Fiche technique du photocoupleur ELQ3H4 - Boîtier SSOP 16 broches - Entrée CA - CTR 20-300% - Isolation 3750Vrms - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

La série ELQ3H4 représente une famille d'isolateurs à couplage optique conçus pour les applications haute densité nécessitant une isolation de signal fiable. L'élément central est constitué d'une diode électroluminescente (DEL) en Arseniure de Gallium (GaAs) couplée optiquement à un phototransistor NPN au silicium, le tout logé dans un boîtier SSOP (Shrink Small Outline Package) compact à 16 broches. Une caractéristique clé de ce boîtier est son écran de lumière intégré, qui minimise efficacement l'impact de la lumière ambiante sur les performances du phototransistor, améliorant ainsi l'intégrité du signal dans les environnements électriques bruyants.

Ce dispositif est conçu pour accepter directement des signaux d'entrée CA, éliminant le besoin de circuits de redressement externes dans de nombreuses applications. Sa principale valeur réside dans la combinaison d'un facteur de forme très réduit (profil de 2,0mm) avec des performances d'isolation robustes (3750 V_eff) et la conformité aux principales normes internationales de sécurité et environnementales.

1.1 Avantages principaux et marché cible

Le photocoupleur ELQ3H4 offre plusieurs avantages distincts. Sa constructionsans halogèneet sa conformité aux directives RoHS et sans plomb le rendent adapté aux conceptions soucieuses de l'environnement. Le dispositif possède les homologations des principaux organismes de sécurité, notamment UL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO et CQC, facilitant son utilisation dans les produits destinés aux marchés mondiaux aux exigences réglementaires strictes.

Les applications cibles principales se situent dans l'automatisation et la mesure industrielles, où l'immunité au bruit et la sécurité sont primordiales. Cela inclut :

• Automates Programmables Industriels (API) :Pour isoler les signaux d'E/S numériques, les bus de communication ou les entrées de capteurs analogiques de l'unité centrale de traitement.
• Instruments de mesure :Fournissant une isolation dans les systèmes d'acquisition de données, les multimètres ou les oscilloscopes pour protéger les circuits sensibles des points de test à haute tension.
• Circuits intégrés hybrides et alimentations :Servant d'élément de rétroaction dans les alimentations à découpage isolées ou au sein de modules hybrides personnalisés pour la commande de grille ou le conditionnement de signal.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Une compréhension approfondie des paramètres électriques et optiques est cruciale pour une conception de circuit fiable. Les sections suivantes fournissent une analyse détaillée des principales spécifications.

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Le fonctionnement dans ces conditions n'est pas prévu. Les limites clés pour l'ELQ3H4 incluent :

• Entrée (côté DEL) :Un courant direct continu (I_F) de ±60mA et un courant d'impulsion de 1μs (I_FP) de 1A. La dissipation de puissance par canal est de 70mW, avec une dérive de 0,7mW/°C.
• Sortie (côté phototransistor) :Un courant de collecteur (I_C) de 50mA. La tension collecteur-émetteur (V_CEO) est de 80V, tandis que la tension émetteur-collecteur (V_ECO) est plus faible à 7V, indiquant l'asymétrie des caractéristiques de claquage du phototransistor. La dissipation de puissance de sortie est de 150mW par canal, avec une dérive de 1,4mW/°C.
• Isolation & Environnement :Le dispositif supporte une tension d'isolation (V_ISO) de 3750 V_effpendant une minute. La plage de température de fonctionnement est de -55°C à +110°C.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

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

Caractéristiques d'entrée :La tension directe (V_F) de la DEL GaAs est typiquement de 1,2V à I_F= 20mA, avec un maximum de 1,4V. La capacité d'entrée (C_in) peut atteindre 250pF, ce qui peut affecter les performances de commutation haute fréquence.

