H11AAX Serie - Fotocoupler ad Ingresso AC - Scheda Tecnica - Package DIP 6 Pin - Tensione di Isolamento 5000Vrms - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie H11AAX rappresenta una famiglia di fotocoupler ad ingresso AC, noti anche come optocoupler o isolatori ottici. Questi dispositivi sono progettati specificamente per fornire un isolamento galvanico tra un circuito di ingresso in AC o DC a polarità sconosciuta e un circuito di controllo in uscita. La funzione principale è trasferire segnali elettrici utilizzando la luce, eliminando così le connessioni elettriche e prevenendo la propagazione di loop di massa, picchi di tensione e rumore tra i circuiti.

La serie include quattro varianti principali: H11AA1, H11AA2, H11AA3 e H11AA4. Il fattore differenziante principale tra loro è il Current Transfer Ratio (CTR), che definisce l'efficienza del trasferimento del segnale dall'ingresso all'uscita. Questi dispositivi sono alloggiati in un compatto package Dual In-line (DIP) a 6 pin, con opzioni per il montaggio through-hole standard, per la spaziatura ampia dei terminali e per la tecnologia surface-mount (SMD).

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

La serie H11AAX offre diversi vantaggi chiave che la rendono adatta per applicazioni industriali e consumer impegnative. La sua caratteristica più prominente è l'elevata tensione di isolamento di 5000Vrms, fondamentale per la sicurezza e l'affidabilità nelle apparecchiature collegate alla rete elettrica. Una distanza di fuga superiore a 7,62mm migliora ulteriormente questa classificazione di sicurezza. I dispositivi hanno ottenuto le approvazioni delle principali agenzie di sicurezza internazionali, tra cui UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, rendendoli accettabili a livello globale per prodotti che richiedono conformità normativa.

La configurazione integrata a LED infrarossi antiparallelo sul lato di ingresso è una caratteristica distintiva. Questo design consente al dispositivo di essere pilotato direttamente da una tensione AC o da una tensione DC di polarità sconosciuta, semplificando la progettazione del circuito eliminando la necessità di circuiti di rettifica esterni. L'uscita è un fototransistor NPN al silicio.

I mercati e le applicazioni di riferimento sono diversificati, concentrandosi principalmente su aree in cui l'isolamento elettrico e il rilevamento di segnali AC sono fondamentali. Applicazioni tipiche includono il monitoraggio della linea AC per rilevare la presenza o l'assenza della tensione di rete, circuiti di interfaccia per linee telefoniche e sensori per rilevare segnali DC a polarità sconosciuta nei sistemi di controllo industriale.

2. Approfondimento sui Parametri Tecnici

Questa sezione fornisce un'analisi dettagliata e oggettiva delle caratteristiche elettriche, ottiche e termiche specificate nella scheda tecnica. Comprendere questi parametri è cruciale per una progettazione del circuito affidabile.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito.

• Corrente Diretta di Ingresso (IF):60 mA (continua). Questa è la massima corrente DC che può essere applicata ai LED di ingresso.
• Corrente Diretta di Picco (IFM):1 A per una durata di impulso molto breve di 10 µs. Questo valore è importante per resistere a sovratensioni transitorie.
• Dissipazione di Potenza in Ingresso (PD):120 mW a 25°C ambiente, con derating di 3,8 mW/°C sopra i 90°C. Questo limita il prodotto combinato VF * IF.
• Tensione Collettore-Emettitore in Uscita (VCEO):80 V. La massima tensione che può essere sostenuta tra il collettore e l'emettitore del fototransistor quando la base è aperta.
• Dissipazione di Potenza Totale del Dispositivo (PTOT):200 mW. La somma della potenza di ingresso e di uscita non deve superare questo valore.
• Tensione di Isolamento (VISO):5000 Vrms per 1 minuto al 40-60% di umidità relativa. Questo è un parametro di sicurezza chiave testato con i pin di ingresso e uscita cortocircuitati separatamente.
• Temperatura di Esercizio (TOPR):-55°C a +100°C. Il dispositivo è funzionale in questo intervallo completo di temperatura industriale.
• Temperatura di Saldatura (TSOL):260°C per 10 secondi, rilevante per processi di saldatura a onda o a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

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

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso

• Tensione Diretta (VF):Tipicamente 1,2V, con un massimo di 1,5V a una corrente diretta (IF) di ±10mA. Il valore simmetrico indica il comportamento della coppia di LED antiparalleli.
• Capacità di Ingresso (Cin):Tipicamente 80 pF. Questo può influenzare le prestazioni ad alta frequenza del circuito di pilotaggio.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita

• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (ICEO):Massimo 50 nA a VCE=10V e IF=0mA. Questa è la corrente di dispersione del fototransistor quando non è presente luce incidente, importante per la dispersione nello stato di OFF.
• Tensioni di Breakdown (BVCEO, BVCBO, BVECO):Minimo rispettivamente 80V, 80V e 7V. Queste definiscono la capacità di sopportazione della tensione con diverse configurazioni dei pin.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (VCE(sat)):Massimo 0,4V a IF=±10mA e IC=0,5mA. Questa è la caduta di tensione attraverso il transistor di uscita quando è completamente acceso.

