Ficha Técnica da Série H11AAX - Fotocoplador de Entrada CA - Pacote DIP 6 Pinos - Isolamento 5000Vrms - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

A série H11AAX representa uma família de fotocopladores de entrada CA, também conhecidos como optocopladores ou isoladores ópticos. Estes dispositivos são especificamente projetados para fornecer isolamento galvânico entre um circuito de entrada CA ou CC de polaridade desconhecida e um circuito de controle de saída. A função principal é transferir sinais elétricos utilizando luz, eliminando assim conexões elétricas e impedindo a propagação de malhas de terra, picos de tensão e ruído entre os circuitos.

A série inclui quatro variantes principais: H11AA1, H11AA2, H11AA3 e H11AA4. O principal fator de diferenciação entre elas é a Taxa de Transferência de Corrente (CTR), que define a eficiência da transferência de sinal da entrada para a saída. Estes dispositivos são alojados num compacto pacote Dual In-line (DIP) de 6 pinos, com opções para montagem através de furo padrão, espaçamento largo de terminais e tecnologia de montagem em superfície (SMD).

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

A série H11AAX oferece várias vantagens-chave que a tornam adequada para aplicações industriais e de consumo exigentes. A sua característica mais proeminente é a alta tensão de isolamento de 5000Vrms, crucial para a segurança e fiabilidade em equipamentos ligados à rede elétrica. Uma distância de fuga superior a 7,62mm reforça ainda mais esta classificação de segurança. Os dispositivos possuem aprovações das principais agências de segurança internacionais, incluindo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, tornando-os globalmente aceitáveis para produtos que requerem conformidade regulatória.

A configuração integrada de LEDs infravermelhos em antiparalelo no lado da entrada é uma característica definidora. Este projeto permite que o dispositivo seja acionado diretamente por uma tensão CA ou uma tensão CC de polaridade desconhecida, simplificando o projeto do circuito ao eliminar a necessidade de circuitos retificadores externos. A saída é um fototransistor de silício NPN.

Os mercados e aplicações-alvo são diversos, focando-se principalmente em áreas onde o isolamento elétrico e a deteção de sinal CA são primordiais. Aplicações típicas incluem monitorização de linha CA para detetar a presença ou ausência de tensão da rede, circuitos de interface de linha telefónica e sensores para detetar sinais CC de polaridade desconhecida em sistemas de controlo industrial.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

Esta secção fornece uma análise objetiva e detalhada das características elétricas, óticas e térmicas especificadas na ficha técnica. Compreender estes parâmetros é crucial para um projeto de circuito fiável.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. O funcionamento nestas condições não é garantido.

• Corrente Direta de Entrada (IF):60 mA (contínua). Esta é a corrente CC máxima que pode ser aplicada aos LEDs de entrada.
• Corrente Direta de Pico (IFM):1 A para uma duração de pulso muito curta de 10 µs. Esta classificação é importante para suportar surtos transitórios.
• Dissipação de Potência de Entrada (PD):120 mW a 25°C ambiente, com redução de 3,8 mW/°C acima de 90°C. Isto limita o produto combinado VF * IF.
• Tensão Coletor-Emissor de Saída (VCEO):80 V. A tensão máxima que pode ser suportada entre o coletor e o emissor do fototransistor quando a base está aberta.
• Dissipação de Potência Total do Dispositivo (PTOT):200 mW. A soma da potência de entrada e saída não deve exceder este valor.
• Tensão de Isolamento (VISO):5000 Vrms durante 1 minuto a 40-60% de humidade relativa. Este é um parâmetro de segurança chave testado com os pinos de entrada e saída em curto-circuito separadamente.
• Temperatura de Operação (TOPR):-55°C a +100°C. O dispositivo é funcional dentro desta gama completa de temperatura industrial.
• Temperatura de Soldadura (TSOL):260°C durante 10 segundos, relevante para processos de soldadura por onda ou por refluxo.

2.2 Características Eletro-Óticas

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

2.2.1 Características de Entrada

• Tensão Direta (VF):Tipicamente 1,2V, com um máximo de 1,5V a uma corrente direta (IF) de ±10mA. O valor simétrico indica o comportamento do par de LEDs em antiparalelo.
• Capacitância de Entrada (Cin):Tipicamente 80 pF. Isto pode afetar o desempenho em alta frequência do circuito de acionamento.

