Scheda Tecnica Fotocoupler Serie EL354N-G - Package SOP 4 Pin - Ingresso AC - Isolamento 3750Vrms - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie EL354N-G rappresenta una famiglia di fotocoupler a fototransistor compatti e ad alte prestazioni, progettati specificamente per applicazioni con ingresso AC. Questi dispositivi sono concepiti per fornire un isolamento elettrico affidabile e la trasmissione del segnale in ambienti dove la polarità di ingresso può essere sconosciuta o alternata. Il cuore del dispositivo è costituito da due diodi emettitori a infrarossi connessi in antiparallelo, accoppiati otticamente a un rivelatore a fototransistor al silicio. Questa configurazione unica consente al dispositivo di rispondere al flusso di corrente in entrambe le direzioni attraverso i LED di ingresso, rendendolo intrinsecamente adatto per applicazioni di monitoraggio e rilevamento di segnali AC dove la polarità DC non è fissa.

Confezionati in un package SOP (Small Outline Package) a 4 pin che risparmia spazio, questi fotocoupler sono ideali per i moderni progetti di circuiti stampati (PCB) ad alta densità. Una filosofia di progettazione chiave di questa serie è la conformità agli standard ambientali e di sicurezza globali. I dispositivi sono alogeni free, aderendo a limiti rigorosi per il bromo (Br<900 ppm), il cloro (Cl<900 ppm) e la loro somma totale (Br+Cl<1500 ppm). Inoltre, mantengono la conformità alle direttive RoHS (Restrizione delle Sostanze Pericolose) e al regolamento UE REACH, garantendo di soddisfare i requisiti ambientali contemporanei per i componenti elettronici.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Il vantaggio principale della serie EL354N-G risiede nella combinazione di capacità di ingresso AC, alto isolamento e fattore di forma compatto. L'alta tensione di isolamento di 3750 V_rmstra ingresso e uscita fornisce una barriera di sicurezza robusta, proteggendo i sensibili circuiti di controllo a bassa tensione dalle linee di rete ad alta tensione o dai disturbi delle linee industriali. Ciò li rende indispensabili nelle applicazioni che richiedono isolamento galvanico.

I mercati di riferimento per questo componente sono diversificati, spaziando dall'automazione industriale, alle telecomunicazioni, alla gestione dell'alimentazione. Le principali aree di applicazione includono il monitoraggio della linea AC negli alimentatori e negli elettrodomestici, fornendo isolamento di ingresso nei controllori logici programmabili (PLC), l'interfacciamento nei circuiti di linea telefonica e l'impiego come sensori per segnali DC di polarità sconosciuta. Le approvazioni del dispositivo da parte delle principali agenzie di sicurezza internazionali—tra cui UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC—facilitano il suo utilizzo in prodotti finali destinati ai mercati globali, semplificando il processo di certificazione per i produttori di apparecchiature.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Una comprensione approfondita dei limiti e delle caratteristiche di prestazione del dispositivo è cruciale per una progettazione del circuito affidabile. I parametri definiscono l'area operativa e garantiscono che il componente venga utilizzato all'interno della sua area di funzionamento sicura (SOA).

2.1 Valori Massimi Assoluti

I Valori Massimi Assoluti specificano i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Questi non sono condizioni operative.

• Corrente Diretta di Ingresso (I_F): ±50 mA (DC). Questo valore si applica alla corrente in entrambe le direzioni attraverso i diodi di ingresso.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP): 1 A per un impulso di 1 µs. Ciò consente al dispositivo di resistere a brevi sovracorrenti.
• Dissipazione di Potenza: La dissipazione di potenza totale del dispositivo (P_TOT) non deve superare 200 mW. Il lato di ingresso (P_D) è classificato per 70 mW con un fattore di derating di 3.7 mW/°C al di sopra dei 90°C di temperatura ambiente (T_a). Il lato di uscita (P_C) è classificato per 150 mW, con derating al di sopra dei 70°C T_a.
• Tensioni Nominali: La tensione collettore-emettitore (V_CEO) è di 80 V, mentre la tensione emettitore-collettore (V_ECO) è di 6 V. L'asimmetria è dovuta alla struttura del fototransistor.
• Tensione di Isolamento (V_ISO): 3750 V_rmsper 1 minuto al 40-60% di umidità relativa. Questo è un parametro di sicurezza critico.
• Intervallo di Temperatura: La temperatura di funzionamento (T_OPR) va da -55°C a +100°C. La temperatura di conservazione (T_STG) va da -55°C a +125°C.
• Temperatura di Saldatura: Il dispositivo può sopportare una temperatura di picco di saldatura (T_SOL) di 260°C per 10 secondi, compatibile con i processi di rifusione senza piombo.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

