.

• Délai de propagation vers le niveau haut (t_PHL): Typiquement 40ns, maximum 100ns. Temps entre l'extinction de la LED d'entrée et la montée de la sortie à un niveau logique haut.
• Délai de propagation vers le niveau bas (t_PLH): Typiquement 50ns, maximum 100ns. Temps entre l'allumage de la LED d'entrée et la descente de la sortie à un niveau logique bas.
• Distorsion de largeur d'impulsion (|t_PHL– t_PLH|): Typiquement 10ns, maximum 50ns. La différence entre les deux délais de propagation. Une valeur plus faible est meilleure pour préserver l'intégrité du signal et le cycle de service.
• Temps de montée de la sortie (t_r): Typiquement 50ns. Temps pour que la sortie passe de 10% à 90% de sa valeur haute finale.
• Temps de descente de la sortie (t_f): Typiquement 10ns. Temps pour que la sortie passe de 90% à 10% de sa valeur haute initiale.
• Immunité aux transitoires en mode commun (CMH, CML): Minimum 5 kV/µs. Ceci mesure l'immunité du dispositif aux transitoires de tension rapides entre les masses d'entrée et de sortie. CMH s'applique lorsque la sortie est haute, et CML lorsque la sortie est basse. Une valeur élevée indique un fort rejet du bruit couplé à travers la barrière d'isolation.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fait référence à des courbes caractéristiques électro-optiques typiques. Bien que les graphiques spécifiques ne soient pas détaillés dans le texte fourni, ils incluent généralement les éléments suivants, essentiels pour la conception :

• Taux de transfert de courant (CTR) en fonction du courant direct: Montre l'efficacité de l'optocoupleur. Pour un type à porte logique, ceci est intégré dans les paramètres de commutation mais peut indiquer les performances en fonction de la température et du courant.
• Délai de propagation en fonction du courant direct: Illustre comment la vitesse de commutation varie avec le courant de commande de la LED. Un I_Fplus élevé diminue généralement le délai de propagation mais augmente la dissipation de puissance.
• Délai de propagation en fonction de la température: Montre la variation des paramètres temporels sur la plage de température de fonctionnement.
• Courant d'alimentation en fonction de la température: Indique comment la consommation électrique du côté sortie change avec la température.

Les concepteurs doivent consulter les graphiques complets de la fiche technique pour comprendre les limites de performance et les besoins de déclassement pour leurs conditions d'application spécifiques.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Configuration et fonction des broches

Le dispositif utilise un boîtier SDIP à 6 broches. Le brochage est le suivant :

• Broche 1 : Anode de la LED d'entrée.
• Broche 2 : Non connectée (N.C.).
• Broche 3 : Cathode de la LED d'entrée.
• Broche 4 : Masse (GND) pour le côté sortie.
• Broche 5 : Sortie (V_OUT). C'est la sortie à collecteur ouvert ou en totem-pole de la porte logique interne.
• Broche 6 : Tension d'alimentation (V_CC) pour le côté sortie.

Note de conception critique :Un condensateur de découplage de 0,1µF (ou plus) avec de bonnes caractéristiques haute fréquence doit être connecté entre les broches 6 (V_CC) et 4 (GND), placé aussi près que possible du boîtier. Ceci est essentiel pour un fonctionnement stable et pour atteindre les performances de commutation spécifiées.

4.2 Dimensions du boîtier et implantation PCB

La fiche technique fournit des dessins mécaniques détaillés pour le boîtier de type \"P\" (forme de broches pour montage en surface). Les dimensions clés incluent la taille globale du corps du boîtier, le pas des broches et la hauteur de dégagement. Une implantation de pastilles recommandée pour l'assemblage en surface est également fournie pour assurer une soudure fiable et une résistance mécanique. Les concepteurs doivent respecter ces directives d'implantation pour éviter le soulèvement des composants (tombstoning) ou de mauvaises soudures.

5. Directives de soudage et d'assemblage

La caractéristique maximale absolue pour la température de soudage est de 260°C pendant 10 secondes. Ceci correspond aux profils typiques de soudage par refusion sans plomb. Les précautions suivantes doivent être observées :

• Suivre le profil de refusion recommandé pour la pâte à souder spécifique utilisée, en veillant à ce que la température de pointe et le temps au-dessus du liquidus ne dépassent pas la valeur nominale du dispositif.
• Éviter les contraintes mécaniques excessives sur le boîtier pendant la manipulation.
• Respecter la conception de pastille PCB recommandée pour éviter les ponts de soudure ou des filets insuffisants.
• Les conditions de stockage doivent être dans la plage de température de stockage spécifiée de -55°C à +125°C, et dans un environnement sec conformément aux exigences standard de niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) pour les dispositifs montés en surface (le MSL spécifique n'est pas indiqué dans l'extrait).