2.2.2 Características de Saída

• Corrente de Escuridão Coletor-Emissor (ICEO):Máximo de 50 nA a VCE=10V e IF=0mA. Esta é a corrente de fuga do fototransistor quando nenhuma luz incide, importante para a fuga no estado desligado.
• Tensões de Ruptura (BVCEO, BVCBO, BVECO):Mínimo de 80V, 80V e 7V, respetivamente. Estas definem a capacidade de suporte de tensão sob diferentes configurações de pinos.
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (VCE(sat)):Máximo de 0,4V a IF=±10mA e IC=0,5mA. Esta é a queda de tensão no transistor de saída quando está totalmente ligado.

2.2.3 Características de Transferência

Estes parâmetros definem a eficiência e velocidade da transferência de sinal.

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR):Este é o parâmetro de classificação central da série, definido como (IC / IF) * 100% sob condições especificadas (IF=±10mA, VCE=10V).
  • H11AA1: CTR ≥ 20%
  • H11AA2: CTR ≥ 10%
  • H11AA3: CTR ≥ 50%
  • H11AA4: CTR ≥ 100%
  Dispositivos com CTR mais elevada requerem menos corrente de entrada para alcançar uma determinada corrente de saída, melhorando a eficiência.
• Simetria da CTR:Rácio da CTR para uma polaridade do LED em relação à outra, especificado entre 0,5 e 2,0. Isto indica quão equilibrados estão os dois LEDs em antiparalelo.
• Resistência de Isolamento (RIO):Mínimo de 10^11 Ω a 500V CC. Esta é a resistência CC entre a entrada e a saída, contribuindo para a qualidade do isolamento.
• Capacitância Entrada-Saída (CIO):Tipicamente 0,7 pF. Esta capacitância muito baixa é crucial para rejeitar ruído de modo comum de alta frequência através da barreira de isolamento.
• Tempos de Comutação (Ton, Toff, Tr, Tf):Todos têm um valor máximo de 10 µs sob a condição de teste (VCC=10V, IC=10mA, RL=100Ω). Estes tempos definem a rapidez com que a saída pode responder a mudanças no sinal de entrada, limitando a frequência CA máxima ou a taxa de dados.

3. Explicação do Sistema de Classificação

A série H11AAX emprega um sistema de classificação direto baseado unicamente na Taxa de Transferência de Corrente (CTR).

Classificação por CTR (X em H11AAX):O sufixo numérico (1, 2, 3, 4) corresponde diretamente à percentagem mínima garantida de CTR, conforme listado na secção 2.2.3. Não há classificação baseada em comprimento de onda, tensão direta ou outros parâmetros. Os projetistas devem selecionar a classe apropriada com base na capacidade de acionamento de corrente de saída requerida versus a corrente de entrada disponível. Por exemplo, o H11AA4 (CTR mín. 100%) é o mais sensível e seria escolhido para aplicações onde a capacidade de acionamento de entrada é muito baixa, enquanto o H11AA2 pode ser suficiente e mais económico em circuitos com corrente de acionamento disponível mais elevada.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia curvas típicas de características eletro-óticas. Embora os gráficos específicos não sejam reproduzidos no texto fornecido, o seu propósito e a informação que transmitem são padrão para este tipo de componentes.

As Curvas Típicas incluiriam:

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta (IF):Esta curva mostra como a CTR varia com a corrente de acionamento. Tipicamente, a CTR é mais elevada a um IF moderado e pode diminuir a correntes muito baixas ou muito altas.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (Ta):A CTR de um fotocoplador geralmente tem um coeficiente de temperatura negativo, o que significa que diminui à medida que a temperatura aumenta. Este gráfico é crítico para projetar circuitos que operam em toda a gama de temperatura.
• Corrente do Coletor (IC) vs. Tensão Coletor-Emissor (VCE):Esta é a família de curvas características de saída, semelhante a um transistor bipolar, com a corrente do LED de entrada (IF) como parâmetro. Mostra a região de saturação e a região ativa.
• Tensão Direta (VF) vs. Corrente Direta (IF):A característica IV do par de LEDs de entrada.
• Tempo de Comutação vs. Resistência de Carga (RL):Mostra como os tempos de subida, descida, ligação e desligação são afetados pela carga de saída.

Os projetistas devem consultar estas curvas na ficha técnica completa para compreender comportamentos não lineares e fatores de redução não capturados pela tabela de valores mínimos/típicos/máximos.

