Ficha Técnica da Série EL815 Fotodarlington Fotocoplador - Pacote DIP 4 Pinos - Isolamento 5000Vrms - CTR 600-7500% - Temperatura de Operação -55 a +110°C - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

A série EL815 representa uma família de fotocopladores fotodarlington (optoacopladores) de alto desempenho, alojados num compacto pacote Dual In-line (DIP) de 4 pinos. A função principal deste dispositivo é fornecer isolamento elétrico e transmissão de sinal entre dois circuitos com potenciais ou impedâncias diferentes. Isto é conseguido utilizando um díodo emissor de luz infravermelha (LED) no lado da entrada, que está opticamente acoplado a um transistor fotodarlington no lado da saída. Este projeto garante isolamento galvânico completo, prevenindo malhas de terra e protegendo circuitos sensíveis de picos de tensão ou ruído originários do outro circuito.

A configuração fotodarlington proporciona uma taxa de transferência de corrente (CTR) muito elevada, tornando-o altamente sensível e adequado para aplicações onde uma pequena corrente de entrada precisa de controlar uma corrente de saída maior. Uma vantagem fundamental desta série é a sua conformidade com várias normas internacionais de segurança e ambiente, incluindo requisitos sem halogéneos, RoHS e REACH da UE, tornando-a adequada para mercados globais e projetos com consciência ambiental.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Absolutas Máximas

Estas especificações definem os limites além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Não se destinam à operação normal.

• Corrente Direta de Entrada (I_F): 60 mA (DC). Esta é a corrente contínua máxima que pode ser aplicada através do LED infravermelho de entrada.
• Corrente Direta de Pico (I_FP): 1 A por 1 µs de pulso. O LED pode suportar pulsos curtos de alta corrente, o que é útil para certas condições de comutação ou transitórios.
• Tensão Reversa de Entrada (V_R): 6 V. A tensão de polarização reversa máxima que pode ser aplicada através do LED de entrada.
• Tensão Coletor-Emissor (V_CEO): 35 V. A tensão máxima que pode ser suportada entre o coletor e o emissor do transistor fotodarlington de saída quando a base está aberta.
• Corrente do Coletor (I_C): 80 mA. A corrente contínua máxima que o transistor de saída pode drenar.
• Dissipação de Potência Total (P_TOT): 200 mW. A potência combinada máxima que pode ser dissipada pelas secções de entrada e saída do dispositivo.
• Tensão de Isolamento (V_ISO): 5000 V_rmspor 1 minuto. Este parâmetro crítico especifica a capacidade de isolamento de alta tensão entre os lados de entrada e saída, testado com os pinos 1-2 em curto e os pinos 3-4 em curto.
• Temperatura de Operação (T_OPR): -55°C a +110°C. A faixa de temperatura ambiente na qual o dispositivo é especificado para operar.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros são medidos sob condições de teste especificadas (tipicamente T_a= 25°C) e definem o desempenho do dispositivo.

2.2.1 Características de Entrada

• Tensão Direta (V_F): Tipicamente 1.2V, máximo 1.4V a I_F= 20 mA. Esta é a queda de tensão através do LED infravermelho quando polarizado.
• Corrente Reversa (I_R): Máximo 10 µA a V_R= 4V. A pequena corrente de fuga quando o LED está polarizado reversamente.

2.2.2 Características de Saída

• Corrente de Escuridão Coletor-Emissor (I_CEO): Máximo 1 µA a V_CE= 10V, I_F= 0mA. A corrente de fuga do transistor de saída quando o LED de entrada está desligado.
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(sat)): Tipicamente 0.8V, máximo 1.0V a I_F= 20mA, I_C= 5mA. A tensão através do transistor de saída quando está totalmente ligado (saturado). Um valor mais baixo é desejável para minimizar a perda de potência.

