Scheda Tecnica Fotocoupler Serie ELM8XL-G - Package SOP 5 Pin - Alimentazione 3.3V/5V - Velocità 15MBit/s - Documentazione Tecnica in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie ELM8XL-G rappresenta una famiglia di fotocoupler (isolatori ottici) logici ad alta velocità, progettati per applicazioni moderne di isolamento digitale. La funzione principale di questo dispositivo è fornire un isolamento galvanico tra i circuiti di ingresso e di uscita, trasmettendo segnali logici digitali ad alta velocità. Integra un diodo a emissione di luce infrarossa (LED) sul lato di ingresso, che è accoppiato otticamente a un circuito integrato rivelatore CMOS sul lato di uscita. Questo metodo di accoppiamento ottico elimina la connessione elettrica, fornendo un elevato isolamento di tensione e immunità al rumore, elementi cruciali in sistemi con potenziali di massa diversi o in ambienti elettrici rumorosi.

Il dispositivo è confezionato in un compatto package a montaggio superficiale SOP a 5 pin, rendendolo adatto per processi di assemblaggio automatizzati e progetti PCB con spazio limitato. Il suo obiettivo di progettazione principale è facilitare una trasmissione dati affidabile e ad alta velocità attraverso barriere di isolamento, fungendo da sostituto diretto per trasformatori di impulsi in molte applicazioni, offrendo vantaggi in termini di dimensioni, costo e integrazione.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

La serie ELM8XL-G offre diversi vantaggi chiave che ne definiscono la posizione sul mercato. Il primo è la suacapacità ad alta velocità, che supporta velocità dati fino a 15 Megabit al secondo (MBit/s). Questo la rende adatta per interfacce di comunicazione moderne e segnali di controllo veloci. Il secondo è la suacompatibilità con tensioni di alimentazione duali, funzionando correttamente sia con livelli logici CMOS a 3.3V che a 5V, offrendo flessibilità di progettazione per sistemi a tensione mista. Il terzo è il suoelevato grado di isolamentodi 3750 V_rms, garantendo sicurezza e affidabilità in applicazioni che richiedono protezione da transitori di alta tensione o differenze di potenziale di massa.

Il dispositivo è anche prodotto per soddisfare rigorosi standard ambientali e di sicurezza. Èprivo di alogeni(con Bromo <900ppm, Cloro <900ppm, Br+Cl <1500ppm), conforme alle normative UE REACH, ed è sia privo di piombo che conforme RoHS. Possiede approvazioni da importanti agenzie di sicurezza internazionali come UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO e FIMKO, essenziale per prodotti destinati ai mercati globali, in particolare nell'equipaggiamento industriale, nelle telecomunicazioni e nell'informatica.

Le applicazioni target sono varie e ruotano attorno alla necessità di isolamento del segnale:

• Ricevitori di Linea e Trasmissione Dati:Isolare linee di comunicazione seriale (RS-232, RS-485, ecc.) per prevenire loop di massa e rumore.
• Multiplexing Dati:Fornire isolamento in sistemi a bus dati multiplexati.
• Alimentatori a Commutazione (SMPS):Isolare i segnali di feedback in topologie flyback o altri convertitori isolati.
• Sostituzione Trasformatore di Impulsi:Offrire una soluzione più piccola e integrata per l'isolamento del segnale tradizionalmente realizzato con trasformatori.
• Interfacce Periferiche per Computer:Isolare segnali da/per stampanti, I/O industriali e altre periferiche.
• Isolamento di Massa Logica ad Alta Velocità:Separare le masse digitali tra sottosistemi, come tra un microcontrollore e i driver di motori, per prevenire l'accoppiamento di rumore.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Una comprensione approfondita delle caratteristiche elettriche e di commutazione è cruciale per un'implementazione di successo del fotocoupler ELM8XL-G in un progetto circuitale.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito e dovrebbe essere evitato.