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

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso

• Tensione Diretta (V_F): Tipicamente 1.2 V, con un massimo di 1.4 V a una corrente diretta (I_F) di ±20 mA. Questa bassa caduta di tensione è vantaggiosa per circuiti a basso consumo.
• Capacità di Ingresso (C_in): Varia da 50 pF (tipico) a 250 pF (max) a 1 kHz. Questo parametro influenza la risposta in alta frequenza e il potenziale rumore di accoppiamento.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita

• Corrente di Buio (I_CEO): La corrente di dispersione da collettore a emettitore quando il LED di ingresso è spento (I_F=0) e V_CE=20V è al massimo di 100 nA. Una bassa corrente di buio è essenziale per un buon rapporto segnale/rumore in condizioni di stato spento.
• Tensioni di Breakdown: BV_CEOè un minimo di 80 V, e BV_ECOè un minimo di 7 V. Queste definiscono le massime tensioni inverse sostenibili.

2.2.3 Caratteristiche di Trasferimento

Questi parametri descrivono l'efficienza e la velocità di accoppiamento tra ingresso e uscita.

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR): Questo è il rapporto tra la corrente di collettore in uscita (I_C) e la corrente diretta di ingresso (I_F), espresso in percentuale. È il parametro chiave per il guadagno. Lo standard EL354N ha un intervallo CTR dal 20% al 300% a I_F= ±1mA, V_CE= 5V. La variante EL354NA offre una selezione più stretta e più alta con un intervallo CTR dal 50% al 150% nelle stesse condizioni. Questa classificazione consente ai progettisti di selezionare dispositivi per un guadagno più consistente in produzione.
• Tensione di Saturazione (V_CE(sat)): Tipicamente 0.1 V, massimo 0.2 V quando I_F=±20mA e I_C=1mA. Una bassa tensione di saturazione minimizza la perdita di potenza quando il transistor di uscita è completamente acceso.
• Resistenza di Isolamento (R_IO): Minimo 5×10¹⁰Ω, tipico 10¹¹Ω a 500 V DC. Questa resistenza estremamente alta è fondamentale per la funzione di isolamento.
• Frequenza di Taglio (f_c): Tipicamente 80 kHz (-3dB) in condizioni di test specificate. Definisce la massima frequenza utile del segnale.
• Capacità Flottante (C_IO): Tipicamente 0.6 pF, massimo 1.0 pF a 1 MHz. Questa è la capacità parassita attraverso la barriera di isolamento, che può accoppiare rumore ad alta frequenza.
• Velocità di Commutazione: Sia il tempo di salita (t_r) che il tempo di discesa (t_f) sono specificati come un massimo di 18 µs. Questa velocità relativamente moderata è adatta per il monitoraggio della frequenza di linea (50/60 Hz) e molti segnali di controllo industriale, ma non per la comunicazione digitale ad alta velocità.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

Sebbene la scheda tecnica faccia riferimento a tipiche curve delle caratteristiche elettro-ottiche, i loro grafici specifici (ad es., CTR vs. Temperatura, CTR vs. Corrente Diretta) sono essenziali per una progettazione dettagliata. Queste curve mostrano tipicamente che il CTR diminuisce con l'aumentare della temperatura ambiente e può avere una relazione non lineare con la corrente diretta. I progettisti devono consultare questi grafici per derating appropriato delle prestazioni per il loro specifico ambiente operativo, garantendo che il circuito mantenga un guadagno sufficiente nell'intervallo di temperatura previsto. La relazione tra corrente di uscita e corrente diretta è anche critica per determinare la corrente di pilotaggio richiesta per ottenere uno stato di uscita desiderato, specialmente quando si opera vicino ai limiti della specifica CTR.

4. Informazioni Meccaniche, Package e Assemblaggio

4.1 Dimensioni del Package e Polarità

Il dispositivo è alloggiato in un package SOP a 4 pin. La configurazione dei pin è la seguente: Pin 1 è Anodo/Catodo, Pin 2 è Catodo/Anodo (per la coppia di LED in antiparallelo), Pin 3 è l'Emettitore del fototransistor e Pin 4 è il Collettore. Questo pinout è cruciale per un corretto layout del PCB. Il disegno del package fornisce dimensioni meccaniche precise, inclusa lunghezza, larghezza, altezza del corpo, passo dei terminali e dimensioni dei terminali, che devono essere rispettate per un accurato design dell'impronta sul PCB.

4.2 Layout Consigliato dei Pad PCB

Viene fornito un layout suggerito per i pad a montaggio superficiale. Si sottolinea che si tratta di un progetto di riferimento e dovrebbe essere modificato in base ai singoli processi produttivi, al materiale del PCB e ai requisiti termici. L'obiettivo del design dei pad è garantire la formazione affidabile dei giunti di saldatura durante la rifusione, gestendo al contempo lo stress termico sul componente.

