Scheda Tecnica Fotocoupler ELQ3H4 - Package SSOP 16 Pin - Ingresso AC - CTR 20-300% - Isolamento 3750Vrms - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

La serie ELQ3H4 rappresenta una famiglia di isolatori otticamente accoppiati progettati per applicazioni ad alta densità che richiedono un isolamento del segnale affidabile. Il componente principale è costituito da un diodo a emissione luminosa (LED) in Arseniuro di Gallio (GaAs) accoppiato otticamente a un fototransistor NPN al silicio, il tutto racchiuso in un compatto package Shrink Small Outline Package (SSOP) a 16 pin. Una caratteristica chiave di questo package è lo schermo integrato per la luce, che riduce efficacemente l'impatto della luce ambientale sulle prestazioni del fototransistor, migliorando l'integrità del segnale in ambienti elettrici rumorosi.

Questo dispositivo è progettato per accettare direttamente segnali di ingresso AC, eliminando la necessità di circuiti di raddrizzamento esterni in molte applicazioni. La sua proposta di valore principale risiede nel combinare un fattore di forma molto ridotto (profilo di 2.0mm) con prestazioni di isolamento robuste (3750 V_rms) e la conformità ai principali standard internazionali di sicurezza e ambientali.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Il fotocoupler ELQ3H4 offre diversi vantaggi distinti. La sua costruzionesenza alogenie la conformità alle direttive RoHS e Pb-free lo rendono adatto per progetti attenti all'ambiente. Il dispositivo possiede le approvazioni delle principali agenzie di sicurezza tra cui UL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, facilitando il suo utilizzo in prodotti destinati a mercati globali con requisiti normativi stringenti.

Le principali applicazioni target sono nell'automazione e misurazione industriale, dove l'immunità al rumore e la sicurezza sono fondamentali. Queste includono:

• Controllori Logici Programmabili (PLC):Per isolare segnali I/O digitali, bus di comunicazione o ingressi di sensori analogici dall'unità di elaborazione centrale.
• Strumenti di Misura:Fornire isolamento in sistemi di acquisizione dati, multimetri o oscilloscopi per proteggere circuiti sensibili da punti di prova ad alta tensione.
• Circuiti Ibridi e Alimentatori:Funge da elemento di retroazione in alimentatori a commutazione isolati o all'interno di moduli ibridi personalizzati per il pilotaggio di gate o il condizionamento del segnale.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Una comprensione approfondita dei parametri elettrici e ottici è cruciale per una progettazione circuitale affidabile. Le sezioni seguenti forniscono un'analisi dettagliata delle specifiche chiave.

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 previsto. I limiti chiave per l'ELQ3H4 includono:

• Ingresso (Lato LED):Una corrente diretta continua (I_F) di ±60mA e una corrente di impulso di 1μs (I_FP) di 1A. La dissipazione di potenza per canale è di 70mW, con derating di 0.7mW/°C.
• Uscita (Lato Fototransistor):Una corrente di collettore (I_C) di 50mA. La tensione collettore-emettitore (V_CEO) è di 80V, mentre la tensione emettitore-collettore (V_ECO) è inferiore, 7V, indicando l'asimmetria delle caratteristiche di breakdown del fototransistor. La dissipazione di potenza in uscita è di 150mW per canale, con derating di 1.4mW/°C.
• Isolamento & Ambiente:Il dispositivo resiste a una tensione di isolamento (V_ISO) di 3750 V_rmsper un minuto. L'intervallo di temperatura operativa va da -55°C a +110°C.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

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

Caratteristiche di Ingresso:La tensione diretta (V_F) del LED GaAs è tipicamente 1.2V a I_F= 20mA, con un massimo di 1.4V. La capacità di ingresso (C_in) è fino a 250pF, il che può influenzare le prestazioni di commutazione ad alta frequenza.

