Fiche technique de l'optocoupleur phototransistor haute tension série EL851 - Boîtier DIP 4 broches 6.35x4.57x3.3mm - VCEO 350V - CTR 50-600% - Documentation technique

1. Vue d'ensemble du produit

La série EL851 représente une famille d'optocoupleurs phototransistors haute tension conçus pour une isolation électrique robuste dans des applications exigeantes. Ces dispositifs intègrent une diode électroluminescente infrarouge couplée optiquement à un détecteur phototransistor au silicium, le tout logé dans un boîtier DIP (Dual In-line Package) 4 broches compact. La fonction principale est de transmettre des signaux électriques entre deux circuits isolés en utilisant la lumière, empêchant ainsi la propagation de hautes tensions ou de bruit du côté sortie vers le côté entrée, ou vice-versa. La série se caractérise par sa tension collecteur-émetteur nominale élevée, la rendant adaptée à l'interfaçage avec des circuits d'alimentation et d'autres systèmes haute tension.

1.1 Avantages principaux et marché cible

La série EL851 offre plusieurs avantages clés qui définissent sa position sur le marché. Sa caractéristique la plus marquante est la hauteV_CEOtension nominale de 350V, qui lui permet de supporter des différences de tension significatives entre les côtés entrée et sortie. Ceci est complété par une haute tension d'isolement (V_ISO) de 5000 V_eff, garantissant des barrières de sécurité fiables dans les équipements industriels et de télécommunication. Les dispositifs sont conformes aux principales normes de sécurité internationales, notamment UL, cUL, VDE, et diverses autres homologations régionales (SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, CQC), facilitant leur utilisation sur les marchés mondiaux. De plus, la série est conçue pour être sans halogène (pour les versions à cadre de plomb en cuivre) et conforme aux réglementations RoHS et REACH de l'UE, répondant ainsi aux exigences environnementales et réglementaires modernes. Les applications cibles incluent les interfaces de ligne téléphonique, les interfaces de circuits d'alimentation, les contrôleurs pour relais statiques (SSR) et moteurs à courant continu, et les automates programmables où l'isolation des signaux et l'immunité au bruit sont critiques.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Une compréhension approfondie des caractéristiques électriques et optiques du dispositif est essentielle pour une conception de circuit appropriée et un fonctionnement fiable.

2.1 Valeurs maximales absolues

Les valeurs maximales absolues définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Elles ne sont pas destinées au fonctionnement normal. Les principales valeurs pour l'EL851 incluent :

• Courant direct d'entrée (I_F)F) : 60 mA (continu).
• Courant direct de crête (I_FM)FP) : 1 A pour une impulsion de 1µs, utile pour des conditions de surtension brèves.
• Tension collecteur-émetteur (V_CEO)CEO) : 350 V, la tension maximale pouvant être appliquée aux bornes du transistor de sortie lorsque la base est ouverte.
• Courant collecteur (I_C)C) : 50 mA.
• Dissipation totale de puissance (P_TOT)tot) : 200 mW, combinant les limites de puissance d'entrée et de sortie.
• Tension d'isolement (V_ISO)ISO) : 5000 V_eff pendant 1 minute à 40-60% d'humidité relative. Ce test est effectué avec les broches 1 & 2 court-circuitées ensemble et les broches 3 & 4 court-circuitées ensemble.
• Température de fonctionnement (T_OPR)op) : -55°C à +100°C.
• Température de soudure (T_SOL)sold) : 260°C pendant 10 secondes, pertinente pour les procédés de soudure à la vague ou par refusion.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres, généralement spécifiés à 25°C, décrivent les performances du dispositif dans des conditions de fonctionnement normales.

2.2.1 Caractéristiques d'entrée (côté LED)

• Tension directe (V_F)F) : Typiquement 1,2V, avec un maximum de 1,4V à I_FF = 10 mA. Ceci est utilisé pour calculer la résistance de limitation de courant requise pour le côté entrée.
• Courant inverse (I_R)R) : Maximum 10 µA à V_RR = 5V, indiquant une fuite très faible lorsque la LED est polarisée en inverse.
• Capacité d'entrée (C_in)) : Typiquement 30 pF, avec un maximum de 250 pF. Ceci peut affecter les performances de commutation haute fréquence du côté entrée.

2.2.2 Caractéristiques de sortie (côté phototransistor)

• Courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO)CEO) : Maximum 100 nA à V_CECE = 200V. C'est le courant de fuite lorsque la LED est éteinte (pas de lumière), crucial pour déterminer l'intégrité du signal à l'état 'éteint'.
• Tension de claquage collecteur-émetteur (BV_CEO)CEO) : Minimum 350V à I_CC = 0,1mA, confirmant la capacité haute tension.
• Capacité collecteur-émetteur (C_CE)CE) : Typiquement 10 pF à V_CECE = 0V.

