Ficha Técnica da Série EL20X/EL21X - Fototransistor Fotocoplador em Pacote SO-8 - Tensão de Isolamento 3750Vrms

1. Visão Geral do Produto

As séries EL20X e EL21X são famílias de fotocopladores (optoacopladores) baseados em fototransistor, encapsulados em um pacote Padrão de Contorno Pequeno (SOP) de 8 pinos. Estes dispositivos fornecem isolamento elétrico entre dois circuitos utilizando um diodo emissor de luz infravermelha (LED) para transmitir um sinal para um detector de fototransistor. A função principal é transferir sinais elétricos através de uma barreira de isolamento sem qualquer conexão elétrica direta, impedindo assim que altas tensões ou ruídos se propaguem de um circuito para outro.

A vantagem central desta série reside na combinação de uma pegada compacta e padrão do setor (SO-8) com um desempenho de isolamento robusto. Características-chave incluem uma alta tensão de isolamento de 3750 V_rms, uma ampla faixa de temperatura de operação de -55°C a +110°C e uma alta tensão de ruptura coletor-emissor (BV_CEO) de 80V. Os dispositivos são oferecidos em múltiplos graus de Taxa de Transferência de Corrente (CTR), permitindo que os projetistas selecionem uma peça otimizada para os requisitos de ganho de sua aplicação específica. A conformidade com padrões ambientais e de segurança, como ser livre de halogênio, livre de chumbo (Pb), compatível com RoHS e possuir aprovação UL/cUL, os torna adequados para uma ampla gama de aplicações comerciais e industriais.

1.1 Aplicações Alvo

Estes fotocopladores são projetados para tarefas de isolamento e comutação de propósito geral em sistemas eletrônicos. As áreas de aplicação típicas incluem:

• Circuitos de Controle de Realimentação:Isolamento de sinais de realimentação em fontes chaveadas (SMPS) para manter a regulação e proteger o CI de controle.
• Sistemas de Interface:Acoplamento de sinais digitais ou analógicos entre circuitos operando em diferentes potenciais de terra ou níveis de tensão, como na interface de microcontroladores com acionamentos de motores ou módulos de I/O industriais.
• Comutação de Propósito Geral:Substituição de relés mecânicos para comutação de sinais de estado sólido e livre de ruído.
• Circuitos de Monitoramento e Detecção:Usados em monitoramento de segurança, detecção de falhas ou sensoriamento de linha onde o isolamento é crítico.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

Esta seção fornece uma interpretação objetiva e detalhada dos principais parâmetros elétricos e ópticos especificados na ficha técnica.

2.1 Especificações Absolutas Máximas

Estas especificações definem os limites de estresse além dos quais danos permanentes ao dispositivo podem ocorrer. A operação sob estas condições não é garantida.

• Corrente Direta de Entrada (I_F):60 mA (contínua). A corrente direta de pico (I_FM) é de 1 A para um pulso muito curto (10 µs), o que é relevante para condições de surto durante a ativação.
• Tensão Reversa de Entrada (V_R):6 V. O LED de entrada tem uma tensão de ruptura reversa relativamente baixa; deve-se ter cuidado no projeto do circuito para evitar a aplicação de polarização reversa.
• Tensão Coletor-Emissor de Saída (V_CEO):80 V. Esta é a tensão máxima que pode ser suportada entre o coletor e o emissor do fototransistor quando a base está aberta (sem entrada de luz).
• Dissipação de Potência Total (P_TOT):240 mW. Esta é a potência combinada máxima que pode ser dissipada pelo LED de entrada e pelo transistor de saída. Os limites individuais são 90 mW para a entrada (P_D) e 150 mW para a saída (P_C).
• Tensão de Isolamento (V_ISO):3750 V_rmspor 1 minuto. Este é um parâmetro de segurança crítico, testado pela aplicação desta tensão CA entre todos os terminais de entrada em curto (1-4) e todos os terminais de saída em curto (5-8). Ele certifica a rigidez dielétrica do isolamento interno.
• Temperatura de Operação & Armazenamento:-55°C a +110°C (operação), -55°C a +125°C (armazenamento). A ampla faixa garante confiabilidade em ambientes adversos.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros são medidos sob condições padrão de teste (Ta=25°C, salvo indicação) e definem o desempenho do dispositivo.