Caratteristiche di Uscita:La corrente oscura collettore-emettitore (I_CEO) è al massimo di 100nA a V_CE=20V con il LED spento, rappresentando la dispersione del fototransistor. Le tensioni di breakdown (BV_CEO=80V, BV_ECO=7V) confermano la struttura asimmetrica.

Caratteristiche di Trasferimento (T_A= -40 a 85°C):Questo è il cuore delle prestazioni del fotocoupler.

• Rapporto di Trasferimento di Corrente (CTR):Definito come (I_C/ I_F) * 100% in condizioni specificate. L'ELQ3H4 ha un'ampissima gamma CTR dal 20% al 300% a I_F= 1mA, V_CE= 5V. Questa ampia dispersione richiede un'attenta progettazione del circuito o la selezione (binning) per applicazioni di precisione.
• Rapporto CTR (CTR1/CTR2):Questo parametro, compreso tra 0.5 e 2.0, indica la corrispondenza tra i canali in un dispositivo multi-canale o la coerenza del CTR in funzionamento AC. Un rapporto di 1.0 rappresenta una corrispondenza perfetta.
• Tensione di Saturazione: V_CE(sat)è tipicamente 0.1V (max 0.2V) a I_F=20mA, I_C=1mA, indicando buone caratteristiche di commutazione quando portato in saturazione.
• Parametri di Isolamento:La resistenza di isolamento (R_IO) è un minimo di 5 x 10¹⁰Ω, e la capacità di isolamento (C_IO) è tipicamente 0.3pF (max 1.0pF). Una bassa capacità è critica per il rigetto del rumore di modo comune ad alta frequenza.
• Velocità di Commutazione:Il tempo di salita (t_r) e il tempo di discesa (t_f) sono specificati con un massimo di 18μs ciascuno nella condizione di test V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω. Ciò indica che il dispositivo è adatto per segnalazione digitale a bassa/media frequenza, non per trasmissione dati ad alta velocità.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a tipiche curve caratteristiche elettro-ottiche. Sebbene i grafici specifici non siano riprodotti nel testo fornito, essi tipicamente illustrano le seguenti relazioni critiche per la progettazione:

• CTR vs. Corrente Diretta (I_F):Mostra come l'efficienza di trasferimento cambi con la corrente di pilotaggio del LED. Il CTR spesso diminuisce a I_Fmolto elevate a causa del calo di efficienza del LED.
• CTR vs. Temperatura:Illustra la dipendenza dalla temperatura dell'efficienza di accoppiamento, che tipicamente diminuisce all'aumentare della temperatura.
• Tensione Diretta (V_F) vs. Temperatura:Mostra il coefficiente di temperatura negativo della tensione diretta del LED.
• Corrente di Collettore (I_C) vs. Tensione Collettore-Emettitore (V_CE):Le caratteristiche di uscita del fototransistor per diverse correnti di ingresso, simili alle curve di un transistor bipolare.
• Tempo di Commutazione vs. Resistenza di Carico (R_L):Dimostra come i tempi di salita e discesa siano influenzati dal carico di uscita. Una R_Lmaggiore generalmente aumenta il tempo di salita a causa dell'aumento della costante di tempo RC.

I progettisti dovrebbero consultare i dati grafici completi per ottimizzare i punti di lavoro in base alle loro specifiche esigenze riguardo velocità, consumo energetico e stabilità termica.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni e Layout del Package

L'ELQ3H4 utilizza un SSOP a 16 pin con un profilo basso di 2.0mm, consentendo il montaggio su PCB ad alta densità. La scheda tecnica include un disegno dimensionato dettagliato che specifica lunghezza, larghezza, altezza, passo dei terminali e dimensioni dei terminali del package. Il rispetto di queste specifiche meccaniche è essenziale per un corretto adattamento sul PCB e nelle apparecchiature di assemblaggio automatizzate.

A Viene fornito unlayout consigliato per i pad

per l'assemblaggio a montaggio superficiale. Seguire questo land pattern è fondamentale per garantire la formazione affidabile dei giunti di saldatura, una corretta resistenza meccanica ed evitare problemi come il tombstoning durante la saldatura a rifusione. Il pattern tiene conto della formazione del filetto di saldatura e dello sfiato termico.

