Scheda Tecnica Serie ELW137 - Fotocoupler Logico ad Alta Velocità 10Mbit/s in Package DIP 8 Pin Wide Body

1. Panoramica del Prodotto

Le serie ELW137, ELW2601 ed ELW2611 sono fotocoupler (isolatori ottici) logici ad alta velocità, progettati per applicazioni che richiedono un isolamento rapido dei segnali digitali. Il componente principale è un diodo emettitore a infrarossi accoppiato otticamente a un fotorivelatore integrato ad alta velocità con uscita a porta logica. Il dispositivo è confezionato in un package Dual In-line (DIP) a 8 pin wide body, standard del settore, e sono disponibili opzioni per il montaggio superficiale (SMD). La funzione primaria è fornire isolamento elettrico tra i circuiti di ingresso e uscita, trasmettendo segnali logici digitali a velocità fino a 10 Megabit al secondo (Mbit/s).

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

I vantaggi chiave di questa serie includono la sua capacità ad alta velocità, che la rende adatta per interfacce di comunicazione digitale moderne. Offre un'alta tensione di isolamento di 5000 V_rms, migliorando la sicurezza del sistema e l'immunità al rumore. Il dispositivo è progettato per garantire le prestazioni in un ampio intervallo di temperature industriali da -40°C a +85°C. Possiede le principali approvazioni di sicurezza internazionali (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) ed è conforme alle direttive UE REACH e RoHS. I mercati target includono automazione industriale, telecomunicazioni, periferiche informatiche, apparecchiature medicali e alimentatori a commutazione, dove un isolamento del segnale affidabile è fondamentale.

2. Approfondimento dei Parametri Tecnici

Questa sezione fornisce un'interpretazione oggettiva dei principali parametri elettrici e di prestazione elencati nella scheda tecnica.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non sono per le condizioni operative normali.

• Corrente Diretta di Ingresso (I_F): 50 mA. Superare questo valore può distruggere il LED di ingresso.
• Tensione Inversa (V_R): 5 V. Il diodo di ingresso ha una tolleranza limitata alla tensione inversa.
• Tensione di Alimentazione (V_CC) e Tensione di Uscita (V_O): 7,0 V. Questo definisce la tensione massima applicabile ai pin di alimentazione e segnale sul lato uscita.
• Tensione di Isolamento (V_ISO): 5000 V_rmsper 1 minuto. Questo è un parametro di sicurezza chiave che indica la rigidità dielettrica tra il lato di ingresso e quello di uscita.
• Temperatura Operativa (T_OPR): da -40°C a +85°C. Il dispositivo è classificato per ambienti industriali.
• Temperatura di Saldatura (T_SOL): 260°C per 10 secondi. Questo è importante per i processi di assemblaggio PCB.

2.2 Caratteristiche Elettriche

Questi sono parametri garantiti in condizioni di test specificate, nell'intervallo di temperatura operativa.

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso

• Tensione Diretta (V_F): Tipicamente 1,4V, massimo 1,8V a I_F=10mA. Questo valore è utilizzato per progettare il circuito limitatore di corrente di ingresso.
• Capacità di Ingresso (C_IN): Tipicamente 70 pF. Questo influisce sulla risposta in alta frequenza dello stadio di ingresso.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita e di Trasferimento

• Correnti di Alimentazione (I_CCH, I_CCL): Il circuito integrato di uscita assorbe 6,5-10mA (uscita alta) e 8-13mA (uscita bassa). Questo determina il requisito di potenza sul lato uscita.
• Tensione di Uscita a Livello Basso (V_OL): Massimo 0,6V quando assorbe 13mA. Ciò garantisce la compatibilità con ingressi logici TTL e CMOS a bassa tensione.
• Corrente di Soglia di Ingresso (I_FT): da 3,0 a 5,0 mA. Questa è la corrente minima del LED di ingresso richiesta per garantire un'uscita logica-bassa valida nelle condizioni peggiori. Il progetto dovrebbe utilizzare una corrente superiore al valore massimo.

2.3 Caratteristiche di Commutazione

Questi parametri definiscono le prestazioni temporali critiche per la trasmissione dati ad alta velocità.

