Scheda Tecnica Fotocoupler Serie EL3H4-G - Package SSOP a 4 Pin - Ingresso AC - Isolamento 3750Vrms - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie EL3H4-G è una famiglia di fotocoupler a fototransistor con ingresso AC, progettata per applicazioni che richiedono isolamento elettrico e trasmissione di segnale da sorgenti AC o DC a polarità sconosciuta. Il dispositivo è alloggiato in un compatto package a montaggio superficiale a 4 pin (SSOP), rendendolo adatto per progetti PCB con vincoli di spazio.

Il componente principale è costituito da due diodi a emissione di luce infrarossa (LED) collegati in parallelo inverso. Questa configurazione consente all'ingresso di accettare segnali di corrente alternata (AC), poiché un diodo conduce durante ogni semiperiodo della forma d'onda di ingresso. La luce infrarossa emessa è accoppiata otticamente a un fototransistor al silicio, che fornisce il segnale di uscita isolato. L'intero assemblaggio è incapsulato con un composto verde, privo di alogeni.

1.1 Vantaggi Principali

• Capacità di Ingresso AC:La configurazione a LED in parallelo inverso consente l'interfacciamento diretto con sorgenti di segnale AC senza la necessità di circuiti di raddrizzamento esterni.
• Alta Tensione di Isolamento:Fornisce un isolamento di sicurezza di 3750 V_rmstra il lato di ingresso e quello di uscita, cruciale per proteggere circuiti sensibili da transitori ad alta tensione.
• Fattore di Forma Compatto:Il package SSOP offre un ingombro ridotto, ideale per assemblaggi elettronici moderni ad alta densità.
• Conformità Ambientale:Il dispositivo è privo di alogeni e conforme a direttive ambientali rilevanti come RoHS e REACH.
• Approvazioni di Sicurezza:Il prodotto possiede le approvazioni delle principali agenzie di sicurezza internazionali, tra cui UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC.

1.2 Applicazioni Target

Questo fotocoupler è progettato per l'uso in una varietà di applicazioni industriali e di comunicazione dove sono richiesti isolamento affidabile e rilevamento di segnali AC.

• Monitoraggio Linea AC:Rilevamento della presenza o assenza della tensione di rete AC in alimentatori, elettrodomestici e apparecchiature industriali.
• Controllori a Logica Programmabile (PLC):Fornitura di canali di ingresso digitale isolati per il sensing di segnali AC da sensori e interruttori.
• Interfaccia Linea Telefonica:Isolamento di circuiti di rilevamento di segnale di chiamata o di sollevamento della cornetta nelle apparecchiature di telecomunicazione.
• Sensing DC a Polarità Sconosciuta:Interfacciamento con segnali DC dove la polarità non è fissa o nota in anticipo.

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. Non sono intesi per condizioni operative normali.

• Corrente Diretta di Ingresso (I_F):±50 mA (continua). Il segno ± indica la capacità AC/bidirezionale.
• Corrente Diretta di Picco (I_FM):1 A per una breve durata di impulso di 10 µs. Questo valore è importante per resistere a correnti di sovratensione brevi.
• Tensione Collettore-Emettitore (V_CEO):80 V. Questa è la tensione massima che può essere applicata attraverso il fototransistor di uscita.
• Dissipazione di Potenza Totale (P_TOT):200 mW. Questa è la potenza combinata massima che il dispositivo può dissipare dai lati di ingresso e uscita.
• Tensione di Isolamento (V_ISO):3750 V_rmsper 1 minuto. Questo valore di tenuta ad alta tensione è un parametro di sicurezza chiave.
• Temperatura Operativa (T_OPR):-55°C a +100°C. L'ampio intervallo garantisce un funzionamento affidabile in ambienti ostili.
• Temperatura di Saldatura (T_SOL):260°C per 10 secondi, conforme ai tipici profili di saldatura a rifusione senza piombo.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri definiscono le prestazioni elettriche e ottiche del dispositivo in condizioni di test specificate (tipicamente a T_a= 25°C).