4.2 Marcatura e Polarità del DispositivoIl dispositivo è marcato sulla parte superiore del package. La marcatura segue il formato:.

• EL Q3H4 YWW VEL:
• Identificatore del produttore.Q3H4:
• Numero del dispositivo.Y:
• Codice anno a una cifra.WW:
• Codice settimana a due cifre.V:

Marcatura opzionale che indica l'approvazione VDE.

L'orientamento corretto è vitale. L'indicatore del pin 1 sul package (tipicamente un punto, una tacca o un bordo smussato) deve essere allineato con il marcatore del pin 1 sull'impronta PCB. Un'inserzione errata impedirà il funzionamento del dispositivo e potrebbe causare danni.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

5.1 Condizioni di Saldatura a RifusioneIl dispositivo è adatto per la saldatura a rifusione a montaggio superficiale. La scheda tecnica specifica un criticoprofilo di temperatura massima del corpo

• conforme a IPC/JEDEC J-STD-020D. I parametri chiave includono:Preriscaldamento:
• Da 150°C a 200°C in 60-120 secondi._LTempo Sopra Liquido (T=217°C):
• 60-100 secondi._PTemperatura di Picco (T):
• Massimo 260°C.Tempo entro 5°C dal Picco:
• Massimo 30 secondi.Cicli di Rifusione Massimi:

3 volte.

Il rispetto rigoroso di questo profilo previene danni termici al package plastico, ai bonding interni e al die del semiconduttore. Superare la temperatura di picco o il tempo a temperatura può portare a delaminazione, crepe o spostamenti parametrici.

5.2 Manipolazione e Conservazione

Devono essere osservate le normali precauzioni ESD (scarica elettrostatica), poiché il LED GaAs interno e il fototransistor al silicio sono suscettibili ai danni da elettricità statica. Utilizzare postazioni di lavoro e braccialetti collegati a terra. I dispositivi devono essere conservati nelle loro originali buste barriera all'umidità con essiccante in un ambiente controllato (tipicamente <40°C/90% UR) per prevenire l'assorbimento di umidità, che può causare il fenomeno del \"popcorning\" durante la rifusione.

6. Confezionamento e Informazioni per l'Ordine

6.1 Numerazione del Modello e OpzioniLa struttura del numero di parte è:.

• ELQ3H4(Z)-VZ (Opzione Confezionamento):
• \"TA\" indica il confezionamento in nastro e bobina. Se omesso, il default è il confezionamento in tubo.V (Opzione Approvazione):

Indica la marcatura di approvazione VDE.Quantità per Confezione:

L'opzione tubo contiene 40 unità per tubo. L'opzione nastro e bobina (TA) contiene 1000 unità per bobina.

6.2 Specifiche del Nastro e Bobina

Vengono fornite le dimensioni dettagliate del nastro portante, inclusa la dimensione della tasca (A0, B0, D0, D1), il passo (P0) e le dimensioni della bobina. Queste informazioni sono necessarie per configurare correttamente le macchine pick-and-place automatizzate. La larghezza del nastro (W) è 16.0mm ± 0.3mm, e viene specificata la direzione di avanzamento.

7. Considerazioni per la Progettazione Applicativa

7.1 Progettazione del Circuito di IngressoPer il funzionamento aingresso AC_F, il LED può essere pilotato direttamente da un segnale AC. È obbligatorio un resistore limitatore di corrente per impostare la corrente diretta desiderata (I_F). Il suo valore deve essere calcolato in base alla tensione di picco del segnale AC, alla V_Fdel LED e alla I_Fdesiderata. Poiché il LED è un diodo, condurrà solo durante le semionde a meno che non venga utilizzato un raddrizzatore a ponte davanti ad esso per un funzionamento a onda intera. L'ampia gamma CTR significa che la corrente di uscita varierà significativamente tra i dispositivi se viene utilizzata una I_Ffissa. Per prestazioni più consistenti, considerare l'uso di una I

più elevata (dove la variazione del CTR potrebbe essere minore) o l'implementazione di una retroazione.