Caractéristiques de sortie :Le courant d'obscurité collecteur-émetteur (I_CEO) est au maximum de 100nA à V_CE=20V avec la DEL éteinte, représentant la fuite du phototransistor. Les tensions de claquage (BV_CEO=80V, BV_ECO=7V) confirment la structure asymétrique.

Caractéristiques de transfert (T_A= -40 à 85°C) :C'est le cœur des performances du photocoupleur.

• Taux de Transfert de Courant (CTR) :Défini comme (I_C/ I_F) * 100% dans des conditions spécifiées. L'ELQ3H4 a une plage de CTR très large de 20% à 300% à I_F= 1mA, V_CE= 5V. Cette large dispersion nécessite une conception de circuit minutieuse ou un tri pour les applications précises.
• Rapport CTR (CTR1/CTR2) :Ce paramètre, variant de 0,5 à 2,0, indique l'appariement entre les canaux dans un dispositif multi-canaux ou la cohérence du CTR en fonctionnement CA. Un rapport de 1,0 représente un appariement parfait.
• Tension de saturation : V_CE(sat)est typiquement de 0,1V (max 0,2V) à I_F=20mA, I_C=1mA, indiquant de bonnes caractéristiques de commutation lorsqu'il est saturé.
• Paramètres d'isolation :La résistance d'isolation (R_IO) est d'un minimum de 5 x 10¹⁰Ω, et la capacité d'isolation (C_IO) est typiquement de 0,3pF (max 1,0pF). Une faible capacité est cruciale pour rejeter le bruit de mode commun haute fréquence.
• Vitesse de commutation :Le temps de montée (t_r) et le temps de descente (t_f) sont spécifiés avec un maximum de 18μs chacun dans la condition de test V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω. Cela indique que le dispositif est adapté à la signalisation numérique basse à moyenne fréquence, pas à la transmission de données haute vitesse.

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 reproduits dans le texte fourni, ils illustrent généralement les relations critiques suivantes pour la conception :

• CTR vs. Courant direct (I_F) :Montre comment l'efficacité de transfert change avec le courant de commande de la DEL. Le CTR diminue souvent à des I_Ftrès élevés en raison de la baisse d'efficacité de la DEL.
• CTR vs. Température :Illustre la dépendance à la température de l'efficacité de couplage, qui diminue généralement lorsque la température augmente.
• Tension directe (V_F) vs. Température :Montre le coefficient de température négatif de la tension directe de la DEL.
• Courant de collecteur (I_C) vs. Tension collecteur-émetteur (V_CE) :Les caractéristiques de sortie du phototransistor pour différents courants d'entrée, similaires aux courbes d'un transistor bipolaire.
• Temps de commutation vs. Résistance de charge (R_L) :Démontre comment les temps de montée et de descente sont affectés par la charge de sortie. Un R_Lplus grand augmente généralement le temps de montée en raison de l'augmentation de la constante de temps RC.

Les concepteurs doivent consulter les données graphiques complètes pour optimiser les points de fonctionnement en fonction de leurs exigences spécifiques concernant la vitesse, la consommation d'énergie et la stabilité thermique.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions et implantation du boîtier

L'ELQ3H4 utilise un boîtier SSOP 16 broches avec un profil bas de 2,0mm, permettant un montage PCB haute densité. La fiche technique inclut un dessin coté détaillé spécifiant la longueur, la largeur, la hauteur, le pas des broches et leurs dimensions. Le respect de ces spécifications mécaniques est essentiel pour un ajustement correct sur le PCB et dans les équipements d'assemblage automatisés.

A Une implantation de pastilles recommandéepour l'assemblage en montage en surface est fournie. Suivre ce motif de pastilles est crucial pour assurer la formation fiable des joints de soudure, une résistance mécanique appropriée et éviter des problèmes comme le soulèvement des composants (tombstoning) pendant le soudage par refusion. Le motif tient compte de la formation du congé de soudure et du dégagement thermique.

