Scheda Tecnica Fototransistore Fotocoupler Serie EL20X/EL21X in Package SO-8 - Tensione di Isolamento 3750Vrms - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Le serie EL20X e EL21X sono famiglie di fotocoupler (isolatori ottici) basati su fototransistore, alloggiati in un package Small Outline Package (SOP) standard a 8 pin. Questi dispositivi forniscono isolamento elettrico tra due circuiti utilizzando un diodo a emissione di luce infrarossa (LED) per trasmettere un segnale a un rivelatore a fototransistore. La funzione principale è trasferire segnali elettrici attraverso una barriera di isolamento senza alcuna connessione elettrica diretta, impedendo così a tensioni elevate o rumore di propagarsi da un circuito all'altro.

Il vantaggio principale di questa serie risiede nella combinazione di un ingombro compatto e standard del settore SO-8 con prestazioni di isolamento robuste. Le caratteristiche chiave includono un'elevata tensione di isolamento di 3750 V_rms, un'ampia gamma di temperature operative da -55°C a +110°C e un'elevata tensione di breakdown collettore-emettitore (BV_CEO) di 80V. I dispositivi sono offerti in più gradi di rapporto di trasferimento di corrente (CTR), consentendo ai progettisti di selezionare un componente ottimizzato per i requisiti di guadagno della loro specifica applicazione. La conformità a standard ambientali e di sicurezza, come l'essere privi di alogeni, privi di Pb, conformi RoHS e con approvazione UL/cUL, li rende adatti a un'ampia gamma di applicazioni commerciali e industriali.

1.1 Applicazioni Target

Questi fotocoupler sono progettati per compiti di isolamento e commutazione generici nei sistemi elettronici. Le aree applicative tipiche includono:

• Circuiti di Controllo a Reazione:Isolare i segnali di feedback negli alimentatori a commutazione (SMPS) per mantenere la regolazione e proteggere l'IC di controllo.
• Interfacciamento di Sistemi:Accoppiare segnali digitali o analogici tra circuiti che operano a potenziali di massa o livelli di tensione diversi, come nell'interfacciamento di microcontrollori con azionamenti di motori o moduli I/O industriali.
• Commutazione Generica:Sostituire relè meccanici per una commutazione a stato solido e priva di rumore dei segnali.
• Circuiti di Monitoraggio e Rilevamento:Utilizzati nel monitoraggio di sicurezza, rilevamento guasti o sensing di linea dove l'isolamento è critico.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Questa sezione fornisce un'interpretazione dettagliata e oggettiva dei principali parametri elettrici e ottici specificati nella scheda tecnica.

2.1 Specifiche Assolute Massime

Queste specifiche 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 (I_F):60 mA (continua). La corrente diretta di picco (I_FM) è 1 A per un impulso molto breve (10 µs), rilevante per condizioni di sovratensione durante l'accensione.
• Tensione Inversa di Ingresso (V_R):6 V. Il LED di ingresso ha una tensione di breakdown inversa relativamente bassa; nella progettazione del circuito si deve evitare di applicare una polarizzazione inversa.
• Tensione Collettore-Emettitore di Uscita (V_CEO):80 V. Questa è la tensione massima che può essere sostenuta tra il collettore e l'emettitore del fototransistore quando la base è aperta (nessun ingresso di luce).
• Dissipazione di Potenza Totale (P_TOT):240 mW. Questa è la potenza combinata massima che può essere dissipata dal LED di ingresso e dal transistor di uscita. I limiti individuali sono 90 mW per l'ingresso (P_D) e 150 mW per l'uscita (P_C).
• Tensione di Isolamento (V_ISO):3750 V_rmsper 1 minuto. Questo è un parametro di sicurezza critico, testato applicando questa tensione CA tra tutti i pin di ingresso cortocircuitati (1-4) e tutti i pin di uscita cortocircuitati (5-8). Certifica la resistenza dielettrica dell'isolamento interno.
• Temperatura Operativa & di Stoccaggio:-55°C a +110°C (operativa), -55°C a +125°C (stoccaggio). L'ampio intervallo garantisce affidabilità in ambienti ostili.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri sono misurati in condizioni di test standard (Ta=25°C salvo diversa indicazione) e definiscono le prestazioni del dispositivo.