4.3 Linee Guida per Saldatura e Rifusione

Sono specificate condizioni dettagliate per la saldatura a rifusione, con riferimento a IPC/JEDEC J-STD-020D. Il profilo è critico per l'assemblaggio senza piombo:

• Preriscaldamento: da 150°C a 200°C in 60-120 secondi.
• Rampa di Salita: Massimo 3°C/secondo da 200°C al picco.
• Tempo Sopra Liquido (217°C): 60-100 secondi.
• Temperatura di Picco: Massimo 260°C.
• Tempo entro 5°C dal Picco: Massimo 30 secondi.
• Velocità di Raffreddamento: Massimo 6°C/secondo.
• Tempo Totale del Ciclo: da 25°C al picco in massimo 8 minuti.
• Passate di Rifusione: Il dispositivo può sopportare un massimo di 3 cicli di rifusione.

Rispettare questo profilo previene danni termici al package plastico e ai fili di collegamento interni.

5. Ordinazione, Confezionamento e Marcatura

5.1 Sistema di Numerazione e Classificazione

Il numero di parte segue la struttura: EL354N(X)(Y)-VG.

• X: Opzione Classe CTR. 'A' denota la classe 50-150% (EL354NA). Nessuna lettera denota la classe standard 20-300% (EL354N).
• Y: Opzione Nastro e Bobina. 'TA' o 'TB' specifica il tipo di bobina e l'orientamento. L'omissione indica il confezionamento in tubo (100 unità).
• V: Suffisso opzionale che indica l'approvazione VDE inclusa.
• G: Denota la costruzione alogeni free.

Le opzioni di confezionamento includono tubi (100 unità) o nastro-e-bobina (3000 unità per bobina per entrambe le opzioni TA e TB). Le opzioni 'TA' e 'TB' differiscono nell'orientamento dei componenti sul nastro portante, che deve corrispondere ai requisiti dell'alimentatore della macchina pick-and-place.

5.2 Marcatura del Dispositivo

I dispositivi sono marcati sulla superficie superiore con un codice:EL 354N RYWWV.

• EL: Codice del produttore.
• 354N: Numero base del dispositivo.
• R: Classe CTR (es., 'A' o vuoto).
• Y: Codice anno a 1 cifra.
• WW: Codice settimana a 2 cifre.
• V: La presenza indica approvazione VDE (opzionale).

5.3 Specifiche del Nastro e Bobina

Vengono fornite le dimensioni dettagliate del nastro portante goffrato, incluse le dimensioni delle tasche (A, B, D0, D1), la larghezza del nastro (W), il passo (P0) e le dimensioni di sigillatura del nastro di copertura. Queste sono necessarie per impostare correttamente le apparecchiature di assemblaggio automatizzato.

6. Linee Guida Applicative e Considerazioni di Progettazione

6.1 Circuiti Applicativi Tipici

L'applicazione principale è il rilevamento della tensione di linea AC o il rilevamento dello zero crossing. Un circuito tipico prevede il collegamento dei pin di ingresso (1 & 2) in serie con una resistenza limitatrice di corrente attraverso la linea AC. Il valore della resistenza deve essere calcolato per limitare la corrente diretta di picco (I_F) a un valore sicuro inferiore a 50 mA, considerando la tensione AC di picco. Il transistor di uscita può essere collegato in configurazione emettitore comune (Emettitore a massa, Collettore collegato tramite una resistenza di carico a un'alimentazione logica) per fornire un segnale digitale che commuta con il ciclo AC. Per il rilevamento DC a polarità sconosciuta, il dispositivo può essere posizionato direttamente nella linea di rilevamento, poiché condurrà indipendentemente dalla direzione della corrente.

6.2 Fattori Critici di Progettazione

• Limitazione di Corrente: L'aspetto più critico della progettazione del circuito di ingresso. La resistenza deve limitare la corrente nelle condizioni peggiori (massima tensione di linea, tolleranza minima della resistenza).
• Degradazione del CTR: Il CTR può degradarsi nel tempo, specialmente ad alte temperature e correnti operative. La progettazione dovrebbe incorporare un margine (ad es., utilizzare il CTR minimo dalla scheda tecnica e poi applicare un ulteriore fattore di derating per la durata).
• Immunità al Rumore: La capacità parassita (C_IO) può accoppiare transitori ad alta frequenza (come ESD o EMI) attraverso la barriera di isolamento. In ambienti rumorosi, può essere necessario un filtraggio aggiuntivo sul lato di uscita o l'uso di un filtro digitale più veloce nel microcontrollore.
• Limitazione della Velocità di Commutazione: Il tempo di salita/discesa di 18 µs limita il dispositivo ad applicazioni a bassa frequenza. Non è adatto per isolare linee di dati digitali ad alta velocità.
• Dissipazione del CaloreAssicurarsi che la dissipazione di potenza totale (perdita LED ingresso + perdita transistor uscita) non superi i 200 mW, considerando il derating con la temperatura.

