Scheda Tecnica Fotocoupler EL3H7U-G - Package SSOP 4 Pin - Profilo 2.0mm - Isolamento 3750Vrms - CTR 100-560% - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie EL3H7U-G rappresenta una famiglia di fotocoupler (optoisolatori) a fototransistor compatti e montabili in superficie, progettati per un isolamento del segnale affidabile nei moderni circuiti elettronici. Questi dispositivi svolgono una funzione cruciale trasferendo segnali elettrici tra due circuiti isolati utilizzando la luce, impedendo così che alte tensioni o loop di massa in un circuito influenzino o danneggino l'altro.

La costruzione di base consiste in un diodo a emissione infrarossa (IRED) all'arseniuro di gallio accoppiato otticamente a un fototransistor al silicio NPN. Entrambi sono incapsulati in un composto verde senza alogeni e alloggiati in un package SSOP (Small Outline Package) a 4 pin con un profilo ridotto di 2,0 mm. Questo package è ideale per applicazioni con vincoli di spazio su circuiti stampati (PCB).

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

I vantaggi principali della serie EL3H7U-G includono l'elevata capacità di isolamento, il fattore di forma compatto e la conformità agli standard internazionali di sicurezza e ambientali. Con una tensione di isolamento (Viso) di 3750 Vrms, fornisce una protezione robusta per circuiti sensibili. La composizione del materiale senza alogeni è allineata con normative ambientali come RoHS e REACH. Il dispositivo è approvato dalle principali agenzie di sicurezza internazionali tra cui UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, rendendolo adatto ai mercati globali che richiedono componenti certificati.

Le applicazioni target sono varie, focalizzate su aree dove l'isolamento elettrico e l'immunità al rumore sono fondamentali. I mercati chiave includono alimentatori a commutazione (SMPS), in particolare convertitori DC-DC, controllori logici programmabili (PLC) industriali, apparecchiature di telecomunicazione e trasmissione di segnale generica tra circuiti con potenziali di massa o livelli di impedenza diversi.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Comprendere i valori massimi assoluti e le caratteristiche elettriche è essenziale per una progettazione affidabile del circuito e per garantire l'affidabilità a lungo termine del fotocoupler.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non sono destinati al funzionamento normale.

• Ingresso (Lato LED):La corrente diretta (I_F) non deve superare i 20 mA. La tensione inversa (V_R) è limitata a 5 V, evidenziando la necessità di una protezione di polarità adeguata se l'ingresso potrebbe essere sottoposto a polarizzazione inversa.
• Uscita (Lato Fototransistor):La corrente di collettore (I_C) è nominale a 30 mA. La tensione collettore-emettitore (V_CEO) può sopportare fino a 60 V, mentre la tensione emettitore-collettore (V_ECO) è molto più bassa, a 5 V, indicando l'asimmetria delle caratteristiche di breakdown del fototransistor.
• Termico e Isolamento:La dissipazione di potenza totale del dispositivo (P_TOT) è di 200 mW. La tensione di isolamento (V_ISO) di 3750 Vrms viene testata per 1 minuto con i pin 1-2 e 3-4 cortocircuitati insieme in condizioni di umidità controllata (40-60% UR). L'intervallo di temperatura operativa è specificato da -40°C a +125°C.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

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

• Caratteristiche di Ingresso:La tensione diretta (V_F) è tipicamente di 1,3V a una corrente diretta (I_F) di 1 mA, il che è importante per la progettazione del circuito di pilotaggio. La capacità di ingresso (C_in) è fino a 250 pF, il che può influenzare le prestazioni di commutazione ad alta frequenza.
• Caratteristiche di Uscita:La corrente oscura collettore-emettitore (I_CEO) è molto bassa (max 100 nA a V_CE=20V), rappresentando la corrente di dispersione quando il LED è spento. La tensione di saturazione collettore-emettitore (V_CE(sat)) è al massimo di 0,4V in condizioni di test specificate (I_F=3mA, I_C=1,6mA), indicando una bassa caduta di tensione quando il transistor è completamente acceso.
• Parametri di Isolamento:La resistenza di isolamento (R_IO) è un minimo di 5 x 10¹⁰Ω, e la capacità di isolamento (C_IO) è un massimo di 1,0 pF. Questi valori sono critici per determinare il reiezione di modo comune e l'accoppiamento del rumore ad alta frequenza attraverso la barriera di isolamento.

2.3 Caratteristiche di Trasferimento e Sistema di Classificazione

Il Current Transfer Ratio (CTR) è il parametro più critico per un fotocoupler, definito come il rapporto tra la corrente di collettore in uscita (I_C) e la corrente diretta del LED in ingresso (I_F), espresso in percentuale: CTR = (I_CF) * 100%.

