Scheda Tecnica Fototransistor Fotocoppiatore EL101XH-G - Package SOP 4 Pin - Creepage 8mm - Isolamento 5000Vrms - Senza Alogeni - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie EL101XH-G rappresenta una famiglia di fotocoppiatori a fototransistor (optoisolatori) ad alte prestazioni, progettati per un isolamento di segnale affidabile in applicazioni elettroniche impegnative. Questi dispositivi sono concepiti per fornire una robusta barriera galvanica tra i circuiti di ingresso e uscita, prevenendo loop di massa, picchi di tensione e rumore dal propagarsi tra diverse sezioni di un sistema. La funzione principale è realizzata da un diodo emettitore a infrarossi accoppiato otticamente a un rivelatore a fototransistor al silicio, il tutto racchiuso in un compatto package SOP (Small Outline Package) a 4 pin.

Una caratteristica distintiva chiave di questa serie è la suadistanza di creepage lunga 8mm, che migliora significativamente la sicurezza e l'affidabilità nelle applicazioni che richiedono alte tensioni di isolamento. Questo design, combinato con unatensione di isolamento nominale di 5000 V_rmsisolation voltage, rende la serie adatta per sistemi di controllo industriale, alimentatori ed elettrodomestici dove la sicurezza dell'utente e la protezione delle apparecchiature sono fondamentali. I dispositivi sono inoltre prodotti per esseresenza alogeni, conformi alle normative ambientali limitando il contenuto di bromo (Br) e cloro (Cl).

I mercati target per la serie EL101XH-G sono ampi, comprendendo automazione industriale, telecomunicazioni, strumentazione di misura ed elettrodomestici. Applicazioni tipiche includono l'isolamento nei moduli I/O dei controllori logici programmabili (PLC), la trasmissione di segnale nelle apparecchiature telecom, l'isolamento di interfaccia negli strumenti di misura e l'isolamento di sicurezza negli elettrodomestici come i termoventilatori.

2. Approfondimento dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento a questi limiti o oltre non è garantito.

• Corrente Diretta di Ingresso (I_F)F): 50 mA (Continua). Questa è la massima corrente continua che può attraversare il LED a infrarossi di ingresso.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP)FP): 1 A per 1 µs (impulso). Questo valore è cruciale per resistere a brevi sovracorrenti durante eventi di commutazione.
• Tensione Inversa di Ingresso (V_R)R): 6 V. Superare questa tensione in polarizzazione inversa può danneggiare il LED.
• Tensione Collettore-Emettitore di Uscita (V_CEO)CEO): 80 V. Questa è la massima tensione che il collettore del fototransistor può sopportare rispetto al suo emettitore quando la base (pilotata dalla luce) è aperta.
• Dissipazione di Potenza Totale (P_TOT)TOT): 250 mW. Questa è la massima potenza combinata che l'intero dispositivo può dissipare, limitando il prodotto di corrente/tensione di ingresso e corrente/tensione di uscita.
• Tensione di Isolamento (V_ISO)ISO): 5000 V_rmsper 1 minuto. Questo parametro di sicurezza critico viene testato cortocircuitando i pin 1 & 2 insieme e i pin 3 & 4 insieme, applicando alta tensione tra questi due gruppi.
• Temperatura Operativa (T_OPR)A): -55°C a +125°C. Questo ampio range garantisce la funzionalità in ambienti industriali e automobilistici severi.
• Temperatura di Saldatura (T_SOL)S): 260°C per 10 secondi. Questo guida il processo di saldatura a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

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

2.2.1 Caratteristiche di Ingresso (Lato LED)

• Tensione Diretta (V_F)F): Tipicamente 1.2V, con un massimo di 1.4V a I_FF = 10 mA. Questo valore è usato per calcolare la resistenza di limitazione della corrente richiesta.
• Corrente Inversa (I_R)R): Massimo 10 µA a V_RR = 6V, indicando buone caratteristiche di dispersione del diodo.
• Capacità di Ingresso (C_in)): Tipicamente 50 pF. Questo influisce sulle prestazioni di commutazione ad alta frequenza sul lato di ingresso.