2.2.3 Caractéristiques de transfert

• Taux de transfert de courant (CTR) : S'étend de 50% à 600% à I_FF = 5mA et V_CECE = 5V. Le CTR est défini comme (I_CC / I_FF) * 100%. Un CTR plus élevé permet un courant d'entrée plus faible pour piloter un courant de sortie donné, améliorant l'efficacité. La large plage indique un système de classement ; les concepteurs doivent tenir compte du CTR minimum dans leur circuit pour garantir la fonctionnalité.
• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(sat))) : Maximum 0,4V à I_FC = 20mA et I_CF = 1mA. Cette faible tension de saturation est importante lorsque le phototransistor est utilisé comme interrupteur à l'état 'passant', minimisant la chute de tension et la perte de puissance.
• Résistance d'isolement (R_IO)ISO) : Minimum 10¹¹¹² Ω à V_IOISO = 500V DC, indiquant un excellent isolement DC entre l'entrée et la sortie.
• Capacité entrée-sortie (C_IO)IO) : Typiquement 0,6 pF, ce qui est très faible et aide à minimiser le couplage capacitif du bruit haute fréquence à travers la barrière d'isolement.
• Temps de montée (t_rr) & Temps de descente (t_f)f) : Les valeurs typiques sont respectivement de 4 µs et 5 µs, avec des maximums de 18 µs chacun dans les conditions de test (V_CECC = 2V, I_CF = 2mA, R_LL = 100Ω). Ces paramètres définissent la vitesse de commutation de l'optocoupleur et sont critiques pour la transmission de signaux numériques ou les applications PWM.

3. Analyse des courbes de performance

Bien que des données graphiques spécifiques soient référencées dans le PDF (Courbes caractéristiques électro-optiques typiques, Figure 9), les interprétations clés sont basées sur les données tabulaires fournies et le circuit de test.

Le circuit de test des temps de commutation montre une configuration standard où un courant pulsé pilote la LED d'entrée, et la réponse du phototransistor de sortie est mesurée aux bornes d'une résistance de charge (R_LL). Le temps de montée (t_rr) est le temps nécessaire au courant de sortie pour passer de 10% à 90% de sa valeur finale lorsque la LED s'allume. Le temps de descente (t_ff) est le temps pour passer de 90% à 10% lorsque la LED s'éteint. Les valeurs typiques dans la plage de 4-5 µs indiquent que ce dispositif est adapté aux applications de commutation à vitesse modérée, telles que le pilotage de relais ou l'isolation de lignes de données à basse fréquence, mais peut ne pas être idéal pour la communication numérique très haute vitesse.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions et options de boîtier

L'EL851 est proposé en trois options principales de forme de broches, chacune avec des dimensions et des applications spécifiques.

• Type DIP standard : Le boîtier traversant par défaut.
• Type Option M : Présente une large courbure des broches avec un espacement de 0,4 pouce (environ 10,16 mm), adapté aux cartes nécessitant un espacement de broches plus large.
• Type Option S1 : Une forme de broche pour montage en surface (SMD) avec un profil bas. C'est la variante SMD du dispositif.

Bien que les dimensions numériques exactes soient fournies dans les dessins PDF, la taille globale du corps du boîtier est d'environ 6,35 mm de longueur, 4,57 mm de largeur et 3,3 mm de hauteur pour le type DIP standard, ce qui en fait un composant compact.

4.2 Identification de polarité et marquage

La configuration des broches est standardisée :

1. Anode (positif de la LED d'entrée)
2. Cathode (négatif de la LED d'entrée)
3. Émetteur (émetteur du phototransistor, généralement connecté à la masse/commun du côté sortie)
4. Collecteur (collecteur du phototransistor, la sortie)

Le dispositif est marqué sur le dessus avec "EL" (désignant le fabricant), "851" (le numéro du dispositif), suivi d'un code d'année à 1 chiffre (Y), d'un code de semaine à 2 chiffres (WW), et d'un "V" optionnel pour les versions approuvées VDE. L'identification correcte de la broche 1 (souvent indiquée par un point, une encoche ou un chanfrein sur le boîtier) est cruciale pour une orientation correcte lors du montage.

4.3 Schéma de pastilles de soudure recommandé

Pour l'option S1 (montage en surface), un schéma de pastilles recommandé est fourni. Les dimensions suggérées sont données à titre indicatif, et il est conseillé aux concepteurs de les modifier en fonction de leurs procédés de fabrication de PCB spécifiques, de l'application de la pâte à souder et des exigences de gestion thermique pour assurer des joints de soudure fiables.