• Corrente Diretta di Ingresso (I_F):Massimo 15 mA. La corrente che pilota il LED interno non deve superare questo valore.
• Tensione Inversa di Ingresso (V_R):Massimo 5 V. La tensione inversa applicata al LED deve essere limitata.
• Dissipazione di Potenza di Ingresso (P_D):Massimo 35 mW per il lato di ingresso.
• Dissipazione di Potenza di Uscita (P_O):Massimo 85 mW per il circuito integrato CMOS di uscita.
• Corrente di Uscita (I_O):Corrente di sink/source massima dal pin di uscita: 20 mA.
• Tensione di Alimentazione (V_CC):Massimo 5.5 V. Questa è la tensione massima assoluta che può essere applicata al pin di alimentazione del lato di uscita.
• Dissipazione di Potenza Totale (P_T):Massimo 100 mW per l'intero dispositivo.
• Tensione di Isolamento (V_ISO):3750 V_rmsper 1 minuto. Questa è una specifica di sicurezza testata in condizioni specifiche (pin 1 & 3 cortocircuitati, pin 4, 5 & 6 cortocircuitati) con umidità relativa del 40-60%.
• Temperatura Operativa (T_OPR):-40°C a +85°C. Il dispositivo è garantito per soddisfare le specifiche pubblicate entro questo intervallo.
• Temperatura di Conservazione (T_STG):-55°C a +125°C.
• Temperatura di Saldatura (T_SOL):260°C per 10 secondi, conforme ai tipici profili di rifusione senza piombo.

Nota di Progettazione:La scheda tecnica specifica che l'alimentazione V_CCdeve essere bypassata con un condensatore da 0.1µF o superiore (ceramico o tantalio solido con buone caratteristiche in alta frequenza) posizionato il più vicino possibile ai pin V_CCe GND del dispositivo. Questo è critico per un funzionamento stabile e l'immunità al rumore dello stadio di uscita CMOS ad alta velocità.

2.2 Caratteristiche Elettriche

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

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (Lato LED)

• Tensione Diretta (V_F):Tipicamente 1.4V, con un massimo di 1.8V a una corrente diretta (I_F) di 8mA. Questo viene utilizzato per calcolare il valore della resistenza limitatrice di corrente richiesta sul lato di ingresso: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
• Tensione Inversa (V_R):Minimo 5.0V. Il LED può sopportare fino a 5V in polarizzazione inversa.
• Coefficiente di Temperatura di V_F(ΔV_F/ΔT_A):Circa -1.7 mV/°C. La tensione diretta diminuisce leggermente all'aumentare della temperatura.
• Capacità di Ingresso (C_IN):Tipicamente 60 pF. Questo influenza la risposta in alta frequenza del circuito di pilotaggio di ingresso.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita (Lato Circuito Integrato CMOS)

• Corrente di Alimentazione (I_CCH, I_CCL):Tipicamente 1.3mA, con un massimo di 6mA, sia che l'uscita sia in stato alto (I_F=0mA) che basso (I_F=8mA). Questa è la corrente quiescente assorbita dal circuito integrato di uscita da V_CC.
• Tensione di Uscita a Livello Alto (V_OH):Per un'alimentazione a 3.3V, V_OHè garantita essere almeno V_CC- 1V (cioè 2.3V) ed è tipicamente V_CC- 0.3V (3.0V) quando sink di 4mA. Per un'alimentazione a 5V, è V_CC- 1V (4.0V) min, tipicamente V_CC- 0.2V (4.8V). Questo garantisce solidi livelli logici alti.
• Tensione di Uscita a Livello Basso (V_OL):Per un'alimentazione a 3.3V, V_OLè tipicamente 0.21V con un massimo di 0.6V quando source di 4mA (I_F=8mA). Per un'alimentazione a 5V, è tipicamente 0.17V, max 0.6V. Questo garantisce solidi livelli logici bassi.
• Corrente di Soglia di Ingresso (I_FT):La corrente del LED richiesta per garantire un'uscita logica bassa. È tipicamente 2.5mA (max 5mA) a V_CC=3.3V con un carico molto leggero (I_OL=20µA). Il progetto dovrebbe utilizzare una I_Fben superiore a questa (ad es. 8mA come mostrato nelle condizioni di test) per una commutazione affidabile e un margine di rumore.

