CNY17-X CNY17F-X Scheda Tecnica Fotocoupler - Package DIP 6 Pin - Isolamento 5000Vrms - CTR 40-320% - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Le serie CNY17-X e CNY17F-X sono famiglie di fotocoupler, noti anche come optocoupler 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) all'arseniuro di gallio accoppiato otticamente a un fototransistor NPN al silicio. La funzione principale è fornire isolamento elettrico tra due circuiti consentendo la trasmissione del segnale tramite luce. La distinzione chiave tra le due serie è la disponibilità di una connessione esterna per la base (pin 6) nella serie CNY17-X, assente (No Connection) nella serie CNY17F-X, quest'ultima caratterizzata da una minore suscettibilità al rumore.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Questi dispositivi sono progettati per applicazioni che richiedono un isolamento di segnale affidabile. I loro vantaggi principali includono un'alta tensione di isolamento di 5000 V_rms, un fattore di forma DIP compatto adatto per il montaggio a foro passante e raggruppamenti selezionati del rapporto di trasferimento di corrente (CTR) per la coerenza progettuale. Sono approvati dai principali enti di sicurezza internazionali (UL, cUL, VDE, SEMKO, ecc.), rendendoli adatti a un'ampia gamma di applicazioni industriali, consumer e negli alimentatori dove sicurezza e immunità al rumore sono critiche.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

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

• Ingresso (Lato LED):La corrente diretta massima continua (I_F) è 60 mA. È consentita una corrente diretta di picco di breve durata (10 µs) (I_FM) di 1 A. La tensione inversa massima (V_R) sul LED è 6 V. La dissipazione di potenza in ingresso (P_D) è 100 mW a 25°C, con derating di 3.8 mW/°C sopra i 100°C.
• Uscita (Lato Fototransistor):La tensione collettore-emettitore (V_CEO) e la tensione collettore-base (V_CBO, solo per CNY17-X) sono nominali a 80 V. Le tensioni emettitore-collettore (V_ECO) ed emettitore-base (V_EBO) sono 7 V. La dissipazione di potenza in uscita (P_C) è 150 mW a 25°C, con derating di 9.0 mW/°C sopra i 100°C.
• Totale Dispositivo:La dissipazione di potenza totale del dispositivo (P_TOT) non deve superare i 200 mW.
• Isolamento & Ambiente:La tensione di isolamento (V_ISO) è 5000 V_rms(AC per 1 minuto). L'intervallo di temperatura operativa (T_OPR) è da -55°C a +110°C. La temperatura massima di saldatura è 260°C per 10 secondi.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

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

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (LED Infrarosso)

• Tensione Diretta (V_F):Massimo 1.65 V a I_F= 60 mA. Questa è la caduta di tensione sul LED quando è in conduzione.
• Corrente Inversa (I_R):Massimo 10 µA a V_R= 6 V. Questa è la corrente di dispersione quando il LED è polarizzato inversamente.
• Capacità di Ingresso (C_in):Tipicamente 18 pF. Influenza le prestazioni di commutazione ad alta frequenza sul lato d'ingresso.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita (Fototransistor)

• Correnti al Buio:Con il LED spento (I_F=0), esistono correnti di dispersione. I_CEO(collettore-emettitore) è tipicamente 50 nA a V_CE=10V. I_CBO(collettore-base, solo CNY17-X) è massimo 20 nA a V_CB=10V.
• Tensioni di Breakdown: BV_CEOe BV_CBOsono min 80 V. BV_ECOè min 7 V.
• Capacità di Uscita (C_CE):Tipicamente 8 pF. Influenza la velocità di commutazione in uscita.

2.3 Caratteristiche di Trasferimento

Questi sono i parametri più critici per le applicazioni di accoppiamento di segnale.

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR):È il rapporto tra la corrente di collettore in uscita (I_C) e la corrente diretta del LED in ingresso (I_F), espresso in percentuale. I dispositivi sono suddivisi in quattro distinte gamme CTR:
  • CNY17-1 / CNY17F-1:CTR = 40% a 80% (a I_F=10mA, V_CE=5V)
  • CNY17-2 / CNY17F-2:CTR = 63% a 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3:CTR = 100% a 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4:CTR = 160% a 320%
• CTR a Bassa Corrente:A I_F= 1mA, è specificato il CTR minimo (es. 13% per il grado -1, 56% per il grado -4), importante per applicazioni a bassa potenza o di sensing analogico.
• Tensione di Saturazione (V_CE(sat)):Massimo 0.3 V a I_F=10mA, I_C=2.5mA. Questa è la tensione ai capi del transistor quando è completamente "acceso".
• Resistenza di Isolamento (R_IO):Minimo 10¹¹Ω. Indica l'estremamente alta resistenza DC tra il lato d'ingresso e quello d'uscita.
• Capacità Ingresso-Uscita (C_IO):Tipicamente 0.5 pF. Questa piccola capacità è fondamentale per ottenere un'elevata immunità ai transienti di modo comune (CMTI).

