Scheda Tecnica Serie ELS611-G - Fotocoupler Logico ad Alta Velocità 10MBit/s in Package SDIP a 6 Pin

1. Panoramica del Prodotto

La serie ELS611-G rappresenta una famiglia di fotocoupler (optoisolatori) ad alta velocità con uscita a porta logica, progettati per l'isolamento di segnali digitali. Questi dispositivi integrano un diodo emettitore a infrarossi accoppiato otticamente a un fotodetettore integrato ad alta velocità con un'uscita a porta logica memorizzabile. Alloggiati in un compatto package Small Dual In-line (SDIP) a 6 pin, sono progettati per sostituire i trasformatori di impulsi e fornire una robusta eliminazione dei loop di massa in ambienti elettrici rumorosi.

La funzione principale è fornire isolamento elettrico tra i circuiti di ingresso e uscita, prevenendo la propagazione di loop di massa, picchi di tensione e rumore. L'uscita a porta logica garantisce una trasmissione pulita del segnale digitale, rendendola adatta all'interfacciamento tra diverse famiglie logiche o domini di tensione.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

I vantaggi principali della serie ELS611-G includono la sua capacità ad alta velocità fino a 10MBit/s, che supporta protocolli di comunicazione digitale veloci. Offre un'alta tensione di isolamento di 5000Vrms, fornendo un'eccellente protezione per circuiti sensibili. I dispositivi sono conformi ai requisiti privi di alogeni (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm), sono privi di piombo e soddisfano le direttive RoHS e REACH UE. Possiedono approvazioni da importanti agenzie di sicurezza internazionali tra cui UL, cUL, VDE, NEMKO, FIMKO, SEMKO, DEMKO e CQC, facilitando il loro utilizzo nei mercati globali.

Le applicazioni target sono principalmente nell'automazione industriale, nei sistemi di alimentazione (es. alimentatori switching per isolamento del feedback), interfacce periferiche per computer, sistemi di trasmissione dati, multiplexing di dati e in qualsiasi scenario che richieda un isolamento galvanico affidabile e ad alta velocità per segnali digitali.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Le seguenti sezioni forniscono un'analisi dettagliata e obiettiva dei principali parametri elettrici e prestazionali specificati 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 è consigliabile far funzionare il dispositivo continuativamente a o vicino a questi limiti.

• Corrente Diretta di Ingresso (I_F)): 20 mA. La massima corrente continua consentita attraverso il LED di ingresso.
• Tensione Inversa di Ingresso (V_R)): 5 V. La massima tensione di polarizzazione inversa che il LED di ingresso può sopportare.
• Dissipazione di Potenza in Ingresso (P_D)): 40 mW. La massima potenza che il lato di ingresso può dissipare.
• Tensione di Alimentazione Uscita (V_CC)): 7.0 V. La tensione massima assoluta che può essere applicata al pin di alimentazione del lato di uscita.
• Tensione di Uscita (V_O)): 7.0 V. La massima tensione che può apparire sul pin di uscita.
• Corrente di Uscita (I_O)): 50 mA. La massima corrente che il pin di uscita può assorbire o erogare.
• Tensione di Isolamento (V_ISO)): 5000 Vrms per 1 minuto. Questo è un parametro critico di sicurezza, testato con i pin di ingresso (1,2,3,4) cortocircuitati insieme e i pin di uscita (5,6) cortocircuitati insieme.
• Temperatura di Esercizio (T_OPR)): -40°C a +85°C. L'intervallo di temperatura ambiente per il funzionamento normale.
• Temperatura di Saldatura (T_SOL)): 260°C per 10 secondi. Questo definisce la tolleranza del profilo di saldatura a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettriche

Questi sono i parametri prestazionali garantiti in condizioni di test specificate.