La serie EL3H7U-G utilizza un sistema di classificazione CTR per fornire ai progettisti fasce di prestazioni consistenti:

• EL3H7U (Standard):Intervallo CTR dal 50% al 600% a I_F= 0,5 mA, V_CE= 5V.
• EL3H7UA:Intervallo CTR dal 100% al 200%.
• EL3H7UB:Intervallo CTR dal 150% al 300%.
• EL3H7UC:Intervallo CTR dal 200% al 400%.

Questa classificazione consente una progettazione più precisa, specialmente in circuiti dove la coerenza del guadagno è importante, come nei loop di feedback degli alimentatori. La versione standard offre l'intervallo più ampio, adatto per applicazioni generiche dove il CTR esatto è meno critico.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diversi grafici che illustrano le tendenze chiave delle prestazioni. È cruciale notare che queste curve rappresentano un comportamento tipico e non sono garantite dai test di produzione.

3.1 Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Figura 1)

Questo grafico mostra la caratteristica I-V dell'IRED in ingresso a diverse temperature ambiente (-40°C, 25°C, 125°C). La tensione diretta (V_F) ha un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che diminuisce all'aumentare della temperatura per una data corrente. Questo è un comportamento tipico per i diodi e deve essere considerato nella gestione termica e nella progettazione del pilotaggio a corrente costante.

3.2 Corrente di Collettore vs. Corrente Diretta (Figura 2) e CTR vs. Corrente Diretta (Figura 3)

La Figura 2 traccia la corrente di collettore in uscita (I_C) rispetto alla corrente del LED in ingresso (I_F) per due diverse tensioni collettore-emettitore (V_CE=0,4V e 5V). La relazione è lineare a correnti più basse ma mostra saturazione a livelli di I_Fpiù alti, specialmente alla V_CEpiù bassa. La Figura 3 mostra il CTR normalizzato che diminuisce all'aumentare di I_F. Ciò indica che il dispositivo è più efficiente (CTR più alto) a correnti di pilotaggio più basse, tipicamente intorno alla condizione di test di 0,5 mA.

3.3 Dipendenza dalla Temperatura (Figure 6 & 7)

La Figura 6 dimostra che la corrente di collettore (I_C) per un I_Ffisso aumenta con la temperatura. La Figura 7 mostra che il CTR normalizzato raggiunge il picco intorno alla temperatura ambiente e diminuisce sia a temperature più alte che più basse. Questa dipendenza del CTR dalla temperatura è un fattore di progettazione critico. I circuiti devono essere progettati per funzionare correttamente su tutto l'intervallo di temperatura specificato, tenendo conto della variazione del guadagno.

3.4 Caratteristiche di Commutazione (Figura 9)

Il grafico per il tempo di commutazione vs. resistenza di carico (R_L) mostra che sia il tempo di salita (t_r) che il tempo di discesa (t_f) diminuiscono al diminuire della resistenza di carico. Una commutazione più veloce si ottiene con resistori di carico più piccoli, ma ciò avviene a scapito di una maggiore dissipazione di potenza nello stadio di uscita. Il circuito di test (Figura 13) definisce t_rcome il tempo dal 10% al 90% dell'impulso di uscita e t_fcome dal 90% al 10%.

4. Informazioni Meccaniche, di Confezionamento e di Assemblaggio

4.1 Configurazione dei Pin e Polarità

Il dispositivo utilizza un'impronta standard SSOP a 4 pin. Il pinout è il seguente: Pin 1: Anodo dell'IRED, Pin 2: Catodo dell'IRED, Pin 3: Emettitore del fototransistor, Pin 4: Collettore del fototransistor. La polarità corretta deve essere osservata durante il layout del PCB e l'assemblaggio per prevenire danni.

4.2 Linee Guida per la Saldatura e la Manipolazione

Il valore massimo assoluto per la temperatura di saldatura (T_SOL) è di 260°C per 10 secondi. Questo è allineato con i profili tipici di saldatura a rifusione senza piombo. Dovrebbero essere seguite le linee guida standard IPC/JEDEC J-STD-020 per dispositivi sensibili all'umidità. Il dispositivo dovrebbe essere conservato nella sua busta barriera all'umidità originale con essiccante in condizioni controllate e sottoposto a baking prima della saldatura se la busta è stata aperta o se è stato superato il limite di tempo di esposizione.

5. Informazioni per l'Ordine e Confezionamento

Il numero di parte segue la struttura: EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X:Classe CTR (A, B, C, o vuoto per grado standard).
• Y:Opzione nastro e bobina (TA, TB, o vuoto). TA e TB probabilmente si riferiscono a diverse dimensioni di bobina o orientamenti di confezionamento, entrambi contenenti 5000 unità per bobina.
• V:Marcatura opzionale di approvazione VDE.
• G:Indica materiale senza alogeni.

