Scheda Tecnica Fotocoupler Fotodarlington Serie EL815 - Package DIP 4 Pin - Isolamento 5000Vrms - CTR 600-7500% - Temperatura Operativa -55 a +110°C - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie EL815 rappresenta una famiglia di fotocoupler fotodarlington (optocoupler) ad alte prestazioni, alloggiati in un compatto package DIP (Dual In-line Package) a 4 pin. La funzione principale di questo dispositivo è fornire isolamento elettrico e trasmissione del segnale tra due circuiti con potenziali o impedenze differenti. Questo risultato è ottenuto utilizzando un diodo a emissione di luce infrarossa (LED) sul lato d'ingresso, che è accoppiato otticamente a un transistor fotodarlington sul lato d'uscita. Questo design garantisce un isolamento galvanico completo, prevenendo loop di massa e proteggendo circuiti sensibili da picchi di tensione o rumore provenienti dall'altro circuito.

La configurazione fotodarlington fornisce un rapporto di trasferimento di corrente (CTR) molto elevato, rendendolo altamente sensibile e adatto ad applicazioni in cui una piccola corrente d'ingresso deve controllare una corrente d'uscita maggiore. Un vantaggio chiave di questa serie è la sua conformità a vari standard internazionali di sicurezza e ambientali, inclusi i requisiti alogeni-free, RoHS e EU REACH, rendendolo adatto per mercati globali e progetti attenti all'ambiente.

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. Non sono destinati al funzionamento normale.

• Corrente Diretta di Ingresso (I_F)F): 60 mA (DC). Questa è la massima corrente continua che può essere fatta scorrere attraverso il LED infrarosso d'ingresso.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP)FP): 1 A per 1 µs. Il LED può sopportare brevi impulsi ad alta corrente, utili per determinate condizioni di commutazione o transitorie.
• Tensione Inversa di Ingresso (V_R)R): 6 V. La massima tensione di polarizzazione inversa che può essere applicata al LED d'ingresso.
• Tensione Collettore-Emettitore (V_CEO)CEO): 35 V. La massima tensione che può essere sostenuta tra il collettore e l'emettitore del transistor fotodarlington d'uscita quando la base è aperta.
• Corrente di Collettore (I_C)C): 80 mA. La massima corrente continua che il transistor d'uscita può assorbire.
• Dissipazione di Potenza Totale (P_TOT)TOT): 200 mW. La massima potenza combinata che può essere dissipata dalle sezioni d'ingresso e d'uscita del dispositivo.
• Tensione di Isolamento (V_ISO)ISO): 5000 V_rmsper 1 minuto. Questo parametro critico specifica la capacità di isolamento ad alta tensione tra i lati d'ingresso e d'uscita, testato con i pin 1-2 cortocircuitati e i pin 3-4 cortocircuitati.
• Temperatura Operativa (T_OPR)A): -55°C a +110°C. L'intervallo di temperatura ambiente entro il quale il dispositivo è specificato per funzionare.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri sono misurati in condizioni di test specificate (tipicamente T_aA = 25°C) e definiscono le prestazioni del dispositivo.

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso

• Tensione Diretta (V_F)F): Tipicamente 1.2V, massimo 1.4V a I_FF = 20 mA. Questa è la caduta di tensione ai capi del LED infrarosso quando è alimentato.
• Corrente Inversa (I_R)R): Massimo 10 µA a V_RR = 4V. La piccola corrente di dispersione quando il LED è polarizzato inversamente.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita

• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (I_CEO)CEO): Massimo 1 µA a V_CECE = 10V, I_FF = 0mA. La corrente di dispersione del transistor d'uscita quando il LED d'ingresso è spento.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(sat))): Tipicamente 0.8V, massimo 1.0V a I_FC = 20mA, I_CF = 5mA. La tensione ai capi del transistor d'uscita quando è completamente acceso (saturato). Un valore più basso è desiderabile per minimizzare la perdita di potenza.