2.2.2 Caratteristiche di Uscita (Lato Fototransistor)

• Corrente di Buio Collettore-Emettitore (I_CEO)CEO): Massimo 200 nA a V_CECE = 48V, I_FF = 0mA. Questa è la corrente di dispersione quando il LED è spento, importante per l'integrità del segnale nello stato di OFF.
• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (BV_CEO)CEO): Minimo 80V a I_CC = 0.1mA, confermando l'elevata capacità di tensione.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(sat))): Massimo 0.3V a I_FC = 10mA, I_CF = 1mA. Una bassa tensione di saturazione è desiderabile quando l'uscita è usata come interruttore nello stato "ON".

2.2.3 Caratteristiche di Trasferimento

Questi parametri definiscono l'efficienza di accoppiamento e la velocità tra ingresso e uscita.

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR): Questa è la metrica di prestazione principale, definita come (I_CC / I_FF) * 100% in condizioni specificate (V_CECE =5V, I_FF =5mA). La serie EL101XH-G è offerta in più gradi CTR:
  • EL1010H: 50% a 600% (Range ampio)
  • EL1011H: 100% a 200%
  • EL1017H: 80% a 160%
  • EL1018H: 130% a 260%
  • EL1019H: 200% a 400%
  Un grado CTR più alto permette di utilizzare una corrente di ingresso LED inferiore per ottenere la stessa corrente di uscita, migliorando l'efficienza energetica.
• Resistenza di Isolamento (R_IO)ISO): Minimo 5 x 10¹⁰9 Ω a 500V DC. Questa resistenza estremamente alta conferma la qualità del materiale isolante interno.
• Capacità Flottante (C_IO)IO): Massimo 1.0 pF. Questa bassa capacità inter-package è fondamentale per ottenere un'elevata immunità ai transienti di modo comune (CMTI) in ambienti rumorosi.
• Tempi di Commutazione: Testati con V_CECE =5V, I_CF =5mA, R_LL =100Ω.
  • Tempo di accensione (t_on): Tipicamente 12 µs.
  • Tempo di spegnimento (t_off): Tipicamente 10 µs.
  • Tempo di salita (t_rr) e Tempo di discesa (t_ff): Massimo 18 µs ciascuno.
  Queste velocità sono adatte per l'isolamento di segnali digitali a frequenze moderate (decine di kHz).

3. Spiegazione del Sistema di Classificazione

La serie EL101XH-G utilizza unsistema di classificazione basato sul CTR, che è il principale differenziatore tra i numeri di parte. La "X" nel numero di parte EL101XXH-G denota il rango CTR (0, 1, 7, 8, 9). Ogni rango corrisponde a un range minimo e tipico specifico di CTR, come dettagliato nella sezione 2.2.3. Questo permette ai progettisti di selezionare un dispositivo con il guadagno preciso necessario per la loro applicazione. Scegliere un grado CTR più alto (es. EL1019H) può ridurre la corrente di pilotaggio richiesta per il LED di ingresso, abbassando il consumo energetico e la generazione di calore. Al contrario, un grado CTR più basso potrebbe essere sufficiente per applicazioni con ampia corrente di pilotaggio disponibile.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

Sebbene il PDF indichi la presenza di "Curve Tipiche delle Caratteristiche Elettro-Ottiche", i grafici specifici non sono forniti nel contenuto testuale. Tipicamente, tali schede tecniche includono curve che mostrano la relazione tra:

• CTR vs. Corrente Diretta (I_F)F): Questa curva mostra come il rapporto di trasferimento di corrente cambi con la corrente di pilotaggio del LED. Il CTR spesso diminuisce a I_FF molto alte a causa del riscaldamento e del calo di efficienza.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_a)A): Questa è una curva critica per il progetto termico. Il CTR per i coppianti a fototransistor tipicamente ha un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che diminuisce all'aumentare della temperatura. I progettisti devono tenere conto di questa derating sull'intero range di temperatura operativa.
• Corrente del Collettore vs. Tensione Collettore-Emettitore (I_CC-V_CE)CE): Queste curve caratteristiche di uscita, tracciate per diverse correnti di ingresso (I_FF), mostrano le regioni operative del fototransistor (saturazione, attiva).
• Tensione Diretta vs. Corrente Diretta (V_FF-I_F)F): La curva I-V standard del LED, utile per la gestione termica del lato di ingresso.

