Ficha Técnica do Fotocoplador EL3H7U-G - Pacote SSOP 4 Pinos - Perfil 2.0mm - Isolamento 3750Vrms - CTR 100-560% - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

A série EL3H7U-G representa uma família de fotocopladores de fototransistor (optoacopladores) compactos e de montagem em superfície, projetados para isolamento de sinal confiável em circuitos eletrônicos modernos. Estes dispositivos desempenham uma função crucial ao transferir sinais elétricos entre dois circuitos isolados usando luz, impedindo assim que altas tensões ou malhas de aterramento em um circuito afetem ou danifiquem o outro.

A construção central consiste em um diodo emissor de infravermelho (IRED) de arsenieto de gálio opticamente acoplado a um fototransistor de silício NPN. Ambos são encapsulados em um composto verde e sem halogênio, alojados em um pacote Small Outline (SSOP) de 4 pinos com um perfil baixo de 2,0 mm. Este encapsulamento é ideal para aplicações com restrições de espaço em placas de circuito impresso (PCBs).

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

As principais vantagens da série EL3H7U-G incluem sua alta capacidade de isolamento, fator de forma compacto e conformidade com padrões internacionais de segurança e meio ambiente. Com uma tensão de isolamento (Viso) de 3750 Vrms, oferece proteção robusta para circuitos sensíveis. A composição do material sem halogênio está alinhada com regulamentações ambientais como RoHS e REACH. O dispositivo é aprovado pelas principais agências internacionais de segurança, incluindo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, tornando-o adequado para mercados globais que exigem componentes certificados.

As aplicações-alvo são diversas, focando em áreas onde o isolamento elétrico e a imunidade a ruído são primordiais. Os principais mercados incluem fontes de alimentação chaveadas (SMPS), particularmente conversores DC-DC, controladores lógicos programáveis (PLCs) industriais, equipamentos de telecomunicações e transmissão de sinal de propósito geral entre circuitos com diferentes potenciais de terra ou níveis de impedância.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

Compreender as especificações máximas absolutas e as características elétricas é essencial para um projeto de circuito confiável e para garantir a durabilidade a longo prazo do fotocoplador.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de estresse além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. Elas não se destinam à operação normal.

• Entrada (Lado do LED):A corrente direta (I_F) não deve exceder 20 mA. A tensão reversa (V_R) é limitada a 5 V, destacando a necessidade de proteção de polaridade adequada se a entrada puder ser submetida a uma polarização reversa.
• Saída (Lado do Fototransistor):A corrente do coletor (I_C) é especificada em 30 mA. A tensão coletor-emissor (V_CEO) pode suportar até 60 V, enquanto a tensão emissor-coletor (V_ECO) é muito menor, em 5 V, indicando a assimetria das características de ruptura do fototransistor.
• Térmico e Isolamento:A dissipação total de potência do dispositivo (P_TOT) é de 200 mW. A tensão de isolamento (V_ISO) de 3750 Vrms é testada por 1 minuto com os pinos 1-2 e 3-4 em curto, sob umidade controlada (40-60% UR). A faixa de temperatura de operação é especificada de -40°C a +125°C.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros, tipicamente medidos a 25°C, definem o desempenho do dispositivo em condições normais de operação.

• Características de Entrada:A tensão direta (V_F) é tipicamente 1,3V a uma corrente direta (I_F) de 1 mA, o que é importante para o projeto do circuito de acionamento. A capacitância de entrada (C_in) é de até 250 pF, o que pode afetar o desempenho de comutação em alta frequência.
• Características de Saída:A corrente de fuga coletor-emissor (I_CEO) é muito baixa (máx. 100 nA a V_CE=20V), representando a corrente de fuga quando o LED está desligado. A tensão de saturação coletor-emissor (V_CE(sat)) é no máximo 0,4V sob condições de teste especificadas (I_F=3mA, I_C=1,6mA), indicando uma queda de tensão baixa quando o transistor está totalmente ligado.
• Parâmetros de Isolamento:A resistência de isolamento (R_IO) é no mínimo 5 x 10¹⁰Ω, e a capacitância de isolamento (C_IO) é no máximo 1,0 pF. Estes valores são críticos para determinar a rejeição de modo comum e o acoplamento de ruído de alta frequência através da barreira de isolamento.

2.3 Características de Transferência e Sistema de Classificação

A Taxa de Transferência de Corrente (CTR) é o parâmetro mais crítico para um fotocoplador, definida como a razão entre a corrente de coletor de saída (I_C) e a corrente direta do LED de entrada (I_F), expressa em porcentagem: CTR = (I_CF) * 100%.