2.2.3 Caratteristiche di Trasferimento

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR)): 600% (Min) a 7500% (Max) a I_FF = 1mA, V_CECE = 2V. Questo è il parametro più importante per un fotocoupler, definito come (I_CC / I_FF) * 100%. L'intervallo estremamente ampio indica che il dispositivo è disponibile in più gradi di sensibilità. Un CTR elevato consente un trasferimento efficiente del segnale con una corrente di pilotaggio d'ingresso minima.
• Resistenza di Isolamento (R_IO)ISO): Minimo 5 x 10¹⁰9 Ω a V_IOISO = 500V DC. Questo indica l'estremamente alta resistenza DC tra i lati isolati.
• Tempo di Salita (t_r)R): Tipicamente 60 µs, massimo 300 µs. Tempo di Discesa (t_fF): Tipicamente 53 µs, massimo 250 µs. Questi parametri, insieme a una frequenza di taglio (f_cC) tipicamente di 6 kHz, definiscono la velocità di commutazione del dispositivo. La struttura fotodarlington è intrinsecamente più lenta nei tempi di commutazione rispetto ai fototransistor o ai fotocoupler a IC, rendendola più adatta per applicazioni in DC e AC a bassa frequenza piuttosto che per l'isolamento digitale ad alta velocità.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica include curve caratteristiche tipiche essenziali per comprendere il comportamento del dispositivo in condizioni non standard. Sebbene i grafici specifici non siano riprodotti nel testo, le loro implicazioni sono critiche per la progettazione.

• CTR vs. Corrente Diretta (I_F)F): Tipicamente, il CTR diminuisce all'aumentare della corrente diretta. I progettisti devono consultare questa curva per selezionare il punto operativo ottimale per la corrente d'uscita richiesta e l'efficienza di trasferimento.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_a)A): Il CTR dipende dalla temperatura, di solito diminuisce agli estremi di temperatura. Questa curva è vitale per garantire un funzionamento affidabile nell'intervallo specificato da -55°C a +110°C. I progetti per ambienti ostili devono deratare le prestazioni basandosi su questi dati.
• Corrente di Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore (I_CC-V_CE)CE): Queste curve d'uscita, parametrizzate da diverse correnti d'ingresso (I_FF), mostrano le regioni operative (saturazione, attiva) del fotodarlington. Sono utilizzate per determinare la linea di carico e assicurare che il dispositivo operi entro limiti sicuri e funzionali.
• Forme d'Onda dei Tempi di Commutazione: Il circuito di test e il diagramma della forma d'onda illustrano come vengono misurati il tempo di salita (t_rR), il tempo di discesa (t_fF), il ritardo di accensione (t_on) e il ritardo di spegnimento (t_off). Comprendere questi parametri aiuta nella progettazione di circuiti di temporizzazione e nella previsione dell'integrità del segnale.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

L'EL815 è offerto in tre opzioni principali di forma dei terminali, ciascuna con disegni meccanici dettagliati che specificano tutte le dimensioni critiche in millimetri.

• Tipo DIP Standard: Il classico package through-hole con spaziatura standard dei pin.
• Tipo Opzione M: Presenta una piega ampia dei terminali, fornendo una spaziatura di 0.4 pollici (circa 10.16mm), che può essere vantaggiosa per i requisiti di creepage e clearance sui PCB.
• Tipo Opzione S1: Una forma terminale per dispositivo a montaggio superficiale (SMD) con profilo basso. Questa è la variante SMD del package.

Tutti i package mantengono una distanza di creepage superiore a 7.62 mm, che contribuisce all'elevata tensione di isolamento nominale.

4.2 Identificazione Polarità e Marcatura

La configurazione dei pin è standard per un fotocoupler DIP a 4 pin:

1. Anodo (positivo LED d'ingresso)
2. Catodo (negativo LED d'ingresso)
3. Emettitore (emettitore transistor d'uscita)
4. Collettore (collettore transistor d'uscita)

Il dispositivo è marcato sulla parte superiore con "EL" (che denota la serie), "815" (il numero del dispositivo), seguito da un codice anno a 1 cifra (Y), un codice settimana a 2 cifre (WW), e un "V" opzionale per le versioni approvate VDE.

