Scheda Tecnica Fototransistore Fotocoppiatore DIP 6 Pin - Serie 4N2X, 4N3X, H11AX - Tensione di Isolamento 5000Vrms - Temperatura Operativa -55 a +110°C - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Le serie 4N2X, 4N3X e H11AX sono famiglie di fotocoppiatori a fototransistore (noti anche come optocoppiatori o optoisolatori) in package DIP (Dual In-line Package) a 6 pin. Ogni dispositivo è costituito da un diodo a emissione di luce infrarossa (LED) in arseniuro di gallio accoppiato otticamente a un rivelatore a fototransistore al silicio. Questa configurazione fornisce un isolamento elettrico completo tra i circuiti di ingresso e di uscita, rendendoli componenti essenziali per la sicurezza, l'immunità al rumore e la traslazione di livello di tensione nei sistemi elettronici.

La funzione principale è la trasmissione del segnale tramite luce, eliminando una connessione elettrica diretta. La corrente di ingresso alimenta il LED infrarosso, che emette luce proporzionale alla corrente. Questa luce colpisce la regione di base del fototransistore, generando una corrente di base e permettendo alla corrente collettore-emettitore di fluire, replicando così il segnale di ingresso sul lato di uscita isolato.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Questi fotocoppiatori sono progettati per applicazioni che richiedono un isolamento affidabile del segnale. I loro vantaggi chiave includono un'elevata tensione di isolamento di 5000V_rms, fondamentale per proteggere circuiti di controllo a bassa tensione (come microprocessori) da sezioni di rete ad alta tensione o azionamenti motore. La distanza di isolamento superficiale estesa (>7.62mm) migliora ulteriormente la sicurezza e l'affidabilità in ambienti ad alta tensione. Con un intervallo di temperatura operativa da -55°C a +110°C, sono adatti per applicazioni industriali, automobilistiche e in ambienti ostili.

Il compatto package DIP è disponibile nelle varianti standard, a passo largo (0.4 pollici) e per montaggio superficiale (SMD), offrendo flessibilità per processi di assemblaggio a foro passante e automatizzati. I dispositivi possiedono le approvazioni delle principali agenzie di sicurezza internazionali come UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, facilitando il loro uso in apparecchiature commercializzate globalmente che devono rispettare severi standard di sicurezza.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

La scheda tecnica fornisce specifiche elettriche e ottiche complete, cruciali per una corretta progettazione del circuito e la garanzia di affidabilità.

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.

• Lato Ingresso (LED):La massima corrente diretta continua (I_F) è 60mA. È consentita una breve corrente di picco diretta (I_FM) di 1A per 10µs, rilevante per la soppressione dei transitori. La massima tensione inversa (V_R) è modesta (6V), indicando che il LED non è progettato per alte polarizzazioni inverse e richiede protezione se usato in circuiti AC.
• Lato Uscita (Fototransistore):Le tensioni di breakdown collettore-emettitore e collettore-base (V_CEO, V_CBO) sono entrambe 80V, definendo la massima tensione applicabile al transistor nello stato di interdizione. Le tensioni emettitore-base ed emettitore-collettore (V_EBO, V_ECO) sono limitate a 7V.
• Potenza e Termica:La dissipazione di potenza totale del dispositivo (P_TOT) è 200mW a 25°C. Sono forniti fattori di derating: 3.8 mW/°C per il lato di ingresso sopra i 100°C e 9.0 mW/°C per il lato di uscita sopra i 100°C. Questi sono critici per calcolare la potenza massima ammissibile a temperature ambiente elevate e prevenire la fuga termica.
• Isolamento:La tensione di isolamento (V_ISO) di 5000V_rms per 1 minuto è un parametro di sicurezza chiave, testata con i pin 1-2-3 cortocircuitati insieme e i pin 4-5-6 cortocircuitati insieme.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri sono misurati in condizioni tipiche (T_a=25°C) e definiscono le prestazioni del dispositivo.

• Caratteristiche del LED di Ingresso:La tensione diretta (V_F) è tipicamente 1.2V a I_F=10mA, con un massimo di 1.5V. Questo valore è usato per calcolare la resistenza di limitazione della corrente richiesta. La corrente inversa (I_R) è molto bassa (<10µA a V_R=6V). La capacità di ingresso (C_in) è tipicamente 30pF.
• Caratteristiche del Fototransistore di Uscita:Le correnti di buio (I_CBO, I_CEO) sono nell'ordine dei nanoampere, indicando una dispersione molto bassa quando il LED è spento. Le tensioni di breakdown (BV_CEO, BV_CBO, ecc.) confermano i limiti di 80V e 7V dei valori massimi assoluti.

2.3 Caratteristiche di Trasferimento

Questi parametri descrivono l'efficienza di accoppiamento e le prestazioni di commutazione tra ingresso e uscita.