5. Directives de soudage et d'assemblage

Le dispositif peut supporter une température de soudure de 260°C pendant jusqu'à 10 secondes. Ceci est compatible avec le soudage à la vague standard pour les boîtiers traversants et les profils de soudure par refusion sans plomb pour l'option SMD. Il est essentiel de respecter cette limite temps-température pour éviter d'endommager la puce interne, les fils de liaison ou le matériau du boîtier plastique. Les précautions standard contre les décharges électrostatiques (ESD) doivent être observées pendant la manipulation et l'assemblage. La plage de température de stockage est de -55°C à +125°C.

6. Emballage et informations de commande

6.1 Règle de numérotation des modèles

Le numéro de pièce suit le format :EL851X(Z)-V.

• XX : Option de forme de broche.
  • Aucun : DIP-4 standard (100 unités/tube).
  • M : Large courbure des broches, espacement 0,4" (100 unités/tube).
  • S1 : Forme de broche pour montage en surface (profil bas).
• ZZ : Option bande et bobine (applicable uniquement avec S1).
  • TA, TB, TU, TD : Différentes spécifications de bande et bobine affectant la quantité d'emballage (1000 ou 1500 unités/bobine).
• VV : Suffixe optionnel désignant l'approbation de sécurité VDE.

6.2 Spécifications de la bande et de la bobine

Des dimensions détaillées de la bande (A, B, D0, D1, E, F, P0, P1, P2, t, W, K) sont fournies pour l'option S1. Ces dimensions sont critiques pour que les machines d'assemblage de PCB puissent correctement prélever et placer les composants depuis la bobine. La largeur de la bande (W) est de 16,0 mm ±0,3 mm, et le pas des alvéoles (P0) est de 4,0 mm ±0,1 mm.

7. Notes d'application et considérations de conception

7.1 Circuits d'application typiques

L'EL851 est bien adapté à plusieurs applications clés :

• Interface de ligne téléphonique : Isoler la logique sensible d'un modem ou d'un système téléphonique des signaux de sonnerie haute tension et des surtensions potentielles sur la ligne téléphonique.
• Boucle de rétroaction d'alimentation : Fournir une rétroaction isolée de la tension de sortie dans les alimentations à découpage (SMPS), permettant la régulation tout en maintenant l'isolation de sécurité entre le côté primaire (haute tension) et le côté secondaire (basse tension).
• Contrôle SSR et moteur DC : Piloter la grille ou l'entrée d'un relais statique ou agir comme une interface isolée entre un microcontrôleur et un pont en H de commande de moteur, protégeant le contrôleur logique du bruit et des pointes de tension induits par le moteur.
• Modules d'E/S d'automate programmable (PLC) : Isoler les canaux d'entrée/sortie numériques pour protéger l'unité centrale de traitement des défauts de câblage de terrain, du bruit et des différences de potentiel de masse.

7.2 Facteurs de conception critiques

1. Dégradation du CTR : Le CTR des optocoupleurs peut se dégrader avec le temps, en particulier lorsqu'il est utilisé à haute température et à des courants de LED élevés. Pour une fiabilité à long terme, concevez le circuit pour fonctionner avec leminimumde CTR spécifié après avoir pris en compte une marge de dégradation appropriée (souvent 50% sur la durée de vie du produit).
2. Limitation du courant d'entrée : Une résistance externe doit toujours être utilisée en série avec la LED d'entrée pour limiter le courant direct (I_FF) à une valeur sûre, typiquement bien en dessous du maximum absolu de 60mA. La valeur de la résistance est calculée comme R_limite = (V_alim - V_FF) / I_F.
3. F.Résistance de charge de sortie_L : La valeur de la résistance de charge (R_LL) connectée au collecteur du phototransistor affecte à la fois l'amplitude de la tension de sortie et la vitesse de commutation. Un R_LL plus petit permet une vitesse plus élevée mais réduit le gain en tension de sortie. La condition de test de R
4. L = 100Ω fournit une référence pour les temps de commutation spécifiés.Immunité au bruit
5. : Bien que le dispositif offre un excellent isolement galvanique, la très faible capacité entrée-sortie (0,6 pF) aide à minimiser le couplage du bruit haute fréquence. Pour des environnements extrêmement bruyants, un filtrage supplémentaire sur les signaux d'entrée et de sortie peut encore être nécessaire.Dissipation thermique_TOT : Assurez-vous que la dissipation totale de puissance (P_Ftot = V_FF * I_CEF + V_CCE * I

C) ne dépasse pas 200 mW, en tenant compte de la température ambiante maximale de fonctionnement. Une déclassement peut être nécessaire à des températures supérieures à 25°C.

