Scheda Tecnica Fotocoupler 6N138 6N139 - Package DIP 8 Pin - Split Darlington ad Alto Guadagno - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

I modelli 6N138 e 6N139 sono fotocoupler ad alte prestazioni e bassa corrente di ingresso, caratterizzati da uno stadio di uscita a fototransistor split Darlington. Questi dispositivi sono progettati per fornire un rapporto di trasferimento di corrente (CTR) molto elevato, consentendo una trasmissione del segnale affidabile con una corrente di pilotaggio in ingresso minima. Sono alloggiati in un package DIP (Dual In-line Package) standard a 8 pin, con opzioni per spaziatura ampia dei terminali e configurazioni per montaggio superficiale. La funzione principale è fornire isolamento elettrico tra i circuiti di ingresso e uscita, proteggendo la logica sensibile da picchi di tensione e loop di massa.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Il vantaggio chiave di questi fotocoupler è il loro CTR tipico eccezionalmente alto del 2000%, che consente l'interfacciamento diretto con segnali logici a bassa corrente senza richiedere amplificazione aggiuntiva. Sono certificati dalle principali agenzie di sicurezza internazionali (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) e offrono un'elevata tensione di isolamento di 5000 Vrms. Queste caratteristiche li rendono ideali per applicazioni industriali, di telecomunicazione e informatiche dove l'immunità al rumore, l'isolamento di sicurezza e l'integrità del segnale sono critici. I mercati target includono automazione industriale, loop di retroazione degli alimentatori, isolamento di interfacce digitali e ricevitori di linea di comunicazione.

2. Approfondimento dei Parametri Tecnici

Questa sezione fornisce un'interpretazione oggettiva dei principali parametri elettrici e ottici specificati nella scheda tecnica.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente. Il LED a infrarossi in ingresso ha una corrente diretta continua massima (IF) di 20 mA e può sopportare una corrente di picco transitoria di 1 A per impulsi molto brevi (<1 µs). La corrente di collettore massima (IO) del transistor di uscita è di 60 mA e la sua dissipazione di potenza (PO) è limitata a 100 mW. Il dispositivo può operare in un intervallo di temperatura ambiente da -40°C a +85°C. La tensione di isolamento di 5000 Vrms è un parametro di sicurezza chiave, testata con tutti i pin di ingresso cortocircuitati insieme e tutti i pin di uscita cortocircuitati insieme.

2.2 Caratteristiche Elettriche

Le caratteristiche elettriche sono garantite nell'intervallo di temperatura commerciale da 0°C a 70°C. Per il LED in ingresso, la tensione diretta tipica (VF) è di 1,3V con IF = 1,6 mA. I parametri della sezione di uscita differiscono leggermente tra 6N138 e 6N139. Il 6N139 offre tipicamente una corrente di dispersione in uscita a livello logico alto (IOH) inferiore di 0,01 µA rispetto ai 100 µA del 6N138 nelle stesse condizioni (IF=0mA, VCC=18V). La corrente di alimentazione nello stato logico basso (ICCL) è tipicamente di 0,6 mA per entrambi quando il LED è pilotato con 1,6 mA.

2.3 Caratteristiche di Trasferimento

Il Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR) è il parametro più critico, definito come (IC / IF) * 100%. Il 6N139 ha un CTR minimo del 400% con IF=0,5mA e del 500% con IF=1,6mA. Il 6N138 ha un CTR minimo del 300% con IF=1,6mA. Il valore tipico per entrambi è del 2000-2500%, indicando un'elevata sensibilità. La tensione di uscita a livello logico basso (VOL) è specificata in varie condizioni di carico, con un massimo di 0,4V, garantendo la compatibilità con i livelli logici standard TTL e CMOS.

2.4 Caratteristiche di Commutazione

La velocità di commutazione dipende dalla corrente di pilotaggio in ingresso e dalla resistenza di carico. I tempi di ritardo di propagazione (tPLH, tPHL) sono forniti per specifiche condizioni di test. Ad esempio, il 6N139 con IF=0,5mA e RL=4,7kΩ ha un tPHL tipico di 5 µs e un tPLH di 16 µs. Aumentando IF a 12mA con RL=270Ω si migliora drasticamente la velocità rispettivamente a 0,2 µs e 1,7 µs. Il 6N138 è generalmente più lento nella sua condizione di test specificata (IF=1,6mA, RL=2,2kΩ). L'Immunità ai Transitori di Modo Comune (CMTI) è specificata con un minimo di 1000 V/µs per entrambi gli stati logici alto e basso, indicando un buon rigetto del rumore contro transitori di tensione rapidi attraverso la barriera di isolamento.

