Scheda Tecnica Fotocoupler Serie EL847 - Package DIP 16 Pin - Isolamento 5000Vrms - CTR 50-600% - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie EL847 rappresenta una famiglia di fotocoupler a fototransistor a quattro canali, alloggiati in un package standard Dual In-line (DIP) a 16 pin. Ogni canale integra un diodo emettitore a infrarossi accoppiato otticamente a un rivelatore a fototransistor, garantendo un robusto isolamento elettrico tra i circuiti di ingresso e di uscita. Questo dispositivo è progettato per una trasmissione affidabile dei segnali in ambienti dove le differenze di potenziale e l'immunità al rumore sono critiche.

La funzione principale è trasferire segnali elettrici utilizzando la luce, ottenendo così l'isolamento galvanico. Ciò previene i loop di massa, sopprime il rumore e protegge i circuiti sensibili dai transitori ad alta tensione. La serie è disponibile sia nella versione standard a foro passante (DIP) che in quella a montaggio superficiale (SMD), offrendo flessibilità per diversi processi di assemblaggio PCB.

2. Approfondimento dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito.

• Corrente Diretta di Ingresso (I_F): 60 mA (Continua). È la massima corrente continua che può essere applicata al LED di ingresso.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP): 1 A per 1 μs. Consente brevi impulsi ad alta corrente per pilotaggio o test.
• Tensione Inversa (V_R): 6 V. La massima tensione di polarizzazione inversa che il LED di ingresso può sopportare.
• Tensione Collettore-Emettitore (V_CEO): 80 V. La massima tensione che il fototransistor di uscita può bloccare quando è spento.
• Corrente di Collettore (I_C): 50 mA. La massima corrente continua che il transistor di uscita può assorbire.
• Tensione di Isolamento (V_ISO): 5000 V_rmsper 1 minuto. Parametro di sicurezza chiave che indica la rigidità dielettrica tra il lato di ingresso e quello di uscita.
• Temperatura di Esercizio (T_OPR): da -55°C a +110°C. Specifica l'intervallo di temperatura ambiente per un funzionamento affidabile.
• Temperatura di Saldatura (T_SOL): 260°C per 10 secondi. Definisce la tolleranza del profilo di rifusione per saldatura.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri definiscono le prestazioni del dispositivo in condizioni operative normali (T_A= 25°C salvo diversa indicazione).

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (Lato LED)

• Tensione Diretta (V_F): Tipicamente 1.2V, massimo 1.4V con I_F= 20 mA. Utilizzata per calcolare la resistenza di limitazione della corrente richiesta.
• Corrente Inversa (I_R): Massimo 10 μA con V_R= 4V. Indica una dispersione molto bassa quando il LED è polarizzato inversamente.
• Capacità di Ingresso (C_in): Tipicamente 30 pF, massimo 250 pF. Influenza la capacità di commutazione ad alta frequenza sul lato di ingresso.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita (Lato Fototransistor)

• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (I_CEO): Massimo 100 nA con V_CE= 20V, I_F= 0mA. La corrente di dispersione quando il LED è spento; un valore più basso è migliore per l'immunità al rumore.
• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (BV_CEO): Minimo 80V con I_C= 0.1mA. Conferma la capacità di blocco ad alta tensione.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(sat)): Tipicamente 0.1V, massimo 0.2V con I_F= 20mA, I_C= 1mA. La caduta di tensione ai capi del transistor quando è completamente acceso (saturato). Un valore basso è desiderabile per minimizzare la dissipazione di potenza.

2.2.3 Caratteristiche di Trasferimento

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR): dal 50% al 600% con I_F= 5mA, V_CE= 5V. Questo è il parametro più critico, definito come (I_C/ I_F) * 100%. Rappresenta l'efficienza nella conversione della corrente di ingresso in corrente di uscita. L'ampio intervallo indica che il dispositivo è disponibile in diverse classi di guadagno.
• Resistenza di Isolamento (R_IO): Minimo 5 x 10¹⁰Ω con V_IO= 500V DC. Resistenza estremamente elevata tra i lati isolati, garantendo una dispersione minima.
• Capacità Flottante (C_IO): Tipicamente 0.6 pF, massimo 1.0 pF. La capacità parassita attraverso la barriera di isolamento, che influenza l'immunità ai transienti di modo comune e l'accoppiamento del rumore ad alta frequenza.
• Frequenza di Taglio (f_c): Tipicamente 80 kHz con V_CE= 5V, I_C= 2mA, R_L= 100Ω. La banda passante a -3dB, che indica la massima frequenza utile per segnali digitali.
• Tempo di Salita (t_r) & Tempo di Discesa (t_f): Tipicamente 6 μs e 8 μs rispettivamente (massimo 18 μs ciascuno) in condizioni di test specificate. Questi parametri di velocità di commutazione sono cruciali per determinare le massime velocità di dati nelle applicazioni digitali.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica include curve caratteristiche tipiche (sebbene non dettagliate nel testo fornito). Queste illustrerebbero tipicamente la relazione tra i parametri chiave, fornendo ai progettisti una comprensione più approfondita del comportamento del dispositivo oltre ai valori minimi/tipici/massimi tabulati.