Esempi: EL3H7UB-TA-VG sarebbe un dispositivo di classe CTR B, confezionato su nastro e bobina TA, con approvazione VDE e materiale senza alogeni.

6. Linee Guida Applicative e Considerazioni di Progettazione

6.1 Circuiti Applicativi Tipici

L'applicazione principale è l'isolamento del segnale. Un circuito tipico prevede il pilotaggio del LED in ingresso con una resistenza limitatrice di corrente da una sorgente di segnale digitale (es. GPIO di un microcontrollore). Il fototransistor in uscita può essere utilizzato in configurazione emettitore comune (collettore collegato a una resistenza di pull-up, emettitore a massa) per produrre un segnale di uscita invertito, o in configurazione inseguitore di emettitore per un segnale non invertito.

6.2 Considerazioni di Progettazione Chiave

• Corrente di Pilotaggio LED:Selezionare I_Fin base alla velocità di commutazione e al CTR richiesti. Una I_Fpiù bassa offre un CTR più alto ma una commutazione più lenta. Una resistenza in serie deve essere calcolata utilizzando R = (V_sorgente- V_F) / I_F.
• Resistore di Carico in Uscita (R_L):Questo resistore imposta l'escursione della tensione di uscita, la velocità di commutazione e la dissipazione di potenza. Una R_Lpiù piccola dà una commutazione più veloce ma un'escursione di tensione di uscita più bassa e una I_C.
• più alta.Degradazione del CTR:_FIl CTR dei fotocoupler può degradarsi nel tempo, specialmente quando operato ad alte temperature e alte correnti del LED. Per progetti a lunga vita, deratare la I
• operativa e assicurare un'adeguata gestione termica.Immunità al Rumore:

Per ambienti rumorosi, un piccolo condensatore di bypass (es. 0,1 μF) tra i pin di ingresso, vicino al dispositivo, può aiutare. Sull'uscita, un'attenta disposizione del PCB per minimizzare la capacità parassita è importante per segnali ad alta velocità.

7. Confronto Tecnico e FAQ

7.1 Differenziazione da Altri Fotocoupler

La serie EL3H7U-G si differenzia attraverso la combinazione di un package SSOP compatto, un elevato rating di isolamento di 3750 Vrms, un'ampia temperatura operativa da -40°C a +125°C e certificazioni di sicurezza internazionali complete. Molti dispositivi concorrenti possono offrire CTR o velocità simili ma mancano della suite completa di approvazioni o della capacità ad alta temperatura.

7.2 Domande Frequenti (FAQ)

D: Qual è la differenza tra il grado standard e i gradi A/B/C?

R: Il grado standard ha un intervallo CTR molto ampio (50-600%). I gradi A, B e C sono classificati in intervalli CTR garantiti più stretti (es. 200-400% per il grado C). Utilizzare parti classificate per progetti che richiedono un guadagno prevedibile.

D: Posso usarlo per l'isolamento di segnali in ingresso AC?

R: Non direttamente. L'ingresso è un IRED, che è un diodo e conduce solo in una direzione. Per isolare un segnale AC, sarebbe necessario prima raddrizzarlo o utilizzare un fotocoupler dedicato per ingresso AC.

D: Come calcolo la velocità di dati massima?_rR: La velocità di dati massima è limitata dalla somma dei tempi di salita e discesa (t_f+ t_r). Una stima approssimativa per un segnale digitale è Banda ≈ 0,35 / (t_r). Con un tipico t

di 8 μs, la banda è di circa 44 kHz. Per una comunicazione digitale affidabile, la velocità di dati pratica sarà inferiore.

D: Perché la capacità di isolamento è importante?_IOR: Una bassa capacità di isolamento (C_IO) è cruciale per respingere il rumore di modo comune ad alta frequenza. In applicazioni con transitori di tensione rapidi attraverso la barriera di isolamento (come negli azionamenti di motori), un'alta C

può accoppiare rumore dal lato primario a quello secondario, potenzialmente causando malfunzionamenti.

8. Principio di Funzionamento e Tendenze Tecnologiche

8.1 Principio di Funzionamento Fondamentale

Un fotocoupler opera sul principio della conversione elettro-ottico-elettrica. Un segnale elettrico applicato al lato di ingresso fa sì che l'IRED emetta luce infrarossa proporzionale alla corrente. Questa luce attraversa una barriera di isolamento trasparente all'interno del package. Sul lato di uscita, il fototransistor rileva questa luce, generando una corrente di base che a sua volta controlla una corrente di collettore molto più grande. I due circuiti sono elettricamente isolati, con solo un accoppiamento ottico tra di loro.

8.2 Tendenze del Settore