Ficha Técnica do Fotocoplador CNY17-X CNY17F-X - Pacote DIP 6 Pinos - Isolamento 5000Vrms - CTR 40-320% - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

As séries CNY17-X e CNY17F-X são famílias de fotocopladores, também conhecidos como optoacopladores ou optoisoladores, em pacote 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 fototransistor de silício NPN. A sua função principal é fornecer isolamento elétrico entre dois circuitos, permitindo a transmissão de sinal através da luz. A distinção principal entre as duas séries é a disponibilidade de uma ligação externa à base (pino 6) na série CNY17-X, que está ausente (Sem Ligação) na série CNY17F-X, sendo que esta última oferece menor suscetibilidade ao ruído.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

Estes dispositivos são concebidos para aplicações que requerem isolamento de sinal fiável. As suas vantagens principais incluem uma tensão de isolamento elevada de 5000 V_rms, um factor de forma DIP compacto adequado para montagem através de furo, e agrupamentos selecionados de taxa de transferência de corrente (CTR) para consistência de projeto. São aprovados pelas principais entidades internacionais de normas de segurança (UL, cUL, VDE, SEMKO, etc.), tornando-os adequados para uma vasta gama de aplicações industriais, de consumo e de fontes de alimentação onde a segurança e a imunidade ao ruído são críticas.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

Os Valores Máximos Absolutos definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Estes não são condições de operação recomendadas.

• Entrada (Lado do LED):A corrente direta contínua máxima (I_F) é de 60 mA. É permitida uma corrente direta de pico de curta duração (10 µs) (I_FM) de 1 A. A tensão reversa máxima (V_R) através do LED é de 6 V. A dissipação de potência na entrada (P_D) é de 100 mW a 25°C, reduzindo 3.8 mW/°C acima de 100°C.
• Saída (Lado do Fototransistor):A tensão coletor-emissor (V_CEO) e a tensão coletor-base (V_CBO, apenas para CNY17-X) têm uma classificação de 80 V. As tensões emissor-coletor (V_ECO) e emissor-base (V_EBO) são de 7 V. A dissipação de potência na saída (P_C) é de 150 mW a 25°C, reduzindo 9.0 mW/°C acima de 100°C.
• Dispositivo Total:A dissipação de potência total do dispositivo (P_TOT) não deve exceder 200 mW.
• Isolamento & Ambiente:A tensão de isolamento (V_ISO) é de 5000 V_rms(AC durante 1 minuto). A gama de temperatura de operação (T_OPR) é de -55°C a +110°C. A temperatura máxima de soldadura é de 260°C durante 10 segundos.

2.2 Características Eletro-Óticas

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

2.2.1 Características de Entrada (LED Infravermelho)

• Tensão Direta (V_F):Máximo 1.65 V a I_F= 60 mA. Esta é a queda de tensão no LED quando está a conduzir.
• Corrente Reversa (I_R):Máximo 10 µA a V_R= 6 V. Esta é a corrente de fuga quando o LED está polarizado inversamente.
• Capacitância de Entrada (C_in):Típico 18 pF. Isto afeta o desempenho de comutação em alta frequência no lado da entrada.

2.2.2 Características de Saída (Fototransistor)

• Correntes de Escuridão:Com o LED desligado (I_F=0), existem correntes de fuga. I_CEO(coletor-emissor) é tipicamente 50 nA a V_CE=10V. I_CBO(coletor-base, apenas CNY17-X) é máximo 20 nA a V_CB=10V.
• Tensões de Ruptura: BV_CEOe BV_CBOsão mín. 80 V. BV_ECOé mín. 7 V.
• Capacitância de Saída (C_CE):Típico 8 pF. Isto afeta a velocidade de comutação da saída.

2.3 Características de Transferência

Estes são os parâmetros mais críticos para aplicações de acoplamento de sinal.