• CTR vs. Corrente Diretta (I_F): Mostra come l'efficienza cambia con la corrente di pilotaggio, spesso raggiungendo un picco a un valore specifico di I_F.
• CTR vs. Temperatura: Illustra il coefficiente di temperatura negativo del CTR, che tipicamente diminuisce all'aumentare della temperatura. Questo è critico per progettare circuiti stabili su tutto l'intervallo di temperatura.
• Corrente di Uscita (I_C) vs. Tensione Collettore-Emettitore (V_CE): Famiglia di curve che mostra le caratteristiche di uscita del fototransistor per diverse correnti di ingresso, simili alle curve di uscita di un transistor bipolare.
• Tensione di Saturazione (V_CE(sat)) vs. Corrente di Collettore (I_C): Mostra come la caduta di tensione in stato di ON aumenti con la corrente di carico.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo è offerto in due opzioni principali di terminali:

1. Tipo DIP Standard: Package a foro passante con 16 pin su passo di 2.54mm (100-mil). Disegni dimensionali dettagliati specificano lunghezza, larghezza, altezza del corpo, lunghezza dei pin e spaziatura.
2. Opzione Tipo S (Montaggio Superficiale): Terminali a gabbiano per assemblaggio SMD. Le dimensioni includono raccomandazioni per il disegno del footprint PCB.

Una caratteristica meccanica chiave legata alla sicurezza è ladistanza di isolamento superficialedi >7.62 mm tra il lato di ingresso e quello di uscita del package. Questa è la distanza più breve lungo la superficie del package isolante tra le parti conduttive ed è essenziale per soddisfare gli standard di sicurezza per l'alta tensione di isolamento.

4.2 Pinout e Schema

La configurazione dei pin è semplice e coerente tra i canali:

• Pin 1, 3, 5, 7: Anodo rispettivamente per i Canali 1-4.
• Pin 2, 4, 6, 8: Catodo rispettivamente per i Canali 1-4.
• Pin 9, 11, 13, 15: Emettitore rispettivamente per i Canali 1-4.
• Pin 10, 12, 14, 16: Collettore rispettivamente per i Canali 1-4.

Questa disposizione raggruppa tutti gli ingressi su un lato (pin 1-8) e tutte le uscite sul lato opposto (pin 9-16), rafforzando fisicamente la barriera di isolamento.

4.3 Marcatura del Dispositivo

I dispositivi sono marcati sulla parte superiore con \"EL847\" (numero del dispositivo), seguito da un codice a 1 cifra per l'anno (Y), un codice a 2 cifre per la settimana (WW) e un suffisso opzionale \"V\" che indica l'approvazione VDE per quell'unità.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

5.1 Profilo di Rifusione

La scheda tecnica fornisce un profilo di rifusione dettagliato conforme a IPC/JEDEC J-STD-020D per saldatura senza piombo:

• Preriscaldamento: da 150°C a 200°C in 60-120 secondi.
• Tempo Sopra Liquido (T_L=217°C): 60-100 secondi.
• Temperatura di Picco (T_P): Massimo 260°C.
• Tempo entro 5°C dal Picco: Massimo 30 secondi.
• Velocità Massima di Rampa in Salita: 3°C/secondo da T_smaxa T_p.
• Velocità Massima di Rampa in Discesa: 6°C/secondo.
• Tempo Totale del Ciclo: Massimo 8 minuti da 25°C al picco.
• Numero di Rifusioni: Il dispositivo può sopportare fino a 3 cicli di rifusione.

Il rispetto di questo profilo è fondamentale per prevenire la rottura del package, la delaminazione o danni al die interno e ai bonding wires a causa dello stress termico.

6. Confezionamento e Informazioni per l'Ordine

La serie EL847 viene ordinata utilizzando il formato del numero di parte:EL847X-V.

• X: Opzione terminali. \"S\" per montaggio superficiale, vuoto (nessuno) per DIP standard.
• V: Suffisso opzionale che indica l'approvazione di sicurezza VDE inclusa per quella specifica unità.

