Ficha Técnica da Série EL354N-G - Fotocoplador com Entrada CA - Isolamento 3750Vrms - Pacote SOP 4 Pinos

1. Visão Geral do Produto

A série EL354N-G representa uma família de fotocopladores de fototransistor, compactos e de alto desempenho, projetados especificamente para aplicações com entrada de corrente alternada (CA). Estes dispositivos são concebidos para fornecer isolamento elétrico fiável e transmissão de sinal em ambientes onde a polaridade da entrada pode ser desconhecida ou alternada. O núcleo do dispositivo consiste em dois díodos emissores de infravermelhos ligados em paralelo inverso, acoplados opticamente a um detetor de fototransistor de silício. Esta configuração única permite que o dispositivo responda ao fluxo de corrente em qualquer direção através dos LEDs de entrada, tornando-o inerentemente adequado para aplicações de monitorização e deteção de sinal CA onde a polaridade CC não é fixa.

Acondicionados num pacote SOP (Small Outline Package) de 4 pinos que economiza espaço, estes fotocopladores são ideais para projetos modernos de placas de circuito impresso (PCB) de alta densidade. Uma filosofia de design fundamental por trás desta série é a conformidade com normas ambientais e de segurança globais. Os dispositivos são isentos de halogéneos, aderindo a limites rigorosos de bromo (Br<900 ppm), cloro (Cl<900 ppm) e do seu total combinado (Br+Cl<1500 ppm). Além disso, mantêm a conformidade com as diretivas RoHS (Restrição de Substâncias Perigosas) e o regulamento REACH da UE, garantindo que cumprem os requisitos ambientais contemporâneos para componentes eletrónicos.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

A vantagem primária da série EL354N-G reside na sua combinação de capacidade de entrada CA, alto isolamento e fator de forma compacto. A alta tensão de isolamento de 3750 V_rmsentre a entrada e a saída fornece uma barreira de segurança robusta, protegendo circuitos de controlo sensíveis de baixa tensão de linhas industriais ruidosas ou da rede elétrica de alta tensão. Isto torna-os indispensáveis em aplicações que requerem isolamento galvânico.

Os mercados-alvo para este componente são diversos, abrangendo automação industrial, telecomunicações e gestão de energia. As principais áreas de aplicação incluem monitorização da linha CA em fontes de alimentação e eletrodomésticos, fornecimento de isolamento de entrada em controladores lógicos programáveis (CLPs), interface em circuitos de linha telefónica e funcionamento como sensores para sinais CC de polaridade desconhecida. As aprovações do dispositivo por importantes agências de segurança internacionais—incluindo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC—facilitam a sua utilização em produtos finais destinados a mercados globais, simplificando o processo de certificação para os fabricantes de equipamentos.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

Uma compreensão completa dos limites e características de desempenho do dispositivo é crucial para um projeto de circuito fiável. Os parâmetros definem o envelope operacional e asseguram que o componente é utilizado dentro da sua área de operação segura (SOA).

2.1 Especificações Máximas Absolutas

As Especificações Máximas Absolutas definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Estas não são condições de operação.

• Corrente Direta de Entrada (I_F): ±50 mA (CC). Esta especificação aplica-se à corrente em qualquer direção através dos díodos de entrada.
• Corrente Direta de Pico (I_FP): 1 A para um pulso de 1 µs. Isto permite que o dispositivo suporte breves surtos de corrente.
• Dissipação de Potência: A dissipação total de potência do dispositivo (P_TOT) não deve exceder 200 mW. O lado da entrada (P_D) está classificado para 70 mW com um fator de redução de 3.7 mW/°C acima dos 90°C de temperatura ambiente (T_a). O lado da saída (P_C) está classificado para 150 mW, com redução acima dos 70°C T_a.
• Especificações de Tensão: A tensão coletor-emissor (V_CEO) é de 80 V, enquanto a tensão emissor-coletor (V_ECO) é de 6 V. A assimetria deve-se à estrutura do fototransistor.
• Tensão de Isolamento (V_ISO): 3750 V_rmsdurante 1 minuto a 40-60% de humidade relativa. Este é um parâmetro de segurança crítico.
• Gama de Temperatura: A temperatura de operação (T_OPR) varia de -55°C a +100°C. A temperatura de armazenamento (T_STG) varia de -55°C a +125°C.
• Temperatura de Soldadura: O dispositivo pode suportar uma temperatura de soldadura de pico (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos, o que é compatível com processos de reflow sem chumbo.