8. Comparaison et différenciation techniques_CEOComparé aux optocoupleurs basse tension standard (souvent avec des tensions nominales V

CEO de 30-70V), la tension nominale de 350V de l'EL851 est son principal différentiateur. Cela lui permet d'être utilisé directement dans les circuits de rétroaction d'alimentation hors ligne (où la tension secteur redressée peut être d'environ 300V+) ou dans les interfaces de contrôle industriel sans nécessiter de circuits de limitation de tension ou d'abaisseur supplémentaires du côté sortie. Sa plage de CTR est large, offrant des options pour des exigences de pilotage sensibles et standard. La disponibilité des boîtiers traversants (DIP, large courbure) et en surface (S1) en format bande et bobine le rend polyvalent à la fois pour le prototypage et l'assemblage automatisé en grande série.

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

Q : Quel est le CTR minimum pour lequel je dois concevoir ?_FR : Concevez toujours votre circuit pour fonctionner avec le CTR minimum de 50% à votre I_CEF et V

CE de fonctionnement prévus. Tenez compte de la dégradation potentielle sur la durée de vie du produit.

Q : Puis-je utiliser cet optocoupleur pour commuter directement une charge 120VAC ?_CEOR : Non. La tension nominale V

CEO est de 350V DC. La tension crête du 120VAC est d'environ 170V, ce qui est dans la limite nominale, mais le phototransistor de l'optocoupleur n'est pas conçu pour gérer directement les courants élevés d'une charge AC. Il doit être utilisé pour piloter l'entrée de commande d'un interrupteur de puissance séparé comme un triac, un MOSFET ou un SSR._CEOQ : Quelle est la différence entre V_ISO?

CEO et V_CEOISO ?_ISOR : V_{CEO (350V) est la tension DC maximale qui peut être appliquée entre les broches collecteur et émetteur du transistor de sortie. V}ISO (5000 V

eff

) est la tension de tenue AC testée entre les broches d'entrée court-circuitées (1,2) et les broches de sortie court-circuitées (3,4), représentant la résistance d'isolement de la barrière plastique interne.

Q : Comment choisir entre les boîtiers DIP et SMD ?

R : Utilisez les boîtiers traversants DIP pour le prototypage, l'assemblage manuel, ou les applications où l'espace sur la carte est moins critique et où une robustesse mécanique provenant de la soudure traversante est souhaitée. Choisissez le boîtier SMD (S1) pour l'assemblage automatisé, les conceptions de PCB haute densité et une épaisseur de carte réduite.

10. Exemple pratique de conceptionScénario : Entrée numérique isolée pour un capteur industriel 24V.

Objectif :

1. Interfacer un capteur de proximité 24V à un microcontrôleur 3,3V, en fournissant une isolation pour protéger le MCU des transitoires de tension sur la ligne 24V.Conception du circuit :_{Côté entrée :}La sortie du capteur (type puits) se connecte entre le +24V et l'anode de l'EL851 (broche 1). Une résistance de limitation de courant (R_in) est placée entre la cathode (broche 2) et la masse. Choisissez R_Fin_F pour régler I_{F à une valeur nominale de 5-10 mA lorsque le capteur est actif. Par exemple, avec V}F ~1,2V, R
2. in = (24V - 1,2V) / 0,005A ≈ 4,56 kΩ (utiliser la valeur standard 4,7 kΩ)._{Côté sortie :}Le collecteur du phototransistor (broche 4) est connecté à l'alimentation 3,3V du MCU via une résistance de rappel (R_pullup). L'émetteur (broche 3) est connecté à la masse du MCU. Lorsque le capteur est actif, la LED s'allume, le phototransistor sature, tirant le collecteur (signal de sortie) à un niveau bas (~0,4V). Lorsque le capteur est inactif, le phototransistor est bloqué, et R_pullup tire la sortie au niveau haut à 3,3V. Choisissez R
3. pullup en fonction de la vitesse et de la puissance souhaitées ; 1 kΩ à 10 kΩ est courant._{Isolation :}La masse du capteur 24V et la masse du MCU 3,3V sont maintenues complètement séparées. La barrière d'isolement de 5000 V

de l'EL851 protège le MCU des défauts sur la ligne 24V.

Ce circuit simple fournit une transmission de signal numérique robuste et isolée._FE11. Principe de fonctionnement_CL'EL851 fonctionne sur le principe de la conversion et de l'isolation opto-électronique. Un courant électrique appliqué au côté entrée traverse la diode électroluminescente infrarouge (LED), la faisant émettre de la lumière. Cette lumière traverse un espace d'isolement transparent à l'intérieur du boîtier plastique et frappe la région de base du phototransistor au silicium du côté sortie. La lumière incidente génère des paires électron-trou dans la base, agissant efficacement comme un courant de base. Ce courant de base photogénéré est amplifié par le gain en courant du transistor (h

FE), résultant en un courant de collecteur (I

C) beaucoup plus important. Le rapport entre ce courant de collecteur de sortie et le courant de la LED d'entrée est le Taux de Transfert de Courant (CTR). Aucune connexion électrique n'existe entre les circuits d'entrée et de sortie ; seule la lumière les couple, fournissant l'isolement galvanique.