2.2.3 Características de Transferência

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR): 600% (Mín) a 7500% (Máx) a I_F= 1mA, V_CE= 2V. Este é o parâmetro mais importante para um fotocoplador, definido como (I_C/ I_F) * 100%. A faixa extremamente ampla indica que o dispositivo está disponível em múltiplos graus de sensibilidade. Um CTR elevado permite uma transferência de sinal eficiente com uma corrente de acionamento de entrada mínima.
• Resistência de Isolamento (R_IO): Mínimo 5 x 10¹⁰Ω a V_IO= 500V DC. Isto indica a resistência DC extremamente elevada entre os lados isolados.
• Tempo de Subida (t_r): Tipicamente 60 µs, máximo 300 µs. Tempo de Descida (t_f): Tipicamente 53 µs, máximo 250 µs. Estes parâmetros, juntamente com uma frequência de corte (f_c) tipicamente de 6 kHz, definem a velocidade de comutação do dispositivo. A estrutura fotodarlington tem inerentemente tempos de comutação mais lentos em comparação com fototransístores ou acopladores foto-IC, tornando-a mais adequada para aplicações DC e AC de baixa frequência, em vez de isolamento digital de alta velocidade.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica inclui curvas características típicas que são essenciais para compreender o comportamento do dispositivo em condições não padrão. Embora os gráficos específicos não sejam reproduzidos em texto, as suas implicações são críticas para o projeto.

• CTR vs. Corrente Direta (I_F): Tipicamente, o CTR diminui à medida que a corrente direta aumenta. Os projetistas devem consultar esta curva para selecionar o ponto de operação ideal para a corrente de saída e eficiência de transferência requeridas.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_a): O CTR é dependente da temperatura, geralmente diminuindo nos extremos de temperatura. Esta curva é vital para garantir operação confiável na faixa especificada de -55°C a +110°C. Projetos para ambientes severos devem reduzir o desempenho com base nestes dados.
• Corrente do Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor (I_C-V_CE): Estas curvas de saída, parametrizadas por diferentes correntes de entrada (I_F), mostram as regiões de operação (saturação, ativa) do fotodarlington. São usadas para determinar a linha de carga e garantir que o dispositivo opera dentro de limites seguros e funcionais.
• Formas de Onda do Tempo de Comutação: O circuito de teste e o diagrama de forma de onda ilustram como o tempo de subida (t_r), tempo de descida (t_f), atraso de ligação (t_on), e atraso de desligamento (t_off) são medidos. Compreender isto ajuda a projetar circuitos de temporização e prever a integridade do sinal.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões do Pacote

O EL815 é oferecido em três opções principais de forma de terminais, cada uma com desenhos mecânicos detalhados especificando todas as dimensões críticas em milímetros.

• Tipo DIP Padrão: O pacote clássico de orifício passante com espaçamento padrão de pinos.
• Tipo Opção M: Apresenta uma curvatura larga dos terminais, proporcionando um espaçamento de 0.4 polegadas (aprox. 10.16mm), o que pode ser benéfico para requisitos de rastreamento e afastamento em PCBs.
• Tipo Opção S1: Uma forma de terminal para dispositivo de montagem em superfície (SMD) com perfil baixo. Esta é a variante SMD do pacote.

Todos os pacotes mantêm uma distância de rastreamento superior a 7.62 mm, o que contribui para a elevada classificação de tensão de isolamento.

4.2 Identificação de Polaridade e Marcação

A configuração dos pinos é padrão para um fotocoplador DIP de 4 pinos:

1. Ânodo (positivo do LED de entrada)
2. Cátodo (negativo do LED de entrada)
3. Emissor (emissor do transistor de saída)
4. Coletor (coletor do transistor de saída)

O dispositivo é marcado no topo com "EL" (denotando a série), "815" (o número do dispositivo), seguido por um código de ano de 1 dígito (Y), um código de semana de 2 dígitos (WW), e um "V" opcional para versões aprovadas pela VDE.