3. Informazioni Meccaniche e sul Package

I dispositivi sono forniti in un package DIP standard a 8 pin. La configurazione dei pin è la seguente: Pin 1: Nessun Collegamento, Pin 2: Anodo, Pin 3: Catodo, Pin 4: Nessun Collegamento, Pin 5: Massa (Gnd), Pin 6: Uscita (Vout), Pin 7: Base (VB), Pin 8: Tensione di Alimentazione (VCC). Il pin di base (7) fornisce accesso alla base del fototransistor, che può essere utilizzata per collegare una resistenza o un condensatore di accelerazione per bilanciare larghezza di banda e stabilità. Le opzioni di package includono DIP standard, terminali piegati a spaziatura ampia (0,4 pollici) e forme per montaggio superficiale (S e S1 a profilo basso).

4. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il valore massimo assoluto per la temperatura di saldatura è di 260°C per 10 secondi. Questo è tipico per processi di saldatura a onda o a rifusione. Devono essere osservate le precauzioni standard per la manipolazione di dispositivi sensibili alle scariche elettrostatiche (ESD). I dispositivi devono essere conservati in condizioni entro l'intervallo di temperatura di stoccaggio specificato da -55°C a +125°C.

5. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

Il numero di parte segue il formato: 6N13XY(Z)-V. 'X' è il numero di parte (8 per 6N138, 9 per 6N139). 'Y' indica l'opzione della forma del terminale: nessuna per DIP standard (45 unità/tubo), 'M' per terminali piegati a spaziatura ampia (45 unità/tubo), 'S' per montaggio superficiale, 'S1' per montaggio superficiale a profilo basso. 'Z' specifica l'opzione nastro e bobina per i componenti SMD: 'TA' o 'TB' (1000 unità/bobina). 'V' è un suffisso opzionale per l'approvazione VDE. Gli utenti devono selezionare la combinazione corretta in base ai requisiti di assemblaggio.

6. Suggerimenti Applicativi

6.1 Scenari Applicativi Tipici

La scheda tecnica elenca diverse applicazioni chiave: Isolamento di massa per logica digitale, ricevitori di linea RS-232C, ricevitori di linea a bassa corrente di ingresso, isolamento del bus del microprocessore e ricevitori di loop di corrente. Il loro alto CTR li rende eccellenti per interfacciare direttamente i pin GPIO di un microcontrollore, isolare segnali di sensori in ambienti rumorosi o fornire isolamento galvanico in linee di comunicazione seriale come RS-232 o RS-485.

6.2 Considerazioni di Progettazione

1. Limitazione della Corrente di Ingresso:Deve essere utilizzata una resistenza esterna in serie per limitare la corrente diretta del LED (IF) a un valore entro il massimo assoluto e l'intervallo operativo desiderato. Il valore della resistenza richiesta è (Vdrive - VF) / IF. 2.Carico di Uscita:Il transistor di uscita funziona come un pozzo di corrente. La resistenza di carico (collegata tra VCC e il pin 6) deve essere scelta per impostare l'escursione di tensione di uscita desiderata e la velocità di commutazione. Una resistenza più piccola aumenta la velocità ma aumenta anche il consumo di potenza. 3.Velocità vs. Stabilità:Collegare una resistenza (tipicamente da 10kΩ a 1MΩ) dal pin di base (7) alla massa può migliorare la stabilità e l'immunità al rumore, ma ridurrà il CTR e rallenterà la velocità di commutazione. Un condensatore può essere aggiunto in parallelo per un'ulteriore filtrazione. 4.Disaccoppiamento dell'Alimentazione:Una buona pratica consiste nel posizionare un condensatore ceramico da 0,1 µF vicino al pin VCC (8) verso massa per sopprimere il rumore.

7. Confronto e Differenziazione Tecnica

La differenziazione principale della famiglia 6N138/6N139 risiede nella sua configurazione split Darlington e nel CTR molto elevato. Rispetto ai fotocoupler standard a transistor singolo (es. serie 4N25), questi dispositivi offrono una sensibilità significativamente più alta, consentendo di essere pilotati direttamente da logica CMOS a bassa corrente. Rispetto ai più recenti isolatori digitali, offrono una soluzione analogica più semplice, altamente conveniente per applicazioni che richiedono un isolamento di base senza la necessità di velocità ultra elevate o protocolli complessi. La disponibilità di un pin di base fornisce ai progettisti un grado di libertà unico per adattare la risposta in frequenza e l'immunità al rumore.

8. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D1: Qual è la differenza principale tra 6N138 e 6N139?