6. Emballage et informations de commande

6.1 Règle de numérotation des modèles

Le numéro de pièce suit le format : ELS611X(Y)-VG

• EL: Préfixe du fabricant.
• S611: Numéro de pièce de base.
• X: Type de broches. \"P\" désigne la forme de broches pour montage en surface.
• (Y): Option de bande et bobine. \"TA\" ou \"TB\" spécifient différents styles d'emballage en bobine.
• V: Optionnel, désigne l'approbation VDE.
• G: Désigne une construction sans halogène.

Exemple : ELS611P(TA)-VG est un dispositif monté en surface sur bande et bobine TA, approuvé VDE, sans halogène.

6.2 Spécifications d'emballage

Le dispositif est disponible en emballage bande et bobine pour l'assemblage automatisé. Les options TA et TB contiennent toutes deux 1000 unités par bobine. La fiche technique inclut des diagrammes spécifiant les dimensions de la bande, l'espacement des poches et la taille de la bobine.

6.3 Marquage du dispositif

Le boîtier est marqué d'un code indiquant l'origine de fabrication, le numéro du dispositif et le code de date. Le format inclut : Code usine (\"T\" pour Taïwan), \"EL\" pour le fabricant, \"S611\" pour le dispositif, un code année à 1 chiffre, un code semaine à 2 chiffres, et le \"V\" optionnel pour VDE.

7. Suggestions d'application et considérations de conception

7.1 Circuits d'application typiques

L'application principale est l'isolation de signaux numériques. Un circuit typique implique :

1. Côté entrée :Une résistance de limitation de courant en série avec la LED (broches 1 et 3) pour définir le courant direct I_F. La valeur est calculée sur la base de la tension de commande et du I_Fdésiré (typiquement entre le courant de seuil I_FTet la caractéristique maximale). Pour un fonctionnement haute vitesse, un pilote rapide est recommandé.
2. Côté sortie : V_CC(broche 6) est connectée à la tension d'alimentation logique souhaitée (jusqu'à 7V). La broche 4 (GND) est connectée à la masse de sortie. La broche de sortie 5 est connectée à l'entrée logique de réception. Une résistance de rappel externe vers V_CCpeut être nécessaire selon la structure de sortie interne (le schéma de la fiche technique montre un tirage au bas actif, suggérant une sortie en totem-pole, mais la conception doit vérifier si un rappel est nécessaire).Le condensateur de découplage critique de 0,1µF entre V_CCet GND est obligatoire.

7.2 Considérations de conception

• Vitesse vs. Courant :Un I_Fplus élevé améliore le délai de propagation mais augmente la dissipation de puissance et peut réduire la fiabilité à long terme. Optimiser I_Fen fonction de la vitesse requise et des contraintes thermiques.
• Immunité au bruit :La haute immunité aux transitoires en mode commun (5kV/µs) le rend adapté aux environnements bruyants comme les entraînements de moteurs et les alimentations. Assurer une implantation PCB correcte pour minimiser le couplage parasite autour de la barrière d'isolation.
• Considérations de charge :Respecter les caractéristiques maximales de courant de sortie (I_O) et de tension (V_O). La sortie est conçue pour piloter des entrées logiques standard (TTL, CMOS) et non des charges lourdes.
• Découplage de l'alimentation :Négliger le condensateur de découplage recommandé peut entraîner des oscillations, des déclenchements intempestifs et une dégradation des performances de commutation.

8. Comparaison et différenciation techniques

Comparé aux photocoupleurs à sortie transistor standard, la porte logique intégrée de l'ELS611-G offre plusieurs avantages clés :

• Vitesse plus élevée :Un débit de données de 10MBit/s et des délais de propagation inférieurs à 100ns sont nettement plus rapides que les coupleurs à transistor typiques (souvent dans la plage des µs).
• Sortie numérique propre :La sortie de porte logique fournit des fronts raides et des niveaux logiques bien définis sans avoir besoin de déclencheurs de Schmitt externes, simplifiant la conception du circuit.
• Distorsion d'impulsion plus faible :La distorsion de largeur d'impulsion spécifiée est faible, ce qui est critique pour préserver l'intégrité du signal dans les lignes d'horloge et de données.
• Fonctionnalité intégrée :Combine le photodétecteur, l'amplificateur et la porte logique en une seule puce, réduisant le nombre de composants externes.

9. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

1. Q : Quel est le courant d'entrée minimum requis pour garantir que la sortie bascule à l'état bas ?
   
   A : Le paramètre I_FT(Courant de seuil d'entrée) a une valeur maximale de 5mA dans les conditions de test (V_CC=5,5V, V_O=0,6V, I_OL=13mA). Pour garantir une commutation fiable dans toutes les conditions, la conception doit utiliser un I_Fsupérieur à cette valeur, typiquement 7,5mA à 10mA comme indiqué dans les caractéristiques de commutation.
2. Q : Puis-je l'utiliser avec une alimentation logique 3,3V sur la sortie ?
   