4.3 Layout Recomendado para SMD

Para a opção S1 (montagem em superfície), a ficha técnica fornece um diagrama de layout de pastilhas sugerido. As dimensões são dadas como referência, e a nota declara explicitamente que os projetistas devem modificar as dimensões das pastilhas com base no seu processo específico de fabrico de PCB e requisitos de fiabilidade.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

As Especificações Absolutas Máximas especificam uma temperatura de soldadura (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos. Este é um parâmetro crítico para processos de soldadura por refluxo.

• Soldadura por Refluxo: Para montagem SMD (opção S1), deve ser usado um perfil de refluxo padrão sem chumbo com uma temperatura de pico não excedendo 260°C durante o tempo especificado. O perfil deve ser controlado para evitar choque térmico.
• Soldadura por Onda/Manual: Para pacotes de orifício passante (Padrão e opção M), podem ser usadas técnicas padrão de soldadura por onda ou manual, mas deve-se ter cuidado para limitar o tempo de exposição do corpo do dispositivo a alta temperatura.
• Condições de Armazenamento: A faixa de temperatura de armazenamento é especificada como -55°C a +125°C. Os dispositivos devem ser armazenados num ambiente seco e antiestático. Para peças SMD fornecidas em fita e carretel, o carretel deve ser armazenado na sua bolsa de barreira de humidade original com dessecante se os dispositivos forem sensíveis à humidade (embora não explicitamente declarado como classificado MSL nesta ficha técnica).

6. Informações de Embalagem e Pedido

6.1 Estrutura do Código de Pedido

O número de parte segue o formato:EL815X(Z)-V

• X: Opção de forma de terminal.
  • Nenhum: DIP-4 padrão (100 unidades/tubo).
  • M: Curvatura larga dos terminais, espaçamento de 0.4" (100 unidades/tubo).
  • S1: Forma de terminal para montagem em superfície, perfil baixo.
• Z: Opção de fita e carretel (aplicável apenas com S1).
  • TA, TB, TU, TD: Diferentes especificações de fita e carretel que afetam a quantidade de embalagem e direção de alimentação.
• V: Sufixo opcional que denota aprovação de segurança VDE.

6.2 Especificações da Fita e Carretel

São fornecidos desenhos dimensionais detalhados e tabelas para a fita (fita transportadora, fita de cobertura) e o carretel. Dimensões-chave incluem tamanho do bolso (A, B), diâmetro do furo (D0), espaçamento dos componentes (P0), largura da fita (W) e dimensões do cubo do carretel. As opções TA e TB diferem na direção de alimentação do carretel, que deve ser configurada corretamente no equipamento automático de pick-and-place.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A ficha técnica lista várias áreas de aplicação: telefones/centrais telefónicas, controladores de sequência, aparelhos de sistema, instrumentos de medição e transmissão de sinal entre circuitos de potenciais/impedâncias diferentes. O alto CTR e tensão de isolamento tornam-no particularmente adequado para:

• Isolamento de E/S de Microcontrolador: Proteger um microcontrolador de baixa tensão de sinais de controlo industrial de tensão mais alta ou ruidosos.
• Deteção de Linha AC: Usar o fotocoplador para fornecer feedback isolado de um triac ou relé que aciona uma carga AC.
• Eliminação de Malhas de Terra: Quebrar malhas de terra em cadeias de sinal analógico entre sensores e sistemas de aquisição de dados.
• Tradução de Nível Lógico com Isolamento: Interfacear circuitos lógicos operando em diferentes níveis de tensão mantendo o isolamento.

