Fiche technique des photocoupleurs 6N138 et 6N139 - Boîtier DIP 8 broches - Darlington fractionné à gain élevé - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Les 6N138 et 6N139 sont des photocoupleurs hautes performances à faible courant d'entrée, dotés d'un étage de sortie à phototransistor Darlington fractionné. Ces dispositifs sont conçus pour offrir un taux de transfert de courant (CTR) très élevé, permettant une transmission de signal fiable avec un courant de commande d'entrée minimal. Ils sont logés dans un boîtier DIP (Dual In-line Package) 8 broches standard, avec des options d'espacement large des broches et des configurations pour montage en surface. Leur fonction principale est d'assurer l'isolation électrique entre les circuits d'entrée et de sortie, protégeant ainsi la logique sensible des surtensions et des boucles de masse.

1.1 Avantages clés et marché cible

L'avantage principal de ces photocoupleurs est leur CTR typique exceptionnellement élevé de 2000 %, ce qui permet une interface directe avec des signaux logiques à faible courant sans nécessiter d'amplification supplémentaire. Ils sont certifiés par les principales agences de sécurité internationales (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) et offrent une tension d'isolation élevée de 5000 Vrms. Ces caractéristiques les rendent idéaux pour les applications industrielles, de télécommunications et informatiques où l'immunité au bruit, l'isolation de sécurité et l'intégrité du signal sont critiques. Les marchés cibles incluent l'automatisation industrielle, les boucles de rétroaction des alimentations, l'isolation d'interface numérique et les récepteurs de ligne de communication.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

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

2.1 Limites absolues

Ces limites définissent les seuils de contrainte au-delà desquels des dommages permanents peuvent survenir. La LED infrarouge d'entrée a un courant direct continu maximal (IF) de 20 mA et peut supporter un courant transitoire de crête de 1 A pour des impulsions très courtes (<1 µs). Le courant collecteur maximal (IO) du transistor de sortie est de 60 mA, et sa dissipation de puissance (PO) est limitée à 100 mW. Le dispositif peut fonctionner dans une plage de température ambiante de -40°C à +85°C. La tension d'isolation de 5000 Vrms est un paramètre de sécurité clé, testée avec toutes les broches d'entrée court-circuitées ensemble et toutes les broches de sortie court-circuitées ensemble.

2.2 Caractéristiques électriques

Les caractéristiques électriques sont garanties sur la plage de température commerciale de 0°C à 70°C. Pour la LED d'entrée, la tension directe typique (VF) est de 1,3 V à IF = 1,6 mA. Les paramètres de la section de sortie diffèrent légèrement entre le 6N138 et le 6N139. Le 6N139 offre typiquement un courant de fuite de sortie à l'état haut logique (IOH) plus faible de 0,01 µA par rapport aux 100 µA du 6N138 dans la même condition (IF=0mA, VCC=18V). Le courant d'alimentation à l'état bas logique (ICCL) est typiquement de 0,6 mA pour les deux lorsque la LED est commandée avec 1,6 mA.

2.3 Caractéristiques de transfert

Le Taux de Transfert de Courant (CTR) est le paramètre le plus critique, défini comme (IC / IF) * 100 %. Le 6N139 a un CTR minimum de 400 % à IF=0,5mA et de 500 % à IF=1,6mA. Le 6N138 a un CTR minimum de 300 % à IF=1,6mA. La valeur typique pour les deux est de 2000-2500 %, indiquant une haute sensibilité. La tension de sortie à l'état bas logique (VOL) est spécifiée sous diverses conditions de charge, avec un maximum de 0,4V, garantissant la compatibilité avec les niveaux logiques TTL et CMOS standard.

2.4 Caractéristiques de commutation

La vitesse de commutation dépend du courant de commande d'entrée et de la résistance de charge. Les temps de propagation (tPLH, tPHL) sont fournis pour des conditions de test spécifiques. Par exemple, le 6N139 avec IF=0,5mA et RL=4,7kΩ a un tPHL typique de 5 µs et un tPLH de 16 µs. Augmenter IF à 12mA avec RL=270Ω améliore considérablement la vitesse à 0,2 µs et 1,7 µs, respectivement. Le 6N138 est généralement plus lent dans sa condition de test spécifiée (IF=1,6mA, RL=2,2kΩ). L'Immunité Transitoire en Mode Commun (CMTI) est spécifiée à un minimum de 1000 V/µs pour les états logiques haut et bas, indiquant une bonne réjection du bruit contre les transitoires de tension rapides à travers la barrière d'isolation.