2.2.1 Características da Entrada (LED)

• Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1,3V, máximo 1,5V em I_F= 10 mA. Isto é usado para calcular o resistor limitador de corrente necessário para o circuito de acionamento do LED.
• Corrente Reversa (I_R):Máximo 100 µA em V_R= 6V, indicando a corrente de fuga do LED no estado desligado.

2.2.2 Características da Saída (Fototransistor)

• Corrente de Escuridão Coletor-Emissor (I_CEO):Máximo 50 nA em V_CE= 10V, I_F= 0mA. Esta é a corrente de fuga do fototransistor quando nenhuma luz incide, importante para determinar o nível de sinal do estado "desligado".
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(sat)):Máximo 0,4V em I_F= 10mA, I_C= 2mA. Uma baixa tensão de saturação é desejável quando o dispositivo é usado como uma chave para minimizar a queda de tensão e a perda de potência.

2.2.3 Características de Transferência

O parâmetro mais crítico para um fotocoplador é a Taxa de Transferência de Corrente (CTR).

• Definição:CTR = (I_C/ I_F) * 100%, onde I_Cé a corrente do coletor do fototransistor e I_Fé a corrente direta do LED. Ela representa a eficiência da conversão de uma corrente de entrada em uma corrente de saída.
• Sistema de Classificação:A série é dividida em faixas específicas de CTR, permitindo consistência de projeto.
  • Série EL20X (CTR Padrão em I_F=10mA):EL205 (40-80%), EL206 (63-125%), EL207 (100-200%), EL208 (160-320%).
  • Série EL21X (CTR Mínima em I_F=10mA):EL211 (>20%), EL212 (>50%), EL213 (>100%).
  • CTR em Baixa Corrente (em I_F=1mA):Números de peça diferentes (EL215, EL216, EL217) são especificados para operação em correntes de LED mais baixas, mostrando que a CTR é dependente de I_F.
• Velocidade de Comutação:O tempo de ativação típico (t_on) e o tempo de desativação (t_off) são de 3,0 µs cada, com tempo de subida (t_r) de 1,6 µs e tempo de descida (t_f) de 2,2 µs sob condições de teste especificadas (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Estes parâmetros limitam a frequência máxima do sinal que pode ser transmitido.
• Parâmetros de Isolamento:A resistência de isolamento (R_IO) é tipicamente 10¹¹Ω, e a capacitância entrada-saída (C_IO) é tipicamente 0,5 pF. A baixa capacitância é crucial para manter alta imunidade a transientes de modo comum (CMTI) em ambientes ruidosos.

3. Análise das Curvas de Desempenho

Embora o excerto do PDF fornecido mencione curvas características típicas, mas não as exiba, seu propósito geral e impacto no projeto são explicados abaixo.

3.1 Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta (I_F)

Uma curva típica mostraria que a CTR não é constante. Ela geralmente atinge um pico em um I_Fespecífico (frequentemente na faixa de 1-10 mA para tais dispositivos) e diminui tanto em correntes mais baixas quanto mais altas. Os projetistas devem consultar esta curva para selecionar um ponto de operação ideal que forneça ganho e linearidade suficientes para sua aplicação.

3.2 CTR vs. Temperatura

A CTR tem um coeficiente de temperatura negativo; ela diminui à medida que a temperatura ambiente aumenta. Esta característica é crítica para projetos que operam em toda a faixa de -55°C a +110°C. O circuito deve ser projetado para garantir operação adequada (ex.: excursão de saída suficiente ou capacidade de comutação) na temperatura máxima esperada, onde a CTR está no seu mínimo.

