Scheda Tecnica Fotocoupler EL2514-G - Package DIP 4 Pin - Isolamento 5000Vrms - CTR 50-200% - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie EL2514-G rappresenta una famiglia di fotocoupler a fototransistor ad alte prestazioni in package DIP (Dual In-line Package) a 4 pin. Questi dispositivi sono progettati per fornire un isolamento elettrico affidabile e la trasmissione del segnale tra due circuiti. Il componente principale è un diodo emettitore a infrarossi accoppiato otticamente a un rivelatore a fototransistor al silicio. Una caratteristica chiave del design dell'EL2514-G è la sua ottimizzazione per velocità di commutazione relativamente elevate, raggiungibili anche con resistenze di carico nell'ordine dei kiloohm. Ciò lo rende adatto per applicazioni che richiedono sia isolamento che una larghezza di banda moderata.

La serie è caratterizzata dalla conformità a rigorosi standard ambientali e di sicurezza. È prodotto come prodotto senza alogeni, rispettando limiti specifici per il contenuto di bromo (Br) e cloro (Cl). Inoltre, possiede approvazioni da importanti agenzie di sicurezza internazionali tra cui UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, garantendo la sua idoneità per i mercati globali e le applicazioni regolamentate.

2. Approfondimento dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo è progettato per operare in modo affidabile entro limiti specificati. Superare questi Valori Massimi Assoluti può causare danni permanenti. I valori chiave includono: una corrente diretta continua (I_F) di 50 mA per il LED di ingresso, una corrente diretta di picco (I_FP) di 0.5 A per un impulso di 1µs, e una tensione inversa (V_R) di 6 V. Sul lato di uscita, la corrente di collettore (I_C) è nominale a 20 mA, con una tensione collettore-emettitore (V_CEO) di 40 V. La dissipazione di potenza totale (P_TOT) per il dispositivo è di 200 mW. Un parametro di sicurezza critico è la tensione di isolamento (V_ISO) di 5000 V_rms, testata per 1 minuto in condizioni specifiche di umidità (40-60% UR) con i pin di ingresso e uscita cortocircuitati separatamente. L'intervallo di temperatura di funzionamento è ampio, da -55°C a +110°C.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri definiscono le prestazioni del dispositivo in condizioni operative normali a 25°C.

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (Lato LED)

• Tensione Diretta (V_F):Tipicamente 1.2 V, con un massimo di 1.4 V quando pilotato a I_F= 20 mA. Questo è cruciale per progettare l'alimentazione del circuito di pilotaggio.
• Corrente Inversa (I_R):Massimo di 10 µA a V_R= 4V, indicando buone caratteristiche del diodo.
• Capacità di Ingresso (C_in):Varia da un tipico 30 pF a un massimo di 250 pF. Questa capacità può influenzare la capacità di pilotaggio ad alta frequenza.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita (Lato Fototransistor)

• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (I_CEO):Massimo di 100 nA a V_CE= 10V con il LED spento. Questa bassa corrente di dispersione è essenziale per ottenere un buono stato di \"off\".
• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (BV_CEO):Minimo di 40 V, misurata a I_C= 0.1 mA.
• Tensione di Breakdown Emettitore-Collettore (BV_ECO):Minimo di 0.45 V, che è relativamente bassa e indica l'asimmetria del fototransistor.

2.2.3 Caratteristiche di Trasferimento

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR):Questa è una metrica di prestazione fondamentale, definita come (I_C/ I_F) * 100%. Per l'EL2514-G, il CTR varia dal 50% al 200% nella condizione di test standard di I_F= 5 mA e V_CE= 5V. Questo ampio intervallo richiede una corretta progettazione del circuito per adattarsi alla variazione unità per unità.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(sat)):Massimo di 0.35 V a I_F= 5 mA e I_C= 0.4 mA. Una bassa tensione di saturazione è desiderabile per ottenere un forte livello logico basso in uscita.
• Resistenza di Isolamento (R_IO):Minimo di 5 x 10¹⁰Ω a 500 V_DC, garantendo un eccellente isolamento in DC.
• Capacità Flottante (C_IO):Tipicamente 0.6 pF, con un massimo di 1.0 pF. Questa bassa capacità contribuisce all'elevata immunità ai transienti di modo comune.
• Tempi di Commutazione:Sia il tempo di accensione (t_on) che il tempo di spegnimento (t_off) hanno una specifica massima di 25 µs nelle condizioni di test di V_CC= 5V, I_F= 5 mA, e R_L= 5 kΩ. Questo definisce la velocità del dispositivo per la trasmissione di segnali digitali.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a tipiche curve delle caratteristiche elettro-ottiche. Sebbene i grafici specifici non siano dettagliati nel testo fornito, tali curve tipicamente illustrano la relazione tra parametri chiave. I progettisti dovrebbero aspettarsi di vedere curve che descrivono:

• CTR vs. Corrente Diretta (I_F):Mostra come il rapporto di trasferimento di corrente cambia con diverse correnti di pilotaggio del LED.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_A):Illustra la dipendenza del CTR dalla temperatura, che tipicamente diminuisce all'aumentare della temperatura.
• Corrente di Collettore (I_C) vs. Tensione Collettore-Emettitore (V_CE):Famiglia di curve per diverse correnti del LED, che mostra le caratteristiche di uscita del fototransistor.
• Forme d'Onda di Commutazione:Viene fornito un circuito di test e le relative forme d'onda (Figura 7) per definire le condizioni per misurare t_one t_off. Questo tipicamente coinvolge un generatore di impulsi che pilota il LED e un oscilloscopio che monitora l'uscita del fototransistor attraverso la resistenza di carico.

Analizzare queste curve è essenziale per ottimizzare le prestazioni del circuito negli intervalli di temperatura e corrente operativi previsti.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Opzioni di Package e Dimensioni

L'EL2514-G è offerto in diverse varianti di package DIP a 4 pin per adattarsi a diversi processi di assemblaggio:

• DIP Standard:Il classico package through-hole.
• Opzione M:Presenta una \"piegatura ampia dei terminali\" che fornisce una spaziatura dei terminali di 0.4 pollici (circa 10.16mm), che può essere utile per layout PCB specifici o requisiti di creepage.
• Opzione S1:Una forma terminale per montaggio superficiale (SMD) a basso profilo. È offerta con due opzioni di nastro e bobina (TU, TD), con 1500 unità per bobina.
• Opzione S2:Un'altra forma terminale per montaggio superficiale, anch'essa a basso profilo, con opzioni di nastro e bobina che contengono 2000 unità per bobina.

Per ogni tipo di package sono forniti disegni dimensionati dettagliati, incluse misure critiche come dimensioni del corpo, lunghezza dei terminali, spaziatura dei terminali e altezza di distacco. La distanza di creepage tra il lato di ingresso e quello di uscita è specificata essere maggiore di 7.62 mm, contribuendo all'elevata classificazione di isolamento.

4.2 Configurazione Pin e Polarità

Il dispositivo utilizza uno standard pinout DIP a 4 pin:

1. Anodo (del LED di ingresso)
2. Catodo (del LED di ingresso)
3. Emettitore (del fototransistor di uscita)
4. Collettore (del fototransistor di uscita)

L'orientamento corretto è fondamentale. La marcatura del dispositivo include il codice \"EL2514GYWWV\", dove EL sta per il produttore, 2514 è il numero del dispositivo, G indica senza alogeni, Y è un codice a una cifra per l'anno, WW è un codice a due cifre per la settimana, e V indica l'approvazione VDE opzionale.

4.3 Layout Consigliato dei Pad PCB

Per le opzioni a montaggio superficiale (S1 e S2), la scheda tecnica fornisce layout di pad suggeriti. Questi sono progetti di riferimento destinati a garantire una saldatura affidabile e stabilità meccanica. La documentazione nota esplicitamente che queste dimensioni dovrebbero essere modificate in base ai processi e ai requisiti di produzione individuali, come il volume di pasta saldante e le considerazioni di rilievo termico.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

Il dispositivo è classificato per una temperatura di saldatura (T_SOL) di 260°C per un massimo di 10 secondi. Questo è coerente con i tipici profili di rifusione senza piombo. Per la saldatura a onda dei package through-hole, dovrebbero essere seguite le pratiche standard del settore, avendo cura di non superare la temperatura massima del corpo del package. L'intervallo di temperatura di conservazione è -55°C a +125°C. Si raccomanda di conservare i dispositivi in imballaggi sensibili all'umidità se destinati all'assemblaggio SMD e di seguire appropriate procedure di baking se il livello di esposizione all'umidità viene superato.

6. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

Il codice d'ordine segue lo schema: EL2514X(Y)-VG.

• X:Opzione forma terminale (S1, S2, M, o nessuna per DIP Standard).
• Y:Opzione nastro e bobina (TU, TD, o nessuna per imballaggio in tubo).
• V:Indica l'approvazione di sicurezza VDE (opzionale).
• G:Indica la costruzione senza alogeni.

Le quantità di imballaggio variano: 100 unità per tubo per le opzioni through-hole, e 1500 o 2000 unità per bobina per le opzioni SMD a nastro e bobina. Sono fornite specifiche dettagliate del nastro e della bobina, incluse le dimensioni della tasca (A0, B0), la larghezza del nastro (W), il passo (P0) e il diametro del mozzo della bobina, per la programmazione delle macchine pick-and-place automatiche.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Scenari Applicativi Tipici

L'EL2514-G è ben adatto per applicazioni che richiedono isolamento galvanico, immunità al rumore o traslazione di livello. Applicazioni specifiche menzionate includono:

• Controllori Logici Programmabili (PLC):Per isolare i moduli I/O digitali dall'unità di elaborazione centrale e dai dispositivi di campo.
• Apparecchiature di Sistema e Strumenti di Misura:Isolare segnali di sensori o linee di comunicazione in apparecchiature industriali.
• Contatori Elettronici di Energia:Fornire isolamento nei circuiti di misurazione per sicurezza e reiezione del rumore.
• Apparecchiature di Telecomunicazione:Isolamento del segnale nelle linee dati o negli anelli di retroazione dell'alimentazione.
• Alimentatori:Comunemente utilizzato negli anelli di retroazione degli alimentatori a commutazione (SMPS) per isolare il segnale di retroazione del secondario dal controller del primario, migliorando sicurezza e stabilità.

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Variazione del CTR:Progettare il circuito ricevitore (es. soglie del comparatore, valori della resistenza di pull-up) per funzionare in modo affidabile su tutto l'intervallo CTR 50-200%.
• Velocità vs. Carico:La velocità di commutazione è specificata con un carico di 5 kΩ. Utilizzare una resistenza di carico più piccola generalmente migliorerà la velocità di commutazione ma ridurrà l'escursione di uscita e aumenterà il consumo di potenza. Una resistenza più grande rallenta la risposta, in particolare il tempo di spegnimento, a causa del tempo di immagazzinamento del fototransistor.
• Limitazione della Corrente del LED:Utilizzare sempre una resistenza in serie per limitare la corrente diretta (I_F) all'intervallo operativo consigliato (tipicamente 5-7 mA) o al di sotto del massimo assoluto. Ciò garantisce affidabilità a lungo termine e CTR stabile.
• Immunità al Rumore:Sebbene i fotocoupler forniscano un'eccellente reiezione di modo comune, assicurare un corretto layout PCB mantenendo separate le tracce di ingresso e uscita e utilizzando condensatori di bypass vicino ai pin del dispositivo per sopprimere il rumore ad alta frequenza.

8. Confronto e Posizionamento Tecnico

L'EL2514-G si differenzia sul mercato attraverso una combinazione di attributi chiave. La sua alta tensione di isolamento (5000 Vrms) e la lunga distanza di creepage lo rendono un forte candidato per applicazioni con requisiti di sicurezza stringenti. La costruzione senza alogeni affronta le normative ambientali e le preferenze dei clienti per l'elettronica \"verde\". L'ampio portafoglio di approvazioni (UL, VDE, ecc.) riduce le barriere di qualificazione per i prodotti finali destinati ai mercati globali. Sebbene la sua velocità di commutazione (25 µs) sia adatta a molte applicazioni di isolamento digitale e retroazione degli alimentatori, non è posizionato come un accoppiatore ultra-veloce per la comunicazione dati; quelle applicazioni richiederebbero dispositivi con tempi di commutazione nell'intervallo dei nanosecondi. Pertanto, l'EL2514-G è meglio visto come un fotocoupler robusto e generico ottimizzato per affidabilità, conformità alla sicurezza e prestazioni moderate.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Cosa significa l'intervallo CTR 50-200% per il mio progetto di circuito?

R: Significa che la corrente di uscita può essere bassa quanto la metà della corrente di ingresso o alta il doppio. Il tuo circuito deve funzionare correttamente ad entrambi gli estremi. Per un'interfaccia digitale, questo influisce sulla scelta della resistenza di pull-up e sulla soglia di ingresso del gate o microcontrollore successivo.

D: Posso pilotare il LED direttamente con una sorgente di tensione?

R: No. Un LED è un dispositivo pilotato in corrente. Devi sempre utilizzare una resistenza limitatrice di corrente in serie con il LED per impostare la I_Fdesiderata e prevenire danni da sovracorrente, anche se la tua tensione di alimentazione corrisponde alla tipica V_F.

D: La tensione di isolamento è 5000 Vrms. Significa che posso applicare 5000V tra ingresso e uscita continuamente?

R: No. Questa è una tensione di tenuta testata per un minuto in condizioni controllate. La tensione di lavoro continua in un'applicazione dovrebbe essere significativamente più bassa, come definito dagli standard di sicurezza rilevanti per l'apparecchiatura finale.

D: Qual è la differenza tra le Opzioni S1 e S2?

R: La differenza principale è nell'impronta del package e nelle dimensioni del nastro. S2 è leggermente più grande in larghezza del corpo (dimensione B0) e utilizza un nastro più largo (24mm vs. 16mm per S1), consentendo più unità per bobina (2000 vs. 1500). La scelta dipende dai vincoli di spazio sul PCB e dalla compatibilità dell'alimentatore della linea di assemblaggio.

10. Caso Pratico di Progettazione

Scenario: Isolare un Segnale Digitale da un Microcontrollore a una Sezione ad Alta Tensione.

Un microcontrollore (logica 3.3V) deve inviare un segnale ON/OFF a un circuito che opera a un potenziale ad alta tensione diverso e rumoroso. Un EL2514-G può essere utilizzato per l'isolamento.



Passi di Progettazione:

1. Lato Ingresso:Collegare il pin GPIO del microcontrollore all'anodo del fotocoupler tramite una resistenza limitatrice di corrente (R_limit). Calcolare R_limit= (V_{CC_MCU}- V_F) / I_F. Per V_{CC_MCU}=3.3V, V_F~1.2V, e puntando a I_F=5mA, R_limit= (3.3-1.2)/0.005 = 420Ω. Utilizzare una resistenza standard da 470Ω. Collegare il catodo a massa.
2. Lato Uscita:Collegare il collettore a una resistenza di pull-up (R_L) sull'alimentazione isolata ad alta tensione (es. 12V). L'emettitore si collega alla massa isolata. Il valore di R_Linfluenza velocità e corrente. Utilizzando la condizione di test della scheda tecnica di 5kΩ si ottiene il tempo di commutazione specificato. Il segnale dal nodo del collettore può quindi pilotare un gate MOSFET o un altro ingresso logico sul lato isolato.
3. Layout:Separare fisicamente le sezioni di ingresso e uscita sul PCB. Mantenere la distanza di creepage >7.62 mm come per la capacità del package. Posizionare un piccolo condensatore di bypass (es. 0.1µF) tra l'alimentazione e la massa su entrambi i lati dell'accoppiatore, vicino ai pin del dispositivo.

Questa configurazione previene i loop di massa, blocca il rumore e protegge il microcontrollore dai transienti di tensione sul lato ad alta tensione.

11. Principio di Funzionamento

Un fotocoupler, o optocoupler, è un dispositivo che trasferisce un segnale elettrico tra due circuiti isolati utilizzando la luce. Nell'EL2514-G, una corrente elettrica applicata ai pin di ingresso (1 e 2) fa sì che il diodo emettitore di luce a infrarossi (LED) emetta fotoni. Questi fotoni viaggiano attraverso un gap isolante trasparente (tipicamente realizzato in composto di stampaggio) e colpiscono la regione di base del fototransistor al silicio sul lato di uscita (pin 3 e 4). La luce in arrivo genera coppie elettrone-lacuna nella base, agendo efficacemente come una corrente di base. Questa corrente di base fotogenerata viene quindi amplificata dal guadagno del transistor, risultando in una corrente di collettore (I_C) che è proporzionale alla corrente del LED di ingresso (I_F). Il rapporto I_C/I_Fè il Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR). L'aspetto chiave è che l'unica connessione tra ingresso e uscita è il fascio di luce, fornendo l'isolamento galvanico.

12. Tendenze Tecnologiche

Il mercato dei fotocoupler continua a evolversi. Le tendenze che influenzano dispositivi come l'EL2514-G includono:

• Integrazione Aumentata:Combinare più canali di isolamento o integrare funzioni aggiuntive come driver di gate o amplificatori di errore in un unico package.
• Velocità Maggiore:Sviluppo di accoppiatori che utilizzano rivelatori più veloci come fotodiodi con amplificatori integrati per supportare protocolli di comunicazione digitale (USB, CAN, RS-485) a velocità dati Mbps.
• Affidabilità e Durata Migliorate:Concentrarsi sul miglioramento della stabilità a lungo termine del CTR, che può degradare nel tempo a causa dell'invecchiamento del LED, specialmente ad alte temperature e correnti.
• Conformità Ambientale Più Stringente:Oltre a RoHS e senza alogeni, c'è una crescente attenzione a sostanze come i PFAS e metriche di sostenibilità più ampie nella catena di approvvigionamento.
• Tecnologie di Isolamento Alternative:Sebbene i fotocoupler rimangano dominanti per molte applicazioni, tecnologie come l'isolamento capacitivo (utilizzando barriere di SiO₂) e l'isolamento magnetico (utilizzando trasformatori) competono in aree che richiedono velocità molto elevate, basso consumo energetico o alta densità di integrazione. I fotocoupler mantengono vantaggi in semplicità, elevata immunità ai transienti di modo comune (CMTI) e certificazioni di sicurezza consolidate.

L'EL2514-G, con il suo focus su certificazioni di sicurezza, conformità ambientale e prestazioni robuste, affronta i bisogni duraturi dei mercati industriale, energetico e degli elettrodomestici, dove queste tendenze sono di fondamentale importanza.