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso

• Tensione Diretta (V_F):Tipicamente 1.2V, con un massimo di 1.4V a una corrente diretta di ±20 mA. Questa bassa caduta di tensione è vantaggiosa per circuiti a basso consumo.
• Capacità di Ingresso (C_in):Tipicamente 50 pF, massimo 250 pF. Questo parametro influenza la risposta in alta frequenza del lato di ingresso.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita

• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (I_CEO):Massimo 100 nA a V_CE=20V con I_F=0. Questa è la corrente di dispersione del fototransistor quando non è presente luce.
• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (BV_CEO):Minimo 80V. Ciò garantisce che l'uscita possa gestire tipici livelli logici o di media tensione.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(sat)):Tipicamente 0.1V, massimo 0.2V a I_F=±20mA e I_C=1mA. Una bassa tensione di saturazione è desiderabile per gli stadi di uscita che pilotano ingressi logici.

2.2.3 Caratteristiche di Trasferimento

Questi parametri definiscono l'efficienza e la qualità del trasferimento del segnale dall'ingresso all'uscita.

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR):Questo è il rapporto tra la corrente di collettore in uscita (I_C) e la corrente diretta di ingresso (I_F), espresso in percentuale. È il parametro chiave per il guadagno. La serie EL3H4-G è offerta in diverse classi CTR:
  • EL3H4:CTR min. 20% a max. 300% a I_F= ±1 mA, V_CE= 5V.
  • EL3H4A:CTR min. 50% a max. 150%.
  • EL3H4B:CTR min. 100% a max. 300%.
  La selezione consente ai progettisti di scegliere il guadagno appropriato per la loro applicazione, bilanciando sensibilità e potenziale saturazione.
• Simmetria CTR:Rapporto tra CTR misurato con I_Fpositivo e CTR misurato con I_Fnegativo. Specificato tra 0.5 e 2.0. Un valore vicino a 1.0 indica una buona simmetria nella risposta AC dei due LED di ingresso.
• Resistenza di Isolamento (R_IO):Minimo 5×10¹⁰Ω, tipico 10¹¹Ω a 500V DC. Questa resistenza estremamente alta è fondamentale per mantenere l'integrità dell'isolamento.
• Capacità Flottante (C_IO):Tipicamente 0.6 pF, massimo 1.0 pF. Questa bassa capacità minimizza l'accoppiamento capacitivo attraverso la barriera di isolamento, importante per il rigetto del rumore di modo comune ad alta frequenza.
• Tempi di Commutazione:Sia il tempo di salita (t_r) che il tempo di discesa (t_f) hanno un valore massimo di 18 µs nelle condizioni di test specificate (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Questi tempi definiscono la velocità del dispositivo e la sua idoneità per segnali a diverse frequenze.

3. Spiegazione del Sistema di Classificazione

La serie EL3H4-G utilizza un sistema di classificazione basato principalmente sul Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR).

• Grado Standard (Nessun suffisso):Offre l'intervallo CTR più ampio (20-300%), adatto per applicazioni generiche dove il guadagno preciso non è critico.
• Grado A (Suffisso 'A'):Fornisce un intervallo CTR più stretto, di medio livello (50-150%), offrendo prestazioni più prevedibili.
• Grado B (Suffisso 'B'):Fornisce un intervallo CTR stretto e alto (100-300%), ideale per applicazioni che richiedono alta sensibilità e guadagno, come il rilevamento di segnali deboli.

Questo binning consente ai produttori di ottimizzare i loro progetti per la coerenza o di selezionare componenti per specifici requisiti di sensibilità.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a tipiche curve delle caratteristiche elettro-ottiche. Sebbene i grafici specifici non siano dettagliati nel testo fornito, tipicamente includono i seguenti, cruciali per la progettazione:

• CTR vs. Corrente Diretta (I_F):Mostra come il rapporto di trasferimento cambia con il livello di corrente di ingresso. Il CTR spesso diminuisce a I_Fmolto alte a causa del calo di efficienza del LED.
• CTR vs. Temperatura:Illustra la dipendenza dalla temperatura della sensibilità del dispositivo. Il CTR generalmente diminuisce all'aumentare della temperatura.
• Tensione Diretta (V_F) vs. Corrente Diretta (I_F):La curva caratteristica IV del diodo.
• Corrente di Collettore in Uscita (I_C) vs. Tensione Collettore-Emettitore (V_CE):Le caratteristiche di uscita del fototransistor per diversi livelli di luce in ingresso (I_F).
• Tempo di Commutazione vs. Resistenza di Carico (R_L):Mostra come i tempi di salita e discesa sono influenzati dalla resistenza di carico scelta sull'uscita.

I progettisti dovrebbero consultare queste curve per comprendere il comportamento del dispositivo in condizioni non standard e per ottimizzare parametri come la corrente di ingresso e la resistenza di carico per ottenere la velocità e l'escursione di uscita desiderate.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

5.1 Configurazione dei Pin

Il package SSOP a 4 pin ha il seguente pinout:

1. Pin 1:Anodo di un LED / Catodo dell'altro (a causa del collegamento in parallelo inverso).
2. Pin 2:Catodo del primo LED / Anodo del secondo.
3. Pin 3:Emettitore del fototransistor.
4. Pin 4:Collettore del fototransistor.

Questa configurazione significa che l'ingresso AC è applicato tra i Pin 1 e 2, e l'uscita è presa dai Pin 3 e 4 (tipicamente con il Pin 3 come comune/massa).

5.2 Dimensioni del Package e Layout PCB

La scheda tecnica include disegni meccanici dettagliati per il package SSOP. Le dimensioni chiave includono le dimensioni del corpo, il passo dei terminali e l'altezza di distacco. Viene fornito anche un layout consigliato per i pad per il montaggio superficiale, con la nota che è di riferimento e dovrebbe essere modificato in base a specifici processi di produzione PCB e requisiti termici. Un corretto design dei pad è essenziale per una saldatura affidabile e la resistenza meccanica.

6. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

6.1 Profilo di Saldatura a Rifusione

Il dispositivo è compatibile con processi di saldatura a rifusione senza piombo. Il profilo di temperatura massima del corpo consigliato si basa su IPC/JEDEC J-STD-020D:

• Preriscaldamento:Da 150°C a 200°C in 60-120 secondi.
• Tempo Sopra Liquido (T_L=217°C):60-100 secondi.
• Temperatura di Picco (T_P):Massimo 260°C.
• Tempo entro 5°C dal Picco:Massimo 30 secondi.
• Cicli di Rifusione Massimi: 3.

Rispettare questo profilo previene danni termici al package plastico e ai bonding interni.

6.2 Precauzioni

• Evitare di esporre il dispositivo a temperature superiori ai valori massimi assoluti durante la manipolazione e la saldatura.
• Assicurarsi che la barriera di isolamento non sia compromessa da contaminazione (es. flussante, detriti) tra il lato di ingresso e quello di uscita del package.
• Seguire le precauzioni standard ESD (Scarica Elettrostatica) durante la manipolazione, poiché i LED e i transistor interni sono sensibili all'elettricità statica.

7. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

7.1 Regola di Numerazione del Modello

Il numero di parte segue il formato:EL3H4(Y)(Z)-VG

• EL3H4:Numero di parte base.
• Y:Classe CTR (A, B, o vuoto per standard).
• Z:Opzione nastro e bobina (TA, TB, EA, EB, o vuoto per tubo). Le bobine TA/TB contengono 5000 unità; le bobine EA/EB contengono 1000 unità. La differenza tra le opzioni A e B tipicamente riguarda la larghezza del nastro o la direzione di alimentazione.
• V:Suffisso opzionale che indica che il componente ha l'approvazione VDE.
• G:Indica materiale privo di alogeni.

Esempio: EL3H4A-TA-VG è un componente di grado 'A', fornito su bobina TA da 5000 unità, con approvazione VDE, ed è privo di alogeni.

7.2 Specifiche di Imballaggio

Il dispositivo può essere fornito in tubi (150 unità) o su nastro e bobina. Vengono fornite le dimensioni dettagliate del nastro (dimensione tasca, passo, larghezza nastro) per la compatibilità con apparecchiature automatiche pick-and-place.

7.3 Marcatura del Dispositivo

La parte superiore del package è marcata con un codice:EL 3H4 RYWWV

• EL:Codice del produttore.
• 3H4:Numero del dispositivo.
• R:Classe CTR (A, B, o vuoto).
• Y:Codice anno a 1 cifra.
• WW:Codice settimana a 2 cifre.
• V:Marchio di approvazione VDE (se presente).

8. Considerazioni di Progettazione per l'Applicazione

8.1 Progettazione del Circuito di Ingresso

Per il funzionamento AC, una resistenza limitatrice di corrente deve essere posta in serie con i pin di ingresso (1 e 2). Il suo valore deve essere calcolato in base alla tensione di ingresso di picco e alla corrente diretta desiderata (I_F), assicurando che I_Fnon superi il valore nominale continuo di 50 mA. Ad esempio, per pilotare l'ingresso da una linea AC di 120V_rms, la resistenza deve limitare la corrente di picco (≈170V / R). Considerare la potenza nominale e la capacità di tenuta di tensione di questa resistenza.

8.2 Progettazione del Circuito di Uscita

Il fototransistor di uscita può essere utilizzato in configurazione emettitore comune (resistenza di carico tra V_CCe Collettore, Emettitore a massa) o come interruttore. Il valore della resistenza di carico (R_L) influenza:

Escursione di Tensione in Uscita:Una R_Lpiù alta fornisce una caduta di tensione maggiore per una data I_C.

Velocità di Commutazione:Una R_Lpiù alta aumenta la costante di tempo RC, rallentando i tempi di salita e discesa (come indicato dalla specifica t_r/t_fcon R_L=100Ω).

Spesso è necessaria una resistenza di pull-up se si pilota un ingresso logico. Assicurarsi che la tensione di uscita nello stato 'on' (V_CE(sat)) sia sufficientemente bassa per essere riconosciuta come un logico '0'.

8.3 Garantire un Isolamento Affidabile

Per mantenere l'isolamento specificato di 3750V_rms, il layout PCB è critico. Mantenere adeguate distanze di isolamento superficiale e d'aria sulla scheda tra le piste e i pad associati al lato di ingresso (Pin 1,2) e al lato di uscita (Pin 3,4). Ciò spesso significa fornire uno slot fisico o un'ampia separazione nel PCB sotto il corpo del dispositivo. Evitare di far correre piste di ingresso e uscita parallele e vicine tra loro.

9. Confronto Tecnico e Differenziazione

Le principali caratteristiche distintive della serie EL3H4-G rispetto ai fotocoupler standard a ingresso DC sono:

• Ingresso AC Integrato:Elimina la necessità di raddrizzatori a ponte esterni o doppi fotocoupler per gestire segnali AC, risparmiando spazio su scheda e numero di componenti.
• Simmetria CTR:Un parametro specificato che garantisce una risposta bilanciata su entrambi i semiperiodi AC, che non è una preoccupazione per i dispositivi a ingresso DC.
• Costruzione Priva di Alogeni:Soddisfa rigorosi requisiti ambientali che potrebbero non essere soddisfatti da tutti i modelli di fotocoupler più vecchi.

Rispetto ad altri fotocoupler a ingresso AC, i suoi vantaggi risiedono nella combinazione di alta tensione di isolamento, compatto package SSOP e disponibilità di più classi CTR.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D1: Posso usarlo per rilevare direttamente la rete AC a 230V?

R: Sì, ma è necessario utilizzare un'appropriata resistenza limitatrice di corrente esterna in serie con l'ingresso per mantenere la corrente diretta entro il limite di 50mA. La resistenza deve anche essere nominale per l'alta tensione e la dissipazione di potenza.

D2: Qual è la differenza tra i gradi standard, A e B?

R: La differenza è il Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR) minimo e massimo garantito. Il grado B ha la sensibilità minima più alta (100%), rendendolo adatto per rilevare segnali più deboli. Il grado A offre un intervallo più moderato e prevedibile. Il grado standard ha l'intervallo più ampio, offrendo un uso generico conveniente.

