Ficha Técnica de Fotocoplador Fototransistor DIP 6 Pinos - Série 4N2X, 4N3X, H11AX - Tensão de Isolamento 5000Vrms - Temperatura de Operação -55 a +110°C - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

As séries 4N2X, 4N3X e H11AX são famílias de fotocopladores fototransistor (também conhecidos como optocopladores ou isoladores ópticos) em encapsulamento DIP (Dual In-line Package) de 6 pinos. Cada dispositivo consiste num díodo emissor de luz infravermelha (LED) de arsenieto de gálio, acoplado opticamente a um detetor fototransistor de silício. Esta configuração fornece isolamento elétrico completo entre os circuitos de entrada e saída, tornando-os componentes essenciais para segurança, imunidade a ruído e conversão de níveis de tensão em sistemas eletrónicos.

A função principal é a transmissão de sinal via luz, eliminando uma ligação elétrica direta. A corrente de entrada energiza o LED infravermelho, que emite luz proporcional à corrente. Esta luz incide na região da base do fototransistor, gerando uma corrente de base e permitindo que a corrente coletor-emissor flua, replicando assim o sinal de entrada no lado isolado da saída.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

Estes fotocopladores são projetados para aplicações que requerem isolamento de sinal confiável. As suas principais vantagens incluem uma alta tensão de isolamento de 5000V_rms, que é crítica para proteger circuitos de controlo de baixa tensão (como microprocessadores) de secções de rede elétrica ou acionamento de motores de alta tensão. A distância de rastreamento estendida de >7,62mm aumenta ainda mais a segurança e fiabilidade em ambientes de alta tensão. Com uma gama de temperatura de operação de -55°C a +110°C, são adequados para aplicações industriais, automotivas e em ambientes severos.

O encapsulamento DIP compacto está disponível em variantes padrão, com espaçamento amplo entre terminais (0,4 polegada) e de montagem em superfície (SMD), oferecendo flexibilidade para processos de montagem através de orifício e automatizados. Os dispositivos possuem aprovações das principais agências de segurança internacionais, incluindo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, facilitando a sua utilização em equipamentos comercializados globalmente que devem cumprir normas de segurança rigorosas.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

A ficha técnica fornece especificações elétricas e ópticas abrangentes, que são cruciais para o correto dimensionamento do circuito e garantia de fiabilidade.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

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

• Lado de Entrada (LED):A corrente contínua direta máxima (I_F) é de 60mA. É permitida uma breve corrente de pico direta (I_FM) de 1A durante 10µs, o que é relevante para supressão de transitórios. A tensão reversa máxima (V_R) é modesta, 6V, indicando que o LED não foi projetado para polarização reversa elevada e requer proteção se usado em circuitos de CA.
• Lado de Saída (Fototransistor):As tensões de ruptura coletor-emissor e coletor-base (V_CEO, V_CBO) são ambas de 80V, definindo a tensão máxima que pode ser aplicada ao transistor no estado desligado. As tensões emissor-base e emissor-coletor (V_EBO, V_ECO) estão limitadas a 7V.
• Potência e Térmica:A dissipação de potência total do dispositivo (P_TOT) é de 200mW a 25°C. São fornecidos fatores de derating: 3,8 mW/°C para o lado de entrada acima de 100°C e 9,0 mW/°C para o lado de saída acima de 100°C. Estes são críticos para calcular a potência máxima permitida em temperaturas ambientes elevadas, prevenindo a fuga térmica.
• Isolamento:A tensão de isolamento (V_ISO) de 5000V_rmsdurante 1 minuto é um parâmetro de segurança chave, testado com os pinos 1-2-3 em curto-circuito entre si e os pinos 4-5-6 em curto-circuito entre si.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros são medidos em condições típicas (T_a=25°C) e definem o desempenho do dispositivo.

• Características do LED de Entrada:A tensão direta (V_F) é tipicamente 1,2V a I_F=10mA, com um máximo de 1,5V. Isto é usado para calcular o resistor limitador de corrente necessário. A corrente reversa (I_R) é muito baixa (<10µA a V_R=6V). A capacitância de entrada (C_in) é tipicamente 30pF.
• Características do Fototransistor de Saída:As correntes de escuridão (I_CBO, I_CEO) estão na ordem dos nanoamperes, indicando uma fuga muito baixa quando o LED está desligado. As tensões de ruptura (BV_CEO, BV_CBO, etc.) confirmam os limites de 80V e 7V das especificações absolutas.

2.3 Características de Transferência

Estes parâmetros descrevem a eficiência de acoplamento e o desempenho de comutação entre a entrada e a saída.