7.2 Considerações de Projeto

• Limitação de Corrente de Entrada: Um resistor em série deve ser sempre usado com o LED de entrada para limitar a corrente direta (I_F) ao valor desejado, calculado como (Tensão de Alimentação - V_F) / I_F.
• Carga de Saída: O fotodarlington de saída atua como um dreno de corrente. Um resistor de pull-up é tipicamente conectado do coletor a uma tensão de alimentação positiva (V_CC). O valor deste resistor e da carga determinará a excursão da tensão de saída e a velocidade de comutação.
• Compromisso Velocidade vs. Sensibilidade: O alto CTR vem ao custo de velocidades de comutação mais lentas. Este dispositivo não é adequado para comunicação de alta frequência (ex., isoladores digitais para USB, SPI > 10 kHz). É ideal para deteção de estado, sinais de controlo lentos e sincronização de linha de energia AC (50/60 Hz).
• Considerações Térmicas:** Embora a dissipação de potência seja baixa, operar na temperatura máxima de junção (inferida a partir de T_OPRaté 110°C) pode exigir a redução das correntes máximas permitidas ou da dissipação de potência.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

A série EL815, como um acoplador fotodarlington, ocupa um nicho específico em comparação com outros tipos de optoacopladores:

• vs. Acopladores Fototransístor Padrão: Os acopladores fotodarlington oferecem um CTR muito mais alto (frequentemente 10-100x maior) mas são significativamente mais lentos. Escolha um fototransístor para velocidade moderada (dezenas de kHz) e um fotodarlington para sensibilidade máxima com baixa corrente de entrada em baixas frequências.
• vs. Acopladores Foto-IC (Saída Lógica): Os acopladores foto-IC têm saída digital (comutação limpa) e podem ser muito rápidos (faixa MBd), mas têm uma função de transferência de corrente fixa, frequentemente mais baixa, e requerem uma tensão de alimentação específica no lado da saída. O EL815 fornece uma saída de corrente analógica e pode operar numa ampla faixa de tensões de saída (até V_CEO).
• vs. Outros Fotodarlingtons: Os diferenciadores-chave do EL815 são o seu alto isolamento de 5000V_rms, ampla faixa de temperatura de operação (-55°C a +110°C) e conformidade com as principais aprovações de segurança internacionais (UL, VDE, cUL, SEMKO, etc.). A ampla classificação de CTR (600-7500%) permite obter peças adaptadas a necessidades específicas de sensibilidade.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é o propósito da alta tensão de isolamento (5000Vrms)?

R: Garante operação confiável e segurança em aplicações onde os circuitos isolados têm uma grande diferença de potencial, como em fontes de alimentação offline, controlos de motores industriais ou equipamento médico. Protege contra transitórios de alta tensão e previne ruptura.

P: O meu circuito precisa de comutar a 1 kHz. O EL815 é adequado?

R: Sim, absolutamente. Com uma frequência de corte típica (f_c) de 6 kHz e tempos de subida/descida na ordem das dezenas de microssegundos, o EL815 pode lidar confortavelmente com comutação a 1 kHz. A forma de onda de saída será arredondada, não quadrada, mas para controlo liga/desliga a esta frequência, é perfeitamente adequado.

P: Como escolho o grau de CTR correto?

R: Selecione um CTR mínimo que garanta que o seu transistor de saída sature (ligue completamente) com a sua pior corrente de entrada planeada (mais baixa). Por exemplo, se o seu projeto aciona I_F= 1mA e precisa de I_C> 5mA para saturar a carga, precisa de um CTR > 500%. Escolher uma peça de um bin de CTR mais alto fornece mais margem de projeto. Consulte sempre a curva CTR vs. temperatura para as suas condições de operação.

P: Posso usar isto para isolamento de sinal analógico?

R: Embora possível, não é ideal. O CTR dos fotodarlingtons é não linear e varia significativamente com a temperatura e corrente direta. Para isolamento analógico de precisão, são recomendados optoacopladores lineares dedicados ou amplificadores de isolamento. O EL815 é mais adequado para isolamento digital (liga/desliga) ou analógico de baixa precisão.

10. Estudo de Caso Prático de Projeto

Cenário: Entrada Digital Isolada para um Módulo de CLP de 24V.

Um Controlador Lógico Programável (CLP) precisa de ler um sinal de sensor de 24V DC enquanto fornece isolamento de 4000V para segurança e imunidade a ruído.