3.3 Corrente do Coletor vs. Tensão Coletor-Emissor

Este conjunto de curvas, parametrizado por diferentes valores de I_F, mostra as características de saída do fototransistor. Ele ilustra a região de saturação (onde V_CEé baixa e I_Cé controlada principalmente por I_F) e a região ativa/linear. Isto é essencial para projetar amplificadores de isolamento lineares ou para garantir que o dispositivo esteja totalmente saturado quando usado como uma chave.

4. Informações Mecânicas e do Pacote

4.1 Configuração dos Terminais

O pacote SOP de 8 pinos tem a seguinte pinagem:Pino 1:Ânodo,Pino 2:Cátodo,Pinos 3, 4, 8:Sem Conexão (NC),Pino 5:Emissor,Pino 6:Coletor,Pino 7:Base. O pino da base é trazido externamente, o que proporciona flexibilidade de projeto. Ele pode ser deixado aberto para máxima sensibilidade, conectado ao emissor através de um resistor para reduzir a sensibilidade e melhorar a velocidade de comutação, ou usado para realimentação em configurações específicas.

4.2 Dimensões do Pacote e Layout da PCB

O dispositivo está em conformidade com a pegada padrão SO-8. A ficha técnica inclui desenhos mecânicos detalhados com dimensões em milímetros. Um layout recomendado de pastilhas para montagem em superfície também é fornecido. Seguir este padrão de pastilhas é crucial para obter juntas de solda confiáveis e evitar problemas como o "tombstoning" durante o refusor. O contorno do pacote garante compatibilidade com equipamentos automáticos de pick-and-place.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

A especificação absoluta máxima para temperatura de soldagem é de 260°C por 10 segundos. Esta é uma especificação típica para processos de soldagem por refusor sem chumbo (Pb-free). As diretrizes padrão IPC/JEDEC J-STD-020 para níveis de sensibilidade à umidade (MSL) e perfis de refusor devem ser seguidas. Os dispositivos devem ser armazenados em suas embalagens originais à prova de umidade até o uso. Se expostos à umidade ambiente além de sua classificação MSL, é necessário um pré-aquecimento antes da soldagem para evitar danos de "popcorning" durante o refusor.

6. Informações de Embalagem e Pedido

6.1 Regra de Numeração do Modelo

O número da peça segue o formato:EL2XX(Y)-V

• XX:Número da peça (05, 06, 07, 08, 11, 12, 13, 15, 16, 17). Define o grau de CTR.
• Y:Opção de fita e carretel (TA, TB, ou nenhuma para embalagem em tubo).
• V:Sufixo opcional indicando que a aprovação de segurança VDE está incluída.

6.2 Opções de Embalagem

• Tubo:100 unidades por tubo. Adequado para prototipagem ou montagem manual de baixo volume.
• Fita e Carretel:2000 unidades por carretel. Projetado para linhas de montagem automatizadas de alto volume. A ficha técnica inclui especificações detalhadas da fita e carretel (dimensões dos bolsos, largura da fita, diâmetro do carretel).

6.3 Marcação do Dispositivo

A parte superior do pacote é marcada com "EL" (código do fabricante), o número da peça (ex.: 207), um código de 1 dígito para o ano (Y) e um código de 2 dígitos para a semana (WW). Um "V" opcional pode estar presente para versões aprovadas pela VDE. Esta marcação permite rastreabilidade e verificação do componente.

7. Considerações de Projeto para Aplicação

7.1 Acionamento do LED de Entrada

O LED deve ser acionado com um resistor limitador de corrente. O valor é calculado como R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Use o V_Fmáximo da ficha técnica para garantir que a I_Fmínima necessária seja alcançada em todas as condições. Para comutação digital, certifique-se de que o circuito de acionamento possa fornecer a I_Fnecessária para alcançar o estado de saída desejado dentro do tempo requerido, considerando a velocidade de comutação do dispositivo.