3.2 Progettazione del Circuito di UscitaIl fototransistor può essere utilizzato in modalitàcommutazioneolineare_F. Per la commutazione digitale, il dispositivo viene portato in saturazione (I_CEsufficientemente alta da rendere V_{≈ V}CE(sat)_L). Il resistore di carico (R_L) collegato al collettore determina l'escursione della tensione di uscita e influisce sulla velocità di commutazione (una R_Fmaggiore aumenta il tempo di salita). Per applicazioni analogiche o lineari, il fototransistor opera nella sua regione attiva. Tuttavia, la non linearità della curva CTR vs. I

e la sua forte dipendenza dalla temperatura rendono difficile un'operazione lineare precisa senza compensazione.

7.3 Immunità al Rumore e Layout_{Per massimizzare l'elevata capacità di isolamento (3750V}rms_IO, bassa C

), un attento layout del PCB è essenziale. Mantenere adeguate distanze di isolamento superficiale e in aria tra il lato di ingresso e quello di uscita del circuito secondo gli standard di sicurezza. Utilizzare un piano di massa, ma considerare di suddividere il piano sotto il fotocoupler per minimizzare l'accoppiamento capacitivo attraverso la barriera di isolamento. Condensatori di bypass posizionati vicino ai pin del dispositivo su entrambi i lati possono aiutare a sopprimere il rumore ad alta frequenza.

8. Confronto Tecnico e Guida alla SelezioneI principali fattori distintivi dell'ELQ3H4 sono la sua, capacità di ingresso AC, ilpackage SSOP ultra-compattoe le

• certificazioni di sicurezza complete. Quando si seleziona un fotocoupler, confrontare quanto segue con i requisiti del progetto:
• vs. Fotocoupler a Ingresso DC:L'ELQ3H4 semplifica i circuiti eliminando i raddrizzatori esterni per segnali AC, risparmiando spazio su scheda e costo.
• vs. Package più Grandi (DIP, ecc.):L'SSOP offre un significativo risparmio di spazio ma può avere caratteristiche termiche leggermente diverse e richiede un assemblaggio più preciso.
• vs. Optocoupler ad Alta Velocità:Dispositivi con porte logiche più veloci o isolatori digitali offrono velocità di dati molto più elevate (>1 Mbps) ma possono avere diverse classificazioni di isolamento, requisiti di alimentazione o strutture di costo.
• vs. Fotocoupler con Uscita Darlington:Le configurazioni Darlington offrono CTR molto più alti (500-1000%) ma hanno velocità di commutazione più lente e tensioni di saturazione più elevate.

Selezione del Binning CTR:

Se le prestazioni del circuito sono altamente sensibili al guadagno, informarsi sulla disponibilità di dispositivi selezionati in gamme CTR più strette (es. 100-200%).

9. Domande Frequenti (FAQ)_FD1: Posso pilotare il LED direttamente con una sorgente di tensione?

R1: No. Un LED è un dispositivo pilotato in corrente. Utilizzare sempre un resistore limitatore di corrente in serie per controllare I

e prevenire danni da sovracorrente.

D2: Perché il tempo di salita in uscita è più lento del tempo di discesa nelle specifiche?

R2: Questo è tipico per i fototransistor. Il tempo di salita è limitato dal tempo necessario per caricare la capacità di giunzione del fototransistor attraverso la fotocorrente. Il tempo di discesa è governato dalla scarica di questa capacità attraverso il resistore di carico esterno e i processi di ricombinazione interni del dispositivo._FD3: In che modo la temperatura influisce sulle prestazioni?