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR):Este é o parâmetro mais crítico, definido como (I_C/ I_F) * 100%. Varia significativamente conforme o número de peça, criando um sistema de classificação de desempenho:
  • CTR Alta (>100%):4N35, 4N36, 4N37.
  • CTR Média-Alta (50%): H11A1.
  • CTR Média (30%): H11A5.
  • CTR Padrão (20%):4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • CTR Mais Baixa (10%):4N27, 4N28, H11A4.
  Esta classificação permite aos projetistas selecionar um dispositivo com a sensibilidade necessária para a sua aplicação específica e nível de corrente de saída desejado.
• Tensão de Saturação (V_CE(sat)):Esta é a queda de tensão no fototransistor quando está totalmente ligado. Valores mais baixos (ex.: 0,3V máx. para a série 4N3X a I_F=10mA, I_C=0,5mA) indicam melhor desempenho, minimizando a perda de potência no estágio de saída.
• Velocidade de Comutação:Os tempos de ligação (t_on) e desligamento (t_off) são especificados para diferentes séries em condições de teste específicas (V_CC=10V, R_L=100Ω). A série 4N2X/H11AX é tipicamente mais rápida (3µs tip.) comparada com a série 4N3X (10µs tip. para t_on, 9µs tip. para t_off). Isto é vital para transmissão de sinal digital e aplicações PWM.
• Parâmetros de Isolamento:A resistência de isolamento (R_IO) é extremamente alta (>10¹¹Ω), e a capacitância entrada-saída (C_IO) é muito baixa (0,2pF tip.), o que minimiza o acoplamento capacitivo de ruído de alta frequência através da barreira de isolamento.

3. Análise de Curvas de Desempenho

Embora o PDF mostre texto de espaço reservado para "Curvas Típicas de Características Eletro-Ópticas", tais curvas são padrão para fotocopladores e tipicamente incluem:

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta (I_F):Mostra como a eficiência muda com a corrente de acionamento do LED, frequentemente atingindo um pico numa corrente específica.
• CTR vs. Temperatura:Ilustra a degradação da CTR a altas temperaturas, que é um fator crítico de derating para operação em alta temperatura.
• Corrente do Coletor (I_C) vs. Tensão Coletor-Emissor (V_CE):Curvas características de saída mostrando o comportamento do fototransistor em diferentes regiões (saturação, ativa).
• Tempo de Comutação vs. Resistência de Carga (R_L):Demonstra como a escolha do resistor de pull-up afeta os tempos de subida e descida.

Os projetistas devem consultar estas curvas na ficha técnica completa para otimizar parâmetros como a corrente do LED, o resistor de carga e a temperatura de operação para os seus requisitos específicos de velocidade e saída.

4. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

Os dispositivos são oferecidos em várias variantes de encapsulamento DIP de 6 pinos para atender a diferentes necessidades de montagem.

4.1 Dimensões e Variantes do Encapsulamento

A ficha técnica inclui desenhos mecânicos detalhados para cada opção. As dimensões-chave incluem comprimento total, largura, espaçamento entre pinos e dimensões dos terminais.

• Tipo DIP Padrão:O clássico encapsulamento para montagem através de orifício com espaçamento entre filas de 0,1 polegada (2,54mm).
• Tipo Opção M:Apresenta uma "dobra de terminal larga" que fornece um espaçamento entre terminais de 0,4 polegada (10,16mm). Isto aumenta a distância de rastreamento e de isolamento entre os pinos de entrada e saída, melhorando a fiabilidade do isolamento para aplicações de alta tensão.
• Tipos Opção S & S1:Versões de dispositivo de montagem em superfície (SMD). A opção S1 é uma variante de "baixo perfil", que tem uma altura de encapsulamento reduzida comparada com a opção S padrão, benéfica para aplicações com restrições de espaço.

Todos os encapsulamentos apresentam um corpo moldado que fornece o isolamento necessário. A configuração dos pinos é padronizada: Pino 1 (Ânodo), Pino 2 (Cátodo), Pino 3 (NC), Pino 4 (Emissor), Pino 5 (Coletor), Pino 6 (Base). O pino da base (6) é frequentemente deixado desconectado, mas pode ser usado para melhorar a largura de banda ou controlo de polarização em alguns circuitos.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

As especificações máximas absolutas indicam uma temperatura de soldagem (T_SOL) de 260°C durante 10 segundos. Este é um valor típico para processos de soldagem por onda ou por refluxo. Para as opções SMD (S, S1), são aplicáveis perfis de refluxo por infravermelhos ou convecção padrão com uma temperatura de pico em torno de 260°C. É crucial evitar exceder este limite de tempo-temperatura para prevenir danos ao encapsulamento plástico e às ligações internas dos fios. Os dispositivos devem ser armazenados em condições dentro da gama de temperatura de armazenamento (-55°C a +125°C) e em embalagem sensível à humidade, se especificado para peças SMD, para prevenir o "efeito pipoca" durante o refluxo.