2.2.3 Caratteristiche di Trasferimento

Questi parametri definiscono l'efficienza e la velocità del trasferimento del segnale.

• Current Transfer Ratio (CTR):Questo è il parametro di classificazione principale della serie, definito come (IC / IF) * 100% in condizioni specificate (IF=±10mA, VCE=10V).
  • H11AA1: CTR ≥ 20%
  • H11AA2: CTR ≥ 10%
  • H11AA3: CTR ≥ 50%
  • H11AA4: CTR ≥ 100%
  I dispositivi con CTR più alto richiedono meno corrente di ingresso per ottenere una data corrente di uscita, migliorando l'efficienza.
• Simmetria del CTR:Rapporto tra il CTR per una polarità del LED e l'altra, specificato tra 0,5 e 2,0. Questo indica quanto sono bilanciati i due LED antiparalleli.
• Resistenza di Isolamento (RIO):Minimo 10^11 Ω a 500V DC. Questa è la resistenza DC tra ingresso e uscita, che contribuisce alla qualità dell'isolamento.
• Capacità Ingresso-Uscita (CIO):Tipicamente 0,7 pF. Questa capacità molto bassa è cruciale per il rigetto del rumore di modo comune ad alta frequenza attraverso la barriera di isolamento.
• Tempi di Commutazione (Ton, Toff, Tr, Tf):Tutti hanno un valore massimo di 10 µs nella condizione di test (VCC=10V, IC=10mA, RL=100Ω). Questi tempi definiscono la rapidità con cui l'uscita può rispondere ai cambiamenti del segnale di ingresso, limitando la massima frequenza AC o la velocità di trasmissione dati.

3. Spiegazione del Sistema di Classificazione

La serie H11AAX utilizza un sistema di classificazione semplice basato esclusivamente sul Current Transfer Ratio (CTR).

Classificazione CTR (X in H11AAX):Il suffisso numerico (1, 2, 3, 4) corrisponde direttamente alla percentuale CTR minima garantita come elencata nella sezione 2.2.3. Non esiste una classificazione basata sulla lunghezza d'onda, la tensione diretta o altri parametri. I progettisti devono selezionare il grado appropriato in base alla capacità di pilotaggio della corrente di uscita richiesta rispetto alla corrente di ingresso disponibile. Ad esempio, l'H11AA4 (CTR min 100%) è il più sensibile e verrebbe scelto per applicazioni in cui la capacità di pilotaggio in ingresso è molto bassa, mentre l'H11AA2 potrebbe essere sufficiente e più conveniente in circuiti con corrente di pilotaggio disponibile più alta.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a tipiche curve delle caratteristiche elettro-ottiche. Sebbene i grafici specifici non siano riprodotti nel testo fornito, il loro scopo e le informazioni che trasmettono sono standard per tali componenti.

Le curve tipiche includerebbero:

• Current Transfer Ratio (CTR) vs. Corrente Diretta (IF):Questa curva mostra come il CTR varia con la corrente di pilotaggio. Tipicamente, il CTR è più alto a un IF moderato e può diminuire a correnti molto basse o molto alte.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (Ta):Il CTR dei fotocoupler ha generalmente un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che diminuisce all'aumentare della temperatura. Questo grafico è fondamentale per progettare circuiti che operano su tutto l'intervallo di temperatura.
• Corrente di Collettore (IC) vs. Tensione Collettore-Emettitore (VCE):Questa è la famiglia di curve delle caratteristiche di uscita, simile a un transistor bipolare, con la corrente del LED di ingresso (IF) come parametro. Mostra la regione di saturazione e la regione attiva.
• Tensione Diretta (VF) vs. Corrente Diretta (IF):La caratteristica IV della coppia di LED di ingresso.
• Tempo di Commutazione vs. Resistenza di Carico (RL):Mostra come i tempi di salita, discesa, accensione e spegnimento sono influenzati dal carico di uscita.