2.3 Caratteristiche di Commutazione

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

• Ritardo di Propagazione verso Uscita Alta (t_PHL):Il tempo dallo spegnimento del LED di ingresso (I_Fche passa da 8mA a 0mA) al raggiungimento di un livello logico ALTO valido in uscita. Tipicamente 30ns (max 65ns) a V_CC=3.3V, e tipicamente 33ns a V_CC=5V.
• Ritardo di Propagazione verso Uscita Bassa (t_PLH):Il tempo dall'accensione del LED di ingresso (I_Fche passa da 0mA a 8mA) al raggiungimento di un livello logico BASSO valido in uscita. Tipicamente 48ns (max 65ns) a V_CC=3.3V, e tipicamente 52ns a V_CC=5V.
• Distorsione della Larghezza di Impulso (|t_PHL– t_PLH|):La differenza assoluta tra i due ritardi di propagazione. Questo è cruciale per mantenere l'integrità delle larghezze di impulso. È tipicamente 20ns (max 50ns) a 3.3V e tipicamente 22ns a 5V. Un valore più basso è migliore.
• Tempo di Salita/Discesa in Uscita (t_r, t_f):Tipicamente 7ns ciascuno. Questo definisce la velocità dei fronti del segnale di uscita.
• Immunità ai Transitori di Modo Comune (CMTI):Questo è un parametro chiave di isolamento. Misura la capacità del dispositivo di ignorare transitori di tensione rapidi tra le masse di ingresso e uscita. Sono specificati due gradi: M80L con un minimo di 5.000 V/µs, e M81L con un minimo di 10.000 V/µs. Questo è testato con una tensione di modo comune (V_CM) picco-picco di 1000V e garantisce che lo stato di uscita non commuti erroneamente a causa del rumore.

3. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

3.1 Configurazione dei Pin e Tavola della Verità

Il dispositivo utilizza un package SOP a 5 pin, sebbene siano referenziati sei numeri di pin (1-6, con il pin 2 presumibilmente Non Connesso o una connessione interna). I pin funzionali sono:

• Pin 1: Anododel LED di ingresso.
• Pin 3: Catododel LED di ingresso.
• Pin 4: GNDper il circuito integrato CMOS di uscita.
• Pin 5: V_OUT, il segnale digitale di uscita.
• Pin 6: V_CC, la tensione di alimentazione (3.3V o 5V) per il circuito integrato CMOS di uscita.

Il dispositivo implementa una funzione logicanon invertente(Logica Positiva):

• Ingresso ALTO (LED ON, I_F> I_FT):Uscita = BASSO
• Ingresso BASSO (LED OFF, I_F= 0):Uscita = ALTO

Questo è un ingresso a sink di corrente; una corrente deve essere pilotata nel LED per produrre un'uscita bassa.

3.2 Dimensioni del Package e Layout PCB

La scheda tecnica fornisce disegni meccanici dettagliati per il package SOP a 5 pin. Le dimensioni chiave includono le dimensioni del corpo, il passo dei terminali e l'altezza di sollevamento. Viene fornito anche unlayout consigliato dei padper il montaggio superficiale. Questo layout è progettato per garantire la formazione affidabile dei giunti di saldatura durante la rifusione. La scheda tecnica nota che queste dimensioni dei pad sono suggerimenti e potrebbero richiedere modifiche in base a specifici processi di produzione PCB o requisiti termici, ma servono come un eccellente punto di partenza per il progetto.

3.3 Marcatura del Dispositivo

La parte superiore del package è marcata con un codice laser o a inchiostro per l'identificazione. La marcatura segue il formato:EL M81L YWW V.

• EL:Codice del produttore.
• M81L:Numero del dispositivo (specifico per il grado CMTI e la variante).
• Y:Codice a una cifra per l'anno.
• WW:Codice a due cifre per la settimana.
• V:Marcatura opzionale che indica l'approvazione VDE.

4. Linee Guida Applicative e Considerazioni di Progettazione

4.1 Progettazione del Circuito di Ingresso

Il circuito di ingresso deve fornire una corrente controllata al LED. Una semplice resistenza in serie è sufficiente. Il valore è calcolato in base alla tensione di pilotaggio e alla I_Fdesiderata. Ad esempio, per pilotare I_F= 8mA da un segnale logico a 5V con una V_Ftipica di 1.4V: R_limit= (5V - 1.4V) / 0.008A = 450Ω. Una resistenza standard da 470Ω sarebbe adatta. Assicurarsi che la sorgente di pilotaggio possa fornire la corrente necessaria. Per il pilotaggio da un pin GPIO di un microcontrollore, verificare la capacità di erogazione di corrente del pin. Se insufficiente, potrebbe essere necessario un semplice buffer a transistor (ad es., un NPN o un MOSFET a canale N).

