Ficha Técnica da Série EL121N - Fotocoplador 4 Pinos SOP - Perfil 2.0mm - Isolamento 3750Vrms - CTR 50-400% - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

A série EL121N representa uma família de componentes optoeletrónicos de infravermelhos concebidos para isolamento e transmissão de sinal. No seu núcleo, consiste num díodo emissor de luz de infravermelhos (IRED) de arsenieto de gálio, acoplado opticamente a um fototransistor de silício NPN, tudo alojado num encapsulamento de montagem em superfície (SOP) compacto de 4 pinos. A sua função principal é transferir sinais elétricos entre dois circuitos, mantendo um elevado isolamento elétrico, impedindo assim que ruído, malhas de terra e picos de tensão se propaguem de um lado para o outro.

O dispositivo foi concebido para aplicações que exigem isolamento fiável em espaços confinados. O seu perfil baixo de 2,0 mm torna-o adequado para projetos modernos de placas de circuito impresso (PCB) de alta densidade. Uma filosofia de projeto fundamental desta série é a conformidade com normas ambientais e de segurança globais, incluindo ser livre de halogéneos, livre de chumbo (Pb-free) e compatível com as diretivas RoHS e REACH da UE. Além disso, possui importantes aprovações de segurança internacionais, incluindo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO e FIMKO, o que sublinha a sua fiabilidade e adequação para uso em equipamentos comerciais e industriais em todo o mundo.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Não é garantida a operação sob ou nestes limites.

• Entrada (Lado do LED):A corrente direta (I_F) está especificada para 50mA contínuos. É permitida uma breve corrente direta de pico (I_FP) de 1A durante 1 microssegundo, o que é relevante para operação pulsada. A tensão reversa máxima (V_R) é de 6V, enfatizando a necessidade de proteção adequada de polaridade.
• Saída (Lado do Transistor):A corrente do coletor (I_C) está especificada para 50mA. A tensão coletor-emissor (V_CEO) é de 80V, enquanto a tensão emissor-coletor (V_ECO) é de apenas 7V, destacando a natureza assimétrica das características de ruptura do fototransistor.
• Potência e Térmica:A dissipação total de potência do dispositivo (P_TOT) é de 200mW. São fornecidos fatores de derating separados: 2,9 mW/°C para a entrada (LED) acima de 100°C ambiente, e 3,7 mW/°C para a saída (transistor) acima de 70°C ambiente. Isto é crítico para a gestão térmica em ambientes de alta temperatura.
• Isolamento e Ambiente:A tensão de isolamento (V_ISO) é de 3750 V_rmsdurante 1 minuto, testada com os terminais 1-2 em curto entre si e os terminais 3-4 em curto entre si. A gama de temperatura de operação é de -55°C a +110°C, e o armazenamento estende-se de -55°C a +125°C.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros definem o desempenho do dispositivo em condições normais de operação (Ta=25°C salvo indicação em contrário).

• Características de Entrada:A tensão direta (V_F) é tipicamente 1,2V a uma corrente de teste de 20mA, com um máximo de 1,4V. Esta baixa tensão é benéfica para circuitos de interface lógica de baixa potência. A corrente de fuga reversa (I_R) é no máximo 10µA a 4V.
• Características de Saída:A corrente de coletor-emissor no escuro (I_CEO), que é a corrente de fuga com o LED desligado, é no máximo 100nA a V_CE=20V. As tensões de ruptura (BV_CEO=80V,BV_ECO=7V) confirmam as especificações.
• Características de Transferência:Este é o cerne da especificação do dispositivo.
  • Taxa de Transferência de Corrente (CTR):Esta é a razão entre a corrente de coletor de saída e a corrente direta do LED de entrada, expressa em percentagem. A série EL121N oferece umsistema de classificação/binning:
    • EL121N (Padrão):Gama CTR de 50% a 400% a I_F=5mA, V_CE=5V.
    • EL121N B:Uma faixa mais restrita de 130% a 260%.
    • EL121N C:Uma faixa de alto desempenho de 200% a 400%.
    • EL121N BC:Uma faixa ampla que cobre 130% a 400%.
    Esta classificação permite aos projetistas selecionar componentes com base no ganho e consistência necessários, otimizando o desempenho e o custo do circuito.
  • Tensão de Saturação (V_CE(sat)):Tipicamente 0,1V (máx. 0,2V) quando acionado com I_F=20mA e carregado com I_C=1mA. Este valor baixo é excelente para aplicações de comutação digital, minimizando a perda de tensão.
  • Resistência de Isolamento (R_IO):Mínimo 5 x 10¹⁰Ω, indicando uma resistência de isolamento DC extremamente elevada.
  • Velocidade de Comutação:Tempo de subida (t_r) é tipicamente 6µs (máx. 18µs) e tempo de descida (t_f) é tipicamente 8µs (máx. 18µs) sob condições de teste especificadas (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Isto define a capacidade do dispositivo para transmissão de sinal digital de média velocidade.