A série EL3H7U-G utiliza um sistema de classificação de CTR para fornecer aos projetistas faixas de desempenho consistentes:

• EL3H7U (Padrão):Faixa de CTR de 50% a 600% em I_F= 0,5 mA, V_CE= 5V.
• EL3H7UA:Faixa de CTR de 100% a 200%.
• EL3H7UB:Faixa de CTR de 150% a 300%.
• EL3H7UC:Faixa de CTR de 200% a 400%.

Esta classificação permite um projeto mais preciso, especialmente em circuitos onde a consistência do ganho é importante, como em malhas de realimentação de fontes de alimentação. A peça padrão oferece a faixa mais ampla, adequada para aplicações de propósito geral onde o CTR exato é menos crítico.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece vários gráficos que ilustram tendências-chave de desempenho. É crucial notar que estas curvas representam o comportamento típico e não são garantidas por testes de produção.

3.1 Corrente Direta vs. Tensão Direta (Figura 1)

Este gráfico mostra a característica I-V do IRED de entrada em diferentes temperaturas ambientes (-40°C, 25°C, 125°C). A tensão direta (V_F) tem um coeficiente de temperatura negativo, o que significa que ela diminui à medida que a temperatura aumenta para uma determinada corrente. Este é um comportamento típico para diodos e deve ser considerado no gerenciamento térmico e no projeto de acionamento por corrente constante.

3.2 Corrente do Coletor vs. Corrente Direta (Figura 2) e CTR vs. Corrente Direta (Figura 3)

A Figura 2 traça a corrente de coletor de saída (I_C) em função da corrente do LED de entrada (I_F) para duas diferentes tensões coletor-emissor (V_CE=0,4V e 5V). A relação é linear em correntes mais baixas, mas mostra saturação em níveis mais altos de I_F, especialmente na V_CE mais baixa. A Figura 3 mostra a CTR normalizada diminuindo à medida que I_F aumenta. Isto indica que o dispositivo é mais eficiente (CTR mais alta) em correntes de acionamento mais baixas, tipicamente em torno da condição de teste de 0,5 mA.

3.3 Dependência da Temperatura (Figuras 6 e 7)

A Figura 6 demonstra que a corrente do coletor (I_C) para um I_F fixo aumenta com a temperatura. A Figura 7 mostra que a CTR normalizada atinge o pico em torno da temperatura ambiente e diminui tanto em temperaturas mais altas quanto mais baixas. Esta dependência da temperatura da CTR é um fator de projeto crítico. Os circuitos devem ser projetados para funcionar corretamente em toda a faixa de temperatura especificada, levando em conta a variação do ganho.

3.4 Características de Comutação (Figura 9)

O gráfico para tempo de comutação vs. resistência de carga (R_L) mostra que tanto o tempo de subida (t_r) quanto o tempo de descida (t_f) diminuem à medida que a resistência de carga diminui. Uma comutação mais rápida é alcançada com resistores de carga menores, mas isso tem o custo de uma maior dissipação de potência no estágio de saída. O circuito de teste (Figura 13) define t_r como o tempo de 10% a 90% do pulso de saída e t_f como de 90% a 10%.

4. Informações Mecânicas, de Embalagem e Montagem

4.1 Configuração dos Pinos e Polaridade

O dispositivo utiliza um footprint padrão de SSOP de 4 pinos. A pinagem é a seguinte: Pino 1: Ânodo do IRED, Pino 2: Cátodo do IRED, Pino 3: Emissor do fototransistor, Pino 4: Coletor do fototransistor. A polaridade correta deve ser observada durante o layout da PCB e a montagem para evitar danos.

4.2 Diretrizes de Soldagem e Manuseio

A especificação máxima absoluta para a temperatura de soldagem (T_SOL) é de 260°C por 10 segundos. Isto está alinhado com os perfis típicos de soldagem por refluxo sem chumbo. As diretrizes padrão IPC/JEDEC J-STD-020 para dispositivos sensíveis à umidade devem ser seguidas. O dispositivo deve ser armazenado em sua bolsa original de barreira à umidade com dessecante sob condições controladas e pré-aquecido antes da soldagem se a bolsa tiver sido aberta ou se o limite de tempo de exposição for excedido.

5. Informações de Pedido e Embalagem

O número da peça segue a estrutura: EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X:Classificação CTR (A, B, C, ou em branco para grau padrão).
• Y:Opção de fita e carretel (TA, TB, ou em branco). TA e TB provavelmente se referem a diferentes tamanhos de carretel ou orientações de embalagem, ambos contendo 5000 unidades por carretel.
• V:Marca de aprovação VDE opcional.
• G:Denota material sem halogênio.

Exemplos: EL3H7UB-TA-VG seria um dispositivo de CTR grau B, embalado em uma fita e carretel TA, com aprovação VDE e material sem halogênio.

