Scheda Tecnica Serie EL121N Fotocoupler - Package SOP 4 Pin - Profilo 2.0mm - Isolamento 3750Vrms - CTR 50-400% - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie EL121N rappresenta una famiglia di componenti optoelettronici a infrarossi progettati per l'isolamento e la trasmissione di segnali. Il suo cuore è costituito da un diodo a emissione di luce infrarossa (IRED) in arseniuro di gallio accoppiato otticamente a un fototransistor NPN al silicio, il tutto racchiuso in un compatto package a montaggio superficiale SOP (Small Outline Package) a 4 pin. La funzione principale è trasferire segnali elettrici tra due circuiti mantenendo un elevato isolamento elettrico, impedendo così la propagazione di rumore, loop di massa e picchi di tensione da un lato all'altro.

Il dispositivo è progettato per applicazioni che richiedono un isolamento affidabile in spazi ristretti. Il suo profilo basso di 2.0mm lo rende adatto ai moderni progetti di schede a circuito stampato (PCB) ad alta densità. Una filosofia di progettazione chiave di questa serie è la conformità agli standard ambientali e di sicurezza globali, inclusi l'essere privo di alogeni, privo di piombo (Pb-free) e conforme alle direttive RoHS e REACH dell'UE. Inoltre, vanta importanti approvazioni di sicurezza internazionali, tra cui UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO e FIMKO, il che ne sottolinea l'affidabilità e l'idoneità per l'uso in apparecchiature commerciali e industriali in tutto il mondo.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non è garantito il funzionamento a questi limiti o oltre.

• Ingresso (Lato LED):La corrente diretta (I_F) è nominale a 50mA in continua. È ammesso un breve picco di corrente diretta (I_FP) di 1A per 1 microsecondo, rilevante per il funzionamento in impulsi. La tensione inversa massima (V_R) è di 6V, sottolineando la necessità di una protezione di polarità adeguata.
• Uscita (Lato Transistor):La corrente di collettore (I_C) è nominale a 50mA. La tensione collettore-emettitore (V_CEO) è di 80V, mentre la tensione emettitore-collettore (V_ECO) è di soli 7V, evidenziando la natura asimmetrica delle caratteristiche di breakdown del fototransistor.
• Potenza e Termica:La dissipazione di potenza totale del dispositivo (P_TOT) è di 200mW. Sono forniti fattori di derating separati: 2.9 mW/°C per l'ingresso (LED) sopra i 100°C ambientali e 3.7 mW/°C per l'uscita (transistor) sopra i 70°C ambientali. Questo è fondamentale per la gestione termica in ambienti ad alta temperatura.
• Isolamento e Ambiente:La tensione di isolamento (V_ISO) è di 3750 V_rmsper 1 minuto, testata con i pin 1-2 cortocircuitati insieme e i pin 3-4 cortocircuitati insieme. L'intervallo di temperatura operativa è da -55°C a +110°C, e lo stoccaggio arriva fino a -55°C a +125°C.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

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

• Caratteristiche di Ingresso:La tensione diretta (V_F) è tipicamente 1.2V a una corrente di test di 20mA, con un massimo di 1.4V. Questa bassa tensione è vantaggiosa per circuiti di interfaccia logica a bassa potenza. La corrente di dispersione inversa (I_R) è al massimo di 10µA a 4V.
• Caratteristiche di Uscita:La corrente di buio collettore-emettitore (I_CEO), ovvero la corrente di dispersione con il LED spento, è al massimo di 100nA a V_CE=20V. Le tensioni di breakdown (BV_CEO=80V,BV_ECO=7V) confermano i valori nominali.
• Caratteristiche di Trasferimento:Questo è il cuore della specifica del dispositivo.
  • Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR):Questo è il rapporto tra la corrente di collettore in uscita e la corrente diretta del LED in ingresso, espresso in percentuale. La serie EL121N offre unsistema di classificazione/binning:
    • EL121N (Standard):Intervallo CTR dal 50% al 400% a I_F=5mA, V_CE=5V.
    • EL121N B:Un bin più stretto dal 130% al 260%.
    • EL121N C:Un bin ad alte prestazioni dal 200% al 400%.
    • EL121N BC:Un bin ampio che copre dal 130% al 400%.
    Questa classificazione consente ai progettisti di selezionare i componenti in base al guadagno e alla consistenza richiesti, ottimizzando le prestazioni e il costo del circuito.
  • Tensione di Saturazione (V_CE(sat)):Tipicamente 0.1V (max 0.2V) quando pilotato con I_F=20mA e caricato con I_C=1mA. Questo valore basso è eccellente per applicazioni di commutazione digitale, minimizzando la perdita di tensione.
  • Resistenza di Isolamento (R_IO):Minimo 5 x 10¹⁰Ω, indicando una resistenza di isolamento in CC estremamente elevata.
  • Velocità di Commutazione:Il tempo di salita (t_r) è tipicamente 6µs (max 18µs) e il tempo di discesa (t_f) è tipicamente 8µs (max 18µs) nelle condizioni di test specificate (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Questo definisce la capacità del dispositivo per la trasmissione di segnali digitali a media velocità.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a tipiche curve caratteristiche elettro-ottiche. Sebbene i grafici specifici non siano riprodotti nel testo, includono tipicamente le seguenti relazioni, cruciali per la progettazione:

• CTR vs. Corrente Diretta (I_F):Il CTR non è costante; generalmente diminuisce all'aumentare di I_F. I progettisti devono consultare questa curva per scegliere un punto di lavoro che fornisca il guadagno desiderato senza sovraccaricare il LED.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_a):Il CTR dei fotocoupler ha un coefficiente di temperatura negativo; diminuisce all'aumentare della temperatura. Questa curva è vitale per garantire la stabilità del circuito nell'intervallo di temperatura operativa previsto.
• Corrente di Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore (I_C-V_CE):Queste curve caratteristiche di uscita mostrano il fototransistor operante nelle sue regioni lineare (attiva) e di saturazione, simile a un transistor bipolare standard, ma con I_Fcome parametro di controllo invece della corrente di base.
• Tensione Diretta vs. Corrente Diretta (V_F-I_F):Questa caratteristica del LED è importante per progettare il circuito di pilotaggio limitatore di corrente.

La Figura 10 nella scheda tecnica fornisce il circuito di test standard e le definizioni delle forme d'onda per misurare i tempi di commutazione (t_on, t_off, t_r, t_f), utilizzando un carico resistivo (R_L) e un impulso di ingresso definito.

4. Informazioni Meccaniche, Package e Montaggio

4.1 Configurazione Pin e Dimensioni del Package

The 4-pin SOP package has a clear pinout:

1. Anodo (A) del LED a infrarossi
2. Catodo (K) del LED a infrarossi
3. Emettitore (E) del fototransistor
4. Collettore (C) del fototransistor

Il disegno del package fornisce dimensioni precise, tra cui dimensioni del corpo, spaziatura dei terminali e altezza complessiva, confermando il profilo di 2.0mm. Viene fornito anche un land pattern PCB (layout dei pad) consigliato per garantire una saldatura affidabile e stabilità meccanica durante il montaggio superficiale.

4.2 Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il dispositivo è classificato per una temperatura massima di saldatura (T_SOL) di 260°C per 10 secondi. Inoltre, viene fornito un profilo di saldatura a rifusione dettagliato, conforme a IPC/JEDEC J-STD-020D. I parametri chiave di questo profilo includono:

• Preriscaldamento:Da 150°C a 200°C in 60-120 secondi.
• Tempo Sopra Liquido (217°C):60-100 secondi.
• Temperatura di Picco:Massimo 260°C.
• Tempo entro 5°C dal Picco:Massimo 30 secondi.
• Numero Massimo di Rifusioni:3 volte.

Rispettare questo profilo è essenziale per prevenire crepe del package, delaminazione o danni al die interno e ai bonding wire.

5. Codici d'Ordine, Confezionamento e Marcatura

5.1 Sistema di Numerazione dei Parti

Il numero di parte segue il formato:EL121N(X)(Y)-V

• EL121N:Numero base del dispositivo.
• X:Grado CTR (B, C, BC, o vuoto per il grado standard).
• Y:Opzione Nastro e Bobina (TA o TB, differiscono nella direzione di alimentazione).
• -V:Suffisso opzionale che indica l'inclusione dell'approvazione VDE.

Esempi: EL121NBC-TA, EL121NC-TB-V.

5.2 Specifiche di Confezionamento

I dispositivi sono forniti su nastro e bobina per il montaggio automatizzato. Le dimensioni del nastro (larghezza, dimensione tasca, passo) e le specifiche della bobina sono fornite in dettaglio. Entrambe le opzioni TA e TB contengono 3000 unità per bobina.

5.3 Marcatura del Dispositivo

Ogni dispositivo è marcato sulla parte superiore con un codice laser o a inchiostro:EL 121N RYWWV

• EL:Codice del produttore.
• 121N:Numero del dispositivo.
• R:Codice del grado CTR (es. B o C).
• Y:Codice anno a 1 cifra.
• WW:Codice settimana a 2 cifre.
• V:Presenza del marchio di approvazione VDE.

Questa marcatura consente la tracciabilità e la verifica del tipo di dispositivo.

6. Note Applicative e Considerazioni di Progettazione

6.1 Applicazioni Tipiche

La serie EL121N è adatta a un'ampia gamma di esigenze di isolamento e interfaccia:

• Alimentatori a Commutazione (SMPS):Fornire isolamento del feedback nei convertitori DC-DC, cruciale per regolare la tensione di uscita mantenendo l'isolamento di sicurezza dal lato primario.
• Sistemi di Controllo Industriale:Interfaccia tra controllori logici a bassa tensione (PLC) e attuatori o sensori industriali a tensione/corrente più elevata, prevenendo il rumore da loop di massa.
• Apparecchiature di Telecomunicazione:Isolare linee di segnale o fornire isolamento galvanico in interfacce di modem, router o schede di linea.
• Isolamento Generale di Circuito:Qualsiasi applicazione che richieda il trasferimento di segnale tra circuiti con potenziali di massa o impedenze diverse.