6. Embalagem e Informações de Pedido

O sistema de numeração de peças é claramente definido:4NXXY(Z)-VouH11AXY(Z)-V.

• XX / X:Número de peça específico (ex.: 25, 35, 1, 5).
• Y (Forma do Terminal):
  • Nenhum: DIP padrão (65 unidades/tubo).
  • M: Dobra de terminal larga (65 unidades/tubo).
  • S: Forma de terminal para montagem em superfície.
  • S1: Forma de terminal para montagem em superfície de baixo perfil.
• Z (Fita e Bobina):Aplica-se apenas às opções SMD.
  • TA ou TB: Especificações diferentes de fita e bobina (1000 unidades/bobina).
• V:Sufixo opcional indicando aprovação de segurança VDE.

Este sistema flexível permite a aquisição da variante mecânica exata necessária para a produção.

7. Recomendações de Aplicação

7.1 Circuitos de Aplicação Típicos

Como listado na ficha técnica, as aplicações primárias incluem:

• Reguladores de Fonte de Alimentação:Fornecer isolamento de realimentação em fontes de alimentação comutadas (SMPS) entre o lado secundário (saída) e o controlador do lado primário. Isto é essencial para segurança e rejeição de ruído.
• Entradas de Lógica Digital / Entradas de Microprocessador:Isolar sinais ruidosos de sensores industriais (ex.: de fim de curso, codificadores) ou diferentes domínios de terra antes de entrarem em pinos de lógica digital ou microcontrolador sensíveis.
• Isolamento de Sinal de Uso Geral:Qualquer circuito onde dois subsistemas devem comunicar sem partilhar uma terra comum, para quebrar malhas de terra, eliminar ruído de modo comum ou fornecer tradução de nível de tensão.

7.2 Considerações de Projeto e Melhores Práticas

• Limitação de Corrente do LED:Utilize sempre um resistor em série para definir a corrente direta (I_F). Calcule R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F. Opere dentro da gama recomendada de I_F(frequentemente 5-20mA) para CTR ótima e longevidade.
• Polarização do Lado de Saída:O fototransistor requer um resistor de pull-up (R_L) ligado do coletor a V_{CC_output}. O seu valor é um compromisso: um R_Lmenor fornece comutação mais rápida, mas maior consumo de potência e menor excursão de tensão de saída; um R_Lmaior dá melhor margem de ruído, mas velocidade mais lenta.
• Otimização de Velocidade:Para comutação mais rápida, use um dispositivo da série mais rápida (4N2X/H11AX), minimize R_L, e garanta um acionamento I_Fadequado. Ligar um resistor (ex.: 100kΩ a 1MΩ) entre a base (pino 6) e o emissor pode ajudar a descarregar a carga armazenada e reduzir o tempo de desligamento.
• Imunidade ao Ruído:A alta resistência de isolamento e baixa capacitância rejeitam inerentemente ruído de modo comum. Para robustez adicional em ambientes eletricamente ruidosos, são recomendados condensadores de desacoplamento (ex.: 0,1µF) colocados próximos aos pinos de alimentação do dispositivo, tanto no lado de entrada como no de saída.

8. Comparação Técnica e Guia de Seleção

As três séries (4N2X, 4N3X, H11AX) oferecem uma gama de desempenho para atender a diferentes necessidades:

• Série 4N3X (4N35-38):Geralmente oferecem os valores de CTR mais altos (>100% para 4N35-37), tornando-as adequadas para aplicações que requerem alta corrente de saída ou onde se deseja corrente de acionamento de entrada mínima. A sua tensão de saturação também é muito baixa.
• Série 4N2X (4N25-28) & Série H11AX (H11A1-A5):Fornecem uma gama classificada de CTR de 10% a 50%. A série 4N2X tipicamente tem tempos de comutação mais rápidos. Estas são isoladoras versáteis de uso geral. O H11A5 (30% CTR) e o H11A1 (50% CTR) preenchem pontos de desempenho específicos.
• Critérios de Seleção:Escolha com base na CTR necessária (ganho de corrente de saída), velocidade de comutação, tensão de saturação e custo. Por exemplo, uma entrada de microprocessador a ler um interruptor lento pode usar uma peça de CTR mais baixa e custo-eficaz como o H11A4. Um laço de realimentação numa fonte de alimentação que necessita de boa linearidade e ganho pode usar um 4N35 ou 4N36.