2.4 Caratteristiche di Commutazione

Le prestazioni dinamiche sono definite dai tempi di accensione/spegnimento e di salita/discesa, che dipendono dalle condizioni di test.

• Condizione 1 (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω):
  • Tempo di accensione (t_on): Tipico 10 µs, Massimo 12 µs.
  • Tempo di spegnimento (t_off): Tipico 9 µs, Massimo 12 µs.
  • Tempo di salita (t_r): Tipico 6 µs, Massimo 10 µs.
  • Tempo di discesa (t_f): Tipico 8 µs, Massimo 10 µs.
• Condizione 2 (V_CC=5V, I_F=10mA, R_L=75Ω):
  • Tempo di salita (t_r): Tipico 2 µs, Massimo 10 µs.
  • Tempo di discesa (t_f): Tipico 3 µs, Massimo 10 µs.

3. Spiegazione del Sistema di Classificazione

La classificazione primaria per questi fotocoupler si basa sulRapporto di Trasferimento di Corrente (CTR). I quattro gradi (1, 2, 3, 4) offrono valori CTR minimi e massimi progressivamente più alti. Ciò consente ai progettisti di selezionare un dispositivo che corrisponda al guadagno di segnale richiesto e garantisca coerenza nei lotti di produzione. Ad esempio, un circuito d'ingresso digitale che richiede un segnale forte e ben definito potrebbe utilizzare un grado -3 o -4, mentre un circuito sensibile alle variazioni potrebbe specificare un grado -1 più stretto e a guadagno inferiore.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a "Curve Tipiche delle Caratteristiche Elettro-Ottiche". Sebbene i grafici specifici non siano dettagliati nel testo fornito, le curve tipiche per tali dispositivi includono:

• CTR vs. Corrente Diretta (I_F):Mostra come il rapporto di trasferimento cambi con la corrente di pilotaggio del LED, solitamente con un picco a una corrente specifica.
• CTR vs. Temperatura:Illustra la diminuzione del CTR all'aumentare della temperatura ambiente, critica per il funzionamento ad alta temperatura.
• Corrente di Collettore (I_C) vs. Tensione Collettore-Emettitore (V_CE):Le caratteristiche di uscita del fototransistor, che mostrano la regione di saturazione e la regione attiva.
• Tensione Diretta (V_F) vs. Corrente Diretta (I_F):La caratteristica IV del LED infrarosso.

Queste curve sono essenziali per comprendere il comportamento del dispositivo in condizioni non standard e per ottimizzare il progetto del circuito.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

I dispositivi sono offerti in un package DIP standard a 6 pin con diverse opzioni per la forma dei terminali.

5.1 Dimensioni e Opzioni del Package

• DIP Standard:Il package a foro passante predefinito.
• Opzione M:Presenta una "piega ampia dei terminali" che fornisce una spaziatura di 0.4 pollici (circa 10.16 mm) per compatibilità con impronte PCB più ampie.
• Opzione S:Forma terminali per montaggio superficiale. Progettata per processi di saldatura a rifusione.
• Opzione S1:Forma terminali per montaggio superficiale con "profilo basso" per applicazioni con restrizioni di altezza.

Per ogni opzione sono forniti disegni dimensionati dettagliati (in mm), che specificano dimensioni del corpo, lunghezza dei pin, spaziatura dei pin e piano di appoggio.

5.2 Configurazione dei Pin e Polarità

Una chiara identificazione dei pin è cruciale per un'installazione corretta.