R1: Le differenze chiave sono nelle loro specifiche elettriche. Il 6N139 offre generalmente prestazioni migliori: un CTR minimo più alto (500% vs. 300% a IF=1,6mA), una corrente di dispersione in uscita inferiore nello stato di spegnimento e caratteristiche di commutazione leggermente diverse in test. Il 6N138 è la variante con specifiche inferiori.

D2: Come scelgo il valore per la resistenza di limitazione della corrente di ingresso?

R2: Determina la corrente diretta richiesta (IF) dalla tua applicazione (es. 1,6 mA per un buon equilibrio tra velocità e CTR). Misura o utilizza la VF tipica dalla scheda tecnica (1,3V). Se la tua tensione di pilotaggio è 5V, la resistenza R = (5V - 1,3V) / 0,0016A = 2312,5Ω. Una resistenza standard da 2,2kΩ sarebbe una scelta adatta.

D3: Perché il mio fotocoupler commuta lentamente?

R3: La velocità di commutazione è fortemente influenzata da IF e dalla resistenza di carico RL. Per aumentare la velocità, puoi: a) Aumentare la corrente di pilotaggio del LED (IF). b) Diminuire il valore della resistenza di carico (RL) sul collettore di uscita. c) Opzionalmente, utilizzare il pin di base (7) con una piccola resistenza verso massa per rimuovere la carica immagazzinata, ma questo ridurrà il CTR.

D4: Cosa significa "Immunità ai Transitori di Modo Comune"?

R4: Misura la capacità del dispositivo di ignorare picchi di tensione rapidi che appaiono ugualmente su entrambi i lati, ingresso e uscita, della barriera di isolamento. Un CMTI alto (come 1000 V/µs) significa che l'uscita non commuterà erroneamente a causa di tale rumore, il che è cruciale in ambienti di alimentazione rumorosi.

9. Caso Pratico di Progettazione

Caso: Isolamento di un Segnale UART di Microcontrollore per Comunicazione RS-232.

La linea TX UART a 3,3V di un microcontrollore deve essere isolata prima di collegarla a un chip trasduttore RS-232 su un piano di massa diverso. Può essere utilizzato un 6N139. Il pin del microcontrollore pilota il LED attraverso una resistenza da 1kΩ (IF ~ (3,3V-1,3V)/1k = 2mA). Il collettore di uscita (pin 6) è collegato al pin di ingresso del chip RS-232 tramite una resistenza di pull-up da 4,7kΩ al VCC (5V) del chip RS-232. Il pin di base (7) è lasciato aperto o collegato a massa tramite una resistenza di valore elevato (es. 1MΩ) per stabilità. Questo semplice circuito fornisce un isolamento robusto, protegge il microcontrollore da spostamenti di massa o sovratensioni sulla linea RS-232 e mantiene l'integrità del segnale.

10. Principio di Funzionamento

Il dispositivo opera sul principio dell'accoppiamento optoelettronico. Una corrente elettrica applicata ai pin di ingresso (Anodo e Catodo) fa sì che il Diodo Emettitore di Luce (LED) a infrarossi emetta luce. Questa luce attraversa un gap di isolamento trasparente e colpisce la regione di base fotosensibile di una coppia split Darlington di fototransistor al silicio. La luce incidente genera una corrente di base, che viene amplificata dai due stadi a transistor, risultando in una corrente di collettore molto più grande in uscita. La configurazione "split" significa tipicamente che la base del primo transistor è accessibile (pin 7), consentendo polarizzazione esterna. Il completo isolamento elettrico tra il LED di ingresso e i transistor di uscita è fornito dal package in plastica stampata, che ha un'elevata rigidità dielettrica.

11. Tendenze e Contesto del Settore

Fotocoupler come i 6N138/139 rappresentano una tecnologia di isolamento matura e affidabile. Le tendenze attuali nell'isolamento dei segnali includono la crescita di isolatori digitali basati su CMOS e accoppiamento RF o capacitivo, che offrono velocità superiore, efficienza energetica e integrazione (più canali in un package). Tuttavia, i fotocoupler mantengono forti vantaggi in alcune aree: offrono un'isolamento di tensione di lavoro molto alto (diversi kV), un'eccellente immunità ai transitori di modo comune, semplicità e robustezza contro sollecitazioni di alta tensione dv/dt. Sono spesso preferiti in ambienti industriali ad alto rumore, loop di retroazione degli alimentatori e applicazioni dove l'affidabilità collaudata e le certificazioni di sicurezza sono fondamentali. Lo sviluppo di nuovi materiali per LED e rivelatori continua a migliorare la velocità e il CTR degli optocoupler, garantendo la loro rilevanza accanto alle tecnologie più recenti.