7.2 Projeto do Circuito de Saída

O resistor de carga (R_L) conectado entre o coletor e V_CCdetermina a excursão da tensão de saída e a velocidade de comutação. Um R_Lmenor proporciona comutação mais rápida (devido à constante de tempo RC menor), mas resulta em uma excursão de tensão de saída menor e maior dissipação de potência. Um R_Lmaior dá uma excursão maior, mas velocidade mais lenta. A I_Fescolhida e a CTR devem garantir que o fototransistor possa drenar corrente suficiente para levar a tensão de saída abaixo do limiar de nível lógico baixo do circuito receptor quando ligado.

7.3 Utilização do Terminal da Base

Deixar o terminal da base (Pino 7) aberto fornece a maior CTR e sensibilidade. Conectar um resistor (tipicamente na faixa de 100 kΩ a 1 MΩ) entre a base e o emissor (Pino 5) desvia parte da corrente de base fotogerada, reduzindo o ganho efetivo (CTR) mas melhorando significativamente a velocidade de comutação, especialmente o tempo de desativação (t_off). Esta é uma compensação comum em aplicações de isolamento digital de alta velocidade.

7.4 Garantia de Isolamento Confiável

Para manter a tensão de isolamento nominal, um layout adequado da PCB é essencial. Mantenha distâncias de rastreamento e de ar adequadas na PCB entre as trilhas de cobre do lado da entrada e do lado da saída, conforme especificado pelos padrões de segurança relevantes (ex.: IEC 60950, IEC 60601). A barreira de isolamento dentro do próprio componente é certificada, mas o layout da PCB não deve comprometê-la.

8. Comparação Técnica e Orientação de Seleção

A série EL20X/EL21X se diferencia pela sua alta tensão de isolamento de 3750V_rmsem um pacote SO-8 padrão, que é maior do que muitos fotocopladores básicos de 4 pinos. Comparados a isoladores digitais mais avançados (que usam tecnologia CMOS), fotocopladores com fototransistor como estes são geralmente mais lentos, têm CTR mais baixa e a CTR se degrada com o tempo. No entanto, eles oferecem excelente rejeição de modo comum, simplicidade e robustez para isolamento de sinais CC e CA de baixa frequência. Os critérios de seleção chave são: tensão de isolamento necessária, CTR necessária na I_Fde operação, velocidade de comutação aceitável e faixa de temperatura de operação.

9. Perguntas Frequentes (FAQ)

9.1 Qual é a diferença entre as séries EL20X e EL21X?

A série EL20X (EL205-EL208) especifica a CTR com um valor mínimo e máximo (uma faixa "classificada"), oferecendo um controle de parâmetro mais rigoroso. A série EL21X (EL211-EL213) especifica apenas um valor mínimo de CTR, o que pode resultar em uma distribuição mais ampla de valores reais, mas potencialmente a um custo menor.

9.2 Como a temperatura afeta o desempenho?

A CTR diminui com o aumento da temperatura. Para operação confiável em toda a faixa de temperatura, os cálculos de projeto devem usar a CTR mínima esperada na temperatura máxima de operação. A ficha técnica geralmente fornece curvas de derating ou um coeficiente de temperatura para este propósito.

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

Sim, mas com limitações. A resposta do fototransistor é não-linear, e a CTR varia com I_Fe temperatura. Para isolamento analógico linear, circuitos externos adicionais (amplificadores operacionais, realimentação) são necessários para linearizar a resposta, ou um optoacoplador linear dedicado deve ser considerado.

9.4 Qual é o propósito da opção "V" no número da peça?

O sufixo "-V" indica que a unidade específica foi testada e certificada para atender ao padrão de segurança VDE (Verband der Elektrotechnik) para isolamento reforçado. Isto é frequentemente um requisito para produtos vendidos no mercado europeu.

10. Exemplo Prático de Projeto

Cenário:Isolar um pino GPIO de um microcontrolador de 3,3V para controlar uma bobina de relé de 12V em um circuito separado. A bobina do relé requer 50mA para ativar.