4.3 Layout Consigliato dei Pad SMD

Per l'opzione S1 (montaggio superficiale), la scheda tecnica fornisce un diagramma del layout dei pad suggerito. Le dimensioni sono fornite come riferimento, e la nota dichiara esplicitamente che i progettisti dovrebbero modificare le dimensioni dei pad in base al loro specifico processo di produzione PCB e ai requisiti di affidabilità.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

I Valori Massimi Assoluti specificano una temperatura di saldatura (T_SOLS) di 260°C per 10 secondi. Questo è un parametro critico per i processi di saldatura a rifusione.

• Saldatura a Rifusione: Per l'assemblaggio SMD (opzione S1), dovrebbe essere utilizzato un profilo di rifusione standard senza piombo con una temperatura di picco non superiore a 260°C per il tempo specificato. Il profilo deve essere controllato per evitare shock termici.
• Saldatura ad Onda/Manuale: Per i package through-hole (Standard e opzione M), possono essere utilizzate tecniche standard di saldatura ad onda o manuale, ma si dovrebbe fare attenzione a limitare il tempo di esposizione del corpo del dispositivo alle alte temperature.
• Condizioni di Stoccaggio: L'intervallo di temperatura di stoccaggio è specificato come -55°C a +125°C. I dispositivi dovrebbero essere conservati in un ambiente asciutto e antistatico. Per i componenti SMD forniti in nastro e bobina, la bobina dovrebbe essere conservata nella sua originale busta barriera all'umidità con essiccante se i dispositivi sono sensibili all'umidità (sebbene non sia esplicitamente dichiarato come classificato MSL in questa scheda tecnica).

6. Imballaggio e Informazioni d'Ordine

6.1 Struttura del Codice d'Ordine

Il numero di parte segue il formato:EL815X(Z)-V

• XX: Opzione forma terminali.
  • Nessuno: DIP-4 standard (100 unità/tubo).
  • M: Piegatura ampia terminali, spaziatura 0.4" (100 unità/tubo).
  • S1: Forma terminali per montaggio superficiale, profilo basso.
• ZZ: Opzione nastro e bobina (applicabile solo con S1).
  • TA, TB, TU, TD: Diverse specifiche di nastro e bobina che influenzano la quantità d'imballaggio e la direzione di alimentazione.
• VV: Suffisso opzionale che denota l'approvazione di sicurezza VDE.

6.2 Specifiche del Nastro e della Bobina

Sono forniti disegni dimensionali dettagliati e tabelle per il nastro (nastro portante, nastro di copertura) e la bobina. Le dimensioni chiave includono la dimensione della tasca (A, B), il diametro del foro (D0), la spaziatura dei componenti (P0), la larghezza del nastro (W) e le dimensioni del mozzo della bobina. Le opzioni TA e TB differiscono nella direzione di alimentazione dalla bobina, che deve essere configurata correttamente nelle attrezzature automatiche pick-and-place.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Circuiti di Applicazione Tipici

La scheda tecnica elenca diverse aree di applicazione: telefoni/centralini, controllori di sequenza, apparecchi di sistema, strumenti di misura e trasmissione di segnale tra circuiti di potenziali/impedenze differenti. L'alto CTR e la tensione di isolamento lo rendono particolarmente adatto per:

• Isolamento I/O Microcontrollore: Proteggere un microcontrollore a bassa tensione da segnali di controllo industriale a tensione più alta o rumorosi.
• Rilevamento Linea AC: Utilizzare il fotocoupler per fornire un feedback isolato da un triac o un relè che pilota un carico AC.
• Eliminazione Loop di Massa: Interrompere i loop di massa nelle catene di segnale analogico tra sensori e sistemi di acquisizione dati.
• Traduzione Livello Logico con Isolamento: Interfacciare circuiti logici che operano a diversi livelli di tensione mantenendo l'isolamento.