3. Análise de Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia curvas típicas de características eletro-ópticas. Embora os gráficos específicos não sejam reproduzidos em texto, eles normalmente incluem as seguintes relações, cruciais para o projeto:

• CTR vs. Corrente Direta (I_F):A CTR não é constante; geralmente diminui à medida que I_Faumenta. Os projetistas devem consultar esta curva para escolher um ponto de operação que forneça o ganho desejado sem sobrecarregar o LED.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_a):A CTR dos optocopladores tem um coeficiente de temperatura negativo; diminui à medida que a temperatura aumenta. Esta curva é vital para garantir a estabilidade do circuito na gama de temperatura de operação pretendida.
• Corrente do Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor (I_C-V_CE):Estas curvas de características de saída mostram o fototransistor a operar nas suas regiões linear (ativa) e de saturação, semelhante a um transistor bipolar padrão, mas com I_Fcomo parâmetro de controlo em vez da corrente de base.
• Tensão Direta vs. Corrente Direta (V_F-I_F):Esta característica do LED é importante para projetar o circuito de acionamento limitador de corrente.

A Figura 10 na ficha técnica fornece o circuito de teste padrão e as definições de forma de onda para medir os tempos de comutação (t_on, t_off, t_r, t_f), usando uma carga resistiva (R_L) e um pulso de entrada definido.

4. Informações Mecânicas, de Encapsulamento e Montagem

4.1 Configuração dos Terminais e Dimensões do Encapsulamento

O encapsulamento SOP de 4 pinos tem uma pinagem clara:

1. Ânodo (A) do LED de infravermelhos
2. Cátodo (K) do LED de infravermelhos
3. Emissor (E) do fototransistor
4. Coletor (C) do fototransistor

O desenho do encapsulamento fornece dimensões precisas, incluindo tamanho do corpo, espaçamento dos terminais e altura total, confirmando o perfil de 2,0 mm. Um padrão de solda recomendado para PCB (layout das pastilhas) também é fornecido para garantir soldagem fiável e estabilidade mecânica durante a montagem em superfície.

4.2 Diretrizes de Soldagem e Montagem

O dispositivo está classificado para uma temperatura máxima de soldagem (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos. Além disso, é fornecido um perfil detalhado de soldagem por refluxo, compatível com a norma IPC/JEDEC J-STD-020D. Os parâmetros-chave deste perfil incluem:

• Pré-aquecimento:150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Tempo Acima do Líquidus (217°C):60-100 segundos.
• Temperatura de Pico:260°C máximo.
• Tempo dentro de 5°C do Pico:30 segundos máximo.
• Número Máximo de Refluxos:3 vezes.

Aderir a este perfil é essencial para evitar fissuras no encapsulamento, delaminação ou danos no chip interno e ligações por fio.

5. Codificação, Embalagem e Marcação

5.1 Sistema de Numeração de Peças

O número de peça segue o formato:EL121N(X)(Y)-V

• EL121N:Número base do dispositivo.
• X:Classe de CTR (B, C, BC, ou vazio para a classe padrão).
• Y:Opção de Fita e Bobina (TA ou TB, diferindo na direção de alimentação).
• -V:Sufixo opcional que denota a aprovação VDE está incluída.

Exemplos: EL121NBC-TA, EL121NC-TB-V.

5.2 Especificações de Embalagem

Os dispositivos são fornecidos em fita e bobina para montagem automatizada. As dimensões da fita (largura, tamanho do bolso, passo) e as especificações da bobina são fornecidas em detalhe. Ambas as opções TA e TB contêm 3000 unidades por bobina.

5.3 Marcação do Dispositivo

Cada dispositivo é marcado no topo com um código a laser ou tinta:EL 121N RYWWV

• EL:Código do fabricante.
• 121N:Número do dispositivo.
• R:Código da classe de CTR (ex., B ou C).
• Y:Código de ano de 1 dígito.
• WW:Código de semana de 2 dígitos.
• V:Presença da marca de aprovação VDE.

Esta marcação permite a rastreabilidade e verificação do tipo de dispositivo.

6. Notas de Aplicação e Considerações de Projeto

6.1 Aplicações Típicas

A série EL121N é adequada para uma ampla gama de necessidades de isolamento e interface:

• Fontes de Alimentação Chaveadas (SMPS):Fornecendo isolamento de realimentação em conversores DC-DC, crucial para regular a tensão de saída mantendo o isolamento de segurança do lado primário.
• Sistemas de Controlo Industrial:Interface entre controladores lógicos de baixa tensão (PLCs) e atuadores ou sensores industriais de maior tensão/corrente, prevenindo ruído de malha de terra.
• Equipamentos de Telecomunicações:Isolando linhas de sinal ou fornecendo isolamento galvânico em interfaces de modem, router ou placas de linha.
• Isolamento Geral de Circuito:Qualquer aplicação que exija transferência de sinal entre circuitos de diferentes potenciais de terra ou impedâncias.