4.2 Marquage et polarité du dispositif

Le dispositif est marqué sur le dessus du boîtier. Le marquage suit le format :EL Q3H4 YWW V.

• EL :Identifiant du fabricant.
• Q3H4 :Numéro du dispositif.
• Y :Code année à un chiffre.
• WW :Code semaine à deux chiffres.
• V :Marquage optionnel indiquant l'homologation VDE.

L'orientation correcte est vitale. L'indicateur de broche 1 sur le boîtier (généralement un point, une encoche ou un chanfrein) doit être aligné avec le marqueur de broche 1 sur l'empreinte PCB. Une insertion incorrecte empêchera le fonctionnement du dispositif et pourrait l'endommager.

5. Directives de soudage et d'assemblage

5.1 Conditions de soudage par refusion

Le dispositif est adapté au soudage par refusion en montage en surface. La fiche technique spécifie unprofil de température maximale du corpscritique conforme à IPC/JEDEC J-STD-020D. Les paramètres clés incluent :

• Préchauffage :150°C à 200°C sur 60-120 secondes.
• Temps au-dessus du liquidus (T_L=217°C) :60-100 secondes.
• Température de pic (T_P) :260°C maximum.
• Temps à moins de 5°C du pic :30 secondes maximum.
• Cycles de refusion maximum :3 fois.

Le respect strict de ce profil empêche les dommages thermiques au boîtier plastique, aux liaisons internes et à la puce semi-conductrice. Dépasser la température de pic ou le temps à température peut entraîner un délaminage, des fissures ou des dérives paramétriques.

5.2 Manipulation et stockage

Les précautions standard contre les décharges électrostatiques (ESD) doivent être observées, car la DEL GaAs et le phototransistor au silicium internes sont sensibles aux dommages causés par l'électricité statique. Utilisez des postes de travail et des bracelets antistatiques mis à la terre. Les dispositifs doivent être stockés dans leurs sacs barrières à l'humidité d'origine avec un dessiccant dans un environnement contrôlé (typiquement <40°C/90% HR) pour éviter l'absorption d'humidité, qui peut provoquer l'effet \"popcorn\" pendant la refusion.

6. Conditionnement et informations de commande

6.1 Numérotation des modèles et options

La structure du numéro de pièce est :ELQ3H4(Z)-V.

• Z (Option de conditionnement) :\"TA\" désigne un conditionnement en bande et bobine. S'il est omis, le conditionnement par défaut est en tube.
• V (Option d'homologation) :Désigne le marquage d'homologation VDE.

Quantités par conditionnement :L'option tube contient 40 unités par tube. L'option bande et bobine (TA) contient 1000 unités par bobine.

6.2 Spécifications de la bande et de la bobine

Les dimensions détaillées de la bande porteuse sont fournies, y compris la taille des alvéoles (A0, B0, D0, D1), le pas (P0) et les dimensions de la bobine. Ces informations sont nécessaires pour configurer correctement les machines de placement automatique. La largeur de la bande (W) est de 16,0mm ± 0,3mm, et le sens d'avancement est spécifié.

7. Considérations de conception d'application

7.1 Conception du circuit d'entrée

Pour un fonctionnement enentrée CA, la DEL peut être commandée directement par un signal CA. Une résistance de limitation de courant est obligatoire pour définir le courant direct souhaité (I_F). Sa valeur doit être calculée sur la base de la tension crête du signal CA, du V_F de la DEL et du I_F souhaité. Comme la DEL est une diode, elle ne conduira que pendant les demi-cycles, sauf si un pont redresseur est utilisé devant elle pour un fonctionnement en onde complète. La large plage de CTR signifie que le courant de sortie variera considérablement entre les dispositifs si un I_F fixe est utilisé. Pour des performances plus cohérentes, envisagez d'utiliser un I_F plus élevé (où la variation du CTR pourrait être plus faible) ou de mettre en œuvre une rétroaction.