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Limitazione Corrente d'Ingresso: Un resistore in serie deve essere sempre utilizzato con il LED d'ingresso per limitare la corrente diretta (I_FF) al valore desiderato, calcolato come (Tensione di Alimentazione - V_FF) / I_F.
• F.Carico d'Uscita_CC: Il fotodarlington d'uscita agisce come un sink di corrente. Un resistore di pull-up è tipicamente collegato dal collettore a una tensione di alimentazione positiva (V
• CC). Il valore di questo resistore e del carico determineranno l'escursione della tensione d'uscita e la velocità di commutazione.Compromesso Velocità vs. Sensibilità
• : L'alto CTR ha il costo di velocità di commutazione più lente. Questo dispositivo non è adatto per comunicazioni ad alta frequenza (es. isolatori digitali per USB, SPI > 10 kHz). È ideale per rilevamento di stato, segnali di controllo lenti e sincronizzazione con linea di potenza AC (50/60 Hz).Considerazioni Termiche_OPR:** Sebbene la dissipazione di potenza sia bassa, operare alla massima temperatura di giunzione (dedotta da T

A fino a 110°C) potrebbe richiedere la derating delle correnti massime ammissibili o della dissipazione di potenza.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

• La serie EL815, come fotocoupler fotodarlington, occupa una nicchia specifica rispetto ad altri tipi di optocoupler:vs. Fotocoupler a Fototransistor Standard
• : I fotocoupler fotodarlington offrono un CTR molto più alto (spesso 10-100x superiore) ma sono significativamente più lenti. Scegliere un fototransistor per velocità moderata (decine di kHz) e un fotodarlington per massima sensibilità con bassa corrente d'ingresso a basse frequenze.vs. Fotocoupler a Foto-IC (Uscita Logica)_CEO: I fotocoupler a foto-IC hanno un'uscita digitale (commutazione pulita) e possono essere molto veloci (intervallo MBd), ma hanno una funzione di trasferimento di corrente fissa, spesso più bassa, e richiedono una specifica tensione di alimentazione sul lato d'uscita. L'EL815 fornisce un'uscita di corrente analogica e può operare su un ampio intervallo di tensioni d'uscita (fino a V
• CEO).vs. Altri Fotodarlington_{: I fattori chiave di differenziazione dell'EL815 sono il suo elevato isolamento di 5000V}rms

, l'ampio intervallo di temperatura operativa (-55°C a +110°C) e la conformità alle principali approvazioni di sicurezza internazionali (UL, VDE, cUL, SEMKO, ecc.). L'ampia classificazione CTR (600-7500%) consente di reperire componenti su misura per specifiche esigenze di sensibilità.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è lo scopo dell'alta tensione di isolamento (5000Vrms)?

R: Garantisce un funzionamento affidabile e la sicurezza in applicazioni dove i circuiti isolati hanno una grande differenza di potenziale, come negli alimentatori offline, nei controlli di motori industriali o nelle apparecchiature mediche. Protegge da transitori ad alta tensione e previene il breakdown.

D: Il mio circuito deve commutare a 1 kHz. L'EL815 è adatto?_cR: Sì, assolutamente. Con una frequenza di taglio tipica (f

C) di 6 kHz e tempi di salita/discesa nell'ordine delle decine di microsecondi, l'EL815 può gestire comodamente la commutazione a 1 kHz. La forma d'onda d'uscita sarà arrotondata, non quadra, ma per il controllo on/off a questa frequenza, è perfettamente adeguato.

D: Come scelgo il grado CTR corretto?_FR: Seleziona un CTR minimo che assicuri che il tuo transistor d'uscita saturi (si accenda completamente) con la tua corrente d'ingresso pianificata nel caso peggiore (più bassa). Ad esempio, se il tuo progetto pilota I_CF = 1mA e hai bisogno di I

C > 5mA per saturare il carico, hai bisogno di un CTR > 500%. Scegliere un componente da un bin CTR più alto fornisce un margine di progetto maggiore. Consulta sempre la curva CTR vs. temperatura per le tue condizioni operative.

D: Posso usarlo per l'isolamento di segnali analogici?

R: Sebbene possibile, non è ideale. Il CTR dei fotodarlington è non lineare e varia significativamente con la temperatura e la corrente diretta. Per l'isolamento analogico di precisione, sono raccomandati optocoupler lineari dedicati o amplificatori di isolamento. L'EL815 è più adatto per l'isolamento digitale (on/off) o analogico a bassa precisione.

10. Caso Pratico di Progettazione

Scenario: Ingresso Digitale Isolato per un Modulo PLC a 24V.