Passos do Projeto:

1. Seleção da Interface:Use o fotocoplador como uma chave do lado negativo (low-side) para o relé. O microcontrolador aciona o lado do LED. O fototransistor drenará a corrente da bobina do relé.
2. Seleção da Peça:Escolha uma peça com CTR suficiente. I_Cnecessária = 50mA. Se o alvo for I_F= 5mA do MCU, CTR mínima necessária = (50mA / 5mA)*100% = 1000%. Um fototransistor padrão não pode fornecer isso. Portanto, o fotocoplador deve acionar um pequeno transistor (um "pós-transistor") que então aciona o relé. Selecione um EL207 (CTR 100-200%) para um bom ganho.
3. Circuito de Entrada:GPIO do MCU (3,3V) -> Resistor limitador de corrente R1 -> Pinos 1 (Ânodo) e 2 (Cátodo) do EL207. R1 = (3,3V - 1,5V) / 0,005A = 360Ω (use 330Ω padrão).
4. Circuito de Saída:Fonte de 12V -> Bobina do relé -> Coletor (Pino 6) do EL207. Emissor (Pino 5) ao terra. Um diodo de roda livre deve ser colocado em paralelo reverso com a bobina do relé para proteger o fototransistor de picos de tensão quando ele desliga. Um resistor base-emissor (ex.: 1 MΩ) pode ser adicionado ao Pino 7 para melhorar a velocidade de desativação.
5. Verificação:Em I_F=5mA, CTR mínima de 100% dá I_C= 5mA. Isto é suficiente para saturar um pequeno BJT (ex.: 2N3904) com alto ganho, que pode então comutar a bobina do relé de 50mA.

11. Princípio de Funcionamento

Um fotocoplador consiste em dois componentes principais alojados em um pacote à prova de luz. No lado da entrada, um diodo emissor de luz infravermelha de Arseneto de Gálio (GaAs) converte corrente elétrica em luz infravermelha. A intensidade desta luz é diretamente proporcional à corrente direta (I_F) que flui através do LED. Esta luz viaja através de uma lacuna de isolamento transparente (frequentemente preenchida com um gel dielétrico) e atinge o fototransistor de silício no lado da saída. A região da base do fototransistor é projetada para ser sensível a este comprimento de onda específico de luz. Os fótons incidentes geram pares elétron-lacuna na junção base-coletor, criando uma fotocorrente que atua como uma corrente de base. Esta corrente de base fotogerada é então amplificada pelo ganho de corrente do transistor (h_FE), resultando em uma corrente de coletor (I_C) muito maior. A razão I_C/I_Fé a Taxa de Transferência de Corrente (CTR). O ponto chave é que o sinal é transferido por luz, fornecendo isolamento galvânico determinado pelas propriedades físicas do material de isolamento interno e pela distância entre o LED e o transistor.

12. Tendências Tecnológicas

Fotocopladores baseados em fototransistor como o EL20X/EL21X representam uma tecnologia de isolamento madura e confiável. As tendências atuais em isolamento de sinais incluem a crescente adoção deisoladores digitaisbaseados em tecnologia CMOS e acoplamento RF ou capacitivo. Estes oferecem vantagens significativas em velocidade (até centenas de Mbps), consumo de energia, tamanho e longevidade (sem degradação do LED). No entanto, os fotocopladores tradicionais mantêm posições fortes em aplicações que requerem tensão de isolamento muito alta (>5kV), excelente imunidade a transientes de modo comum (CMTI), simplicidade e custo-benefício para isolamento CC e de baixa frequência. Há também desenvolvimento contínuo na própria tecnologia de fotocopladores, como integrar o fototransistor com um resistor base-emissor para maior velocidade (como visto na disponibilidade do pino da base) e desenvolver pacotes com maiores distâncias de rastreamento/ar para requisitos de isolamento reforçado.