3.2 Conception du circuit de sortie

Le phototransistor peut être utilisé en modecommutationoulinéaire. Pour la commutation numérique, le dispositif est saturé (I_F suffisamment élevé pour que V_CE≈ V_CE(sat)). La résistance de charge (R_L) connectée au collecteur détermine l'excursion de tension de sortie et affecte la vitesse de commutation (un R_L plus grand augmente le temps de montée). Pour les applications analogiques ou linéaires, le phototransistor fonctionne dans sa région active. Cependant, la non-linéarité de la courbe CTR vs. I_F et sa forte dépendance à la température rendent le fonctionnement linéaire précis difficile sans compensation.

7.3 Immunité au bruit et implantation

Pour maximiser la capacité d'isolation élevée (3750V_eff, faible C_IO), une implantation PCB minutieuse est essentielle. Maintenez des distances de fuite et de dégagement adéquates entre les côtés entrée et sortie du circuit selon les normes de sécurité. Utilisez un plan de masse, mais envisagez de diviser le plan sous le photocoupleur pour minimiser le couplage capacitif à travers la barrière d'isolation. Des condensateurs de découplage placés près des broches du dispositif des deux côtés peuvent aider à supprimer le bruit haute fréquence.

8. Comparaison technique et guide de sélection

Les principaux points de différenciation de l'ELQ3H4 sont sacapacité d'entrée CA, son boîtier SSOP ultra-mince, et sescertifications de sécurité complètes. Lors de la sélection d'un photocoupleur, comparez les éléments suivants avec les exigences du projet :

• vs. Photocoupleurs à entrée CC :L'ELQ3H4 simplifie les circuits en éliminant les redresseurs externes pour les signaux CA, économisant de l'espace sur la carte et réduisant les coûts.
• vs. Boîtiers plus grands (DIP, etc.) :Le SSOP offre des économies d'espace significatives mais peut avoir des caractéristiques thermiques légèrement différentes et nécessite un assemblage plus précis.
• vs. Optocoupleurs haute vitesse :Les dispositifs avec des portes logiques plus rapides ou des isolateurs numériques offrent des débits de données beaucoup plus élevés (>1 Mbps) mais peuvent avoir des indices d'isolation, des exigences d'alimentation ou des structures de coûts différents.
• vs. Photocoupleurs à sortie Darlington :Les configurations Darlington offrent un CTR beaucoup plus élevé (500-1000%) mais ont des vitesses de commutation plus lentes et des tensions de saturation plus élevées.
• Sélection de classe CTR :Si les performances du circuit sont très sensibles au gain, renseignez-vous sur la disponibilité de dispositifs triés dans des plages de CTR plus étroites (par exemple, 100-200%).

9. Questions Fréquemment Posées (FAQ)

Q1 : Puis-je commander la DEL directement avec une source de tension ?

R1 : Non. Une DEL est un dispositif commandé en courant. Utilisez toujours une résistance de limitation de courant en série pour contrôler I_Fet éviter les dommages dus au surcourant.

Q2 : Pourquoi le temps de montée en sortie est-il plus lent que le temps de descente dans les spécifications ?

R2 : C'est typique pour les phototransistors. Le temps de montée est limité par le temps nécessaire pour charger la capacité de jonction du phototransistor via le photocourant. Le temps de descente est gouverné par la décharge de cette capacité à travers la résistance de charge externe et les processus de recombinaison internes du dispositif.

Q3 : Comment la température affecte-t-elle les performances ?

R3 : Le CTR diminue généralement avec l'augmentation de la température. La tension directe (V_F) de la DEL diminue également. Ces effets doivent être pris en compte dans les conceptions fonctionnant sur une large plage de température pour garantir des seuils de commutation ou une linéarité fiables.

Q4 : Quel est le but de l'\"effet d'écran\" mentionné ?