4.2 Progettazione del Circuito di Uscita

L'uscita è un'uscita digitale CMOS standard. Può pilotare direttamente ingressi CMOS, TTL o LVCMOS. I requisiti chiave sono:

1. Bypass dell'Alimentazione:Come sottolineato nella scheda tecnica, un condensatore ceramico da 0.1µF deve essere posizionato direttamente tra il Pin 6 (V_CC) e il Pin 4 (GND). Questo è non negoziabile per un funzionamento stabile ad alta velocità e per prevenire il rumore in uscita.
2. Considerazioni sul Carico:L'uscita può sink/source fino a 20mA, ma per la migliore velocità e integrità del segnale, i carichi dovrebbero essere principalmente capacitivi (ad es., la capacità di ingresso di un'altra porta). Pilotare carichi resistivi pesanti o tracce lunghe aumenterà i tempi di salita/discesa e potrebbe influenzare i margini temporali.
3. Resistenze di Pull-up:Non necessarie, poiché l'uscita pilota attivamente sia lo stato alto che quello basso.

4.3 Considerazioni su Velocità e Temporizzazione

Per una velocità dati di 15 MBit/s, il periodo di bit è di circa 66.7ns. Il ritardo totale del segnale attraverso il fotocoupler è la somma di t_PLHo t_PHLpiù una parte del tempo di salita/discesa. Con ritardi tipici intorno a 30-50ns, c'è un margine adeguato per questa velocità dati. Tuttavia, ladistorsione della larghezza di impulsoè importante. Una distorsione di 20ns significa che un impulso sarà ristretto o allargato di quella quantità dopo aver attraversato l'isolatore. Per impulsi molto stretti, ciò potrebbe farli scomparire se la distorsione è maggiore della larghezza dell'impulso. Considerare sempre i valori massimi, non quelli tipici, per progetti critici nella temporizzazione.

4.4 Isolamento e Progettazione della Sicurezza

Il grado di isolamento di 3750V_rmsè un requisito di sicurezza. Per mantenere questo grado nel prodotto finale, il layout PCB è critico. Assicurarsi che le distanze dicreepage e clearancesul PCB tra tutte le tracce/componenti del lato di ingresso e le tracce/componenti del lato di uscita soddisfino o superino i requisiti per la tensione di isolamento di lavoro del sistema (che è inferiore alla tensione di test di 3750V_rms). Questo spesso significa incorporare un ampio slot o barriera nel PCB sotto il package del fotocoupler. Consultare gli standard di sicurezza pertinenti (ad es., IEC 60950, IEC 61010) per i requisiti di distanza specifici in base alla tensione, al grado di inquinamento e al gruppo di materiali.

5. Informazioni di Ordinazione e Confezionamento

Il numero di parte segue la struttura:ELM8XL(Z)-V.

• ELM8XL:Numero di parte base.
• (Z):Opzione nastro e bobina. Può essere "TA", "TB", o omesso per il confezionamento in tubo.
• -V:Suffisso opzionale che indica l'inclusione dell'approvazione VDE.

Opzioni di Confezionamento:

• Tubo:100 unità per tubo. Standard per assemblaggio manuale o a basso volume.
• Nastro e Bobina (TA o TB):3000 unità per bobina. "TA" e "TB" probabilmente si riferiscono a diverse dimensioni di bobina o larghezze del nastro (ad es., 8mm vs. 12mm). Questa opzione è per l'assemblaggio automatizzato pick-and-place.

La scheda tecnica include specifiche dettagliate per nastro e bobina, comprese le dimensioni delle tasche (A, B, D0, D1), il passo (P0, P1, P2), lo spessore del nastro (t) e la larghezza della bobina (W). Queste dimensioni sono essenziali per programmare l'alimentatore su una macchina di assemblaggio automatizzata.