6.2 Considerazioni Critiche di Progettazione

• Degradazione del CTR:Il CTR dei fotocoupler può degradarsi nel tempo, specialmente se operato ad alte correnti del LED e alte temperature. Derating della corrente del LED e la scelta di un componente con CTR iniziale ben al di sopra del minimo richiesto fornisce un margine di longevità.
• Compromesso Velocità vs. Corrente:La velocità di commutazione migliora con una corrente di pilotaggio del LED più alta, ma al costo di un maggiore consumo di potenza e potenziale invecchiamento accelerato. La condizione di test (I_F=10mA tip.) fornisce una baseline; per velocità maggiori, potrebbe essere necessaria una I_Fpiù alta.
• Selezione della Resistenza di Carico:Il valore della resistenza di carico (R_Lsul collettore) influisce sia sulla velocità di commutazione che sull'escursione della tensione di uscita. Una R_Lpiù piccola migliora la velocità ma riduce il guadagno e l'intervallo della tensione di uscita.
• Immunità al Rumore:Per applicazioni digitali, è fondamentale garantire un sufficiente "margine di rumore" progettando il circuito ricevitore in modo da distinguere chiaramente tra gli stati acceso e spento del fototransistor.
• Distanze di Isolamento (Creepage e Clearance):Quando si progetta il layout del PCB, mantenere le distanze di creepage e clearance specificate (implicate dalla classificazione di 3750V_rms) tra le tracce del lato di ingresso e di uscita per preservare l'integrità dell'isolamento.

7. Confronto e Posizionamento Tecnico

Nel mercato dei fotocoupler a uscita fototransistor, la serie EL121N si posiziona attraverso diversi attributi chiave:

• Package:Il SOP a 4 pin offre un ingombro più compatto rispetto ai vecchi package DIP a 4 pin, essendo allo stesso tempo più facile da maneggiare e saldare rispetto ai package ultra-miniaturizzati a 4 pin, trovando un equilibrio tra dimensioni e producibilità.
• Classificazione CTR (Binning):Offrire più gradi CTR chiaramente definiti (B, C, BC) fornisce una flessibilità non sempre disponibile nei componenti generici, consentendo una progettazione ottimizzata.
• Certificazioni Complete:L'accumulo delle approvazioni UL, cUL, VDE e nordiche SEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO in un singolo componente semplifica il processo di selezione dei componenti per prodotti destinati a mercati globali con severi requisiti di sicurezza.
• Bilanciamento delle Prestazioni:Con un CTR fino al 400%, una tensione di saturazione inferiore a 0.2V e tempi di commutazione nell'intervallo dei microsecondi, offre prestazioni ben bilanciate adatte a un ampio spettro di compiti di isolamento analogico e digitale, da semplici segnali on/off al feedback PWM.

8. Domande Frequenti (FAQ)

8.1 Qual è la differenza tra le opzioni di nastro TA e TB?

La differenza principale è ladirezione di alimentazionedalla bobina. TA e TB hanno le tasche dei componenti orientate diversamente sul nastro portante. Il progettista deve specificare l'opzione corretta in base all'orientamento richiesto dal sistema di alimentazione della specifica macchina pick-and-place. Entrambe contengono 3000 unità.

8.2 Come scelgo tra i gradi CTR B, C e BC?

Seleziona in base al requisito di guadagno e alle esigenze di consistenza del tuo circuito.

• Usa ilGrado C (200-400%)per applicazioni che richiedono alta sensibilità o dove il circuito di pilotaggio può fornire solo una bassa corrente al LED.
• Usa ilGrado B (130-260%)per applicazioni in cui è necessario un guadagno moderato e strettamente controllato per prestazioni prevedibili su tutte le unità.
• Usa ilGrado Standard (50-400%)oGrado BC (130-400%)per applicazioni sensibili al costo in cui il progetto del circuito può tollerare una variazione più ampia del CTR, spesso utilizzando feedback o livelli di segnale meno critici.

8.3 Questo dispositivo può essere utilizzato per l'isolamento di segnali analogici?

Sì, ma con importanti avvertenze. La non linearità del fototransistor, la dipendenza del CTR dalla temperatura e la variazione intrinseca da dispositivo a dispositivo lo rendono meno ideale per l'isolamento analogico ad alta precisione rispetto a fotocoupler lineari dedicati (che contengono un fotodiodo e un amplificatore operazionale). Per segnali analogici di precisione inferiore o in circuiti che impiegano linearizzazione esterna e compensazione termica, può essere utilizzato efficacemente.

8.4 Qual è lo scopo del test di tensione di isolamento (pin 1-2 cortocircuitati a 3-4)?

Questo test verifica l'integrità della barriera di isolamento interna tra le sezioni di ingresso (LED) e uscita (fototransistor) del package. Cortocircuitare i pin su ciascun lato assicura che la tensione di test sia applicata attraverso l'intero confine di isolamento, controllando eventuali percorsi di breakdown attraverso il composto di stampaggio o lungo il lead frame.