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR):Questo è il parametro più critico, definito come (I_C/ I_F) * 100%. Varia significativamente in base al numero di parte, creando un sistema di classificazione delle prestazioni:
  • CTR Alto (>100%):4N35, 4N36, 4N37.
  • CTR Medio-Alto (50%): H11A1.
  • CTR Medio (30%): H11A5.
  • CTR Standard (20%):4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • CTR Inferiore (10%):4N27, 4N28, H11A4.
  Questa classificazione permette ai progettisti di selezionare un dispositivo con la sensibilità richiesta per la loro specifica applicazione e il livello di corrente di uscita desiderato.
• Tensione di Saturazione (V_CE(sat)):Questa è la caduta di tensione ai capi del fototransistore quando è completamente acceso. Valori più bassi (es. 0.3V max per la serie 4N3X a I_F=10mA, I_C=0.5mA) indicano prestazioni migliori, minimizzando la perdita di potenza nello stadio di uscita.
• Velocità di Commutazione:I tempi di accensione (t_on) e spegnimento (t_off) sono specificati per le diverse serie in condizioni di test specifiche (V_CC=10V, R_L=100Ω). La serie 4N2X/H11AX è tipicamente più veloce (3µs tip.) rispetto alla serie 4N3X (10µs tip. per t_on, 9µs tip. per t_off). Questo è vitale per la trasmissione di segnali digitali e applicazioni PWM.
• Parametri di Isolamento:La resistenza di isolamento (R_IO) è estremamente alta (>10¹¹Ω), e la capacità ingresso-uscita (C_IO) è molto bassa (0.2pF tip.), minimizzando l'accoppiamento capacitivo del rumore ad alta frequenza attraverso la barriera di isolamento.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

Sebbene il PDF mostri testo segnaposto per "Curve delle Caratteristiche Elettro-Ottiche Tipiche", tali curve sono standard per i fotocoppiatori e tipicamente includono:

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR) vs. Corrente Diretta (I_F):Mostra come l'efficienza cambia con la corrente di pilotaggio del LED, spesso con un picco a una corrente specifica.
• CTR vs. Temperatura:Illustra la degradazione del CTR ad alte temperature, che è un fattore critico di derating per il funzionamento ad alta temperatura.
• Corrente di Collettore (I_C) vs. Tensione Collettore-Emettitore (V_CE):Curve caratteristiche di uscita che mostrano il comportamento del fototransistore in diverse regioni (saturazione, attiva).
• Tempo di Commutazione vs. Resistenza di Carico (R_L):Dimostra come la scelta della resistenza di pull-up influenzi i tempi di salita e discesa.

I progettisti dovrebbero consultare queste curve dalla scheda tecnica completa per ottimizzare parametri come la corrente del LED, la resistenza di carico e la temperatura operativa per i loro specifici requisiti di velocità e uscita.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

I dispositivi sono offerti in diverse varianti di package DIP a 6 pin per soddisfare diverse esigenze di assemblaggio.

4.1 Dimensioni e Varianti del Package

La scheda tecnica include disegni meccanici dettagliati per ogni opzione. Le dimensioni chiave includono lunghezza e larghezza totali, passo dei pin e dimensioni dei terminali.

• Tipo DIP Standard:Il classico package a foro passante con passo tra le file di 0.1 pollici (2.54mm).
• Tipo Opzione M:Presenta una "piega larga dei terminali" che fornisce un passo di 0.4 pollici (10.16mm). Questo aumenta la distanza di isolamento superficiale e in aria tra i pin di ingresso e uscita, migliorando l'affidabilità dell'isolamento per applicazioni ad alta tensione.
• Tipi Opzione S & S1:Versioni per montaggio superficiale (SMD). L'opzione S1 è una variante "a profilo basso", con un'altezza del package ridotta rispetto all'opzione S standard, vantaggiosa per applicazioni con spazio limitato.

Tutti i package presentano un corpo stampato che fornisce l'isolamento necessario. La configurazione dei pin è standardizzata: Pin 1 (Anodo), Pin 2 (Catodo), Pin 3 (NC), Pin 4 (Emettitore), Pin 5 (Collettore), Pin 6 (Base). Il pin di base (6) è spesso lasciato non connesso ma può essere usato per migliorare la larghezza di banda o il controllo della polarizzazione in alcuni circuiti.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

I valori massimi assoluti specificano una temperatura di saldatura (T_SOL) di 260°C per 10 secondi. Questo è un valore tipico per processi di saldatura a onda o a rifusione. Per le opzioni SMD (S, S1), sono applicabili profili standard di rifusione a infrarossi o convezione con una temperatura di picco intorno ai 260°C. È cruciale non superare questo limite tempo-temperatura per prevenire danni al package plastico e ai bonding interni. I dispositivi dovrebbero essere conservati in condizioni entro l'intervallo di temperatura di stoccaggio (-55°C a +125°C) e in imballaggio sensibile all'umidità se specificato per le parti SMD, per prevenire il fenomeno del "popcorning" durante la rifusione.

6. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

Il sistema di numerazione delle parti è chiaramente definito:4NXXY(Z)-VoH11AXY(Z)-V.

• XX / X:Numero di parte specifico (es. 25, 35, 1, 5).
• Y (Forma dei Terminali):
  • Nessuno: DIP standard (65 unità/tubo).
  • M: Piegatura larga dei terminali (65 unità/tubo).
  • S: Forma terminali per montaggio superficiale.
  • S1: Forma terminali per montaggio superficiale a profilo basso.
• Z (Nastro e Bobina):Si applica solo alle opzioni SMD.
  • TA o TB: Specifiche diverse di nastro e bobina (1000 unità/bobina).
• V:Suffisso opzionale che indica l'approvazione di sicurezza VDE.

Questo sistema flessibile permette di procurarsi l'esatta variante meccanica richiesta per la produzione.

7. Raccomandazioni per l'Applicazione

7.1 Circuiti di Applicazione Tipici

Come elencato nella scheda tecnica, le applicazioni principali includono:

• Regolatori di Alimentazione:Fornire isolamento del feedback negli alimentatori a commutazione (SMPS) tra il lato secondario (uscita) e il controller sul lato primario. Questo è essenziale per sicurezza e reiezione del rumore.
• Ingressi Logici Digitali / Ingressi Microprocessore:Isolare segnali rumorosi da sensori industriali (es. da finecorsa, encoder) o domini di massa diversi prima che entrino in pin logici digitali sensibili o di microcontrollore.
• Isolamento Segnale Generico:Qualsiasi circuito in cui due sottosistemi devono comunicare senza condividere una massa comune, per interrompere loop di massa, eliminare rumore di modo comune o fornire traslazione di livello di tensione.

7.2 Considerazioni Progettuali e Best Practice

• Limitazione Corrente LED:Usare sempre una resistenza in serie per impostare la corrente diretta (I_F). Calcolare R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F. Operare entro l'intervallo I_F raccomandato (spesso 5-20mA) per un CTR ottimale e longevità.
• Polarizzazione Lato Uscita:Il fototransistore richiede una resistenza di pull-up (R_L) collegata dal collettore a V_{CC_output}. Il suo valore è un compromesso: una R_L più piccola fornisce una commutazione più veloce ma un consumo di potenza più alto e un'escursione di tensione di uscita inferiore; una R_L più grande offre un margine di rumore migliore ma una velocità inferiore.
• Ottimizzazione della Velocità:Per una commutazione più veloce, usare un dispositivo della serie più veloce (4N2X/H11AX), minimizzare R_L, e assicurare un pilotaggio I_F adeguato. Collegare una resistenza (es. 100kΩ a 1MΩ) tra la base (pin 6) e l'emettitore può aiutare a scaricare la carica immagazzinata e ridurre il tempo di spegnimento.
• Immunità al Rumore:L'alta resistenza di isolamento e la bassa capacità respingono intrinsecamente il rumore di modo comune. Per una robustezza aggiuntiva in ambienti elettricamente rumorosi, sono raccomandati condensatori di bypass (es. 0.1µF) posti vicino ai pin di alimentazione del dispositivo su entrambi i lati di ingresso e uscita.

8. Confronto Tecnico e Guida alla Selezione

Le tre serie (4N2X, 4N3X, H11AX) offrono una gamma di prestazioni per soddisfare diverse esigenze:

• Serie 4N3X (4N35-38):Generalmente offrono i valori CTR più alti (>100% per 4N35-37), rendendoli adatti per applicazioni che richiedono alta corrente di uscita o dove si desidera una corrente di pilotaggio di ingresso minima. Anche la loro tensione di saturazione è molto bassa.
• Serie 4N2X (4N25-28) & Serie H11AX (H11A1-A5):Forniscono una gamma graduata di CTR dal 10% al 50%. La serie 4N2X ha tipicamente tempi di commutazione più veloci. Questi sono isolatori versatili e generici. L'H11A5 (CTR 30%) e l'H11A1 (CTR 50%) coprono punti di prestazione specifici.
• Criteri di Selezione:Scegliere in base al CTR richiesto (guadagno in corrente di uscita), velocità di commutazione, tensione di saturazione e costo. Ad esempio, un ingresso di microprocessore che legge un interruttore lento può usare una parte a basso CTR e costo-efficace come l'H11A4. Un anello di feedback in un alimentatore che necessita di buona linearità e guadagno potrebbe usare un 4N35 o 4N36.