I progettisti dovrebbero consultare queste curve nella scheda tecnica completa per comprendere i comportamenti non lineari e i fattori di derating non catturati dalla tabella dei valori minimi/tipici/massimi.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

Il dispositivo è offerto in diverse varianti di package per adattarsi a diversi processi di assemblaggio.

5.1 Dimensioni e Tipi di Package

• Tipo DIP Standard:Il package through-hole predefinito.
• Tipo Opzione M:Presenta una \"piegatura ampia dei terminali\" che fornisce una spaziatura dei terminali di 0,4 pollici (circa 10,16mm) invece dello standard 0,3 pollici (7,62mm), utile per schede che richiedono una maggiore distanza di fuga.
• Tipo Opzione S:Forma dei terminali per montaggio superficiale per saldatura a rifusione.
• Tipo Opzione S1:Una versione per montaggio superficiale \"a basso profilo\", probabilmente con un'altezza ridotta dal PCB.

Per ogni tipo sono forniti disegni dimensionati dettagliati, inclusi dimensioni del corpo, lunghezza dei terminali, spaziatura dei terminali e specifiche di planarità. Questi sono essenziali per la progettazione dell'impronta sul PCB.

5.2 Layout dei Pad e Identificazione della Polarità

Viene fornito un layout di pad consigliato per le opzioni a montaggio superficiale (S e S1). La scheda tecnica nota che si tratta di un suggerimento e i progettisti dovrebbero modificarlo in base al loro specifico processo di produzione PCB e ai requisiti termici.

Marcatura del Dispositivo:La parte superiore del package è marcata con:

- \"EL\" (codice del produttore)

- Il numero di parte completo (es. H11AA1)

- Un codice a 1 cifra per l'anno (Y)

- Un codice a 2 cifre per la settimana (WW)

- Un suffisso opzionale \"V\" se per quell'unità è specificata l'approvazione di sicurezza VDE.

Configurazione dei Pin (DIP 6 Pin):

1. Anodo / Catodo (Anodo LED1, Catodo LED2)

2. Catodo / Anodo (Catodo LED1, Anodo LED2)

3. Nessuna Connessione (NC)

4. Emettitore (del Fototransistor)

5. Collettore (del Fototransistor)

6. Base (del Fototransistor). Il pin di base è tipicamente lasciato aperto o collegato all'emettitore tramite una resistenza per la regolazione della sensibilità o il miglioramento della velocità.

6. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

La linea guida chiave dai Valori Massimi Assoluti è la temperatura di saldatura: 260°C per un massimo di 10 secondi. Questo è compatibile con i profili standard di rifusione senza piombo (SnAgCu).

Considerazioni Importanti:

• Sensibilità all'Umidità:Sebbene non esplicitamente dichiarato nel testo fornito, gli optocoupler SMD incapsulati in plastica hanno spesso un Livello di Sensibilità all'Umidità (MSL). Per i componenti a montaggio superficiale (Opzioni S, S1), è fondamentale seguire le istruzioni di gestione del produttore riguardo alla pre-essiccazione e alla vita a magazzino per prevenire il \"popcorning\" durante la rifusione.
• Pulizia:Assicurarsi che i solventi di pulizia siano compatibili con il materiale plastico del dispositivo.
• Condizioni di Magazzinaggio:Come da scheda tecnica, l'intervallo di temperatura di magazzinaggio è -55°C a +125°C. I dispositivi devono essere conservati in un ambiente asciutto e antistatico.

7. Confezionamento e Informazioni per l'Ordine

Il codice d'ordine segue lo schema:H11AAXY(Z)-V

• X:Grado CTR (1, 2, 3, 4).
• Y:Opzione Forma Terminali.
  • Nessuna: DIP-6 standard (65 unità/tubo).
  • M: Piegatura ampia terminali (65 unità/tubo).
  • S: Forma terminali per montaggio superficiale.
  • S1: Forma terminali per montaggio superficiale a basso profilo.
• Z:Opzione Nastro e Bobina (solo per S/S1).
  • TA: Tipo specifico di nastro e bobina.
  • TB: Tipo alternativo di nastro e bobina.
  • Sia TA che TB confezionano 1000 unità per bobina.
• V:Marcatura opzionale per approvazione di sicurezza VDE.

Specifiche Nastro e Bobina:Vengono fornite dimensioni dettagliate per il nastro portante (dimensione tasca A, B), il nastro di copertura e la bobina per l'assemblaggio automatizzato pick-and-place.