D3: Quanto è veloce questo dispositivo? Può essere usato per la comunicazione?

R: Con tempi di salita/discesa tipici fino a 18 µs, la larghezza di banda è limitata a circa decine di kHz. È adatto per rilevare la frequenza di rete AC (50/60 Hz), segnali digitali lenti o rilevamento di stato nei PLC, ma non è progettato per comunicazioni dati ad alta velocità come gli isolatori digitali.

D4: Perché la resistenza di isolamento è così alta (10^11 Ω)?

R: Questa resistenza estremamente alta minimizza la corrente di dispersione attraverso la barriera di isolamento. Ciò è cruciale per la sicurezza, prevenendo il flusso di correnti pericolose tra circuiti isolati, e per l'integrità del segnale in applicazioni di misurazione di precisione.

11. Esempio Pratico di Progettazione

Scenario: Rilevatore Isolato di Presenza Linea AC 120V.

Obiettivo:Fornire un segnale logico basso a 3.3V a un microcontrollore quando è presente AC 120V.

Passi di Progettazione:

1. Calcolo della Resistenza di Ingresso:Per 120V_rms, la tensione di picco è ~170V. Per limitare I_Fa un sicuro 10mA (ben al di sotto di 50mA), R_limit= 170V / 0.01A = 17kΩ. Utilizzare una resistenza standard da 18kΩ, 1/2W o con potenza nominale superiore.

2. Circuito di Uscita:Collegare il Collettore del fototransistor (Pin 4) all'alimentazione 3.3V del microcontrollore tramite una resistenza di pull-up (es. 10kΩ). Collegare l'Emettitore (Pin 3) a massa. Il nodo Collettore si collega a un pin di ingresso digitale sul microcontrollore.

3. Funzionamento:Quando è presente AC, l'uscita del fotocoupler si attiva durante ogni semiperiodo, portando la tensione del Collettore vicino a V_CE(sat)(~0.2V), che viene letta come un logico '0'. Quando l'AC è assente, il fototransistor è spento e la resistenza di pull-up porta la tensione del Collettore a 3.3V (logico '1'). Il software potrebbe dover eseguire un debounce di questo segnale a causa degli attraversamenti dello zero a 50/60 Hz.

12. Principio di Funzionamento

L'EL3H4-G opera sul principio dell'accoppiamento optoelettronico. Un segnale elettrico applicato al lato di ingresso fa sì che i LED infrarossi emettano luce proporzionale alla corrente. Questa luce attraversa una barriera di isolamento trasparente all'interno del package. Sul lato di uscita, la luce colpisce la regione di base di un fototransistor al silicio, generando coppie elettrone-lacuna. Questa fotocorrente agisce come corrente di base, facendo condurre al transistor una corrente di collettore molto più grande, replicando così il segnale di ingresso sul lato di uscita isolato. La configurazione a LED in parallelo inverso consente alla corrente di fluire e alla luce di essere emessa durante entrambe le polarità di un segnale di ingresso AC.

13. Tendenze Tecnologiche

Fotocoupler come l'EL3H4-G rappresentano una tecnologia di isolamento matura e affidabile. Le tendenze attuali nel campo dell'isolamento del segnale includono:

Integrazione:Combinazione di più canali di isolamento o integrazione di funzioni aggiuntive (come driver o protezione) in un unico package.

Maggiore Velocità:Sviluppo di fotocoupler con tempi di commutazione più rapidi per applicazioni di comunicazione digitale, sebbene siano generalmente più lenti delle tecnologie basate su accoppiamento capacitivo o magnetico.

Standard di Sicurezza Rafforzati:Evoluzione continua degli standard di sicurezza internazionali (UL, VDE, IEC) che guidano i requisiti per tensioni di lavoro più elevate, isolamento rinforzato e metriche di affidabilità migliorate.

Scienza dei Materiali:Sviluppo di nuovi composti di incapsulamento con migliore stabilità termica, resistenza all'umidità e trasparenza ottica per migliorare le prestazioni e la longevità.