   A : Oui, le dispositif peut fonctionner avec un V_CCaussi bas que le minimum requis pour que la porte logique interne fonctionne (non explicitement indiqué, mais typiquement ~2,7V à 3V pour le CMOS). Les niveaux logiques de sortie seront relatifs à ce V_CC. Le V_CCmaximum est de 7,0V.
3. Q : À quel point le condensateur de découplage de 0,1µF est-il critique ?
   
   A : Il est absolument critique pour un fonctionnement stable et haute vitesse. Il fournit une réserve de charge locale pour les courants de commutation de l'étage de sortie, empêchant l'affaissement de la ligne d'alimentation et les oscillations qui peuvent causer des dysfonctionnements.
4. Q : Que signifie \"sortie mémorisable\" ?
   
   A : Cela fait probablement référence à une fonction de verrou ou de bascule qui peut maintenir l'état de sortie. Cependant, la table de vérité dans le PDF montre une simple fonction d'inverseur (Entrée H -> Sortie L, Entrée L -> Sortie H). Le terme peut indiquer que la sortie peut maintenir son état pendant de brèves interruptions ou a une bonne immunité au bruit. Le schéma doit être consulté pour clarification.

10. Exemple d'application pratique

Scénario : Isolation d'un signal UART dans un contrôleur industriel.

Un microcontrôleur industriel communique avec un périphérique via UART à 115200 bauds. Le périphérique fonctionne sur une alimentation séparée avec un potentiel de masse différent, créant un risque de boucles de masse.

Mise en œuvre :

Deux dispositifs ELS611-G sont utilisés, un pour la ligne TX (contrôleur vers périphérique) et un pour la ligne RX (périphérique vers contrôleur). Sur l'isolateur TX, la broche TX du microcontrôleur pilote la LED via une résistance de limitation de courant réglée pour I_F=10mA. La broche de sortie de l'isolateur est connectée à l'entrée RX du périphérique. Le V_CCde l'isolateur est alimenté par la ligne 5V ou 3,3V du périphérique, avec le condensateur de découplage obligatoire. Le processus est reproduit pour la ligne RX. Cette configuration rompt la connexion de masse, empêche le couplage du bruit et protège le microcontrôleur des transitoires de tension du côté périphérique, tout en maintenant l'intégrité des données série haute vitesse.

11. Principe de fonctionnement

Un photocoupleur fonctionne sur le principe du couplage optique pour réaliser une isolation électrique. Dans l'ELS611-G :

1. Un signal électrique appliqué au côté entrée fait émettre de la lumière à la diode électroluminescente infrarouge (LED) proportionnellement au courant.
2. Cette lumière traverse une barrière d'isolation transparente (typiquement un composé de moulage) à l'intérieur du boîtier.
3. Du côté sortie, une photodiode ou un phototransistor au silicium détecte la lumière et la reconvertit en courant électrique.
4. Ce faible photocurrent est amplifié et traité par un circuit intégré haute vitesse qui inclut une porte logique (dans ce cas, probablement un inverseur ou un tampon). Le CI fournit un signal de sortie numérique propre qui reproduit l'état d'entrée mais en est électriquement isolé.
5. La barrière d'isolation fournit une haute rigidité diélectrique (5000Vrms), empêchant le flux de courant et les différences de tension entre les deux côtés.

12. Tendances technologiques

L'évolution des photocoupleurs comme l'ELS611-G est motivée par plusieurs tendances clés en électronique :

• Débits de données accrus :La demande d'isolation plus rapide dans les communications industrielles (Profibus, EtherCAT), les réseaux automobiles et les systèmes d'énergie renouvelable pousse vers des dispositifs avec un délai de propagation plus faible et une immunité en mode commun plus élevée.
• Miniaturisation :Il y a une tendance continue vers des boîtiers plus petits (par exemple, SOIC-4, LSSOP) avec les mêmes ou de meilleures caractéristiques d'isolation pour économiser de l'espace PCB.
• Intégration améliorée :Les futurs dispositifs pourraient intégrer plus de fonctions, comme l'isolation de puissance (convertisseurs DC-DC isolés) avec l'isolation de données dans un seul boîtier, ou des isolateurs multicanaux.
• Innovation en matériaux et procédés :Les développements en efficacité des LED, sensibilité des détecteurs et pureté des composés de moulage contribuent à une consommation électrique plus faible, une vitesse plus élevée et une fiabilité à long terme améliorée.
• Technologies d'isolation alternatives :Bien que les optocoupleurs soient matures, des technologies comme l'isolation capacitive (utilisant des barrières de SiO2) et l'isolation magnétique (GMR) concurrencent dans certaines applications haute vitesse et haute densité. Chaque technologie a ses propres compromis en termes de vitesse, immunité, consommation électrique et coût.