6. Diretrizes de Aplicação e Considerações de Projeto

6.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A aplicação principal é o isolamento de sinal. Um circuito típico envolve acionar o LED de entrada com um resistor limitador de corrente a partir de uma fonte de sinal digital (por exemplo, um GPIO de microcontrolador). O fototransistor de saída pode ser usado em uma configuração de emissor comum (coletor conectado a um resistor pull-up, emissor aterrado) para produzir um sinal de saída invertido, ou em uma configuração de seguidor de emissor para um sinal não invertido.

6.2 Considerações-Chave de Projeto

• Corrente de Acionamento do LED:Selecione I_F com base na velocidade de comutação e CTR necessárias. Um I_F mais baixo oferece CTR mais alta, mas comutação mais lenta. Um resistor em série deve ser calculado usando R = (V_fonte- V_F) / I_F.
• Resistor de Carga de Saída (R_L):Este resistor define a excursão da tensão de saída, a velocidade de comutação e a dissipação de potência. Um R_L menor proporciona comutação mais rápida, mas menor excursão de tensão de saída e maior I_C.
• Degradação da CTR:A CTR dos fotocopladores pode degradar ao longo do tempo, especialmente quando operada em altas temperaturas e altas correntes do LED. Para projetos de longa vida útil, reduza a classificação do I_F de operação e garanta um gerenciamento térmico adequado.
• Imunidade a Ruído:Para ambientes ruidosos, um pequeno capacitor de desacoplamento (por exemplo, 0,1 μF) entre os pinos de entrada, próximo ao dispositivo, pode ajudar. Na saída, um layout cuidadoso da PCB para minimizar a capacitância parasita é importante para sinais de alta velocidade.

7. Comparação Técnica e Perguntas Frequentes

7.1 Diferenciação de Outros Fotocopladores

A série EL3H7U-G se diferencia pela combinação de um pacote SSOP compacto, alta classificação de isolamento de 3750 Vrms, ampla faixa de temperatura de operação de -40°C a +125°C e certificações internacionais de segurança abrangentes. Muitos dispositivos concorrentes podem oferecer CTR ou velocidade semelhantes, mas carecem do conjunto completo de aprovações ou da capacidade de alta temperatura.

7.2 Perguntas Frequentes (FAQs)

P: Qual é a diferença entre o grau padrão e os graus A/B/C?

R: O grau padrão tem uma faixa de CTR muito ampla (50-600%). Os graus A, B e C são classificados em faixas de CTR mais estreitas e garantidas (por exemplo, 200-400% para o grau C). Use peças classificadas para projetos que exigem ganho previsível.

P: Posso usar isso para isolamento de sinal de entrada CA?

R: Não diretamente. A entrada é um IRED, que é um diodo e só conduz em uma direção. Para isolar um sinal CA, você precisaria primeiro retificá-lo ou usar um fotocoplador de entrada CA dedicado.

P: Como calculo a taxa de dados máxima?

R: A taxa de dados máxima é limitada pela soma dos tempos de subida e descida (t_r+ t_f). Uma estimativa aproximada para um sinal digital é Largura de Banda ≈ 0,35 / (t_r). Com um t_r típico de 8 μs, a largura de banda é de cerca de 44 kHz. Para comunicação digital confiável, a taxa de dados prática será menor.

P: Por que a capacitância de isolamento é importante?

R: Uma baixa capacitância de isolamento (C_IO) é crucial para rejeitar ruído de modo comum de alta frequência. Em aplicações com transientes de tensão rápidos através da barreira de isolamento (como em acionamentos de motores), uma C_IO alta pode acoplar ruído do lado primário para o secundário, potencialmente causando mau funcionamento.

8. Princípio de Operação e Tendências Tecnológicas

8.1 Princípio de Operação Fundamental

Um fotocoplador opera com base no princípio da conversão eletro-óptica-elétrica. Um sinal elétrico aplicado ao lado de entrada faz com que o IRED emita luz infravermelha proporcional à corrente. Esta luz atravessa uma barreira de isolamento transparente dentro do pacote. No lado de saída, o fototransistor detecta esta luz, gerando uma corrente de base que, por sua vez, controla uma corrente de coletor muito maior. Os dois circuitos são eletricamente isolados, com apenas o acoplamento óptico entre eles.

8.2 Tendências da Indústria

A tendência na tecnologia de fotocopladores é em direção a maior velocidade, menor consumo de energia, maior integração e pacotes menores. Embora dispositivos tradicionais baseados em fototransistor, como o EL3H7U-G, sejam excelentes para isolamento DC e de baixa frequência, tecnologias mais recentes, como isoladores digitais (usando CMOS e acoplamento RF ou capacitivo), oferecem taxas de dados significativamente mais altas, menor potência e melhores características de temporização. No entanto, os fotocopladores mantêm vantagens em alta imunidade a transientes de modo comum (CMTI), simplicidade e certificações de segurança bem estabelecidas para isolamento de alta tensão, garantindo sua relevância contínua em aplicações de conversão de energia e controle industrial.