8. Suggerimenti per l'Applicazione

8.1 Circuiti Applicativi Tipici

Monitor di Linea AC:L'ingresso è collegato direttamente attraverso la linea AC (con una resistenza limitatrice di corrente). Il transistor di uscita commuta in sincronia con gli attraversamenti dello zero dell'AC, fornendo un treno di impulsi digitali o un segnale rettificato a un microcontrollore per rilevare la presenza di alimentazione.

Sensore DC a Polarità Sconosciuta:L'ingresso antiparallelo consente al dispositivo di essere collegato a una sorgente di tensione DC senza riguardo alla polarità, rendendolo ideale per il rilevamento in apparecchiature a batteria o sensori industriali dove la polarità del cablaggio potrebbe essere invertita.

Interfaccia Linea Telefonica:Utilizzato per il rilevamento di segnale di chiamata o di sollevamento cornetta, fornendo isolamento tra la linea telefonica e il circuito logico.

8.2 Considerazioni di Progettazione

• Limitazione della Corrente di Ingresso:Deve essere sempre utilizzata una resistenza in serie per limitare la corrente di ingresso (IF) a un valore sicuro inferiore a 60mA, calcolato in base alla tensione di picco di ingresso e alla tensione diretta del LED.
• Carico di Uscita:La resistenza di carico (RL) sul collettore determina l'escursione della tensione di uscita e influisce sulla velocità di commutazione. Una RL più piccola fornisce una commutazione più veloce ma consuma più potenza.
• Immunità al Rumore:La bassa capacità ingresso-uscita (0,7pF) fornisce un eccellente rigetto del rumore di modo comune ad alta frequenza. Per le migliori prestazioni, mantenere le tracce di ingresso e uscita fisicamente separate sul PCB.
• Degradazione del CTR:Su periodi molto lunghi e ad alte temperature, il CTR dei fotocoupler può degradarsi. Per applicazioni critiche a lunga durata, progettare con un ampio margine iniziale di CTR.

9. Confronto e Differenziazione Tecnica

La serie H11AAX si differenzia principalmente attraverso la suacapacità di ingresso ACgrazie alla struttura a LED antiparalleli. La maggior parte dei fotocoupler standard (es. 4N25, PC817) ha un singolo LED di ingresso che richiede una polarizzazione diretta definita, necessitando di un raddrizzatore a ponte esterno per il funzionamento in AC. L'H11AAX integra questa funzionalità.

Rispetto ad altri fotocoupler ad ingresso AC, i suoi vantaggi chiave sono l'elevato rating di isolamento di 5000Vrmse lacompleta suite di approvazioni di sicurezza internazionali(UL, VDE, ecc.), essenziali per prodotti venduti in più mercati globali. La disponibilità di più gradi CTR e tipi di package (through-hole e SMD) offre flessibilità di progettazione.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D1: Posso pilotare l'H11AAX direttamente dalla rete a 120VAC o 230VAC?

R: Non direttamente. È necessario utilizzare una resistenza limitatrice di corrente in serie con l'ingresso. Il valore della resistenza deve essere calcolato in base alla tensione di picco della rete (es. ~340V per 230VAC), alla corrente diretta desiderata e alla VF del LED. Deve essere considerata anche la potenza nominale della resistenza.

D2: Qual è la massima frequenza AC che posso utilizzare con questo fotocoupler?

R: Il tempo di commutazione massimo è 10 µs. Questo teoricamente consente una frequenza d'onda quadra fino a circa 50 kHz. Tuttavia, per il rilevamento di un'onda sinusoidale AC pulita a 50/60 Hz, è perfettamente adatto poiché il periodo (16,7ms/20ms) è molto più lungo del tempo di commutazione.

D3: Perché c'è un pin Base (Pin 6) e come dovrei usarlo?

R: Il pin base fornisce accesso alla base del fototransistor. Lasciarlo aperto è la pratica standard. Collegare una resistenza tra base ed emettitore può:

1. Migliorare la Velocità:Una resistenza di basso valore (es. 10kΩ a 100kΩ) scarica la carica immagazzinata, riducendo il tempo di spegnimento (Toff).

2. Ridurre la Sensibilità/Aumentare la Soglia:Una resistenza fornisce un percorso di dispersione, aumentando leggermente la corrente di ingresso minima richiesta per accendere l'uscita.

D4: Come scelgo tra i diversi gradi CTR (H11AA1, AA2, AA3, AA4)?

R: Scegli in base alla tua capacità di pilotaggio in ingresso e alla corrente di uscita richiesta. Se il tuo circuito può fornire solo una piccola corrente di ingresso (es. da una resistenza ad alta tensione), scegli un grado CTR più alto (AA3 o AA4) per ottenere un'uscita sufficiente. Se la corrente di ingresso è abbondante, un grado inferiore (AA1 o AA2) può essere più conveniente. Progetta sempre con un margine per la degradazione del CTR nel tempo e con la temperatura.