9. Domande Frequenti (FAQ)

D: Qual è lo scopo del pin di base (pin 6)?

R: Il pin di base fornisce accesso alla regione di base del fototransistore. Lasciarlo aperto (non connesso) è la pratica standard. Collegare una resistenza dalla base all'emettitore può migliorare la velocità di commutazione fornendo un percorso per rimuovere la carica immagazzinata. In alcuni progetti, può essere usato per pre-polarizzazione o per collegare una rete di accelerazione.

D: Come posso garantire l'affidabilità a lungo termine?

R: Far funzionare il LED entro i suoi valori massimi assoluti, preferibilmente in derating. Mantenere bassa la temperatura di giunzione rispettando le curve di derating della potenza. Utilizzare distanze di isolamento superficiale/in aria adeguate sul proprio PCB, specialmente per la barriera di isolamento ad alta tensione, corrispondenti o superiori alla capacità di 7.62mm del package.

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

R: Sì, ma il LED di ingresso ha un basso valore di tensione inversa nominale (6V). Per isolare un segnale AC, è necessario proteggere il LED dalla polarizzazione inversa, tipicamente ponendo un diodo standard in parallelo inverso all'ingresso del LED, o utilizzando una configurazione a ponte raddrizzatore prima del LED.

D: Perché il CTR è specificato come valore minimo?

R: Il CTR ha un'ampia variazione dovuta alle tolleranze di produzione nell'efficienza del LED e nel guadagno del fototransistore. La scheda tecnica garantisce un CTR minimo in condizioni specificate. La progettazione deve basarsi su questo valore minimo per garantire la funzionalità del circuito su tutte le unità prodotte e su tutta la temperatura.

10. Esempio Pratico di Progettazione

Scenario:Isolare un segnale digitale a 24V da un'uscita PLC a un ingresso di microcontrollore a 3.3V.

1. Selezione del Dispositivo:Scegliere una parte generica come il 4N25 (CTR min 20%). La sua velocità è sufficiente per I/O digitali.
2. Circuito di Ingresso:L'uscita PLC è 24V. I_F target = 10mA. V_F≈ 1.2V. R_limit= (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω. Usare una resistenza standard da 2.2kΩ. Aggiungere un diodo di protezione inversa in parallelo all'ingresso del LED.
3. Circuito di Uscita:V_CC del microcontrollore = 3.3V. Scegliere R_L= 1kΩ. Quando il fototransistore è spento, l'uscita è portata alta a 3.3V (logica 1). Quando è acceso, assumendo I_C= CTR * I_F= 0.2 * 10mA = 2mA, la tensione di uscita sarà V_CE(sat)(max 0.5V), un solido livello logico 0. La resistenza di pull-up da 1kΩ fornisce un buon equilibrio tra velocità e consumo di corrente per questa applicazione.

11. Principio di Funzionamento

Un fotocoppiatore opera sul principio della conversione elettro-ottico-elettrica. Un segnale elettrico è applicato al lato di ingresso, causando il flusso di corrente attraverso un LED infrarosso. Questa corrente è direttamente proporzionale all'intensità luminosa emessa. La luce attraversa un gap isolante trasparente (tipicamente plastica stampata) e colpisce il materiale semiconduttore di un fotorivelatore - in questo caso, la giunzione base-collettore di un fototransistore NPN. I fotoni generano coppie elettrone-lacuna, creando una corrente di base. Questa corrente di base fotogenerata è poi amplificata dal guadagno di corrente del transistor (h_FE), risultando in una corrente di collettore più grande che riproduce il segnale di ingresso originale sul circuito di uscita elettricamente isolato. La completa assenza di connessione galvanica è ciò che fornisce l'alta tensione di isolamento e l'immunità al rumore.

12. Tendenze Tecnologiche

I fotocoppiatori a fototransistore come la serie 4NXX rappresentano una tecnologia di isolamento matura e costo-efficace. Le tendenze attuali nel mercato degli optocoppiatori includono lo sviluppo di dispositivi con velocità più elevate (per bus di comunicazione digitale come SPI, I2C isolati con IC appositamente progettati), maggiore integrazione (combinando più canali o aggiungendo funzioni aggiuntive come driver di gate) e metriche di affidabilità migliorate (funzionamento a temperature più alte, vita più lunga). C'è anche crescita in tecnologie di isolamento alternative come gli isolatori capacitivi e quelli basati su magnetoresistenza gigante (GMR), che possono offrire vantaggi in dimensioni, velocità e consumo energetico per certe applicazioni. Tuttavia, i fotocoppiatori a fototransistore rimangono dominanti per applicazioni generiche, sensibili al costo e di isolamento ad alta tensione grazie alla loro semplicità, affidabilità collaudata ed eccellente immunità ai transienti di modo comune (CMTI).