2.2 Características Eletro-Óticas

Estes parâmetros definem o desempenho do dispositivo em condições normais de operação a 25°C, salvo indicação em contrário.

2.2.1 Características de Entrada

• Tensão Direta (V_F): Tipicamente 1.2 V, com um máximo de 1.4 V a uma corrente direta (I_F) de ±20 mA. Esta baixa queda de tensão é benéfica para circuitos de baixa potência.
• Capacitância de Entrada (C_in): Varia de 50 pF (típico) a 250 pF (máx.) a 1 kHz. Este parâmetro afeta a resposta em alta frequência e o potencial ruído de acoplamento.

2.2.2 Características de Saída

• Corrente de Escuridão (I_CEO): A corrente de fuga do coletor para o emissor quando o LED de entrada está desligado (I_F=0) e V_CE=20V é no máximo 100 nA. Uma baixa corrente de escuridão é essencial para uma boa relação sinal-ruído em condições de desligado.
• Tensões de Ruptura: BV_CEOé no mínimo 80 V, e BV_ECOé no mínimo 7 V. Estas definem as tensões reversas máximas suportáveis.

2.2.3 Características de Transferência

Estes parâmetros descrevem a eficiência e velocidade de acoplamento entre a entrada e a saída.

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR): Esta é a razão entre a corrente de coletor de saída (I_C) e a corrente direta de entrada (I_F), expressa em percentagem. É o parâmetro chave para o ganho. O EL354N padrão tem uma gama CTR de 20% a 300% a I_F= ±1mA, V_CE= 5V. A variante EL354NA oferece uma classificação mais apertada e superior, com uma gama CTR de 50% a 150% nas mesmas condições. Esta classificação permite aos projetistas selecionar dispositivos para um ganho mais consistente na produção.
• Tensão de Saturação (V_CE(sat)): Tipicamente 0.1 V, máximo 0.2 V quando I_F=±20mA e I_C=1mA. Uma baixa tensão de saturação minimiza a perda de potência quando o transistor de saída está totalmente ligado.
• Resistência de Isolamento (R_IO): Mínimo 5×10¹⁰Ω, típico 10¹¹Ω a 500 V CC. Esta resistência extremamente alta é fundamental para a função de isolamento.
• Frequência de Corte (f_c): Tipicamente 80 kHz (ponto -3dB) sob condições de teste especificadas. Isto define a frequência máxima útil do sinal.
• Capacitância Flutuante (C_IO): Tipicamente 0.6 pF, máximo 1.0 pF a 1 MHz. Esta é a capacitância parasita através da barreira de isolamento, que pode acoplar ruído de alta frequência.
• Velocidade de Comutação: Tanto o tempo de subida (t_r) como o tempo de descida (t_f) são especificados como um máximo de 18 µs. Esta velocidade relativamente moderada é adequada para monitorização de frequência de linha (50/60 Hz) e muitos sinais de controlo industrial, mas não para comunicação digital de alta velocidade.

3. Análise das Curvas de Desempenho

Embora a ficha técnica refira curvas eletro-óticas típicas, os seus gráficos específicos (ex., CTR vs. Temperatura, CTR vs. Corrente Direta) são essenciais para um design detalhado. Estas curvas mostram tipicamente que a CTR diminui com o aumento da temperatura ambiente e pode ter uma relação não linear com a corrente direta. Os projetistas devem consultar estes gráficos para reduzir adequadamente o desempenho para o seu ambiente operacional específico, garantindo que o circuito mantém ganho suficiente ao longo da gama de temperatura pretendida. A relação entre a corrente de saída e a corrente direta também é crítica para determinar a corrente de acionamento necessária para alcançar um estado de saída desejado, especialmente quando se opera perto dos limites da especificação CTR.

4. Informação Mecânica, de Pacote e de Montagem

4.1 Dimensões do Pacote e Polaridade

O dispositivo está alojado num pacote SOP de 4 pinos. A configuração dos pinos é a seguinte: Pino 1 é Ânodo/Cátodo, Pino 2 é Cátodo/Ânodo (para o par de LEDs em paralelo inverso), Pino 3 é o Emissor do fototransistor, e Pino 4 é o Coletor. Esta disposição dos pinos é crucial para um layout de PCB correto. O desenho do pacote fornece dimensões mecânicas precisas, incluindo comprimento, largura e altura do corpo, passo dos terminais e dimensões dos terminais, que devem ser respeitadas para um design preciso da pegada no PCB.