• CNY17-X (con pin di base):
  1. Anodo (LED +)
  2. Catodo (LED -)
  3. No Connection
  4. Emettitore (Fototransistor)
  5. Collettore (Fototransistor)
  6. Base (Fototransistor, connessione esterna)
• CNY17F-X (senza pin di base):
  1. Anodo (LED +)
  2. Catodo (LED -)
  3. No Connection
  4. Emettitore (Fototransistor)
  5. Collettore (Fototransistor)
  6. No Connection

6. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

La scheda tecnica specifica una temperatura massima di saldatura di 260°C per 10 secondi. Questo vale tipicamente per la saldatura ad onda o manuale dei terminali a foro passante. Per le opzioni a montaggio superficiale (S, S1), dovrebbero essere utilizzati profili standard di rifusione a infrarossi o convezione con una temperatura di picco non superiore a 260°C. Si dovrebbero prendere precauzioni per evitare stress meccanici eccessivi sul package durante la manipolazione. Lo stoccaggio dovrebbe avvenire in un ambiente asciutto e antistatico nell'intervallo di temperatura specificato da -55°C a +125°C.

7. Confezionamento e Informazioni d'Ordine

7.1 Regola di Numerazione del Modello

Il numero di parte segue il formato:CNY17-XY(Z)-VoCNY17F-XY(Z)-V

• X:Numero di parte / Grado CTR (1, 2, 3, o 4).
• Y:Opzione forma terminali (S, S1, M, o nessuna per DIP Standard).
• Z:Opzione nastro e bobina (TA, TB, o nessuna). Si applica solo alle opzioni S e S1.
• V:Marcatura opzionale di approvazione VDE.

7.2 Specifiche di Confezionamento

• Confezionamento in Tubo:Il DIP Standard e l'Opzione M sono forniti in tubi contenenti 65 unità ciascuno.
• Nastro e Bobina:Le opzioni S e S1 sono disponibili su nastro e bobina. Entrambe le opzioni TA e TB contengono 1000 unità per bobina.

8. Raccomandazioni per l'Applicazione

8.1 Circuiti di Applicazione Tipici

La scheda tecnica elenca usi comuni: Regolatori di alimentazione (per isolamento del feedback), ingressi di logica digitale (per cambio di livello e isolamento dal rumore) e ingressi per microprocessori (per interfacciamento con segnali esterni rumorosi). È mostrato un circuito di test specifico per i tempi di commutazione (Figura 11), che include una resistenza limitatrice di corrente in ingresso (R_IN), una resistenza opzionale base-emettitore per il CNY17-X (R_BE) e una resistenza di carico del collettore (R_L).

8.2 Considerazioni Progettuali

• Limitazione della Corrente del LED:Utilizzare sempre una resistenza in serie per limitare I_Fal valore desiderato, tipicamente tra 1 mA e 20 mA per un equilibrio tra velocità, CTR e potenza.
• Resistenza di Carico (R_L):Il valore di R_Lsul collettore influisce sulla velocità di commutazione, sull'escursione dell'uscita e sul consumo di potenza. Una R_Lpiù piccola fornisce tempi di discesa più rapidi ma riduce l'escursione della tensione d'uscita.
• Immunità al Rumore (CNY17F-X):La serie CNY17F-X, senza connessione esterna della base, è meno suscettibile all'iniezione di rumore nella base del fototransistor, rendendola preferibile in ambienti elettricamente rumorosi.
• Compromesso Velocità vs. Corrente:Un I_Fpiù alto generalmente migliora la velocità di commutazione ma aumenta la dissipazione di potenza. Fare riferimento alle specifiche dei tempi di commutazione in diverse condizioni di test.
• Degradazione del CTR:Il CTR può diminuire nel corso della vita del dispositivo, specialmente ad alte temperature e correnti operative. Deratare il progetto di conseguenza per l'affidabilità a lungo termine.

9. Confronto Tecnico

Il differenziatore chiave all'interno di questa famiglia è la presenza (CNY17-X) o assenza (CNY17F-X) del pin di base esterno. Il CNY17-X offre maggiore flessibilità progettuale; il pin di base può essere lasciato aperto, collegato all'emettitore tramite una resistenza (per migliorare la velocità rimuovendo la carica immagazzinata) o utilizzato in configurazioni di polarizzazione specifiche. Il CNY17F-X offre un'immunità al rumore superiore poiché la base del fototransistor è completamente interna e inaccessibile, un vantaggio significativo in ambienti industriali ad alto rumore. Entrambe le serie condividono specifiche identiche per isolamento, tensione e CTR.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è la differenza principale tra i gradi -1, -2, -3 e -4?

R: La differenza è l'intervallo garantito del Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR). Il grado -4 ha il guadagno più alto (160-320%), mentre il grado -1 ha il più basso (40-80%). Scegliere in base all'amplificazione di segnale richiesta nel proprio circuito.