5. Informação Mecânica e de Encapsulamento

O dispositivo é oferecido em várias variantes de encapsulamento para se adequar a diferentes processos de montagem.

5.1 Dimensões e Tipos de Encapsulamento

• Tipo DIP Padrão:O encapsulamento através de furo padrão.
• Tipo Opção M:Apresenta uma \"dobra larga dos terminais\" proporcionando um espaçamento de 0,4 polegadas (aprox. 10,16mm) em vez do padrão de 0,3 polegadas (7,62mm), útil para placas que requerem maior distância de fuga.
• Tipo Opção S:Forma de terminal para montagem em superfície para soldadura por refluxo.
• Tipo Opção S1:Uma versão de montagem em superfície \"de baixo perfil\", provavelmente com uma altura de afastamento da PCB mais baixa.

Desenhos dimensionados detalhados são fornecidos para cada tipo, incluindo tamanho do corpo, comprimento dos terminais, espaçamento dos terminais e especificações de coplanaridade. Estes são essenciais para o projeto da pegada na PCB.

5.2 Layout de Pads e Identificação de Polaridade

É fornecido um layout de pads recomendado para as opções de montagem em superfície (S e S1). A ficha técnica nota que esta é uma sugestão e os projetistas devem modificá-la com base no seu processo específico de fabrico de PCB e requisitos térmicos.

Marca do Dispositivo:O topo do encapsulamento está marcado com:

- \"EL\" (código do fabricante)

- O número de peça completo (ex., H11AA1)

- Um código de 1 dígito para o ano (Y)

- Um código de 2 dígitos para a semana (WW)

- Um sufixo opcional \"V\" se a aprovação de segurança VDE for especificada para essa unidade.

Configuração dos Pinos (DIP 6 Pinos):

1. Ânodo / Cátodo (Ânodo do LED1, Cátodo do LED2)

2. Cátodo / Ânodo (Cátodo do LED1, Ânodo do LED2)

3. Sem Conexão (NC)

4. Emissor (do Fototransistor)

5. Coletor (do Fototransistor)

6. Base (do Fototransistor). O pino da base é tipicamente deixado aberto ou ligado ao emissor através de uma resistência para ajuste de sensibilidade ou melhoria de velocidade.

6. Diretrizes de Soldadura e Montagem

A diretriz principal dos Valores Máximos Absolutos é a temperatura de soldadura: 260°C durante no máximo 10 segundos. Isto é compatível com perfis de refluxo padrão sem chumbo (SnAgCu).

Considerações Importantes:

• Sensibilidade à Humidade:Embora não explicitamente declarado no texto fornecido, optocopladores SMD encapsulados em plástico têm frequentemente um Nível de Sensibilidade à Humidade (MSL). Para as partes de montagem em superfície (Opções S, S1), é crítico seguir as instruções de manuseamento do fabricante relativamente a pré-aquecimento e tempo de vida útil para prevenir o \"efeito pipoca\" durante o refluxo.
• Limpeza:Assegure que os solventes de limpeza são compatíveis com o material plástico do dispositivo.
• Condições de Armazenamento:De acordo com a ficha técnica, a gama de temperatura de armazenamento é de -55°C a +125°C. Os dispositivos devem ser armazenados num ambiente seco e antiestático.

7. Embalagem e Informação de Encomenda

O código de encomenda segue o padrão:H11AAXY(Z)-V

• X:Classe de CTR (1, 2, 3, 4).
• Y:Opção de Forma dos Terminais.
  • Nenhuma: DIP-6 padrão (65 unidades/tubo).
  • M: Dobra larga dos terminais (65 unidades/tubo).
  • S: Forma de terminal para montagem em superfície.
  • S1: Forma de terminal para montagem em superfície de baixo perfil.
• Z:Opção de Fita e Bobina (apenas para S/S1).
  • TA: Tipo específico de fita e bobina.
  • TB: Tipo alternativo de fita e bobina.
  • TA e TB embalam 1000 unidades por bobina.
• V:Marca de aprovação de segurança VDE opcional.

Especificações da Fita e Bobina:São fornecidas dimensões detalhadas para a fita transportadora (tamanho do bolso A, B), fita de cobertura e bobina para montagem automatizada pick-and-place.