4.2 Layout Recomendado de Pads de PCB

É fornecido um layout sugerido de pads para montagem em superfície. É enfatizado que este é um design de referência e deve ser modificado com base nos processos de fabrico individuais, material do PCB e requisitos térmicos. O objetivo do design dos pads é garantir a formação fiável das juntas de soldadura durante o reflow, gerindo simultaneamente o stress térmico no componente.

4.3 Diretrizes de Soldadura e Reflow

São especificadas condições detalhadas de soldadura por reflow, referenciando a IPC/JEDEC J-STD-020D. O perfil é crítico para montagem sem chumbo:

• Pré-aquecimento: 150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Rampa de Subida: Máximo 3°C/segundo de 200°C até ao pico.
• Tempo Acima do Líquidus (217°C): 60-100 segundos.
• Temperatura de Pico: Máximo 260°C.
• Tempo dentro de 5°C do Pico: Máximo 30 segundos.
• Taxa de Arrefecimento: Máximo 6°C/segundo.
• Tempo Total do Ciclo: De 25°C até ao pico em 8 minutos no máximo.
• Passagens de Reflow: O dispositivo pode suportar um máximo de 3 ciclos de reflow.

Aderir a este perfil previne danos térmicos no pacote de plástico e nas ligações internas por fio.

5. Encomenda, Embalagem e Marcação

5.1 Sistema de Numeração de Peças e Classificação

O número de peça segue a estrutura: EL354N(X)(Y)-VG.

• X: Opção de Classificação CTR. 'A' denota a classificação 50-150% (EL354NA). Sem letra denota a classificação padrão 20-300% (EL354N).
• Y: Opção de Fita e Bobina. 'TA' ou 'TB' especifica o tipo de bobina e orientação. A omissão indica embalagem em tubo (100 unidades).
• V: Sufixo opcional que denota aprovação VDE está incluído.
• G: Denota construção isenta de halogéneos.

As opções de embalagem incluem tubos (100 unidades) ou fita-e-bobina (3000 unidades por bobina para ambas as opções TA e TB). As opções 'TA' e 'TB' diferem na orientação dos componentes na fita transportadora, que deve corresponder aos requisitos do alimentador da máquina pick-and-place.

5.2 Marcação do Dispositivo

Os dispositivos são marcados na superfície superior com um código:EL 354N RYWWV.

• EL: Código do fabricante.
• 354N: Número base do dispositivo.
• R: Classificação CTR (ex., 'A' ou em branco).
• Y: Código de ano de 1 dígito.
• WW: Código de semana de 2 dígitos.
• V: A presença indica aprovação VDE (opcional).

5.3 Especificações de Fita e Bobina

São fornecidas dimensões detalhadas para a fita transportadora embutida, incluindo dimensões do bolso (A, B, D0, D1), largura da fita (W), passo (P0) e dimensões da selagem da fita de cobertura. Estas são necessárias para configurar corretamente o equipamento de montagem automatizada.

6. Diretrizes de Aplicação e Considerações de Design

6.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A aplicação primária é a deteção de tensão de linha CA ou deteção de passagem por zero. Um circuito típico envolve ligar os pinos de entrada (1 & 2) em série com uma resistência limitadora de corrente através da linha CA. O valor da resistência deve ser calculado para limitar a corrente direta de pico (I_F) a um valor seguro abaixo de 50 mA, considerando a tensão CA de pico. O transistor de saída pode ser ligado numa configuração de emissor comum (Emissor ao terra, Coletor ligado através de uma resistência de carga a uma fonte de alimentação lógica) para fornecer um sinal digital que alterna com o ciclo CA. Para deteção CC de polaridade desconhecida, o dispositivo pode ser colocado diretamente na linha de deteção, pois irá conduzir independentemente da direção da corrente.

6.2 Fatores de Design Críticos

• Limitação de Corrente: O aspeto mais crítico do design do circuito de entrada. A resistência deve limitar a corrente nas piores condições (tensão de linha máxima, tolerância mínima da resistência).
• Degradação da CTR: A CTR pode degradar-se ao longo do tempo, especialmente a altas temperaturas e correntes de operação. O design deve incorporar uma margem (ex., usar a CTR mínima da ficha técnica e depois aplicar um fator de redução adicional para a vida útil).
• Imunidade ao Ruído: A capacitância parasita (C_IO) pode acoplar transitórios de alta frequência (como ESD ou EMI) através da barreira de isolamento. Em ambientes ruidosos, pode ser necessário filtragem adicional no lado da saída ou a utilização de um filtro digital mais rápido no microcontrolador.
• Limitação da Velocidade de Comutação: O tempo de subida/descida de 18 µs limita o dispositivo a aplicações de baixa frequência. Não é adequado para isolar linhas de dados digitais de alta velocidade.
• Dissipação de CalorAssegure que a dissipação total de potência (perda do LED de entrada + perda do transistor de saída) não excede 200 mW, considerando a redução com a temperatura.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