D: Quando dovrei usare il CNY17F-X invece del CNY17-X?

R: Utilizzare il CNY17F-X quando si opera in ambienti con rumore elettrico significativo (es. azionamenti motori, controlli industriali). La mancanza di una connessione di base esterna lo rende intrinsecamente meno suscettibile all'accoppiamento di interferenze elettromagnetiche (EMI) nella regione sensibile della base.

D: Come calcolo la resistenza in serie per il LED?

R: Usare la Legge di Ohm: R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F. Assumere V_F≈ 1.2V tipico (max 1.65V). Ad esempio, con un'alimentazione di 5V e I_Fdesiderata di 10mA: R_IN= (5V - 1.2V) / 0.01A = 380Ω. Usare una resistenza standard da 390Ω.

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

R: Sì, ma con limitazioni. L'uscita del fototransistor è unidirezionale (DC). Per trasmettere segnali AC, tipicamente servono due fotocoupler (uno per ogni semi-ciclo) o circuiti aggiuntivi per polarizzare l'uscita nella sua regione lineare per la trasmissione analogica, sebbene la linearità non sia un parametro specificato per questo dispositivo.

11. Esempio Pratico di Progetto

Scenario:Isolare un pin GPIO di un microcontrollore a 3.3V da un segnale di sensore industriale a 24V.

1. Selezione del Dispositivo:Scegliere CNY17F-3 per un buon guadagno (CTR 100-200%) e alta immunità al rumore.
2. Lato Ingresso (Microcontrollore):Il pin GPIO pilota il LED tramite una resistenza limitatrice. Con V_{GPIO_HIGH}≈ 3.3V e I_Fobiettivo = 5mA: R_IN= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω. Usare 430Ω.
3. Lato Uscita (Interfaccia Sensore):Collegare il collettore del fototransistor all'alimentazione 24V tramite una resistenza di pull-up (R_L). L'emettitore si collega a massa. Scegliere R_Lper garantire che l'uscita saturi quando è acceso e fornisca un livello logico alto valido quando è spento. Con I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5mA = 7.5mA (tipico), e livello logico alto desiderato in uscita di ~20V quando spento: R_L≤ (24V - 20V) / (I_CEO). Con I_CEOmax ~50nA, quasi qualsiasi valore funziona per la dispersione. Per la velocità di commutazione, una resistenza da 10kΩ è un punto di partenza comune. L'uscita (nodo collettore) fornisce ora una copia isolata e invertita del segnale d'ingresso.

12. Principio di Funzionamento

Un fotocoupler funziona convertendo un segnale elettrico in luce, trasmettendolo attraverso una barriera isolante elettricamente e quindi riconvertendo la luce in un segnale elettrico. Nelle serie CNY17-X/F-X, una corrente elettrica (I_F) scorre attraverso il LED infrarosso, facendolo emettere fotoni. Questi fotoni attraversano un composto di stampaggio isolante trasparente e colpiscono la regione di base del fototransistor al silicio. L'energia dei fotoni genera coppie elettrone-lacuna nella base, creando una corrente di base che accende il transistor, permettendo il flusso di una corrente di collettore (I_C). Il rapporto I_C/I_Fè il CTR. Non esiste alcuna connessione elettrica tra ingresso e uscita, fornendo un isolamento galvanico determinato dalla rigidità dielettrica del composto di stampaggio e dalla spaziatura interna dei pin (creepage >7.6mm).

13. Tendenze Tecnologiche

La tecnologia dei fotocoupler continua a evolversi. Sebbene i coupler tradizionali basati su fototransistor come la serie CNY17 rimangano popolari per l'isolamento economico e generico, le tendenze si stanno spostando verso:

Velocità Maggiore:Sviluppo di coupler più veloci che utilizzano fotodiodi e amplificatori integrati (es. isolatori digitali) per la trasmissione dati multi-Mbps.

Integrazione Superiore:Combinazione di più canali di isolamento o integrazione dell'isolamento con altre funzioni come driver di gate o interfacce ADC in un unico package.

Affidabilità e Durata Migliorate:Concentrazione su materiali e progetti che minimizzano la degradazione del CTR nel tempo e con la temperatura.

Miniaturizzazione:Migrazione verso package a montaggio superficiale più piccoli (SOIC, SSOP) con le stesse o migliori classificazioni di isolamento. Le opzioni S e S1 della serie CNY17 riflettono questa tendenza verso l'assemblaggio a montaggio superficiale.