I progettisti dovrebbero consultare la scheda tecnica ufficiale con i grafici per modellare accuratamente il comportamento del dispositivo in condizioni non standard.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

5.1 Configurazione dei Pin

Il package SOP a 4 pin ha la seguente configurazione dei pin:

1. Anododel LED a infrarossi di ingresso.
2. Catododel LED a infrarossi di ingresso.
3. Emettitoredel fototransistor di uscita.
4. Collettoredel fototransistor di uscita.

Questa è una configurazione standard per i fotocoppiatori a fototransistor.

5.2 Dimensioni del Package e Impronta PCB

Il dispositivo è descritto come un "Package SOP compatto a 4 Pin con profilo di 2.2 mm". Il PDF include un diagramma "Dimensioni del Package" e un "Layout consigliato dei pad per il montaggio superficiale". Il suggerimento per il layout dei pad è fornito come riferimento, e la scheda tecnica consiglia esplicitamente ai progettisti di modificare le dimensioni dei pad in base ai loro specifici processi di produzione PCB e requisiti termici. Un corretto progetto dei pad è essenziale per una saldatura affidabile e la resistenza meccanica.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il parametro chiave fornito è latemperatura di saldatura: 260°C per 10 secondi. Questo si allinea con i profili tipici di saldatura a rifusione senza piombo (IPC/JEDEC J-STD-020). Progettisti e produttori devono assicurarsi che il profilo del loro forno a rifusione non superi questo tempo a temperatura per prevenire danni al composto di stampaggio epossidico interno e ai bonding dei fili. Dovrebbero essere seguite le procedure standard di gestione per dispositivi sensibili all'umidità (valutazione MSL, non specificata nel testo fornito ma da verificare nella scheda tecnica completa), inclusa l'essiccazione se l'imballaggio è stato esposto all'umidità ambientale oltre il suo livello nominale.

7. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

7.1 Regola di Numerazione del Modello

Il numero di parte segue il formato:EL101X H(Y)- VG

• EL101: Numero di parte base.
• XX: Rango CTR (0, 1, 7, 8, 9).
• HH: Denota la capacità di funzionamento ad alta temperatura.
• (Y): Opzione nastro e bobina. Può essere TA, TB, o nessuna (per imballaggio in tubo).
• VV: Suffisso opzionale che denota la certificazione di sicurezza VDE.
• GG: Denota la costruzione senza alogeni.

Esempio: EL1018H-VG è la versione senza alogeni, certificata VDE, con rango CTR 8.

7.2 Specifiche di Imballaggio

Il dispositivo è disponibile in due forme di imballaggio principali:

• Tubo: 100 unità per tubo. Opzioni standard o con certificazione VDE.
• Nastro e Bobina: 3000 unità per bobina. Sono disponibili due opzioni di direzione di alimentazione (TA e TB), con dimensioni dettagliate del nastro (Ao, Bo, Po, P, ecc.) fornite nella scheda tecnica per la programmazione delle macchine pick-and-place automatiche.

7.3 Marcatura del Dispositivo

La parte superiore del package SOP è marcata con un codice:EL 101X H Y WW V

• ELEL: Codice del produttore.
• 101X: Numero del dispositivo (X indica il rango CTR).
• HH: Designazione di funzionamento ad alta temperatura.
• YY: Codice anno a 1 cifra.
• WWWW: Codice settimana a 2 cifre.
• VV: Marcatura opzionale per le versioni approvate VDE.

8. Raccomandazioni per l'Applicazione

8.1 Circuiti di Applicazione Tipici

Il fotocoppiatore può essere usato in due modalità principali:

1. Commutazione Digitale / Isolamento: Il LED di ingresso è pilotato da un segnale digitale (es. da un GPIO di microcontrollore). L'uscita del fototransistor agisce come un interruttore, portando una linea a massa o a V_CCCC attraverso una resistenza di pull-up. Le specifiche dei tempi di commutazione determinano la massima velocità di dati.
2. Isolamento di Segnale Lineare: Operando il fototransistor nella sua regione attiva (non satura), può essere usato per trasmettere segnali analogici. Tuttavia, la non linearità del CTR e la sua variazione con la temperatura rendono questo compito impegnativo senza circuiti di compensazione aggiuntivi. È più comune usare un optoisolatore lineare dedicato per tali compiti.