11. Caso di Studio Pratico di Progettazione

Scenario: Progettazione di un Rilevatore di Presenza Rete 230VAC.

Obiettivo:Fornire un segnale logico alto a 3,3V a un microcontrollore quando è presente 230VAC.

Passi di Progettazione:

1. Selezione del Componente:Viene scelto H11AA1 (CTR minimo 20%) poiché la corrente di ingresso sarà sufficiente.

2. Calcolo della Resistenza di Ingresso:Tensione di picco = 230V * √2 ≈ 325V. IF desiderata ≈ 10mA (per un buon CTR). VF ≈ 1,2V. R = (325V - 1,2V) / 0,01A ≈ 32,4kΩ. Utilizzare una resistenza standard da 33kΩ. Dissipazione di potenza in R: P = (230V)^2 / 33000Ω ≈ 1,6W. È richiesta una resistenza da 2W o 3W.

3. Circuito di Uscita:Collegare il collettore (Pin 5) all'alimentazione a 3,3V del microcontrollore tramite una resistenza di pull-up (es. 10kΩ). Collegare l'emettitore (Pin 4) a massa. La base (Pin 6) viene lasciata aperta.

4. Funzionamento:Quando è presente AC, il transistor di uscita si accende durante ogni semi-ciclo, portando basso il collettore (e il pin di ingresso del MCU). Il MCU vede un segnale basso pulsante a 50/60 Hz, che può essere debounced via software per indicare \"alimentazione presente\".

5. Layout PCB:Mantenere una distanza di fuga >7,62mm tra le tracce del lato di ingresso (pin 1,2,3, resistenza) e del lato di uscita (pin 4,5,6, MCU) sul PCB per preservare il rating di isolamento.

12. Principio di Funzionamento

L'H11AAX opera sul principio dell'isolamento optoelettronico. Sul lato di ingresso, due diodi a emissione di luce infrarossa (LED) all'arseniuro di gallio sono collegati in antiparallelo. Quando viene applicata una tensione AC (con una resistenza limitatrice di corrente in serie), un LED conduce ed emette luce durante il semi-ciclo positivo, e l'altro LED conduce ed emette luce durante il semi-ciclo negativo. Pertanto, vengono generati impulsi di luce infrarossa a una frequenza doppia rispetto al segnale AC di ingresso.

Questa luce attraversa una barriera di isolamento trasparente all'interno del package. Sul lato di uscita, la luce cade sulla regione di base di un fototransistor NPN al silicio. I fotoni generano coppie elettrone-lacuna, creando una corrente di base che accende il transistor, permettendo a una corrente di collettore (IC) di fluire. Il rapporto tra questa corrente di collettore in uscita e la corrente diretta in ingresso è il Current Transfer Ratio (CTR). La tensione collettore- emettitore del fototransistor è controllata dal circuito di carico esterno.

13. Tendenze Tecnologiche

La tecnologia dei fotocoupler continua a evolversi. Sebbene il principio fondamentale rimanga, le tendenze includono:

• Velocità Maggiore:Sviluppo di dispositivi con tempi di commutazione più rapidi (nanosecondi) per comunicazioni digitali e applicazioni di pilotaggio gate di inverter, spesso utilizzando uscite a fotodiodo o basate su IC invece di fototransistor.
• Integrazione Superiore:Combinazione del fotocoupler con funzioni aggiuntive come driver di gate IGBT, amplificatori di errore o interfacce digitali (isolatori I²C).
• Affidabilità e Durata Migliorate:Progressi nei materiali dei LED e nell'incapsulamento per ridurre il tasso di degradazione del CTR nel tempo e con la temperatura.
• Miniaturizzazione:Riduzione continua delle dimensioni del package, specialmente per le versioni a montaggio superficiale, per risparmiare spazio sul PCB.
• Tecnologie di Isolamento Alternative:Isolatori capacitivi e magnetici (magnetoresistenza gigante, GMR) competono in alcune applicazioni ad alta velocità e alta densità, sebbene gli optocoupler mantengano vantaggi nell'elevata immunità ai transienti di modo comune (CMTI) e nelle consolidate certificazioni di sicurezza.

La serie H11AAX, con il suo design robusto e le approvazioni di sicurezza, rappresenta una soluzione matura e affidabile per le tradizionali esigenze di rilevamento AC e isolamento di base, dove la sua capacità di ingresso AC integrata fornisce un vantaggio distintivo.