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (Lato LED)

• Tensione Diretta (V_F)): Tipicamente 1.45V, massimo 1.8V a I_F=10mA. Questo valore è utilizzato per progettare il circuito limitatore di corrente di ingresso.
• Corrente Inversa (I_R)): Massimo 10 µA a V_R=5V. Indica la corrente di dispersione del LED nello stato di spegnimento.
• Capacità di Ingresso (C_IN)): Tipicamente 60pF. Questo parametro influenza le prestazioni di commutazione ad alta frequenza sul lato di ingresso.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita

• Corrente di Alimentazione, Livello Alto (I_CCH)): da 7mA a 13mA quando I_F=0mA (LED spento) e V_CC=5.5V. Questa è la corrente di riposo quando l'uscita è nello stato logico alto.
• Corrente di Alimentazione, Livello Basso (I_CCL)): da 9mA a 15mA quando I_F=10mA (LED acceso) e V_CC=5.5V. Questa è la corrente operativa quando l'uscita è attivamente portata a livello basso.
• Tensione di Uscita a Livello Basso (V_OL)): Tipicamente 0.4V, massimo 0.6V nelle condizioni V_CC=5.5V, I_F=5mA, I_OL=13mA. Questo definisce la tensione di uscita quando assorbe corrente nello stato basso.
• Corrente di Soglia di Ingresso (I_FT)): Massimo 5mA. Questa è la corrente minima del LED di ingresso richiesta per garantire che l'uscita commuti a un valido livello logico basso (V_OL<= 0.6V) nelle condizioni specificate di V_CCe I_OL. È un parametro chiave per determinare la corrente di pilotaggio richiesta.

2.3 Caratteristiche di Commutazione

Questi parametri definiscono le prestazioni temporali del fotocoupler, cruciali per la trasmissione dati ad alta velocità. Le condizioni di test sono V_CC=5V, I_F=7.5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω salvo diversa indicazione.

• Ritardo di Propagazione verso Livello Alto (t_PHL)): Tipicamente 40ns, massimo 100ns. Tempo dallo spegnimento del LED di ingresso alla salita dell'uscita a un livello logico alto.
• Ritardo di Propagazione verso Livello Basso (t_PLH)): Tipicamente 50ns, massimo 100ns. Tempo dall'accensione del LED di ingresso alla discesa dell'uscita a un livello logico basso.
• Distorsione della Larghezza di Impulso (|t_PHL– t_PLH|)): Tipicamente 10ns, massimo 50ns. La differenza tra i due ritardi di propagazione. Un valore più basso è migliore per preservare l'integrità del segnale e il duty cycle.
• Tempo di Salita Uscita (t_r)): Tipicamente 50ns. Tempo per cui l'uscita sale dal 10% al 90% del suo valore alto finale.
• Tempo di Discesa Uscita (t_f)): Tipicamente 10ns. Tempo per cui l'uscita scende dal 90% al 10% del suo valore alto iniziale.
• Immunità ai Transitori di Modo Comune (CMH, CML)): Minimo 5 kV/µs. Questo misura l'immunità del dispositivo ai transitori di tensione rapidi tra le masse di ingresso e uscita. CMH si applica quando l'uscita è alta e CML quando l'uscita è bassa. Un valore alto indica un forte rigetto del rumore accoppiato attraverso la barriera di isolamento.

3. Analisi delle Curve Prestazionali

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

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR) vs. Corrente Diretta: Mostra l'efficienza dell'optoisolatore. Per un tipo a porta logica, questo è incorporato nei parametri di commutazione ma può indicare le prestazioni in funzione della temperatura e della corrente.
• Ritardo di Propagazione vs. Corrente Diretta: Illustra come la velocità di commutazione varia con la corrente di pilotaggio del LED. Un I_Fpiù alto generalmente diminuisce il ritardo di propagazione ma aumenta la dissipazione di potenza.
• Ritardo di Propagazione vs. Temperatura: Mostra la variazione dei parametri temporali nell'intervallo di temperatura operativa.
• Corrente di Alimentazione vs. Temperatura: Indica come il consumo di potenza sul lato di uscita cambia con la temperatura.