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (LED)

• Tensione Diretta (V_F):Tipicamente 1.3V, massimo 1.5V a I_F= 10 mA. Viene utilizzata per calcolare la resistenza di limitazione di corrente necessaria per il circuito di pilotaggio del LED.
• Corrente Inversa (I_R):Massimo 100 µA a V_R= 6V, indica la corrente di dispersione del LED nello stato di spegnimento.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita (Fototransistore)

• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (I_CEO):Massimo 50 nA a V_CE= 10V, I_F= 0mA. Questa è la corrente di dispersione del fototransistore quando non è presente luce incidente, importante per determinare il livello del segnale nello stato "spento".
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(sat)):Massimo 0.4V a I_F= 10mA, I_C= 2mA. Una bassa tensione di saturazione è desiderabile quando il dispositivo è usato come interruttore per minimizzare la caduta di tensione e la perdita di potenza.

2.2.3 Caratteristiche di Trasferimento

Il parametro più critico per un fotocoupler è il Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR).

• Definizione:CTR = (I_C/ I_F) * 100%, dove I_Cè la corrente di collettore del fototransistore e I_Fè la corrente diretta del LED. Rappresenta l'efficienza di conversione di una corrente di ingresso in una corrente di uscita.
• Sistema di Classificazione:La serie è suddivisa in specifici intervalli CTR, consentendo coerenza di progettazione.
  • Serie EL20X (CTR Standard a I_F=10mA):EL205 (40-80%), EL206 (63-125%), EL207 (100-200%), EL208 (160-320%).
  • Serie EL21X (CTR Minimo a I_F=10mA):EL211 (>20%), EL212 (>50%), EL213 (>100%).
  • CTR a Bassa Corrente (a I_F=1mA):Numeri di parte diversi (EL215, EL216, EL217) sono specificati per il funzionamento a correnti LED inferiori, mostrando che il CTR dipende da I_F.
• Velocità di Commutazione:Il tempo di accensione tipico (t_on) e il tempo di spegnimento (t_off) sono ciascuno 3.0 µs, con tempo di salita (t_r) di 1.6 µs e tempo di discesa (t_f) di 2.2 µs in condizioni di test specificate (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Questi parametri limitano la frequenza massima del segnale che può essere trasmessa.
• Parametri di Isolamento:La resistenza di isolamento (R_IO) è tipicamente 10¹¹Ω, e la capacità ingresso-uscita (C_IO) è tipicamente 0.5 pF. Una bassa capacità è cruciale per mantenere un'elevata immunità ai transienti di modo comune (CMTI) in ambienti rumorosi.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

Sebbene l'estratto PDF fornito menzioni curve caratteristiche tipiche ma non le visualizzi, il loro scopo generale e impatto sulla progettazione sono spiegati di seguito.

3.1 Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR) vs. Corrente Diretta (I_F)

Una curva tipica mostrerebbe che il CTR non è costante. Solitamente raggiunge un picco a un valore specifico di I_F(spesso nell'intervallo di 1-10 mA per tali dispositivi) e diminuisce sia a correnti inferiori che superiori. I progettisti devono consultare questa curva per selezionare un punto operativo ottimale che fornisca guadagno e linearità sufficienti per la loro applicazione.

3.2 CTR vs. Temperatura

Il CTR ha un coefficiente di temperatura negativo; diminuisce all'aumentare della temperatura ambiente. Questa caratteristica è critica per progetti che operano nell'intero intervallo da -55°C a +110°C. Il circuito deve essere progettato per garantire un funzionamento corretto (ad es., sufficiente escursione di uscita o capacità di commutazione) alla massima temperatura prevista, dove il CTR è al minimo.

3.3 Corrente di Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore

Questo insieme di curve, parametrizzate da diversi valori di I_F, mostra le caratteristiche di uscita del fototransistore. Illustra la regione di saturazione (dove V_CEè bassa e I_Cè controllata principalmente da I_F) e la regione attiva/lineare. Ciò è essenziale per progettare amplificatori di isolamento lineari o per garantire che il dispositivo sia completamente saturo quando usato come interruttore.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Configurazione dei Pin

Il package SOP a 8 pin ha la seguente assegnazione dei pin:Pin 1:Anodo,Pin 2:Catodo,Pin 3, 4, 8:Nessuna Connessione (NC),Pin 5:Emettitore,Pin 6:Collettore,Pin 7:Base. Il pin di base è portato esternamente, il che fornisce flessibilità di progettazione. Può essere lasciato aperto per la massima sensibilità, collegato all'emettitore attraverso una resistenza per ridurre la sensibilità e migliorare la velocità di commutazione, o utilizzato per il feedback in configurazioni specifiche.

4.2 Dimensioni del Package e Layout PCB

Il dispositivo è conforme all'impronta standard SO-8. La scheda tecnica include disegni meccanici dettagliati con dimensioni in millimetri. Viene fornito anche un layout consigliato dei pad per l'assemblaggio a montaggio superficiale. Seguire questo land pattern è cruciale per ottenere giunzioni saldate affidabili e prevenire problemi come il tombstoning durante il reflow. Il contorno del package garantisce la compatibilità con le attrezzature automatiche pick-and-place.

5. Linee Guida per la Saldatura e l'Assemblaggio

La specifica assoluta massima per la temperatura di saldatura è 260°C per 10 secondi. Questo è un valore tipico per i processi di saldatura a rifusione senza piombo (Pb-free). Dovrebbero essere seguite le linee guida standard IPC/JEDEC J-STD-020 per i livelli di sensibilità all'umidità (MSL) e i profili di reflow. I dispositivi devono essere conservati nelle loro originali buste barriera all'umidità fino all'uso. Se esposti all'umidità ambientale oltre il loro rating MSL, è richiesta una cottura prima della saldatura per prevenire danni da "popcorning" durante il reflow.

6. Imballaggio e Informazioni d'Ordine

6.1 Regola di Numerazione del Modello

Il numero di parte segue il formato:EL2XX(Y)-V

• XX:Numero di parte (05, 06, 07, 08, 11, 12, 13, 15, 16, 17). Definisce il grado CTR.
• Y:Opzione nastro e bobina (TA, TB, o nessuna per imballaggio in tubo).
• V:Suffisso opzionale che indica l'inclusione dell'approvazione di sicurezza VDE.

6.2 Opzioni di Imballaggio

• Tubo:100 unità per tubo. Adatto per prototipazione o assemblaggio manuale a basso volume.
• Nastro e Bobina:2000 unità per bobina. Progettato per linee di assemblaggio automatico ad alto volume. La scheda tecnica include specifiche dettagliate di nastro e bobina (dimensioni delle tasche, larghezza del nastro, diametro della bobina).

6.3 Marcatura del Dispositivo

La parte superiore del package è marcata con "EL" (codice produttore), il numero di parte (es., 207), un codice a 1 cifra per l'anno (Y) e un codice a 2 cifre per la settimana (WW). Può essere presente una "V" opzionale per le versioni approvate VDE. Questa marcatura consente la tracciabilità e la verifica del componente.

7. Considerazioni per la Progettazione dell'Applicazione

7.1 Pilotaggio del LED di Ingresso

Il LED deve essere pilotato con una resistenza di limitazione di corrente. Il valore è calcolato come R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Utilizzare il V_Fmassimo dalla scheda tecnica per garantire che la I_Fminima richiesta sia raggiunta in tutte le condizioni. Per la commutazione digitale, assicurarsi che il circuito di pilotaggio possa fornire la I_Fnecessaria per raggiungere lo stato di uscita desiderato entro il tempo richiesto, considerando la velocità di commutazione del dispositivo.

7.2 Progettazione del Circuito di Uscita

La resistenza di carico (R_L) collegata tra il collettore e V_CCdetermina l'escursione della tensione di uscita e la velocità di commutazione. Una R_Lpiù piccola fornisce una commutazione più veloce (a causa della costante di tempo RC più piccola) ma risulta in un'escursione di tensione di uscita minore e una dissipazione di potenza maggiore. Una R_Lpiù grande fornisce un'escursione maggiore ma una velocità inferiore. La I_Fscelta e il CTR devono garantire che il fototransistore possa assorbire corrente sufficiente per portare la tensione di uscita al di sotto della soglia logica bassa del circuito ricevente quando è acceso.

7.3 Utilizzo del Pin di Base

Lasciare il pin di base (Pin 7) aperto fornisce il CTR e la sensibilità più elevati. Collegare una resistenza (tipicamente nell'intervallo di 100 kΩ a 1 MΩ) tra la base e l'emettitore (Pin 5) devia parte della corrente di base fotogenerata, riducendo il guadagno effettivo (CTR) ma migliorando significativamente la velocità di commutazione, specialmente il tempo di spegnimento (t_off). Questo è un comune compromesso nelle applicazioni di isolamento digitale ad alta velocità.

7.4 Garantire un Isolamento Affidabile

Per mantenere la tensione di isolamento nominale, un layout PCB corretto è essenziale. Mantenere adeguate distanze di isolamento superficiale e in aria sul PCB tra le tracce di rame del lato di ingresso e del lato di uscita, come specificato dagli standard di sicurezza pertinenti (es., IEC 60950, IEC 60601). La barriera di isolamento all'interno del componente stesso è certificata, ma il layout PCB non deve comprometterla.

8. Confronto Tecnico e Guida alla Selezione

La serie EL20X/EL21X si distingue per la sua elevata tensione di isolamento di 3750V_rmsin un package SO-8 standard, che è superiore a molti fotocoupler basici a 4 pin. Rispetto agli isolatori digitali più avanzati (che utilizzano tecnologia CMOS), i fotocoupler a fototransistore come questi sono generalmente più lenti, hanno un CTR inferiore e il CTR si degrada nel tempo. Tuttavia, offrono un'eccellente reiezione di modo comune, semplicità e robustezza per l'isolamento di segnali CC e CA a bassa frequenza. I criteri di selezione chiave sono: tensione di isolamento richiesta, CTR necessario alla I_Foperativa, velocità di commutazione accettabile e intervallo di temperatura operativa.

9. Domande Frequenti (FAQ)

9.1 Qual è la differenza tra le serie EL20X e EL21X?

La serie EL20X (EL205-EL208) specifica il CTR con sia un valore minimo che massimo (un intervallo "binato"), offrendo un controllo dei parametri più stretto. La serie EL21X (EL211-EL213) specifica solo un valore CTR minimo, il che può risultare in una distribuzione più ampia dei valori effettivi ma potenzialmente a un costo inferiore.

9.2 In che modo la temperatura influisce sulle prestazioni?

Il CTR diminuisce all'aumentare della temperatura. Per un funzionamento affidabile su tutto l'intervallo di temperatura, i calcoli di progetto dovrebbero utilizzare il CTR minimo previsto alla massima temperatura operativa. La scheda tecnica fornisce tipicamente curve di derating o un coefficiente di temperatura per questo scopo.

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

Sì, ma con limitazioni. La risposta del fototransistore è non lineare e il CTR varia con I_Fe temperatura. Per l'isolamento analogico lineare, è necessaria una circuiteria esterna aggiuntiva (amplificatori operazionali, feedback) per linearizzare la risposta, oppure dovrebbe essere considerato un fotocoupler lineare dedicato.

9.4 Qual è lo scopo dell'opzione "V" nel numero di parte?

Il suffisso "-V" indica che l'unità specifica è stata testata e certificata per soddisfare lo standard di sicurezza VDE (Verband der Elektrotechnik) per l'isolamento rinforzato. Questo è spesso un requisito per i prodotti venduti nel mercato europeo.

10. Esempio Pratico di Progettazione

Scenario:Isolare un pin GPIO di un microcontrollore a 3.3V per controllare una bobina di relè a 12V su un circuito separato. La bobina del relè richiede 50mA per attivarsi.

Passaggi di Progettazione:

1. Selezione dell'Interfaccia:Utilizzare il fotocoupler come interruttore a bassa per il relè. Il microcontrollore pilota il lato LED. Il fototransistore assorbirà la corrente della bobina del relè.
2. Selezione del Componente:Scegliere un componente con CTR sufficiente. I_Crichiesta = 50mA. Se si punta a I_F= 5mA dal MCU, CTR minimo richiesto = (50mA / 5mA)*100% = 1000%. Un fototransistore standard non può fornire questo. Pertanto, il fotocoupler deve pilotare un piccolo transistor (un "post-transistor") che poi pilota il relè. Selezionare un EL207 (CTR 100-200%) per un buon guadagno.
3. Circuito di Ingresso:GPIO MCU (3.3V) -> Resistenza di limitazione R1 -> Pin 1 (Anodo) e 2 (Catodo) di EL207. R1 = (3.3V - 1.5V) / 0.005A = 360Ω (usare 330Ω standard).
4. Circuito di Uscita:Alimentazione 12V -> Bobina relè -> Collettore (Pin 6) di EL207. Emettitore (Pin 5) a massa. Un diodo di ricircolo deve essere posto in parallelo inverso alla bobina del relè per proteggere il fototransistore dai picchi di tensione quando si spegne. Una resistenza base-emettitore (es., 1 MΩ) può essere aggiunta al Pin 7 per migliorare la velocità di spegnimento.
5. Verifica:A I_F=5mA, un CTR minimo del 100% dà I_C= 5mA. Questo è sufficiente per saturare un piccolo BJT (es., 2N3904) con alto guadagno, che può poi commutare la bobina del relè da 50mA.

11. Principio di Funzionamento

Un fotocoupler consiste di due componenti principali alloggiati in un package a tenuta di luce. Sul lato di ingresso, un diodo a emissione di luce all'arseniuro di gallio (GaAs) infrarosso (LED) converte la corrente elettrica in luce infrarossa. L'intensità di questa luce è direttamente proporzionale alla corrente diretta (I_F) che scorre attraverso il LED. Questa luce attraversa un gap di isolamento trasparente (spesso riempito con un gel dielettrico) e colpisce il fototransistore al silicio sul lato di uscita. La regione di base del fototransistore è progettata per essere sensibile a questa specifica lunghezza d'onda della luce. I fotoni incidenti generano coppie elettrone-lacuna nella giunzione base-collettore, creando una fotocorrente che agisce come corrente di base. Questa corrente di base fotogenerata viene poi amplificata dal guadagno di corrente del transistor (h_FE), risultando in una corrente di collettore molto più grande (I_C). Il rapporto I_C/I_Fè il Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR). Il punto chiave è che il segnale è trasferito dalla luce, fornendo un isolamento galvanico determinato dalle proprietà fisiche del materiale isolante interno e dalla distanza tra il LED e il transistor.

12. Tendenze Tecnologiche

I fotocoupler basati su fototransistore come l'EL20X/EL21X rappresentano una tecnologia di isolamento matura e affidabile. Le tendenze attuali nell'isolamento dei segnali includono la crescente adozione diisolatori digitalibasati su tecnologia CMOS e accoppiamento RF o capacitivo. Questi offrono vantaggi significativi in velocità (fino a centinaia di Mbps), consumo energetico, dimensioni e longevità (nessuna degradazione del LED). Tuttavia, i fotocoupler tradizionali mantengono posizioni forti in applicazioni che richiedono tensioni di isolamento molto elevate (>5kV), eccellente immunità ai transienti di modo comune (CMTI), semplicità e convenienza per l'isolamento CC e a bassa frequenza. C'è anche uno sviluppo continuo nella tecnologia dei fotocoupler stessi, come l'integrazione del fototransistore con una resistenza base-emettitore per una velocità maggiore (come si vede nella disponibilità del pin di base) e lo sviluppo di package con distanze di isolamento superficiale/in aria più elevate per requisiti di isolamento rinforzato.