8.2 Considerazioni di Progettazione

• Limitazione della Corrente di Ingresso: Una resistenza esterna èsemprerichiesta in serie con il LED di ingresso per impostare la corrente diretta (I_FF). Calcolare R_limit= (V_drive- V_FF) / I_FF. Assicurarsi che I_FF non superi 50 mA DC.
• Derating del CTR con la Temperatura: Tenere conto della diminuzione del CTR alle alte temperature. Progettare il circuito per funzionare correttamente alla massima temperatura operativa con il CTR minimo del grado selezionato.
• Resistenza di Carico di Uscita (R_L)L): Il valore della resistenza di pull-up sul collettore influisce sulla velocità di commutazione, sul consumo energetico e sull'immunità al rumore. Una R_LL più piccola dà una commutazione più veloce ma un assorbimento di corrente più alto. La condizione di test di R_LL = 100Ω è per la caratterizzazione; i valori pratici spesso vanno da 1kΩ a 10kΩ.
• Immunità al Rumore: La bassa capacità di accoppiamento (<1pF) fornisce un buon reiezione di modo comune. Per ambienti molto rumorosi, assicurare un layout pulito con una corretta messa a terra e considerare l'aggiunta di un piccolo condensatore di bypass (es. 0.1µF) attraverso i rail di alimentazione del lato di uscita.

9. Confronto Tecnico e Vantaggi

La serie EL101XH-G si differenzia sul mercato attraverso diverse caratteristiche chiave:

• Distanza di Creepage Lunga (8mm): Rispetto agli optocoppiatori SOP standard, questo creepage esteso è un vantaggio significativo per applicazioni che richiedono isolamento rinforzato o che operano in ambienti inquinati, poiché riduce il rischio di scarica superficiale.
• Alta Tensione di Isolamento (5000V_rms)): Questa è una robusta classificazione di isolamento adatta per apparecchiature industriali collegate alla rete (es. sistemi 240V/480V).
• Conformità Senza Alogeni: Soddisfa i requisiti ambientali e normativi per il ridotto contenuto di alogeni, sempre più importante nell'elettronica verde.
• Ampio Range di Temperatura Operativa (-55°C a +125°C): Supera il tipico range commerciale (0°C a 70°C), rendendolo adatto per applicazioni industriali, automobilistiche e di grado militare.
• Approvazioni di Sicurezza in Attesa: La scheda tecnica elenca le approvazioni da UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC come "in attesa". Ciò indica che il dispositivo è progettato per soddisfare questi rigorosi standard di sicurezza internazionali.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D1: Qual è lo scopo della lunga distanza di creepage?

R1: La distanza di creepage è il percorso più breve lungo la superficie del package isolante tra due parti conduttive (pin di ingresso e uscita). Una distanza di 8mm aumenta la protezione contro archi ad alta tensione o scariche superficiali attraverso il package, specialmente in ambienti umidi o contaminati, migliorando l'affidabilità e la sicurezza a lungo termine.

D2: Come scelgo il giusto grado CTR?

R2: Seleziona in base alla tua corrente di pilotaggio disponibile e alla corrente di uscita richiesta. Se il tuo microcontrollore può fornire solo 5mA, scegli un grado ad alto CTR (es. EL1019H) per ottenere una corrente di uscita sufficiente. Se hai ampia corrente di pilotaggio, un grado più basso può essere più conveniente. Progetta sempre per il caso peggiore (CTR minimo alla massima temperatura).

D3: Può essere usato per l'isolamento di segnali AC?

R3: L'uscita del fototransistor è unidirezionale (la corrente scorre dal Collettore all'Emettitore). Per isolare un segnale AC, tipicamente si usano due dispositivi in configurazione antiparallelo o un optocoppiatore dedicato a ingresso AC. Per il rilevamento digitale dello zero di una tensione AC, può essere usato con un ponte raddrizzatore sull'ingresso.

D4: Qual è la differenza tra tensione di isolamento e tensione nominale collettore- emettitore?

R4: La tensione di isolamento (5000V_rms) è la tensione di tenuta dielettricatrail lato di ingresso e uscita del package. La tensione collettore-emettitore (80V) è la massima tensione che può essere applicataattraverso il transistor di uscita stessodurante il normale funzionamento. Sono parametri completamente diversi.