7. Confronto Tecnico e Differenziazione

Il differenziatore chiave dell'EL354N-G è il suo ingresso a LED in antiparallelo integrato, che elimina la necessità di ponti raddrizzatori esterni o circuiti complessi per gestire segnali AC o DC a polarità sconosciuta. Rispetto ai fotocoupler standard a ingresso DC, questo semplifica la lista dei materiali (BOM) e risparmia spazio sulla scheda. All'interno del segmento dei fotocoupler a ingresso AC, la sua combinazione di isolamento 3750Vrms, materiali alogeni free e ampie approvazioni di sicurezza internazionali (UL, VDE, ecc.) in un compatto package SOP rappresenta una forte proposta di valore per applicazioni globali sensibili ai costi ma critiche per la sicurezza. La disponibilità di una classe CTR più stretta (EL354NA) offre un vantaggio per i progetti che richiedono un guadagno più consistente senza selezione manuale o calibrazione.

8. Domande Frequenti (FAQ)

D: Posso usare questo dispositivo per rilevare direttamente la rete a 120VAC o 230VAC?

R: Sì, ma devi usare una resistenza limitatrice di corrente esterna in serie. Calcola il suo valore in base alla tensione di picco della rete (es., 230VAC RMS ha un picco di ~325V) e alla corrente LED desiderata, assicurandoti che la corrente di picco rimanga ben al di sotto del Valore Massimo Assoluto di 50 mA.

D: Qual è la differenza tra EL354N e EL354NA?

R: La differenza sta nella classificazione del Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR). L'EL354N ha un intervallo più ampio (20-300%), mentre l'EL354NA ha un intervallo più stretto e con minimo più alto (50-150%). Usa la versione 'NA' per applicazioni che richiedono un guadagno più consistente da unità a unità.

D: L'uscita è un fototransistor. Posso usarlo per pilotare direttamente un relè?

R: Non è raccomandato. La capacità di corrente del fototransistor è limitata (legata alla sua potenza nominale di dissipazione). È progettato come dispositivo a livello di segnale. Per pilotare un relè, usa l'uscita del fotocoupler per pilotare un transistor di potenza più grande o il gate di un MOSFET.

D: Come posso garantire un isolamento affidabile nel mio progetto?

R: Mantieni distanze di isolamento superficiali e in aria adeguate sul PCB tra i circuiti di ingresso e uscita secondo lo standard di sicurezza rilevante (es., IEC 60950-1, IEC 62368-1). La classificazione 3750Vrms del componente stesso deve essere supportata da uno spazio adeguato sulla scheda.

9. Principio Operativo

Il dispositivo opera sul principio della conversione optoelettronica e dell'isolamento. Quando una corrente scorre attraverso uno dei due LED a infrarossi di ingresso (a seconda della polarità), esso emette luce. Questa luce attraversa una barriera di isolamento trasparente (tipicamente plastica stampata) e colpisce la regione di base del fototransistor al silicio sul lato di uscita. I fotoni generano coppie elettrone-lacuna nella base, agendo efficacemente come una corrente di base, che accende il transistor, permettendo il flusso di una corrente di collettore molto più grande. Il punto chiave è che l'unica connessione tra ingresso e uscita è ottica, fornendo l'isolamento galvanico. La configurazione a LED in antiparallelo significa che la corrente che entra nel Pin 1 (Anodo) ed esce dal Pin 2 (Catodo) accende un LED, mentre la corrente nella direzione opposta accende l'altro LED, garantendo il funzionamento con AC o DC bidirezionale.

10. Tendenze del Settore

La tendenza nei fotocoupler e nella tecnologia di isolamento è verso una maggiore integrazione, velocità più elevate e un minor consumo energetico. Mentre gli accoppiatori tradizionali basati su fototransistor come l'EL354N-G rimangono vitali per un isolamento economico e a media velocità nei controlli di potenza e industriali, stanno emergendo nuove tecnologie. Queste includono isolatori digitali basati su tecnologia CMOS e accoppiamento RF, che offrono velocità di dati significativamente più elevate, minore potenza e maggiore affidabilità. Tuttavia, per il rilevamento di base della linea AC e il monitoraggio della tensione, dove semplicità, alta tensione di isolamento e robustezza collaudata sono fondamentali, gli accoppiatori AC a fototransistor continuano a essere una soluzione preferita e affidabile. La mossa verso materiali alogeni free e una maggiore conformità ambientale, come si vede nella serie '-G', è una risposta diretta alle tendenze normative globali.