6. Curve di Prestazione e Caratteristiche Tipiche

Sebbene l'estratto PDF menzioni "Curve delle Caratteristiche Elettro-Ottiche Tipiche", i grafici specifici non sono inclusi nel testo fornito. Tipicamente, tali schede tecniche includono curve che mostrano:

• Corrente Diretta (I_F) vs. Tensione Diretta (V_F):Mostra la caratteristica diodo del LED di ingresso a diverse temperature.
• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR) vs. Corrente Diretta:Sebbene questo sia un dispositivo digitale, esiste una forma di CTR - la relazione tra I_Fe lo stato di uscita risultante. La corrente di soglia I_FTè il parametro chiave.
• Ritardo di Propagazione vs. Tensione di Alimentazione (V_CC):Come i parametri temporali cambiano con V_CC.
• Ritardo di Propagazione vs. Temperatura:Come i parametri temporali cambiano nell'intervallo di temperatura operativa.
• Corrente di Alimentazione (I_CC) vs. Temperatura:Variazione della corrente quiescente con la temperatura.

I progettisti dovrebbero utilizzare ivalori minimi e massimidalle tabelle per un progetto robusto, utilizzando le curve tipiche solo per comprendere tendenze e comportamenti.

7. Confronto e Contesto Tecnologico

L'ELM8XL-G si colloca in una categoria di fotocoupler digitali ad alta velocità. Rispetto ai fotocoupler più vecchi con uscite a transistor o Darlington, la sua uscita logica CMOS fornisce velocità di commutazione molto più elevate, fronti più netti e livelli logici ben definiti. Rispetto ai trasformatori di impulsi, offre un ingombro ridotto, capacità di accoppiamento in continua (i trasformatori non possono passare segnali DC) e spesso un costo inferiore. Rispetto alle tecnologie di isolamento più recenti come gli isolatori capacitivi (isolatori digitali) o gli isolatori a magnetoresistenza gigante (GMR), i fotocoupler come l'ELM8XL-G offrono il vantaggio di un'affidabilità collaudata, una forza di isolamento intrinseca molto elevata e l'immunità ai campi magnetici. Il compromesso è generalmente una velocità inferiore e un consumo energetico più elevato (a causa della corrente di pilotaggio del LED) rispetto agli ultimi isolatori basati su semiconduttori. La scelta dipende dai requisiti specifici dell'applicazione per velocità, potenza, costo e immunità al rumore.

8. Domande Frequenti (FAQ)

D: Posso usarlo con un segnale di ingresso a 3.3V per pilotare il LED?

R: Sì, ma devi ricalcolare la resistenza limitatrice di corrente. Per un pilotaggio a 3.3V e V_F~1.4V, per ottenere I_F=8mA, R = (3.3V - 1.4V) / 0.008A = 237.5Ω. Usare una resistenza da 240Ω. Assicurarsi che la sorgente a 3.3V possa fornire 8mA.

D: Qual è la differenza tra le versioni M80L e M81L?

R: La differenza principale è l'Immunità ai Transitori di Modo Comune (CMTI). La versione M81L garantisce un minimo di 10.000 V/µs, mentre la M80L garantisce 5.000 V/µs. Scegliere la M81L per ambienti più rumorosi, come azionamenti di motori o sistemi di alimentazione industriali.

D: È necessaria una resistenza di pull-up esterna sull'uscita?

R: No. L'uscita è uno stadio push-pull CMOS attivo che pilota sia i livelli alti che bassi. Un pull-up esterno è inutile e aumenterebbe solo il consumo energetico.

D: Come posso assicurarmi che l'elevato grado di isolamento sia mantenuto nel mio progetto PCB?

R: Devi mantenere un adeguato creepage (distanza lungo la superficie) e clearance (intervallo d'aria) tra tutti i conduttori sul lato di ingresso e tutti i conduttori sul lato di uscita. Questo tipicamente richiede un gap fisico o uno slot nel PCB sotto il corpo del fotocoupler. Le distanze specifiche dipendono dalla tensione di lavoro della tua applicazione e dagli standard di sicurezza che deve soddisfare.

D: Il pin di uscita (5) può essere collegato direttamente all'ingresso di un altro dispositivo, o ho bisogno di una resistenza in serie?

R: Può essere collegato direttamente. L'uscita è progettata per pilotare ingressi digitali standard. Una resistenza in serie generalmente non è necessaria e rallenterebbe i fronti del segnale.