Confezionamento: Entrambe le varianti sono fornite in tubi contenenti 20 unità ciascuno.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Circuiti di Applicazione Tipici

L'EL847 è versatile e può essere utilizzato in varie configurazioni:

1. Isolamento Segnali Digitali: Collegare il LED di ingresso in serie con una resistenza di limitazione a un pin GPIO di un microcontrollore. Il collettore di uscita può essere collegato alla tensione logica del lato isolato tramite una resistenza di pull-up. L'emettitore è tipicamente collegato a massa. Ciò fornisce una trasmissione immune al rumore di segnali ON/OFF, come nei moduli I/O dei PLC.
2. Isolamento Segnali Analogici (Modalità Lineare): Operando il fototransistor nella sua regione lineare (non satura), la corrente di uscita può essere resa approssimativamente proporzionale alla corrente del LED di ingresso. Ciò richiede una polarizzazione accurata ed è soggetta a variazioni del CTR e deriva termica. Viene spesso utilizzata per isolamento analogico a bassa larghezza di banda e bassa precisione.
3. Pilotaggio di Piccoli Carichi: L'uscita può pilotare direttamente piccoli carichi come relè, LED o driver optotriac, purché non vengano superati i valori nominali di corrente di collettore e tensione.

7.2 Considerazioni di Progetto e Best Practice

• Selezione del CTR e Progettazione del Circuito: L'ampio intervallo di CTR (50-600%) richiede una progettazione attenta. Per la commutazione digitale, scegliere una classe CTR che garantisca la saturazione del transistor di uscita al CTR minimo specificato con la I_Fscelta e la resistenza di carico (R_L). La condizione I_C= CTR_min* I_Fdeve essere maggiore di V_CC/R_Lper garantire la saturazione.
• Compromesso Velocità vs. Corrente: Una I_Fpiù alta generalmente migliora la velocità di commutazione (riduce t_r/t_f) ma riduce il CTR nel tempo a causa dell'invecchiamento del LED. Un progetto dovrebbe utilizzare la I_Fpiù bassa che soddisfi i requisiti di velocità e immunità al rumore.
• Immunità al Rumore e Filtraggio: Per migliorare l'immunità ai transienti di modo comune (CMTI), utilizzare un condensatore di bypass (es. 0.1 μF) tra l'alimentazione e massa su entrambi i lati di ingresso e uscita, posizionato il più vicino possibile ai pin del dispositivo. Ciò aiuta a contrastare gli effetti della capacità di accoppiamento interna (C_IO).
• Dissipazione Termica: Osservare i limiti di dissipazione di potenza totale (P_TOT= 200 mW). La potenza è calcolata come (I_F* V_F) sul lato di ingresso più (I_C* V_CE) sul lato di uscita.

8. Confronto Tecnico e Vantaggi Chiave

L'EL847 si distingue sul mercato grazie a diverse caratteristiche chiave:

• Alta Tensione di Isolamento (5000 V_rms): Supera i requisiti di molte applicazioni di controllo industriale e alimentatori, fornendo un ampio margine di sicurezza.
• Ampio Intervallo di Temperatura di Esercizio (-55°C a +110°C): Adatto per ambienti industriali e automobilistici severi dove sono comuni temperature estreme.
• Approvazioni di Sicurezza Complete: Approvazioni UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC semplificano il processo di integrazione del dispositivo in prodotti finali che richiedono certificazione per vari mercati globali.
• Quattro Canali in un Unico Package: Offre risparmio di spazio su scheda ed efficienza di costo rispetto all'uso di quattro fotocoupler a canale singolo per compiti di isolamento multi-segnale.
• Doppia Opzione di Package: Disponibilità sia nella forma a foro passante (DIP) che a montaggio superficiale (SMD) fornisce flessibilità sia per prototipazione che per assemblaggio automatizzato ad alto volume.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D1: Come seleziono la corretta resistenza di limitazione per il LED di ingresso?

R1: Utilizzare la formula: R_limit= (V_{alimentazione}- V_F) / I_F. Utilizzare il V_Fmassimo dalla scheda tecnica (1.4V) per un progetto nel caso peggiore per garantire che I_Fnon venga superata. Scegliere I_Fin base al CTR e alla velocità richiesti; 5-20 mA è tipico.

D2: Il mio circuito non commuta completamente. La tensione di uscita non scende abbastanza. Cosa c'è che non va?

R2: Il fototransistor probabilmente non entra in saturazione. Questo è solitamente un problema di CTR. Verificare che il progetto utilizzi il CTR minimo (50%) per i calcoli. Aumentare I_Fo aumentare il valore della resistenza di pull-up R_Lsul collettore per ridurre la I_Crichiesta per la saturazione (I_C(sat)≈ V_CC/R_L).

D3: Posso usarlo per isolare segnali analogici come uscite di sensori?

R3: È possibile ma impegnativo. La linearità del fototransistor è scarsa e il CTR varia significativamente con la temperatura e da dispositivo a dispositivo. Per un isolamento analogico accurato, sono fortemente raccomandati amplificatori di isolamento dedicati o fotocoupler lineari (che includono retroazione per compensare le non linearità).

D4: Qual è il significato della distanza di isolamento superficiale >7.62 mm?