I progettisti dovrebbero consultare i grafici completi della scheda tecnica per comprendere i limiti prestazionali e le esigenze di derating per le loro specifiche condizioni applicative.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Configurazione e Funzione dei Pin

Il dispositivo utilizza un package SDIP a 6 pin. Il pinout è il seguente:

• Pin 1: Anodo del LED di ingresso.
• Pin 2: Nessun Collegamento (N.C.).
• Pin 3: Catodo del LED di ingresso.
• Pin 4: Massa (GND) per il lato di uscita.
• Pin 5: Uscita (V_OUT). Questa è l'uscita a collettore aperto o totem-pole della porta logica interna.
• Pin 6: Tensione di Alimentazione (V_CC) per il lato di uscita.

Nota Critica di Progettazione:Un condensatore di bypass da 0.1µF (o superiore) con buone caratteristiche ad alta frequenza deve essere collegato tra i pin 6 (V_CC) e 4 (GND), posizionato il più vicino possibile al package. Questo è essenziale per un funzionamento stabile e per raggiungere le prestazioni di commutazione specificate.

4.2 Dimensioni del Package e Layout PCB

La scheda tecnica fornisce disegni meccanici dettagliati per il package di tipo \"P\" (forma terminale per montaggio superficiale). Le dimensioni chiave includono la dimensione complessiva del corpo del package, il passo dei terminali e l'altezza di distacco. Viene fornito anche un layout consigliato per i pad per il montaggio superficiale per garantire una saldatura affidabile e resistenza meccanica. I progettisti devono attenersi a queste linee guida di layout per prevenire l'effetto "tombstoning" o giunzioni saldate scadenti.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

Il valore massimo assoluto per la temperatura di saldatura è 260°C per 10 secondi. Questo si allinea con i tipici profili di saldatura a rifusione senza piombo. Dovrebbero essere osservate le seguenti precauzioni:

• Seguire il profilo di rifusione consigliato per la specifica pasta saldante utilizzata, assicurandosi che la temperatura di picco e il tempo sopra il liquidus non superino il rating del dispositivo.
• Evitare stress meccanici eccessivi sul package durante la manipolazione.
• Attenersi al design consigliato per i pad PCB per prevenire ponticelli di saldatura o filetti insufficienti.
• Le condizioni di stoccaggio dovrebbero essere entro l'intervallo di temperatura di stoccaggio specificato di -55°C a +125°C e in un ambiente asciutto secondo i requisiti standard del livello di sensibilità all'umidità (MSL) per dispositivi a montaggio superficiale (l'MSL specifico non è indicato nell'estratto).

6. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

6.1 Regola di Numerazione del Modello

Il numero di parte segue il formato: ELS611X(Y)-VG

• EL: Prefisso del produttore.
• S611: Numero di parte base.
• X: Tipo di terminale. \"P\" denota la forma terminale per montaggio superficiale.
• (Y): Opzione nastro e bobina. \"TA\" o \"TB\" specificano diversi stili di imballaggio a bobina.
• V: Opzionale, denota l'approvazione VDE.
• G: Denota la costruzione priva di alogeni.

Esempio: ELS611P(TA)-VG è un dispositivo a montaggio superficiale su nastro e bobina TA, approvato VDE, privo di alogeni.

6.2 Specifiche di Imballaggio

Il dispositivo è disponibile in imballaggio a nastro e bobina per l'assemblaggio automatizzato. Entrambe le opzioni TA e TB contengono 1000 unità per bobina. La scheda tecnica include diagrammi che specificano le dimensioni del nastro, la spaziatura delle tasche e la dimensione della bobina.

6.3 Marcatura del Dispositivo

Il package è marcato con un codice che indica l'origine di fabbricazione, il numero del dispositivo e il codice data. Il formato include: Codice fabbrica (\"T\" per Taiwan), \"EL\" per il produttore, \"S611\" per il dispositivo, un codice anno a 1 cifra, un codice settimana a 2 cifre e l'opzionale \"V\" per VDE.

7. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progettazione

7.1 Circuiti Applicativi Tipici

L'applicazione principale è l'isolamento di segnali digitali. Un circuito tipico prevede:

1. Lato Ingresso:Una resistenza limitatrice di corrente in serie con il LED (pin 1 e 3) per impostare la corrente diretta I_F. Il valore è calcolato in base alla tensione di pilotaggio e alla I_Fdesiderata (tipicamente tra la corrente di soglia I_FTe il valore massimo assoluto). Per il funzionamento ad alta velocità, è consigliato un driver veloce.
2. Lato Uscita: V_CC(pin 6) è collegato alla tensione di alimentazione logica desiderata (fino a 7V). Il pin 4 (GND) è collegato alla massa del lato di uscita. Il pin di uscita 5 è collegato all'ingresso logico ricevente. Una resistenza di pull-up esterna a V_CCpuò essere richiesta a seconda della struttura di uscita interna (lo schema nella scheda tecnica mostra un pull-down attivo, suggerendo un'uscita totem-pole, ma il progetto dovrebbe verificare se è necessario il pull-up).Il critico condensatore di bypass da 0.1µF tra V_CCe GND è obbligatorio.

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Velocità vs. Corrente:Un I_Fpiù alto migliora il ritardo di propagazione ma aumenta la dissipazione di potenza e può ridurre l'affidabilità a lungo termine. Ottimizzare I_Fin base alla velocità richiesta e ai vincoli termici.
• Immunità al Rumore:L'alta immunità ai transitori di modo comune (5kV/µs) lo rende adatto ad ambienti rumorosi come azionamenti di motori e alimentatori. Assicurare un corretto layout PCB per minimizzare l'accoppiamento parassita attorno alla barriera di isolamento.
• Considerazioni sul Carico:Rispettare i valori massimi di corrente di uscita (I_O) e tensione (V_O). L'uscita è progettata per pilotare ingressi logici standard (TTL, CMOS) e non carichi pesanti.
• Bypass dell'Alimentazione:Trascurare il condensatore di bypass consigliato può portare a oscillazioni, falsi trigger e prestazioni di commutazione degradate.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

Rispetto ai fotocoupler standard con uscita a transistor, la porta logica integrata dell'ELS611-G offre diversi vantaggi chiave:

• Velocità Maggiore:La velocità dati di 10MBit/s e i ritardi di propagazione inferiori a 100ns sono significativamente più veloci dei tipici coupler a transistor (spesso nell'intervallo dei µs).
• Uscita Digitale Pulita:L'uscita a porta logica fornisce fronti netti e livelli logici ben definiti senza la necessità di trigger di Schmitt esterni, semplificando il design del circuito.
• Distorsione d'Impulso Inferiore:La distorsione della larghezza di impulso specificata è bassa, il che è critico per preservare l'integrità del segnale nelle linee di clock e dati.
• Funzionalità Integrata:Combina il fotodetettore, l'amplificatore e la porta logica in un unico chip, riducendo il numero di componenti esterni.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

1. D: Qual è la corrente di ingresso minima richiesta per garantire che l'uscita commuti a livello basso?
   
   R: Il parametro I_FT(Corrente di Soglia di Ingresso) ha un valore massimo di 5mA nelle condizioni di test (V_CC=5.5V, V_O=0.6V, I_OL=13mA). Per garantire una commutazione affidabile in tutte le condizioni, il progetto dovrebbe utilizzare una I_Fmaggiore di questo valore, tipicamente 7.5mA a 10mA come indicato nelle caratteristiche di commutazione.
2. D: Posso usarlo con un'alimentazione logica a 3.3V sull'uscita?
   
   R: Sì, il dispositivo può funzionare con V_CCbassa quanto il minimo richiesto per il funzionamento della porta logica interna (non esplicitamente dichiarato, ma tipicamente ~2.7V a 3V per CMOS). I livelli logici di uscita saranno relativi a questa V_CC. Il massimo V_CCè 7.0V.
3. D: Quanto è critico il condensatore di bypass da 0.1µF?
   
   R: È assolutamente critico per un funzionamento stabile e ad alta velocità. Fornisce un serbatoio di carica locale per le correnti di commutazione dello stadio di uscita, prevenendo cadute della tensione di alimentazione e oscillazioni che possono causare malfunzionamenti.
4. D: Cosa significa \"uscita memorizzabile\"?
   