R3: Il CTR generalmente diminuisce all'aumentare della temperatura. Anche la tensione diretta (V

) del LED diminuisce. Questi effetti devono essere considerati nei progetti che operano su un ampio intervallo di temperatura per garantire soglie di commutazione affidabili o linearità.

D4: Qual è lo scopo dell'\"effetto schermo\" menzionato?

R4: Il package plastico opaco funge da schermo per la luce, impedendo alla luce ambientale di raggiungere il fototransistor. Ciò previene falsi trigger o correnti di offset causate da sorgenti luminose esterne come l'illuminazione della stanza o la luce solare.

10. Esempio di Applicazione Pratica

1. Scenario: Rilevamento Isolato della Rete AC per un Modulo di Ingresso PLC.Un caso d'uso comune è rilevare la presenza di un segnale AC 120V da un interruttore o sensore. L'ELQ3H4 è ideale per questo._FCircuito di Ingresso:
2. Il segnale AC 120V viene ridotto tramite una rete di resistori di alto valore e alta tensione per limitare la corrente. Un diodo di protezione in parallelo inverso può essere posizionato attraverso il LED per limitare la tensione inversa durante la semionda negativa, sebbene il dispositivo sia classificato per funzionamento AC. Il valore del resistore è scelto per impostare Ia un valore nominale di 5-10mA, ben entro i limiti._LCircuito di Uscita:
3. Il collettore del fototransistor è collegato alla tensione di alimentazione logica del PLC (es. 3.3V o 5V) attraverso un resistore di pull-up (R). L'emettitore è collegato a massa. Quando è presente AC, il fototransistor si accende durante le semionde di conduzione, portando basso l'uscita del collettore. L'ingresso digitale del PLC legge questo segnale basso pulsante. Il software può quindi eseguire il debounce o rilevare gli attraversamenti dello zero per confermare la presenza di AC.

Vantaggi:

Questo progetto fornisce un robusto isolamento galvanico, proteggendo i circuiti sensibili del PLC da transienti e guasti della rete. Il compatto package SSOP consente di posizionare molti di questi canali su un singolo modulo.11. Principio di FunzionamentoUn fotocoupler opera sul principio dell'

accoppiamento ottico

per ottenere l'isolamento elettrico. Un segnale elettrico di ingresso pilota un diodo a emissione luminosa (LED), facendolo emettere luce infrarossa proporzionale alla corrente. Questa luce attraversa un breve spazio trasparente all'interno del package e colpisce la regione di base di un fototransistor al silicio. I fotoni incidenti generano coppie elettrone-lacuna nella base, agendo efficacemente come una corrente di base. Questa corrente fotogenerata viene quindi amplificata dal guadagno del transistor, producendo una corrente di collettore che è una replica elettrica del segnale di ingresso. Il punto chiave è che il trasferimento del segnale avviene attraverso la luce, senza alcuna connessione elettrica tra ingresso e uscita, creando la barriera di isolamento.

• 12. Tendenze TecnologicheIl campo dell'isolamento del segnale continua a evolversi. Sebbene i coupler tradizionali basati su fototransistor come l'ELQ3H4 rimangano dominanti per applicazioni economiche, a media velocità e ad alto isolamento, diverse tendenze sono degne di nota:
• Integrazione Aumentata:Fotocoupler multi-canale in package singoli sono comuni, riducendo lo spazio su scheda e il costo per canale.
• Alternative a Maggiore Velocità:Per la comunicazione dati, gli isolatori digitali basati su tecnologia CMOS e accoppiamento RF o capacitivo offrono velocità di dati significativamente più elevate (fino a centinaia di Mbps), minore consumo energetico e migliore coerenza temporale, sebbene spesso con diverse classificazioni di tensione di isolamento.
• Affidabilità e Certificazione Migliorate:C'è una spinta continua verso metriche di affidabilità più elevate (tassi FIT), intervalli di temperatura operativa più ampi e l'ottenimento di certificazioni per standard emergenti, in particolare nelle applicazioni automotive (AEC-Q100) e mediche.