• Ritardi di Propagazione (t_PHL, t_PLH): Massimo 100 ns ciascuno. Questo limita la velocità dati massima. La scheda tecnica specifica una capacità di 10 Mbit/s.
• Distorsione della Larghezza di Impulso |t_PHL- t_PLH|: Massimo 40 ns. Questa asimmetria può influenzare il duty cycle nei segnali trasmessi.
• Tempi di Salita/Discesa (t_r, t_f): t_rè tipicamente 40 ns, t_fè tipicamente 10 ns. Un tempo di discesa più rapido è comune in questi dispositivi.
• Immunità ai Transitori di Modo Comune (CMH, CML): Questo è un parametro critico per l'immunità al rumore. L'ELW2611 offre le prestazioni più elevate (10.000 - 20.000 V/µs), il che significa che può respingere picchi di tensione molto rapidi tra le masse di ingresso e uscita senza causare errori in uscita. L'ELW137 ha CMTI non specificato, mentre l'ELW2601 offre 5.000 V/µs.

3. Configurazione dei Pin e Descrizione Funzionale

Il dispositivo utilizza una configurazione DIP a 8 pin. I pin 1 e 4 non sono collegati (NC). Il lato di ingresso è composto dal Pin 2 (Anodo) e dal Pin 3 (Catodo) per il LED. Il lato di uscita include il Pin 5 (Massa), il Pin 6 (V_OUT- Uscita), il Pin 7 (V_E- Abilitazione) e il Pin 8 (V_CC- Tensione di Alimentazione). Il pin di abilitazione (V_E) controlla l'uscita. La tavola della verità mostra la logica: quando Abilitazione è Alto, l'uscita è l'inverso dell'ingresso (attivo-basso). Quando Abilitazione è Basso, l'uscita è forzata Alto indipendentemente dall'ingresso. La scheda tecnica impone un condensatore di bypass da 0,1µF tra i pin 8 (V_CC) e 5 (GND) per un funzionamento stabile.

4. Suggerimenti Applicativi

4.1 Scenari Applicativi Tipici

• Eliminazione Loop di Massa e Isolamento Livelli Logici: Isolare segnali digitali tra sottosistemi con potenziali di massa diversi per prevenire rumore e loop di massa.
• Trasmissione Dati e Ricevitori di Linea: Utilizzato in collegamenti di comunicazione seriale (interfacce RS-232, RS-485) per l'isolamento.
• Alimentatori a Commutazione: Fornire isolamento del feedback in topologie di convertitore isolate come flyback.
• Interfacce Periferiche Informatiche: Isolare segnali da/per stampanti, schede I/O industriali.
• Sostituzione Trasformatore di Impulsi: Offre un'alternativa a stato solido per l'isolamento del segnale con un circuito di pilotaggio più semplice.

4.2 Considerazioni di Progetto

• Impostazione Corrente di Ingresso: La corrente del LED di ingresso deve essere impostata utilizzando una resistenza in serie. Per garantire la commutazione, I_Fdovrebbe essere impostata sopra il massimo I_FT(5mA). La condizione di test tipica utilizza 7,5mA. Il valore della resistenza è (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• Utilizzo del Pin di Abilitazione: Il pin di abilitazione può essere utilizzato per abilitare l'uscita o collegato a una tensione fissa se non necessario. Non deve superare V_CCdi più di 0,5V.
• Carico di Uscita: L'uscita può assorbire fino a 13mA per un V_OLvalido. Per pilotare correnti più elevate o carichi capacitivi, potrebbe essere necessario un buffer esterno.
• Immunità al Rumore: Per ambienti ad alto rumore, scegliere la variante ELW2611 per la sua superiore Immunità ai Transitori di Modo Comune (CMTI). Il circuito di pilotaggio consigliato in Fig. 15 per ELW2611 utilizza un transistor per rendere più netti i fronti della corrente del LED di ingresso, migliorando ulteriormente le prestazioni CMTI.
• Bypass: Il condensatore da 0,1µF sul lato uscita è essenziale per minimizzare il rumore di alimentazione e garantire un funzionamento stabile ad alta velocità.

5. Confronto Tecnico e Guida alla Selezione

La serie include tre varianti principali: ELW137, ELW2601 ed ELW2611. Il fattore differenziante primario è l'Immunità ai Transitori di Modo Comune (CMTI). L'ELW137 ha un isolamento base. L'ELW2601 offre un CMTI medio (5.000 V/µs). L'ELW2611 fornisce un CMTI alto (10.000 - 20.000 V/µs). La selezione dovrebbe basarsi sull'ambiente di rumore elettrico dell'applicazione. Per azionamenti motori, PLC industriali o alimentatori rumorosi, è consigliato l'ELW2611. Per un isolamento digitale meno impegnativo, ELW2601 o ELW137 possono essere sufficienti.

6. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

6.1 Qual è la velocità dati massima raggiungibile?

Sebbene il dispositivo sia specificato per 10 Mbit/s, la velocità massima effettivamente utilizzabile dipende dai ritardi di propagazione e dai tempi di salita/discesa. Con un ritardo di propagazione massimo di 100 ns, la frequenza massima teorica per un'onda quadra è inferiore. Per una trasmissione dati affidabile, considerare la distorsione totale dell'impulso e i margini temporali del sistema.