O diferencial chave do EL354N-G é a sua entrada integrada de LEDs em paralelo inverso, eliminando a necessidade de retificadores de ponte externos ou circuitos complexos para lidar com sinais CA ou CC de polaridade desconhecida. Comparado com fotocopladores de entrada CC padrão, isto simplifica a lista de materiais (BOM) e economiza espaço na placa. Dentro do segmento de fotocopladores de entrada CA, a sua combinação de isolamento 3750Vrms, material isento de halogéneos e aprovações de segurança internacionais abrangentes (UL, VDE, etc.) num pacote SOP compacto apresenta uma forte proposta de valor para aplicações globais sensíveis ao custo, mas críticas em termos de segurança. A disponibilidade de uma classificação CTR mais apertada (EL354NA) oferece uma vantagem para designs que requerem um ganho mais consistente sem triagem manual ou calibração.

8. Perguntas Frequentes (FAQs)

P: Posso usar este dispositivo para detetar diretamente a rede de 120VCA ou 230VCA?

R: Sim, mas deve usar uma resistência limitadora de corrente externa em série. Calcule o seu valor com base na tensão de pico da rede (ex., 230VCA RMS tem um pico de ~325V) e na corrente desejada do LED, garantindo que a corrente de pico se mantém bem abaixo da Especificação Máxima Absoluta de 50 mA.

P: Qual é a diferença entre o EL354N e o EL354NA?

R: A diferença está na classificação da Taxa de Transferência de Corrente (CTR). O EL354N tem uma gama mais ampla (20-300%), enquanto o EL354NA tem uma gama mais apertada, com um mínimo superior (50-150%). Use a versão 'NA' para aplicações que requerem um ganho mais consistente de unidade para unidade.

P: A saída é um fototransistor. Posso usá-lo para acionar diretamente um relé?

R: Não é recomendado. A capacidade de corrente do fototransistor é limitada (relacionada com a sua especificação de dissipação de potência). Foi concebido como um dispositivo de nível de sinal. Para acionar um relé, use a saída do fotocoplador para acionar um transistor de potência maior ou a porta de um MOSFET.

P: Como posso garantir um isolamento fiável no meu design?

R: Mantenha distâncias de rastejamento e de escoamento adequadas no PCB entre os circuitos de entrada e saída, de acordo com a norma de segurança relevante (ex., IEC 60950-1, IEC 62368-1). A classificação de 3750Vrms do próprio componente deve ser suportada por um espaçamento adequado na placa.

9. Princípio de Funcionamento

O dispositivo funciona com base no princípio da conversão e isolamento optoeletrónico. Quando uma corrente flui através de qualquer um dos dois LEDs infravermelhos de entrada (dependendo da polaridade), este emite luz. Esta luz atravessa uma barreira de isolamento transparente (tipicamente plástico moldado) e atinge a região da base do fototransistor de silício no lado da saída. Os fotões geram pares eletrão-lacuna na base, atuando efetivamente como uma corrente de base, o que liga o transistor, permitindo que uma corrente de coletor muito maior flua. A chave é que a única ligação entre a entrada e a saída é ótica, fornecendo o isolamento galvânico. A configuração de LEDs em paralelo inverso significa que a corrente que flui para o Pino 1 (Ânodo) e sai do Pino 2 (Cátodo) acende um LED, enquanto a corrente na direção oposta acende o outro LED, garantindo operação com CA ou CC bidirecional.

10. Tendências da Indústria

A tendência na tecnologia de fotocopladores e isolamento é para maior integração, velocidades mais rápidas e menor consumo de energia. Embora os acopladores tradicionais baseados em fototransistor, como o EL354N-G, permaneçam vitais para isolamento de média velocidade e custo-eficaz em controlos de potência e industriais, estão a emergir novas tecnologias. Estas incluem isoladores digitais baseados em tecnologia CMOS e acoplamento RF, que oferecem taxas de dados significativamente mais altas, menor potência e maior fiabilidade. No entanto, para deteção básica de linha CA e monitorização de tensão, onde a simplicidade, alta tensão de isolamento e robustez comprovada são primordiais, os acopladores CA de fototransistor continuam a ser uma solução preferida e fiável. A mudança para isenção de halogéneos e conformidade ambiental reforçada, como visto na série '-G', é uma resposta direta às tendências regulatórias globais.