1. Un Controllore a Logica Programmabile (PLC) deve leggere un segnale di sensore a 24V DC fornendo un isolamento di 4000V per sicurezza e immunità al rumore.Progettazione del Circuito_F: L'uscita del sensore a 24V è collegata in serie con un resistore limitatore di corrente e il LED d'ingresso dell'EL815 (pin 1-2). Il valore del resistore è calcolato per I
2. F ≈ 5-10 mA a 24V. Sul lato d'uscita, il collettore (pin 4) è collegato tramite un resistore di pull-up da 10kΩ all'alimentazione logica interna del PLC a 3.3V. L'emettitore (pin 3) è collegato alla massa interna del PLC. Il segnale d'uscita è prelevato dal collettore.Selezione dei Componenti_F: Viene scelto un EL815 con un grado CTR che garantisca la saturazione a I_{F = 5mA. L'isolamento di 5000V}rms e le approvazioni di sicurezza (UL, VDE) soddisfano gli standard industriali. Il package S1 (SMD) è selezionato per l'assemblaggio PCB ad alta densità.
3. Prestazioni: Quando il sensore a 24V è attivo, il LED si accende, causando la conduzione del fotodarlington, portando la tensione d'uscita del collettore al livello basso (a V_CE(sat)≈ 0.8V), che viene letta come un livello logico '0' dal PLC. Quando il sensore è spento, il fotodarlington è spento e il resistore di pull-up porta l'uscita a 3.3V (livello logico '1'). La barriera di isolamento protegge la logica sensibile del PLC da eventuali guasti o transitori sulla linea del sensore a 24V.

11. Principio di Funzionamento

L'EL815 opera sul principio fondamentale della conversione optoelettronica. Un segnale elettrico applicato al lato d'ingresso fa fluire corrente (I_FF) attraverso il Diodo a Emissione di Luce (LED) infrarosso. Questo LED emette luce infrarossa con un'intensità proporzionale alla corrente diretta. La luce attraversa un gap di isolamento trasparente all'interno del package e colpisce la regione di base di un transistor fotodarlington sul lato d'uscita.

Un fotodarlington è essenzialmente due transistor bipolari collegati in configurazione Darlington, dove la fotocorrente generata nella giunzione base-collettore del primo transistor (che agisce come fotodiodo) è amplificata dal secondo transistor. Questa struttura fornisce un guadagno di corrente molto alto (h_FEFE), che si traduce nell'elevato Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR) osservato. La corrente di collettore d'uscita (I_CC) è quindi controllata dall'intensità della luce d'ingresso, e quindi dal segnale elettrico d'ingresso, senza alcuna connessione elettrica tra i due lati.

12. Trend Tecnologici

La tecnologia dei fotocoupler continua ad evolversi. Mentre dispositivi tradizionali come l'EL815 rimangono vitali per applicazioni ad alto isolamento, alto CTR e sensibili al costo, diversi trend sono notevoli:

• Integrazione: Dispositivi più recenti integrano componenti aggiuntivi come resistori base-emettitore sul transistor d'uscita per migliorare la stabilità termica e la velocità di commutazione.
• Isolamento Digitale ad Alta Velocità: Tecnologie basate su accoppiatori RF, magnetoresistenza gigante (GMR) o accoppiamento capacitivo stanno sfidando i fotocoupler nell'isolamento dati ad alta velocità (≥1 Mbps) grazie alla loro velocità, stabilità e longevità superiori.
• Miniaturizzazione: C'è una continua spinta verso package SMD più piccoli (es. SO-4, SO-5) con le stesse o migliori classificazioni di isolamento, guidata dalla necessità di densità PCB più elevate.
• Affidabilità Migliorata: Focus sul miglioramento del degrado del CTR a lungo termine, specialmente in condizioni di stress ad alta temperatura e alta corrente, per soddisfare le esigenze delle applicazioni automobilistiche e industriali con cicli di vita più lunghi.

Nonostante questi trend, il fotocoupler fotodarlington fondamentale, come esemplificato dalla serie EL815, mantiene una posizione forte sul mercato grazie alla sua semplicità, robustezza, elevata capacità di isolamento ed eccellenti prestazioni nel suo dominio di frequenza da bassa a moderata.