9. Perguntas Frequentes (FAQ)

P: Qual é a finalidade do pino da base (pino 6)?

R: O pino da base fornece acesso à região da base do fototransistor. Deixá-lo aberto (desconectado) é o padrão. Ligar um resistor da base ao emissor pode melhorar a velocidade de comutação ao fornecer um caminho para remover a carga armazenada. Em alguns projetos, pode ser usado para pré-polarização ou para ligar uma rede de aceleração.

P: Como posso garantir fiabilidade a longo prazo?

R: Opere o LED dentro das suas especificações máximas absolutas, preferencialmente com derating. Mantenha a temperatura da junção baixa respeitando as curvas de derating de potência. Utilize distâncias de rastreamento/isolamento adequadas na sua PCB, especialmente para a barreira de isolamento de alta tensão, correspondendo ou excedendo a capacidade de 7,62mm do encapsulamento.

P: Posso usar isto para isolamento de sinal CA?

R: Sim, mas o LED de entrada tem uma classificação de tensão reversa baixa (6V). Para isolar um sinal CA, deve proteger o LED da polarização reversa, tipicamente colocando um díodo padrão em paralelo inverso na entrada do LED, ou usando uma configuração de ponte retificadora antes do LED.

P: Por que a CTR é especificada como um valor mínimo?

R: A CTR tem uma grande variação devido a tolerâncias de fabrico na eficiência do LED e no ganho do fototransistor. A ficha técnica garante um valor mínimo de CTR em condições especificadas. O projeto deve ser baseado neste valor mínimo para garantir a funcionalidade do circuito em todas as unidades de produção e ao longo da temperatura.

10. Exemplo Prático de Projeto

Cenário:Isolar um sinal digital de 24V da saída de um PLC para uma entrada de microcontrolador de 3,3V.

1. Seleção do Dispositivo:Escolha uma peça de uso geral como o 4N25 (CTR mín. 20%). A sua velocidade é suficiente para I/O digital.
2. Circuito de Entrada:A saída do PLC é 24V. I_Falvo = 10mA. V_F≈ 1,2V. R_limit= (24V - 1,2V) / 0,01A = 2280Ω. Use um resistor padrão de 2,2kΩ. Adicione um díodo de proteção reversa em paralelo com a entrada do LED.
3. Circuito de Saída:V_CCdo microcontrolador = 3,3V. Escolha R_L= 1kΩ. Quando o fototransistor está desligado, a saída é puxada para alto a 3,3V (lógica 1). Quando ligado, assumindo I_C= CTR * I_F= 0,2 * 10mA = 2mA, a tensão de saída será V_CE(sat)(máx. 0,5V), um sólido nível lógico 0. O pull-up de 1kΩ fornece um bom equilíbrio entre velocidade e consumo de corrente para esta aplicação.

11. Princípio de Funcionamento

Um fotocoplador opera com base no princípio da conversão eletro-óptica-elétrica. Um sinal elétrico é aplicado ao lado de entrada, fazendo com que a corrente flua através de um LED infravermelho. Esta corrente é diretamente proporcional à intensidade de luz emitida. A luz atravessa um espaço isolante transparente (tipicamente plástico moldado) e atinge o material semicondutor de um fotodetector — neste caso, a junção base-coletor de um fototransistor NPN. Os fotões geram pares eletrão-lacuna, criando uma corrente de base. Esta corrente de base fotogerada é então amplificada pelo ganho de corrente do transistor (h_FE), resultando numa maior corrente de coletor que reproduz o sinal de entrada original no circuito de saída eletricamente isolado. A ausência completa de ligação galvânica é o que fornece o alto isolamento de tensão e imunidade ao ruído.

12. Tendências Tecnológicas

Fotocopladores baseados em fototransistor como a série 4NXX representam uma tecnologia de isolamento madura e custo-eficaz. As tendências atuais no mercado de optocopladores incluem o desenvolvimento de dispositivos com maior velocidade (para barramentos de comunicação digital como SPI, I2C isolados com ICs especificamente projetados para isso), maior integração (combinando múltiplos canais ou adicionando funções adicionais como drivers de porta) e métricas de fiabilidade melhoradas (operação a temperaturas mais altas, vida útil mais longa). Há também crescimento em tecnologias de isolamento alternativas, como isoladores capacitivos e isoladores baseados em magnetorresistência gigante (GMR), que podem oferecer vantagens em tamanho, velocidade e consumo de energia para certas aplicações. No entanto, os fotocopladores de fototransistor permanecem dominantes para aplicações de isolamento de uso geral, sensíveis ao custo e de alta tensão devido à sua simplicidade, fiabilidade comprovada e excelente imunidade a transitórios de modo comum (CMTI).