6.2 Considerações Críticas de Projeto

• Degradação da CTR:A CTR dos optocopladores pode degradar-se ao longo do tempo, especialmente quando operada a altas correntes de LED e altas temperaturas. Reduzir a corrente do LED e escolher uma peça com CTR inicial bem acima do mínimo necessário fornece uma margem de longevidade.
• Compromisso Velocidade vs. Corrente:A velocidade de comutação melhora com maior corrente de acionamento do LED, mas à custa de maior consumo de energia e potencial envelhecimento acelerado. A condição de teste (I_F=10mA tip.) dá uma linha de base; para velocidades mais rápidas, pode ser necessário um I_Fmais elevado.
• Seleção do Resistor de Carga:O valor do resistor de carga (R_Lno coletor) afeta tanto a velocidade de comutação como a excursão da tensão de saída. Um R_Lmenor melhora a velocidade, mas reduz o ganho e a gama de tensão de saída.
• Imunidade ao Ruído:Para aplicações digitais, garantir uma "margem de ruído" suficiente, projetando o circuito recetor para distinguir claramente entre os estados ligado e desligado do fototransistor, é fundamental.
• Distância de Isolamento (Creepage e Clearance):Ao projetar o layout do PCB, mantenha as distâncias de isolamento especificadas (implícitas pela classificação de 3750V_rms) entre os traços do lado de entrada e saída para preservar a integridade do isolamento.

7. Comparação e Posicionamento Técnico

No mercado de fotocopladores com saída de fototransistor, a série EL121N posiciona-se através de vários atributos-chave:

• Encapsulamento:O SOP de 4 pinos oferece uma pegada mais compacta do que os antigos encapsulamentos DIP de 4 pinos, sendo mais fácil de manusear e soldar do que encapsulamentos ultra-miniatura de 4 pinos, atingindo um equilíbrio entre tamanho e fabricabilidade.
• Classificação da CTR (Binning):Oferecer múltiplas classes de CTR claramente definidas (B, C, BC) fornece flexibilidade nem sempre disponível em peças genéricas, permitindo um projeto otimizado.
• Certificações Abrangentes:A acumulação de aprovações UL, cUL, VDE e nórdicas SEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO numa única peça simplifica o processo de seleção de componentes para produtos destinados a mercados globais com requisitos de segurança rigorosos.
• Equilíbrio de Desempenho:Com uma CTR até 400%, uma tensão de saturação abaixo de 0,2V e tempos de comutação na gama dos microssegundos, oferece um desempenho completo adequado para um amplo espectro de tarefas de isolamento analógico e digital, desde sinais simples de liga/desliga até realimentação PWM.

8. Perguntas Frequentes (FAQ)

8.1 Qual é a diferença entre as opções de fita TA e TB?

A diferença principal é adireção de alimentaçãoda bobina. TA e TB têm os bolsos dos componentes orientados de forma diferente na fita transportadora. O projetista deve especificar a opção correta com base na orientação exigida pelo sistema alimentador da sua máquina pick-and-place específica. Ambas contêm 3000 unidades.

8.2 Como escolher entre as classes de CTR B, C e BC?

Selecione com base no requisito de ganho do seu circuito e nas necessidades de consistência.

• Use aClasse C (200-400%)para aplicações que exigem alta sensibilidade ou onde o circuito de acionamento só pode fornecer uma baixa corrente de LED.
• Use aClasse B (130-260%)para aplicações onde é necessário um ganho moderado e estritamente controlado para um desempenho previsível em todas as unidades.
• Use a classePadrão (50-400%)ouBC (130-400%)para aplicações sensíveis ao custo onde o projeto do circuito pode tolerar uma variação mais ampla na CTR, muitas vezes usando realimentação ou níveis de sinal menos críticos.

8.3 Este dispositivo pode ser usado para isolamento de sinal analógico?

Sim, mas com ressalvas importantes. A não linearidade do fototransistor, a dependência da CTR com a temperatura e a variação inerente entre dispositivos tornam-no menos ideal para isolamento analógico de alta precisão em comparação com optocopladores lineares dedicados (que contêm um fotodíodo e um amplificador operacional). Para sinais analógicos de menor precisão ou em circuitos que empreguem linearização externa e compensação de temperatura, pode ser usado eficazmente.

8.4 Qual é o propósito do teste de tensão de isolamento (terminais 1-2 em curto com 3-4)?

Este teste verifica a integridade da barreira de isolamento interna entre as secções de entrada (LED) e saída (fototransistor) do encapsulamento. Colocar em curto os terminais de cada lado garante que a tensão de teste é aplicada através de todo o limite de isolamento, verificando quaisquer potenciais caminhos de ruptura através do composto de moldagem ou ao longo do chassi dos terminais.