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR):Esta é a razão entre a corrente de coletor de saída (I_C) e a corrente direta do LED de entrada (I_F), expressa em percentagem. Os dispositivos são agrupados em quatro gamas distintas de CTR:
  • CNY17-1 / CNY17F-1:CTR = 40% a 80% (a I_F=10mA, V_CE=5V)
  • CNY17-2 / CNY17F-2:CTR = 63% a 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3:CTR = 100% a 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4:CTR = 160% a 320%
• CTR a Baixa Corrente:A I_F= 1mA, o CTR mínimo é especificado (ex., 13% para grau -1, 56% para grau -4), o que é importante para aplicações de baixa potência ou de deteção analógica.
• Tensão de Saturação (V_CE(sat)):Máximo 0.3 V a I_F=10mA, I_C=2.5mA. Esta é a tensão através do transistor quando está completamente "ligado".
• Resistência de Isolamento (R_IO):Mínimo 10¹¹Ω. Isto indica a resistência DC extremamente elevada entre os lados de entrada e saída.
• Capacitância Entrada-Saída (C_IO):Típico 0.5 pF. Esta pequena capacitância é fundamental para alcançar elevada imunidade a transientes de modo comum (CMTI).

2.4 Características de Comutação

O desempenho dinâmico é definido pelos tempos de ligação/desligação e subida/descida, que dependem das condições de teste.

• Condição 1 (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω):
  • Tempo de ligação (t_on): Típico 10 µs, Máx. 12 µs.
  • Tempo de desligação (t_off): Típico 9 µs, Máx. 12 µs.
  • Tempo de subida (t_r): Típico 6 µs, Máx. 10 µs.
  • Tempo de descida (t_f): Típico 8 µs, Máx. 10 µs.
• Condição 2 (V_CC=5V, I_F=10mA, R_L=75Ω):
  • Tempo de subida (t_r): Típico 2 µs, Máx. 10 µs.
  • Tempo de descida (t_f): Típico 3 µs, Máx. 10 µs.

3. Explicação do Sistema de Classificação

A classificação principal para estes fotocopladores baseia-se naTaxa de Transferência de Corrente (CTR). Os quatro graus (1, 2, 3, 4) oferecem valores mínimos e máximos de CTR progressivamente mais elevados. Isto permite aos projetistas selecionar um dispositivo que corresponda ao ganho de sinal necessário e proporcione consistência nos lotes de produção. Por exemplo, um circuito de entrada digital que necessite de um sinal forte e bem definido pode usar um grau -3 ou -4, enquanto um circuito sensível a variações pode especificar um grau -1, mais apertado e de ganho mais baixo.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia "Curvas Típicas de Características Eletro-Óticas". Embora os gráficos específicos não sejam detalhados no texto fornecido, as curvas típicas para tais dispositivos incluem:

• CTR vs. Corrente Direta (I_F):Mostra como a taxa de transferência muda com a corrente de acionamento do LED, geralmente atingindo um pico numa corrente específica.
• CTR vs. Temperatura:Ilustra a diminuição do CTR à medida que a temperatura ambiente aumenta, o que é crítico para operação a alta temperatura.
• Corrente de Coletor (I_C) vs. Tensão Coletor-Emissor (V_CE):As características de saída do fototransistor, mostrando a região de saturação e a região ativa.
• Tensão Direta (V_F) vs. Corrente Direta (I_F):A característica IV do LED infravermelho.

Estas curvas são essenciais para compreender o comportamento do dispositivo em condições não padrão e para otimizar o projeto do circuito.

5. Informações Mecânicas e de Pacote

Os dispositivos são oferecidos num pacote DIP de 6 pinos padrão com várias opções de forma dos terminais.

5.1 Dimensões e Opções do Pacote

• DIP Padrão:O pacote através de furo padrão.
• Opção M:Apresenta uma "dobra larga dos terminais" que proporciona um espaçamento de 0.4 polegadas (aprox. 10.16 mm) para compatibilidade com impressos de PCB mais largos.
• Opção S:Forma de terminal para montagem em superfície. Concebida para processos de soldadura por refluxo.
• Opção S1:Forma de terminal para montagem em superfície com "perfil baixo" para aplicações com restrições de altura.

São fornecidos desenhos dimensionados detalhados (em mm) para cada opção, especificando o tamanho do corpo, comprimento dos pinos, espaçamento dos pinos e plano de assento.

5.2 Configuração e Polaridade dos Pinos

A identificação clara dos pinos é crucial para uma instalação correta.