3. Informations mécaniques et de boîtier

Les dispositifs sont fournis dans un boîtier DIP 8 broches standard. La configuration des broches est la suivante : Broche 1 : Non connectée, Broche 2 : Anode, Broche 3 : Cathode, Broche 4 : Non connectée, Broche 5 : Masse (Gnd), Broche 6 : Sortie (Vout), Broche 7 : Base (VB), Broche 8 : Tension d'alimentation (VCC). La broche de base (7) permet d'accéder à la base du phototransistor, ce qui peut être utilisé pour connecter une résistance ou un condensateur d'accélération afin d'échanger bande passante contre stabilité. Les options de boîtier incluent le DIP standard, le DIP à espacement large (0,4 pouce) et les formes de broches pour montage en surface (S et S1 bas profil).

4. Recommandations de soudure et d'assemblage

La limite absolue pour la température de soudure est de 260°C pendant 10 secondes. Ceci est typique pour les procédés de soudure à la vague ou par refusion. Les précautions standard pour la manipulation des dispositifs sensibles aux décharges électrostatiques (ESD) doivent être observées. Les dispositifs doivent être stockés dans des conditions comprises dans la plage de température de stockage spécifiée de -55°C à +125°C.

5. Conditionnement et informations de commande

La référence suit le format : 6N13XY(Z)-V. 'X' est le numéro de pièce (8 pour 6N138, 9 pour 6N139). 'Y' indique l'option de forme de broche : aucune pour DIP standard (45 unités/tube), 'M' pour DIP à espacement large (45 unités/tube), 'S' pour montage en surface, 'S1' pour montage en surface bas profil. 'Z' spécifie l'option de bande et bobine pour les composants CMS : 'TA' ou 'TB' (1000 unités/bobine). 'V' est un suffixe optionnel pour l'approbation VDE. Les utilisateurs doivent sélectionner la combinaison correcte en fonction des exigences d'assemblage.

6. Suggestions d'application

6.1 Scénarios d'application typiques

La fiche technique liste plusieurs applications clés : Isolation de masse logique numérique, récepteurs de ligne RS-232C, récepteurs de ligne à faible courant d'entrée, isolation de bus microprocesseur et récepteurs de boucle de courant. Leur CTR élevé les rend excellents pour interfacer directement des broches GPIO de microcontrôleur, isoler des signaux de capteur dans des environnements bruyants, ou fournir une isolation galvanique dans des lignes de communication série comme RS-232 ou RS-485.

6.2 Considérations de conception

1. Limitation du courant d'entrée :Une résistance série externe doit être utilisée pour limiter le courant direct de la LED (IF) à une valeur comprise entre la limite absolue et la plage de fonctionnement souhaitée. La valeur de résistance requise est (Vcommande - VF) / IF. 2.Charge de sortie :Le transistor de sortie agit comme un puits de courant. La résistance de charge (connectée entre VCC et la broche 6) doit être choisie pour définir l'amplitude de tension de sortie et la vitesse de commutation souhaitées. Une résistance plus petite augmente la vitesse mais aussi la consommation d'énergie. 3.Vitesse vs. Stabilité :Connecter une résistance (typiquement 10kΩ à 1MΩ) entre la broche de base (7) et la masse peut améliorer la stabilité et l'immunité au bruit, mais réduira le CTR et ralentira la vitesse de commutation. Un condensateur peut être ajouté en parallèle pour un filtrage supplémentaire. 4.Découplage de l'alimentation :Une bonne pratique consiste à placer un condensateur céramique de 0,1 µF près de la broche VCC (8) vers la masse pour supprimer le bruit.

7. Comparaison et différenciation technique

La différenciation principale de la famille 6N138/6N139 réside dans sa configuration Darlington fractionnée et son CTR très élevé. Comparés aux photocoupleurs standard à transistor unique (par exemple, la série 4N25), ces dispositifs offrent une sensibilité nettement supérieure, leur permettant d'être commandés directement par une logique CMOS à faible courant. Comparés aux isolateurs numériques plus récents, ils offrent une solution analogique plus simple, très rentable pour les applications nécessitant une isolation de base sans besoin de vitesse ultra-élevée ou de protocoles complexes. La disponibilité d'une broche de base offre aux concepteurs un degré de liberté unique pour ajuster la réponse en fréquence et l'immunité au bruit.

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

Q1 : Quelle est la principale différence entre le 6N138 et le 6N139 ?