R4 : Le boîtier plastique opaque agit comme un écran de lumière, empêchant la lumière ambiante d'atteindre le phototransistor. Cela évite les déclenchements intempestifs ou les courants de décalage causés par des sources lumineuses externes comme l'éclairage de la pièce ou la lumière du soleil.

10. Exemple d'application pratique

Scénario : Détection de secteur CA isolée pour un module d'entrée d'API.

Un cas d'utilisation courant est la détection de la présence d'un signal CA 120V provenant d'un interrupteur ou d'un capteur. L'ELQ3H4 est idéal pour cela.

1. Circuit d'entrée :Le signal CA 120V est atténué via un réseau de résistances de haute valeur et haute tension pour limiter le courant. Une diode de protection en antiparallèle peut être placée aux bornes de la DEL pour limiter la tension inverse pendant le demi-cycle négatif, bien que le dispositif soit conçu pour le fonctionnement CA. La valeur de la résistance est choisie pour régler I_Fà une valeur nominale de 5-10mA, bien dans les limites spécifiées.
2. Circuit de sortie :Le collecteur du phototransistor est connecté à la tension d'alimentation logique de l'API (par exemple, 3,3V ou 5V) via une résistance de rappel (R_L). L'émetteur est mis à la masse. Lorsque le CA est présent, le phototransistor s'active pendant les demi-cycles conducteurs, tirant la sortie collecteur à un niveau bas. L'entrée numérique de l'API lit ce signal bas pulsé. Le logiciel peut ensuite éliminer les rebonds ou détecter les passages par zéro pour confirmer la présence du CA.
3. Avantages :Cette conception fournit une isolation galvanique robuste, protégeant les circuits sensibles de l'API des transitoires et des défauts du secteur. Le boîtier SSOP compact permet de placer de nombreux canaux de ce type sur un seul module.

11. Principe de fonctionnement

Un photocoupleur fonctionne sur le principe ducouplage optiquepour réaliser une isolation électrique. Un signal électrique d'entrée commande une diode électroluminescente (DEL), la faisant émettre une lumière infrarouge proportionnelle au courant. Cette lumière traverse un court espace transparent à l'intérieur du boîtier et frappe la région de base d'un phototransistor au silicium. Les photons incidents génèrent des paires électron-trou dans la base, agissant efficacement comme un courant de base. Ce courant photogénéré est ensuite amplifié par le gain du transistor, produisant un courant de collecteur qui est une réplique électrique du signal d'entrée. L'essentiel est que le transfert de signal se produit par la lumière, sans connexion électrique entre l'entrée et la sortie, créant ainsi la barrière d'isolation.

12. Tendances technologiques

Le domaine de l'isolation de signal continue d'évoluer. Bien que les coupleurs traditionnels à base de phototransistor comme l'ELQ3H4 restent dominants pour les applications rentables, à vitesse moyenne et à haute isolation, plusieurs tendances sont notables :

• Intégration accrue :Les photocoupleurs multi-canaux dans un seul boîtier sont courants, réduisant l'espace sur la carte et le coût par canal.
• Alternatives à plus haute vitesse :Pour la communication de données, les isolateurs numériques basés sur la technologie CMOS et le couplage RF ou capacitif offrent des débits de données nettement plus élevés (jusqu'à des centaines de Mbps), une consommation d'énergie plus faible et une meilleure cohérence temporelle, bien qu'avec souvent des indices de tension d'isolation différents.
• Fiabilité et certification améliorées :Il y a une poussée continue pour des métriques de fiabilité plus élevées (taux FIT), des plages de température de fonctionnement plus larges et l'obtention de certifications pour les normes émergentes, en particulier dans les applications automobiles (AEC-Q100) et médicales.
• Miniaturisation des boîtiers :La tendance vers des boîtiers plus petits et plus minces continue de permettre des produits finaux plus compacts, comme le montre le profil SSOP de 2,0mm utilisé dans l'ELQ3H4.