• CNY17-X (com pino de base):
  1. Ânodo (LED +)
  2. Cátodo (LED -)
  3. Sem Ligação
  4. Emissor (Fototransistor)
  5. Coletor (Fototransistor)
  6. Base (Fototransistor, ligação externa)
• CNY17F-X (sem pino de base):
  1. Ânodo (LED +)
  2. Cátodo (LED -)
  3. Sem Ligação
  4. Emissor (Fototransistor)
  5. Coletor (Fototransistor)
  6. Sem Ligação

6. Diretrizes de Soldadura e Montagem

A ficha técnica especifica uma temperatura máxima de soldadura de 260°C durante 10 segundos. Isto é tipicamente para soldadura por onda ou manual dos terminais através de furo. Para as opções de montagem em superfície (S, S1), devem ser usados perfis de refluxo por infravermelhos ou convecção padrão com uma temperatura de pico não superior a 260°C. Devem ser tomadas precauções para evitar stress mecânico excessivo no pacote durante a manipulação. O armazenamento deve ser feito num ambiente seco e antiestático dentro da gama de temperatura especificada de -55°C a +125°C.

7. Embalagem e Informações de Pedido

7.1 Regra de Numeração de Modelo

O número de parte segue o formato:CNY17-XY(Z)-VouCNY17F-XY(Z)-V

• X:Número de parte / grau CTR (1, 2, 3, ou 4).
• Y:Opção de forma do terminal (S, S1, M, ou nenhuma para DIP Padrão).
• Z:Opção de fita e carretel (TA, TB, ou nenhuma). Aplica-se apenas às opções S e S1.
• V:Marca de aprovação VDE opcional.

7.2 Especificações de Embalagem

• Embalagem em Tubo:O DIP Padrão e a Opção M são fornecidos em tubos contendo 65 unidades cada.
• Fita e Carretel:As opções S e S1 estão disponíveis em fita e carretel. Ambas as opções TA e TB contêm 1000 unidades por carretel.

8. Recomendações de Aplicação

8.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A ficha técnica lista usos comuns: Reguladores de fontes de alimentação (para isolamento de realimentação), entradas de lógica digital (para mudança de nível e isolamento de ruído), e entradas de microprocessador (para interface com sinais externos ruidosos). É mostrado um circuito de teste específico para tempos de comutação (Figura 11), que inclui uma resistência limitadora de corrente de entrada (R_IN), uma resistência base-emissor opcional para o CNY17-X (R_BE), e uma resistência de carga do coletor (R_L).

8.2 Considerações de Projeto

• Limitação da Corrente do LED:Utilize sempre uma resistência em série para limitar I_Fao valor desejado, tipicamente entre 1 mA e 20 mA para um equilíbrio entre velocidade, CTR e potência.
• Resistência de Carga (R_L):O valor de R_Lno coletor afeta a velocidade de comutação, a excursão de saída e o consumo de potência. Um R_Lmenor dá tempos de descida mais rápidos mas reduz a excursão da tensão de saída.
• Imunidade ao Ruído (CNY17F-X):A série CNY17F-X, sem ligação externa à base, é menos suscetível à injeção de ruído na base do fototransistor, tornando-a preferível em ambientes eletricamente ruidosos.
• Compromisso Velocidade vs. Corrente:Uma I_Fmais elevada geralmente melhora a velocidade de comutação mas aumenta a dissipação de potência. Consulte as especificações de tempo de comutação sob diferentes condições de teste.
• Degradação do CTR:O CTR pode diminuir ao longo da vida útil do dispositivo, especialmente a altas temperaturas e correntes de operação. Dimensione o projeto em conformidade para fiabilidade a longo prazo.

9. Comparação Técnica

O diferenciador principal dentro desta família é a presença (CNY17-X) ou ausência (CNY17F-X) do pino de base externo. O CNY17-X oferece mais flexibilidade de projeto; o pino da base pode ser deixado aberto, ligado ao emissor através de uma resistência (para melhorar a velocidade ao remover a carga armazenada), ou usado em configurações de polarização específicas. O CNY17F-X oferece imunidade ao ruído superior, uma vez que a base do fototransistor é completamente interna e inacessível, o que é uma vantagem significativa em ambientes industriais de alto ruído. Ambas as séries partilham especificações idênticas de isolamento, tensão e CTR.

10. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é a principal diferença entre os graus -1, -2, -3 e -4?

R: A diferença é a gama garantida da Taxa de Transferência de Corrente (CTR). O grau -4 tem o ganho mais elevado (160-320%), enquanto o grau -1 tem o mais baixo (40-80%). Escolha com base na amplificação de sinal necessária no seu circuito.