1. Projeto do Circuito: A saída do sensor de 24V é conectada em série com um resistor limitador de corrente e o LED de entrada do EL815 (pinos 1-2). O valor do resistor é calculado para I_F≈ 5-10 mA a 24V. No lado da saída, o coletor (pino 4) é conectado através de um resistor de pull-up de 10kΩ à alimentação lógica interna de 3.3V do CLP. O emissor (pino 3) é conectado ao terra interno do CLP. O sinal de saída é retirado do coletor.
2. Seleção de Componentes: É escolhido um EL815 com um grau de CTR que garanta saturação a I_F= 5mA. O isolamento de 5000V_rmse as aprovações de segurança (UL, VDE) cumprem as normas industriais. O pacote S1 (SMD) é selecionado para montagem de PCB de alta densidade.
3. Desempenho: Quando o sensor de 24V está ativo, o LED liga, fazendo com que o fotodarlington conduza, puxando a tensão de saída do coletor para baixo (para V_CE(sat)≈ 0.8V), que é lido como um '0' lógico pelo CLP. Quando o sensor está desligado, o fotodarlington está desligado, e o resistor de pull-up puxa a saída para 3.3V (lógico '1'). A barreira de isolamento protege a lógica sensível do CLP de quaisquer falhas ou transitórios na linha do sensor de 24V.

11. Princípio de Funcionamento

O EL815 opera no princípio fundamental da conversão optoeletrónica. Um sinal elétrico aplicado ao lado da entrada faz com que a corrente (I_F) flua através do Díodo Emissor de Luz (LED) infravermelho. Este LED emite luz infravermelha com uma intensidade proporcional à corrente direta. A luz viaja através de uma lacuna de isolamento transparente dentro do pacote e atinge a região da base de um transistor fotodarlington no lado da saída.

Um fotodarlington é essencialmente dois transístores bipolares conectados numa configuração Darlington, onde a fotocorrente gerada na junção base-coletor do primeiro transístor (atuando como um fotodíodo) é amplificada pelo segundo transístor. Esta estrutura proporciona um ganho de corrente muito alto (h_FE), que se traduz na elevada Taxa de Transferência de Corrente (CTR) observada. A corrente de coletor de saída (I_C) é assim controlada pela intensidade da luz de entrada, e portanto pelo sinal elétrico de entrada, sem qualquer ligação elétrica entre os dois lados.

12. Tendências Tecnológicas

A tecnologia de fotocopladores continua a evoluir. Embora dispositivos tradicionais como o EL815 permaneçam vitais para aplicações sensíveis ao custo, de alto isolamento e alto CTR, várias tendências são notáveis:

• Integração: Dispositivos mais recentes integram componentes adicionais como resistores base-emissor no transistor de saída para melhorar a estabilidade térmica e a velocidade de comutação.
• Isolamento Digital de Alta Velocidade: Tecnologias baseadas em acopladores RF, magnetorresistência gigante (GMR) ou acoplamento capacitivo estão a desafiar os optoacopladores no isolamento de dados de alta velocidade (≥1 Mbps) devido à sua velocidade, estabilidade e longevidade superiores.
• Miniaturização: Existe uma pressão contínua para pacotes SMD mais pequenos (ex., SO-4, SO-5) com as mesmas ou melhores classificações de isolamento, impulsionada pela necessidade de maior densidade de PCB.
• Fiabilidade Aprimorada: Foco na melhoria da degradação do CTR a longo prazo, especialmente sob condições de stress de alta temperatura e alta corrente, para atender às exigências de aplicações automotivas e industriais com maior vida útil.

Apesar destas tendências, o acoplador fotodarlington fundamental, exemplificado pela série EL815, mantém uma posição forte no mercado devido à sua simplicidade, robustez, alta capacidade de isolamento e excelente desempenho no seu domínio de frequência baixa a moderada pretendido.