8. Sugestões de Aplicação

8.1 Circuitos de Aplicação Típicos

Monitor de Linha CA:A entrada é ligada diretamente através da linha CA (com uma resistência limitadora de corrente). O transistor de saída comuta em sincronia com os cruzamentos por zero da CA, fornecendo um trem de pulsos digital ou um sinal retificado a um microcontrolador para detetar a presença de energia.

Sensor CC de Polaridade Desconhecida:A entrada em antiparalelo permite que o dispositivo seja ligado a uma fonte de tensão CC sem considerar a polaridade, tornando-o ideal para deteção em equipamentos alimentados a bateria ou sensores industriais onde a polaridade da fiação pode estar invertida.

Interface de Linha Telefónica:Utilizado para deteção de toque ou deteção de ausência de gancho, fornecendo isolamento entre a linha telefónica e o circuito lógico.

8.2 Considerações de Projeto

• Limitação de Corrente de Entrada:Uma resistência em série deve ser sempre utilizada para limitar a corrente de entrada (IF) a um valor seguro abaixo de 60mA, calculado com base na tensão de entrada de pico e na tensão direta do LED.
• Carga de Saída:A resistência de carga (RL) no coletor determina a excursão da tensão de saída e afeta a velocidade de comutação. Um RL menor proporciona comutação mais rápida mas consome mais potência.
• Imunidade ao Ruído:A baixa capacitância entrada-saída (0,7pF) proporciona uma excelente rejeição de ruído de modo comum de alta frequência. Para melhor desempenho, mantenha os traços de entrada e saída fisicamente separados na PCB.
• Degradação da CTR:Ao longo de períodos muito longos e a altas temperaturas, a CTR dos fotocopladores pode degradar-se. Para aplicações críticas de longa duração, projete com uma margem inicial substancial de CTR.

9. Comparação e Diferenciação Técnica

A série H11AAX diferencia-se principalmente através da suacapacidade de entrada CAvia a estrutura de LEDs em antiparalelo. A maioria dos fotocopladores padrão (ex., 4N25, PC817) têm uma entrada de LED único que requer uma polarização direta definida, necessitando de um retificador de ponte externo para operação CA. O H11AAX integra esta funcionalidade.

Comparado com outros fotocopladores de entrada CA, as suas principais vantagens são aelevada classificação de isolamento de 5000Vrmse oconjunto abrangente de aprovações de segurança internacionais(UL, VDE, etc.), que são essenciais para produtos vendidos em múltiplos mercados globais. A disponibilidade de múltiplas classes de CTR e tipos de encapsulamento (através de furo e SMD) proporciona flexibilidade de projeto.

10. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P1: Posso acionar o H11AAX diretamente a partir da rede de 120VCA ou 230VCA?

R: Não diretamente. Deve utilizar uma resistência limitadora de corrente em série com a entrada. O valor da resistência deve ser calculado com base na tensão de pico da rede (ex., ~340V para 230VCA), a corrente direta desejada e a VF do LED. A potência nominal da resistência também deve ser considerada.

P2: Qual é a frequência CA máxima que posso usar com este fotocoplador?

R: O tempo máximo de comutação é de 10 µs. Isto teoricamente permite uma frequência de onda quadrada até cerca de 50 kHz. No entanto, para a deteção de uma onda senoidal CA limpa de 50/60 Hz, é perfeitamente adequado, pois o período (16,7ms/20ms) é muito maior que o tempo de comutação.

P3: Por que existe um pino Base (Pino 6) e como devo usá-lo?

R: O pino da base fornece acesso à base do fototransistor. Deixá-lo aberto é o padrão. Ligar uma resistência entre a base e o emissor pode:

1. Melhorar a Velocidade:Uma resistência de baixo valor (ex., 10kΩ a 100kΩ) desvia a carga armazenada, reduzindo o tempo de desligamento (Toff).

2. Reduzir a Sensibilidade/Aumentar o Limiar:Uma resistência fornece um caminho de fuga, aumentando ligeiramente a corrente de entrada mínima necessária para ligar a saída.

P4: Como escolho entre as diferentes classes de CTR (H11AA1, AA2, AA3, AA4)?

R: Escolha com base na sua capacidade de acionamento de entrada e na corrente de saída requerida. Se o seu circuito só pode fornecer uma pequena corrente de entrada (ex., de uma resistência de alta tensão), escolha uma classe de CTR mais elevada (AA3 ou AA4) para obter saída suficiente. Se a corrente de entrada for abundante, uma classe mais baixa (AA1 ou AA2) pode ser mais económica. Projete sempre com margem para a degradação da CTR ao longo do tempo e com a temperatura.