P: Quando devo usar o CNY17F-X em vez do CNY17-X?

R: Use o CNY17F-X quando operar em ambientes com ruído elétrico significativo (ex., acionamentos de motores, controlos industriais). A falta de uma ligação externa à base torna-o inerentemente menos suscetível ao acoplamento de interferência eletromagnética (EMI) na região sensível da base.

P: Como calculo a resistência em série de entrada para o LED?

R: Use a Lei de Ohm: R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F. Assuma V_F≈ 1.2V típico (máx. 1.65V). Por exemplo, com uma alimentação de 5V e I_Fdesejada de 10mA: R_IN= (5V - 1.2V) / 0.01A = 380Ω. Use uma resistência padrão de 390Ω.

P: Posso usar isto para isolamento de sinal AC?

R: Sim, mas com limitações. A saída do fototransistor é unidirecional (DC). Para transmitir sinais AC, normalmente precisa de dois fotocopladores (um para cada semi-ciclo) ou de circuitos adicionais para polarizar a saída na sua região linear para transmissão analógica, embora a linearidade não seja um parâmetro especificado para este dispositivo.

11. Exemplo Prático de Projeto

Cenário:Isolar um pino GPIO de um microcontrolador de 3.3V de um sinal de sensor industrial de 24V.

1. Seleção do Dispositivo:Escolha CNY17F-3 para bom ganho (CTR 100-200%) e elevada imunidade ao ruído.
2. Lado de Entrada (Microcontrolador):O pino GPIO aciona o LED através de uma resistência limitadora de corrente. Com V_{GPIO_HIGH}≈ 3.3V e I_Falvo = 5mA: R_IN= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω. Use 430Ω.
3. Lado de Saída (Interface do Sensor):Ligue o coletor do fototransistor à alimentação de 24V através de uma resistência de pull-up (R_L). O emissor liga-se ao terra. Escolha R_Lpara garantir que a saída satura quando ligada e fornece um nível lógico alto válido quando desligada. Com I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5mA = 7.5mA (típico), e nível lógico alto de saída desejado de ~20V quando desligado: R_L≤ (24V - 20V) / (I_CEO). Com I_CEOmáx. ~50nA, quase qualquer valor funciona para a fuga. Para velocidade de comutação, uma resistência de 10kΩ é um ponto de partida comum. A saída (nó do coletor) fornece agora uma cópia isolada e invertida do sinal de entrada.

12. Princípio de Funcionamento

Um fotocoplador funciona convertendo um sinal elétrico em luz, transmitindo-o através de uma barreira isolante eletricamente, e depois convertendo a luz novamente num sinal elétrico. Nas séries CNY17-X/F-X, uma corrente elétrica (I_F) flui através do LED infravermelho, fazendo-o emitir fotões. Estes fotões passam através de um composto de moldagem isolante transparente e atingem a região da base do fototransistor de silício. A energia dos fotões gera pares eletrão-lacuna na base, criando uma corrente de base que liga o transistor, permitindo que uma corrente de coletor (I_C) flua. A razão I_C/I_Fé o CTR. Não existe ligação elétrica entre a entrada e a saída, fornecendo isolamento galvânico determinado pela rigidez dielétrica do composto de moldagem e pelo espaçamento interno dos pinos (creepage >7.6mm).

13. Tendências Tecnológicas

A tecnologia dos fotocopladores continua a evoluir. Embora os acopladores tradicionais baseados em fototransistor, como a série CNY17, permaneçam populares para isolamento geral de baixo custo, as tendências estão a mover-se para:

Maior Velocidade:Desenvolvimento de acopladores mais rápidos usando fotodíodo e amplificador integrado (ex., isoladores digitais) para transmissão de dados multi-Mbps.

Maior Integração:Combinação de múltiplos canais de isolamento ou integração do isolamento com outras funções como drivers de porta ou interfaces ADC num único pacote.

Fiabilidade e Vida Útil Melhoradas:Foco em materiais e projetos que minimizam a degradação do CTR ao longo do tempo e da temperatura.

Miniaturização:Migração para pacotes de montagem em superfície mais pequenos (SOIC, SSOP) com as mesmas ou melhores classificações de isolamento. As opções S e S1 da série CNY17 refletem esta tendência para a montagem em superfície.