R4: La distanza di isolamento superficiale è il percorso più breve lungo la superficie del package isolante tra parti conduttive (es. pin di ingresso 1 e pin di uscita 9). Una distanza maggiore previene il tracking superficiale (scarica sulla superficie a causa di contaminazione o umidità) ed è un requisito obbligatorio per le certificazioni di sicurezza a tensioni di isolamento elevate come 5000 V_rms.

10. Studio di Caso Pratico di Progetto

Scenario: Isolare quattro segnali di controllo digitali da un microcontrollore a un driver per attuatore industriale a 24V.

1. Requisiti: Frequenza del segnale < 1 kHz, alta immunità al rumore, isolamento per sicurezza e prevenzione di loop di massa.
2. Scelte di Progetto:
   • Dispositivo: EL847 (DIP Standard).
   • Lato Ingresso: GPIO del microcontrollore (3.3V, capace di 20mA). Scegliere I_F= 10 mA per una buona velocità e longevità. R_limit= (3.3V - 1.4V) / 0.01A = 190Ω. Utilizzare una resistenza standard da 200Ω.
   • Lato Uscita: Il driver dell'attuatore si aspetta un livello logico alto a 24V, portato a massa per ON. Collegare il collettore all'alimentazione 24V tramite una resistenza di pull-up. Scegliere R_Lper garantire la saturazione al CTR minimo. Richiesto I_C(sat)> 24V / R_L. Con CTR_min=50% e I_F=10mA, I_C>= 5mA. Pertanto, R_Ldeve essere < 24V / 0.005A = 4.8 kΩ. Viene scelta una resistenza da 3.3 kΩ, ottenendo I_C(sat)≈ 7.3mA, che è ben all'interno del valore nominale di 50mA del dispositivo e fornisce un buon margine.
   • Filtraggio: Aggiungere un condensatore ceramico da 0.1 μF tra il Pin 10 (Collettore 1) e il Pin 9 (Emettitore 1), e similmente per gli altri canali, per migliorare l'immunità al rumore.
3. Risultato: Un'interfaccia robusta, elettricamente isolata, capace di trasmettere in modo affidabile segnali di controllo in un ambiente industriale elettricamente rumoroso.

11. Principio di Funzionamento

Il funzionamento di un fotocoupler si basa sulla conversione elettro-ottico-elettrica. Quando una corrente diretta (I_F) viene applicata al Diodo Emettitore a Infrarossi (IRED) di ingresso, esso emette fotoni (luce) con una lunghezza d'onda tipicamente attorno ai 940 nm. Questa luce attraversa un gap isolante trasparente (spesso realizzato in compound di stampaggio o aria) all'interno del package. La luce colpisce la regione di base del fototransistor di silicio di uscita. I fotoni assorbiti generano coppie elettrone-lacuna, creando una corrente di base che accende il transistor, permettendo a una corrente di collettore (I_C) di fluire. Il punto chiave è che l'unica connessione tra ingresso e uscita è il fascio di luce, fornendo l'isolamento galvanico. Il rapporto I_C/I_Fè il Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR), che dipende dall'efficienza luminosa del LED, dalla sensibilità del fototransistor e dall'efficienza di accoppiamento ottico tra di loro.

12. Tendenze del Settore e Contesto

Fotocoupler come l'EL847 rimangono componenti fondamentali nell'elettronica di potenza, automazione industriale e sistemi di energia rinnovabile dove l'isolamento ad alta tensione è imprescindibile. La tendenza in questo settore è verso:

• Velocità Maggiore: Sviluppo di isolatori digitali basati su tecnologie RF CMOS o ad accoppiamento capacitivo che offrono velocità di dati nell'intervallo Mbps-Gbps, superando di gran lunga il limite di ~100 kHz dei tradizionali fotocoupler a fototransistor.
• Integrazione SuperioreCombinando l'isolamento con altre funzioni come driver di gate, interfacce ADC o isolatori USB/I2C/SPI in package singoli.
• Affidabilità e Durata Migliorate: Focus sulla tecnologia LED con minore degrado nel tempo e con la temperatura, portando a un CTR più stabile durante la vita del prodotto.
• Miniaturizzazione: Passaggio a package più piccoli e a montaggio superficiale come SOIC-8 e ancora più piccoli, mantenendo o migliorando le specifiche di isolamento.

Nonostante queste tendenze, i fotocoupler basati su fototransistor mantengono una forte rilevanza grazie alla loro semplicità, robustezza, capacità di alta tensione di isolamento, facilità d'uso e convenienza per applicazioni che richiedono isolamento di segnale a media-bassa velocità, come i controllori programmabili, gli elettrodomestici e le apparecchiature di telecomunicazione elencate nella scheda tecnica dell'EL847. Le loro complete certificazioni di sicurezza li rendono una scelta affidabile per progetti che richiedono approvazioni normative.