   R: Probabilmente si riferisce a una funzione di latch o flip-flop che può mantenere lo stato di uscita. Tuttavia, la tavola della verità nel PDF mostra una semplice funzione di invertitore (Ingresso H -> Uscita L, Ingresso L -> Uscita H). Il termine può indicare che l'uscita può mantenere il suo stato durante brevi interruzioni o ha una buona immunità al rumore. Lo schema dovrebbe essere consultato per chiarimenti.

10. Esempio di Applicazione Pratica

Scenario: Isolare un Segnale UART in un Controllore Industriale.

Un microcontrollore industriale comunica con una periferica via UART a 115200 baud. La periferica opera su un alimentatore separato con un potenziale di massa diverso, creando un rischio di loop di massa.

Implementazione:

Vengono utilizzati due dispositivi ELS611-G, uno per la linea TX (controller a periferica) e uno per la linea RX (periferica a controller). Sull'isolatore TX, il pin TX del microcontrollore pilota il LED tramite una resistenza limitatrice impostata per I_F=10mA. Il pin di uscita dell'isolatore si collega all'ingresso RX della periferica. Il V_CCdell'isolatore è alimentato dal rail 5V o 3.3V della periferica, con l'obbligatorio condensatore di bypass. Il processo è speculare per la linea RX. Questa configurazione interrompe la connessione di massa, previene l'accoppiamento del rumore e protegge il microcontrollore dai transitori di tensione sul lato periferica, mantenendo al contempo l'integrità dei dati seriali ad alta velocità.

11. Principio di Funzionamento

Un fotocoupler opera sul principio dell'accoppiamento ottico per ottenere l'isolamento elettrico. Nell'ELS611-G:

1. Un segnale elettrico applicato al lato di ingresso fa sì che il Diodo Emettitore di Luce (LED) a infrarossi emetta luce proporzionale alla corrente.
2. Questa luce attraversa una barriera di isolamento trasparente (tipicamente un composto di stampaggio) all'interno del package.
3. Sul lato di uscita, un fotodiodo o fototransistor al silicio rileva la luce e la riconverte in una corrente elettrica.
4. Questa piccola fotocorrente viene amplificata ed elaborata da un circuito integrato ad alta velocità che include una porta logica (in questo caso, probabilmente un invertitore o un buffer). L'IC fornisce un segnale di uscita digitale pulito che replica lo stato di ingresso ma è elettricamente isolato da esso.
5. La barriera di isolamento fornisce un'elevata rigidità dielettrica (5000Vrms), impedendo il flusso di corrente e le differenze di tensione tra i due lati.

12. Tendenze Tecnologiche

L'evoluzione di fotocoupler come l'ELS611-G è guidata da diverse tendenze chiave nell'elettronica:

• Velocità Dati Aumentate:La domanda di isolamento ad alta velocità nelle comunicazioni industriali (Profibus, EtherCAT), reti automobilistiche e sistemi di energia rinnovabile spinge verso dispositivi con ritardo di propagazione inferiore e maggiore immunità di modo comune.
• Miniaturizzazione:C'è una tendenza continua verso package più piccoli (es. SOIC-4, LSSOP) con le stesse o migliori specifiche di isolamento per risparmiare spazio PCB.
• Integrazione Avanzata:I dispositivi futuri potrebbero integrare più funzioni, come l'isolamento di potenza (convertitori DC-DC isolati) con l'isolamento dei dati in un unico package, o isolatori multicanale.
• Innovazione di Materiali e Processi:Gli sviluppi nell'efficienza dei LED, nella sensibilità dei rivelatori e nella purezza dei composti di stampaggio contribuiscono a un consumo energetico inferiore, una velocità maggiore e una migliore affidabilità a lungo termine.
• Tecnologie di Isolamento Alternative:Sebbene gli optocoupler siano maturi, tecnologie come l'isolamento capacitivo (utilizzando barriere di SiO2) e l'isolamento magnetico (GMR) competono in alcune applicazioni ad alta velocità e alta densità. Ogni tecnologia ha i suoi compromessi in termini di velocità, immunità, consumo energetico e costo.