6.2 Come calcolo il valore della resistenza di ingresso?

Usa la formula: R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Assumi V_Fcome il valore massimo (1,8V) per un progetto a condizioni peggiori. Per un pilotaggio a 5V e I_F= 10mA, R_IN= (5V - 1,8V) / 0,01A = 320 Ohm. Usa il valore standard più vicino (es. 330 Ohm).

6.3 Posso usarlo con logica a 3,3V?

Il lato uscita V_CCpuò essere alimentato a 3,3V. Tuttavia, le caratteristiche elettriche sono testate con V_CC=5,5V. Parametri come V_OL, I_OHe i ritardi di propagazione possono differire a 3,3V. Il lato di ingresso è indipendente; il LED può essere pilotato da una sorgente a 3,3V purché venga raggiunta la corretta I_F.

6.4 Qual è lo scopo del pin di Abilitazione?

Il pin di Abilitazione (V_E) fornisce un controllo a terzo stato. Quando portato basso (<0,8V), forza l'uscita alta, disabilitando di fatto il percorso del segnale dall'ingresso all'uscita. Può essere utilizzato per multiplexare più uscite di isolatori su una singola linea di bus o per modalità di risparmio energetico.

7. Caso Pratico di Progetto

Scenario:Isolare un segnale UART da 1 Mbit/s tra un microcontrollore a 3,3V e un trasduttore RS-485 a 5V in un nodo sensore industriale.

Passi di Progetto:

1. Selezione Variante:Scegliere ELW2611 per l'alta immunità al rumore in ambiente industriale.
2. Circuito di Ingresso:Il GPIO del microcontrollore (3,3V) pilota il LED. Calcolare la resistenza: R_IN= (3,3V - 1,8V) / 0,01A = 150 Ohm. Usare una resistenza da 150Ω in serie con l'anodo del LED (Pin 2). Catodo (Pin 3) alla massa del microcontrollore.
3. Circuito di Uscita:Alimentare il lato uscita con 5V (V_CCPin 8). Collegare un condensatore ceramico da 0,1µF tra Pin 8 e Pin 5 (GND). Collegare il Pin di uscita 6 direttamente al pin di ingresso del trasduttore RS-485. L'impedenza di ingresso del trasduttore funge da carico. Il Pin di Abilitazione 7 può essere collegato a V_CC(5V) tramite una resistenza da 10kΩ per un funzionamento sempre attivo, o pilotato da un altro GPIO per il controllo.
4. Layout:Mantenere le tracce di ingresso e uscita fisicamente separate. Posizionare il condensatore di bypass il più vicino possibile ai pin 8 e 5.

8. Principio di Funzionamento

Un fotocoupler opera sul principio dell'accoppiamento ottico. Un segnale elettrico di ingresso pilota un Diodo Emettitore di Luce (LED) a infrarossi. La luce emessa viene rilevata da un fotodiodo o fototransistor sul lato di uscita isolato. In questo fotocoupler a porta logica, il lato di uscita contiene un circuito integrato più complesso. La corrente del fotorivelatore viene amplificata ed elaborata da una porta logica digitale (tipicamente un trigger di Schmitt) per produrre un segnale digitale di uscita pulito e ben definito. Il percorso ottico fornisce la barriera di isolamento elettrico, poiché la luce può attraversare un gap fisico (attraverso materiale isolante trasparente) dove l'elettricità non può, bloccando loop di massa e transitori ad alta tensione.

9. Tendenze del Settore

La tendenza nell'isolamento dei segnali è verso velocità più elevate, consumi energetici inferiori, package più piccoli e funzionalità integrate. Mentre i fotocoupler tradizionali come questo package DIP rimangono ampiamente utilizzati, le tecnologie più recenti stanno guadagnando terreno. Gli isolatori digitali basati su tecnologia CMOS con accoppiamento capacitivo o magnetico offrono velocità dati significativamente più elevate (fino a centinaia di Mbit/s), ritardi di propagazione inferiori, migliore simmetria temporale e maggiore affidabilità nel tempo e con la temperatura. Integrano anche più canali in package minuscoli. Tuttavia, i fotocoupler mantengono ancora vantaggi in alcune aree come capacità di isolamento a tensioni molto elevate, semplicità e convenienza per molte applicazioni a velocità standard. Lo sviluppo di fotocoupler ad alta velocità e alto CMTI (come visto nell'ELW2611) è una risposta alla necessità di un isolamento robusto in ambienti rumorosi di elettronica di potenza e azionamenti motori.