R1 : Les différences clés se situent dans leurs spécifications électriques. Le 6N139 offre généralement de meilleures performances : un CTR minimum plus élevé (500 % contre 300 % à IF=1,6mA), un courant de fuite de sortie plus faible à l'état bloqué, et des caractéristiques de commutation légèrement différentes lors des tests. Le 6N138 est la variante aux spécifications inférieures.

Q2 : Comment choisir la valeur de la résistance de limitation du courant d'entrée ?

R2 : Déterminez le courant direct requis (IF) pour votre application (par exemple, 1,6 mA pour un bon équilibre vitesse/CTR). Mesurez ou utilisez la VF typique de la fiche technique (1,3V). Si votre tension de commande est de 5V, la résistance R = (5V - 1,3V) / 0,0016A = 2312,5Ω. Une résistance standard de 2,2kΩ serait un choix approprié.

Q3 : Pourquoi mon photocoupleur commute-t-il lentement ?

R3 : La vitesse de commutation est fortement influencée par IF et la résistance de charge RL. Pour augmenter la vitesse, vous pouvez : a) Augmenter le courant de commande de la LED (IF). b) Diminuer la valeur de la résistance de charge (RL) sur le collecteur de sortie. c) Optionnellement, utiliser la broche de base (7) avec une petite résistance à la masse pour évacuer la charge stockée, mais cela réduira le CTR.

Q4 : Que signifie "Immunité Transitoire en Mode Commun" ?

R4 : Cela mesure la capacité du dispositif à ignorer les pics de tension rapides qui apparaissent de manière égale des deux côtés de la barrière d'isolation. Un CMTI élevé (comme 1000 V/µs) signifie que la sortie ne basculera pas erronément à cause de ce bruit, ce qui est crucial dans les environnements d'alimentation bruyants.

9. Cas pratique de conception

Cas : Isolation d'un signal UART de microcontrôleur pour une communication RS-232.

La ligne TX UART 3,3V d'un microcontrôleur doit être isolée avant de se connecter à une puce transceiver RS-232 sur un plan de masse différent. Un 6N139 peut être utilisé. La broche du microcontrôleur commande la LED via une résistance de 1kΩ (IF ~ (3,3V-1,3V)/1k = 2mA). Le collecteur de sortie (broche 6) est connecté à la broche d'entrée de la puce RS-232 via une résistance de rappel de 4,7kΩ vers le VCC (5V) de la puce RS-232. La broche de base (7) est laissée ouverte ou connectée à la masse via une grande résistance (par exemple, 1MΩ) pour la stabilité. Ce circuit simple fournit une isolation robuste, protège le microcontrôleur des décalages de masse ou des surtensions sur la ligne RS-232, et maintient l'intégrité du signal.

10. Principe de fonctionnement

Le dispositif fonctionne sur le principe du couplage optoélectronique. Un courant électrique appliqué aux broches d'entrée (Anode et Cathode) fait émettre de la lumière par la diode électroluminescente (LED) infrarouge. Cette lumière traverse un espace d'isolation transparent et frappe la région de base photosensible d'une paire Darlington fractionnée de phototransistors au silicium. La lumière incidente génère un courant de base, qui est amplifié par les deux étages de transistors, résultant en un courant collecteur beaucoup plus important à la sortie. La configuration "fractionnée" signifie typiquement que la base du premier transistor est accessible (broche 7), permettant un polarisation externe. L'isolation électrique complète entre la LED d'entrée et les transistors de sortie est assurée par le boîtier plastique moulé, qui possède une haute rigidité diélectrique.

11. Tendances et contexte industriel

Les photocoupleurs comme les 6N138/139 représentent une technologie d'isolation mature et fiable. Les tendances actuelles en matière d'isolation de signal incluent la croissance des isolateurs numériques basés sur le couplage CMOS et RF ou capacitif, qui offrent une vitesse, une efficacité énergétique et une intégration supérieures (plusieurs canaux dans un boîtier). Cependant, les photocoupleurs conservent des avantages importants dans certains domaines : ils offrent une tension d'isolation de travail très élevée (plusieurs kV), une excellente immunité transitoire en mode commun, une simplicité et une robustesse contre les contraintes de dv/dt haute tension. Ils sont souvent préférés dans les environnements industriels très bruyants, les boucles de rétroaction d'alimentation et les applications où la fiabilité éprouvée et les certifications de sécurité sont primordiales. Le développement de nouveaux matériaux pour LED et détecteurs continue d'améliorer la vitesse et le CTR des optocoupleurs, assurant leur pertinence aux côtés des technologies plus récentes.