11. Estudo de Caso de Projeto Prático

Cenário: Projetar um Detetor de Presença de Rede 230VCA.

Objetivo:Fornecer um sinal lógico alto de 3,3V a um microcontrolador quando a 230VCA estiver presente.

Passos do Projeto:

1. Seleção da Peça:É escolhido o H11AA1 (CTR mín. 20%), pois a corrente de entrada será suficiente.

2. Cálculo da Resistência de Entrada:Tensão de pico = 230V * √2 ≈ 325V. IF desejada ≈ 10mA (para boa CTR). VF ≈ 1,2V. R = (325V - 1,2V) / 0,01A ≈ 32,4kΩ. Utilize uma resistência padrão de 33kΩ. Dissipação de potência em R: P = (230V)^2 / 33000Ω ≈ 1,6W. É necessária uma resistência com potência nominal de 2W ou 3W.

3. Circuito de Saída:Ligue o coletor (Pino 5) à alimentação de 3,3V do microcontrolador através de uma resistência de pull-up (ex., 10kΩ). Ligue o emissor (Pino 4) ao terra. A base (Pino 6) é deixada aberta.

4. Operação:Quando a CA está presente, o transistor de saída liga-se durante cada meio-ciclo, puxando o coletor (e o pino de entrada do MCU) para baixo. O MCU vê um sinal baixo pulsante de 50/60 Hz, que pode ser estabilizado em software para indicar \"energia ligada\".

5. Layout da PCB:Mantenha uma distância de fuga >7,62mm entre os traços do lado da entrada (pinos 1,2,3, resistência) e do lado da saída (pinos 4,5,6, MCU) na PCB para preservar a classificação de isolamento.

12. Princípio de Funcionamento

O H11AAX opera com base no princípio do isolamento optoeletrónico. No lado da entrada, dois díodos emissores de luz infravermelha de arsenieto de gálio (LEDs) estão ligados em antiparalelo. Quando uma tensão CA é aplicada (com uma resistência limitadora de corrente em série), um LED conduz e emite luz durante o semiciclo positivo, e o outro LED conduz e emite luz durante o semiciclo negativo. Assim, são gerados pulsos de luz infravermelha ao dobro da frequência do sinal CA de entrada.

Esta luz viaja através de uma barreira de isolamento transparente dentro do encapsulamento. No lado da saída, a luz incide na região da base de um fototransistor de silício NPN. Os fotões geram pares eletrão-lacuna, criando uma corrente de base que liga o transistor, permitindo que uma corrente de coletor (IC) flua. A razão entre esta corrente de coletor de saída e a corrente direta de entrada é a Taxa de Transferência de Corrente (CTR). A tensão coletor-emissor do fototransistor é controlada pelo circuito de carga externo.

13. Tendências Tecnológicas

A tecnologia dos fotocopladores continua a evoluir. Embora o princípio fundamental permaneça, as tendências incluem:

• Maior Velocidade:Desenvolvimento de dispositivos com tempos de comutação mais rápidos (nanossegundos) para comunicação digital e aplicações de acionamento de portas de inversor, frequentemente utilizando saídas baseadas em fotodíodo ou CI em vez de fototransistores.
• Maior Integração:Combinação do fotocoplador com funções adicionais como acionadores de porta IGBT, amplificadores de erro ou interfaces digitais (isoladores I²C).
• Fiabilidade e Vida Útil Melhoradas:Avanços em materiais de LED e encapsulamento para reduzir a taxa de degradação da CTR ao longo do tempo e com a temperatura.
• Miniaturização:Redução contínua do tamanho do encapsulamento, especialmente para versões de montagem em superfície, para economizar espaço na PCB.
• Tecnologias de Isolamento Alternativas:Isoladores capacitivos e magnéticos (magnetorresistência gigante, GMR) competem em algumas aplicações de alta velocidade e alta densidade, embora os optocopladores mantenham vantagens na alta imunidade a transientes de modo comum (CMTI) e nas certificações de segurança bem estabelecidas.

A série H11AAX, com o seu projeto robusto e aprovações de segurança, representa uma solução madura e fiável para necessidades tradicionais de deteção CA e isolamento básico, onde a sua capacidade integrada de entrada CA proporciona uma vantagem distinta.