11. Caso Pratico di Progettazione

Scenario:Isolare un segnale GPIO di un microcontrollore a 3.3V per controllare una bobina di relè a 24V su un dominio di alimentazione separato in un modulo PLC industriale.



Passi di Progettazione:

1. Lato Ingresso:Il GPIO del MCU è a 3.3V. Assumendo una I_FF desiderata di 5mA e una V_FF tipica di 1.2V, calcolare R_limit= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω. Usare una resistenza standard da 430Ω.
2. Selezione del CTR:La base del transistor di pilotaggio della bobina del relè richiede ~5mA. Con I_FF =5mA, CTR minimo richiesto = (5mA / 5mA)*100% = 100%. Per garantire il funzionamento a 125°C (dove il CTR è più basso), selezionare un grado con un margine confortevole. EL1018H (CTR min 130%) è una buona scelta.
3. Lato Uscita:Collegare il collettore del fototransistor all'alimentazione 24V tramite una resistenza di pull-up (R_LL). L'emettitore si collega alla base del transistor di pilotaggio del relè (un BJT NPN o il gate di un MOSFET a canale N). Quando l'uscita del MCU è alta, il LED è acceso, il fototransistor satura, portando la base vicino a massa, spegnendo il driver. Quando l'uscita del MCU è bassa, il LED è spento, il fototransistor è spento, e una resistenza di polarizzazione separata porta alta la base del driver per attivare il relè. È richiesto un diodo di soppressione attraverso la bobina del relè.
4. Layout:Mantenere le tracce di ingresso e uscita fisicamente separate sul PCB. Posizionare i condensatori di bypass vicino ai pin del dispositivo. Seguire il layout consigliato dei pad per una saldatura affidabile.

Questo progetto fornisce un robusto isolamento, proteggendo il microcontrollore sensibile dai transienti generati dalla bobina induttiva del relè.

12. Principio di Funzionamento

Un fotocoppiatore (o optoisolatore) è un dispositivo che trasferisce segnali elettrici tra due circuiti isolati usando la luce. Nella serie EL101XH-G:

1. Una corrente elettrica applicata aipin di ingresso (Anodo e Catodo)fa sì che l'integratodiodo emettitore di luce a infrarossi (LED)emetta fotoni.
2. Questi fotoni viaggiano attraverso un materiale isolante trasparente (tipicamente epossidico stampato) all'interno del package.
3. I fotoni colpiscono la regione di base di unfototransistor al siliciosullato di uscita.
4. .Questa energia luminosa genera coppie elettrone-lacuna nella base, agendo efficacemente come una corrente di base e facendo condurre il transistor tra il suo pins.
5. Collettore ed Emettitore_C._FLa quantità di corrente di collettore in uscita (I

C) è proporzionale alla corrente del LED di ingresso (I

F), con la costante di proporzionalità che è il Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR).

Il punto chiave è che l'unica connessione tra ingresso e uscita è un fascio di luce, fornendo un eccellente isolamento elettrico determinato dalle proprietà della barriera isolante e dalla distanza interna tra il chip LED e il chip fototransistor.

• 13. Tendenze del SettoreIl mercato per i componenti di isolamento come i fotocoppiatori sta evolvendo guidato da diverse tendenze chiave:
• Velocità e Larghezza di Banda Maggiori:La domanda è in crescita per isolatori digitali e optocoppiatori ad alta velocità in grado di supportare protocolli di comunicazione come USB, CAN FD ed Ethernet in reti isolate, spingendo le velocità di dati nelle decine e centinaia di Mbps.
• Integrazione:C'è una tendenza verso l'integrazione di più canali di isolamento in un unico package, o combinare l'isolamento con altre funzioni come i driver di gate per MOSFET/IGBT di potenza.
• Standard di Sicurezza e Affidabilità Rafforzati:Le normative nel settore industriale, automobilistico (ISO 26262) e delle apparecchiature mediche continuano a stringere, richiedendo componenti con classificazioni di isolamento certificate più alte, creepage/clearance più lunghi e dati di affidabilità provati.
• Miniaturizzazione:Pur mantenendo o migliorando le prestazioni di isolamento, i package stanno diventando più piccoli (es. SOIC wide-body, DSOP) per risparmiare spazio sulla scheda.

Tecnologie Alternative: