Ficha Técnica da Série EL3H4-G de Fotocoplador - Pacote SSOP 4 Pinos - Entrada CA - Isolamento 3750Vrms - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

A série EL3H4-G é uma família de fotocopladores de entrada CA com fototransistor, projetada para aplicações que requerem isolamento elétrico e transmissão de sinal a partir de fontes de corrente alternada (CA) ou de corrente contínua (CC) de polaridade desconhecida. O dispositivo é alojado num pacote de montagem em superfície compacto de 4 pinos (SSOP), tornando-o adequado para projetos de PCB com espaço limitado.

O componente central consiste em dois díodos emissores de luz infravermelha (LEDs) ligados em antiparalelo. Esta configuração permite que a entrada aceite sinais de corrente alternada (CA), pois um díodo conduz durante cada semiciclo da forma de onda de entrada. A luz infravermelha emitida é acoplada opticamente a um fototransistor de silício, que fornece o sinal de saída isolado. Todo o conjunto é encapsulado com um composto verde e sem halogéneos.

1.1 Vantagens Principais

• Capacidade de Entrada CA:A configuração de LEDs em antiparalelo permite a interface direta com fontes de sinal CA sem a necessidade de circuitos de retificação externos.
• Alta Tensão de Isolamento:Fornece um isolamento de segurança classificado em 3750 V_rmsentre os lados de entrada e saída, crucial para proteger circuitos sensíveis de transientes de alta tensão.
• Fator de Forma Compacto:O pacote SSOP oferece uma pegada pequena, ideal para montagens eletrónicas modernas e de alta densidade.
• Conformidade Ambiental:O dispositivo é livre de halogéneos e cumpre as diretivas ambientais relevantes, como RoHS e REACH.
• Aprovações de Segurança:O produto possui aprovações das principais agências internacionais de segurança, incluindo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC.

1.2 Aplicações Alvo

Este fotocoplador é projetado para uso numa variedade de aplicações industriais e de comunicação onde são necessários isolamento fiável e deteção de sinal CA.

• Monitorização da Linha CA:Deteção da presença ou ausência da tensão da rede elétrica CA em fontes de alimentação, eletrodomésticos e equipamentos industriais.
• Controladores Lógicos Programáveis (CLPs):Fornecimento de canais de entrada digitais isolados para detetar sinais CA de sensores e interruptores.
• Interface de Linha Telefónica:Isolamento de circuitos de deteção de toque ou de chamada em equipamentos de telecomunicações.
• Deteção de CC de Polaridade Desconhecida:Interface com sinais CC onde a polaridade não é fixa ou conhecida antecipadamente.

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 se destinam a condições normais de operação.

• Corrente Direta de Entrada (I_F):±50 mA (contínua). O sinal ± indica a capacidade bidirecional/CA.
• Corrente Direta de Pico (I_FM):1 A para uma duração de pulso curta de 10 µs. Esta classificação é importante para suportar correntes de surto breves.
• Tensão Coletor-Emissor (V_CEO):80 V. Esta é a tensão máxima que pode ser aplicada através do fototransistor de saída.
• Dissipação de Potência Total (P_TOT):200 mW. Esta é a potência combinada máxima que o dispositivo pode dissipar dos lados de entrada e saída.
• Tensão de Isolamento (V_ISO):3750 V_rmsdurante 1 minuto. Esta classificação de suporte a alta tensão é um parâmetro de segurança chave.
• Temperatura de Operação (T_OPR):-55°C a +100°C. A ampla gama garante operação fiável em ambientes adversos.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL):260°C durante 10 segundos, compatível com perfis típicos de soldadura por refluxo sem chumbo.

2.2 Características Eletro-Óticas

Estes parâmetros definem o desempenho elétrico e ótico do dispositivo sob condições de teste especificadas (tipicamente a T_a= 25°C).

2.2.1 Características de Entrada

• Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1.2V, com um máximo de 1.4V a uma corrente direta de ±20 mA. Esta queda de tensão baixa é benéfica para circuitos de baixa potência.
• Capacitância de Entrada (C_in):Tipicamente 50 pF, máximo 250 pF. Este parâmetro afeta a resposta de alta frequência do lado de entrada.

2.2.2 Características de Saída

• Corrente de Escuridão Coletor-Emissor (I_CEO):Máximo 100 nA a V_CE=20V com I_F=0. Esta é a corrente de fuga do fototransistor quando não há luz presente.
• Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (BV_CEO):Mínimo 80V. Isto garante que a saída pode lidar com níveis típicos de lógica ou média tensão.
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(sat)):Tipicamente 0.1V, máximo 0.2V a I_F=±20mA e I_C=1mA. Uma baixa tensão de saturação é desejável para estágios de saída que acionam entradas lógicas.

2.2.3 Características de Transferência

Estes parâmetros definem a eficiência e qualidade da transferência de sinal da entrada para a saída.

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR):Esta é a razão entre a corrente de coletor de saída (I_C) e a corrente direta de entrada (I_F), expressa como uma percentagem. É o parâmetro chave para o ganho. A série EL3H4-G é oferecida em diferentes classificações de CTR:
  • EL3H4:CTR mín. 20% a máx. 300% a I_F= ±1 mA, V_CE= 5V.
  • EL3H4A:CTR mín. 50% a máx. 150%.
  • EL3H4B:CTR mín. 100% a máx. 300%.
  A seleção permite aos projetistas escolher o ganho apropriado para a sua aplicação, equilibrando sensibilidade contra saturação potencial.
• Simetria CTR:Razão entre a CTR medida com I_Fpositivo e a CTR medida com I_Fnegativo. Especificada entre 0.5 e 2.0. Um valor próximo de 1.0 indica boa simetria na resposta CA dos dois LEDs de entrada.
• Resistência de Isolamento (R_IO):Mínimo 5×10¹⁰Ω, típico 10¹¹Ω a 500V CC. Esta resistência extremamente alta é crítica para manter a integridade do isolamento.
• Capacitância Flutuante (C_IO):Tipicamente 0.6 pF, máximo 1.0 pF. Esta baixa capacitância minimiza o acoplamento capacitivo através da barreira de isolamento, o que é importante para rejeitar ruído de modo comum de alta frequência.
• Tempos de Comutação:Tanto o tempo de subida (t_r) como o tempo de descida (t_f) têm um valor máximo de 18 µs sob as condições de teste especificadas (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Estes tempos definem a velocidade do dispositivo e a sua adequação para diferentes sinais de frequência.

3. Explicação do Sistema de Classificação

A série EL3H4-G emprega um sistema de classificação baseado principalmente na Taxa de Transferência de Corrente (CTR).

• Grau Padrão (Sem sufixo):Oferece a gama de CTR mais ampla (20-300%), adequada para aplicações de uso geral onde o ganho preciso não é crítico.
• Grau A (Sufixo 'A'):Fornece uma gama de CTR mais restrita e de médio alcance (50-150%), oferecendo desempenho mais previsível.
• Grau B (Sufixo 'B'):Fornece uma gama de CTR restrita e alta (100-300%), ideal para aplicações que requerem alta sensibilidade e ganho, como a deteção de sinais fracos.

Esta classificação permite aos fabricantes otimizar os seus projetos para consistência ou selecionar componentes para requisitos de sensibilidade específicos.

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, eles normalmente incluem o seguinte, que é crucial para o projeto:

• CTR vs. Corrente Direta (I_F):Mostra como a taxa de transferência muda com o nível de corrente de entrada. A CTR geralmente diminui em I_Fmuito altos devido à queda de eficiência do LED.
• CTR vs. Temperatura:Ilustra a dependência da sensibilidade do dispositivo com a temperatura. A CTR geralmente diminui com o aumento da temperatura.
• Tensão Direta (V_F) vs. Corrente Direta (I_F):A curva característica IV do díodo.
• Corrente de Coletor de Saída (I_C) vs. Tensão Coletor-Emissor (V_CE):As características de saída do fototransistor para diferentes níveis de luz de entrada (I_F).
• Tempo de Comutação vs. Resistência de Carga (R_L):Mostra como os tempos de subida e descida são afetados pela resistência de carga escolhida na saída.

Os projetistas devem consultar estas curvas para compreender o comportamento do dispositivo em condições não padrão e otimizar parâmetros como corrente de entrada e resistência de carga para a velocidade e amplitude de saída desejadas.

5. Informações Mecânicas e de Pacote

5.1 Configuração dos Pinos

O pacote SSOP de 4 pinos tem a seguinte pinagem:

1. Pino 1:Ânodo de um LED / Cátodo do outro (devido à ligação antiparalela).
2. Pino 2:Cátodo do primeiro LED / Ânodo do segundo.
3. Pino 3:Emissor do fototransistor.
4. Pino 4:Coletor do fototransistor.

Esta configuração significa que a entrada CA é aplicada entre os Pinos 1 e 2, e a saída é obtida dos Pinos 3 e 4 (tipicamente com o Pino 3 como comum/terra).

5.2 Dimensões do Pacote e Layout do PCB

A ficha técnica inclui desenhos mecânicos detalhados para o pacote SSOP. As dimensões chave incluem o tamanho do corpo, o passo dos terminais e a altura de afastamento. Um layout recomendado para as pastilhas de montagem em superfície também é fornecido, com a nota de que é para referência e deve ser modificado com base em processos específicos de fabrico de PCB e requisitos térmicos. Um design adequado das pastilhas é essencial para uma soldadura fiável e resistência mecânica.

6. Diretrizes de Soldadura e Montagem

6.1 Perfil de Soldadura por Refluxo

O dispositivo é compatível com processos de soldadura por refluxo sem chumbo. O perfil de temperatura máxima recomendado para o corpo é baseado na IPC/JEDEC J-STD-020D:

• Pré-aquecimento:150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Tempo Acima do Líquidus (T_L=217°C):60-100 segundos.
• Temperatura de Pico (T_P):260°C máximo.
• Tempo dentro de 5°C do Pico:30 segundos máximo.
• Ciclos de Refluxo Máximos: 3.

Aderir a este perfil previne danos térmicos ao pacote plástico e às ligações internas dos fios.

6.2 Precauções

• Evite expor o dispositivo a temperaturas que excedam os valores máximos absolutos durante a manipulação e soldadura.
• Garanta que a barreira de isolamento não seja comprometida por contaminação (ex., fluxo, detritos) entre os lados de entrada e saída do pacote.
• Siga as precauções padrão de ESD (Descarga Eletrostática) durante a manipulação, pois os LEDs e transistores internos são sensíveis à eletricidade estática.

7. Embalagem e Informação de Encomenda

7.1 Regra de Numeração do Modelo

O número de parte segue o formato:EL3H4(Y)(Z)-VG

• EL3H4:Número de parte base.
• Y:Classificação CTR (A, B, ou vazio para padrão).
• Z:Opção de fita e bobina (TA, TB, EA, EB, ou vazio para tubo). As bobinas TA/TB contêm 5000 unidades; as bobinas EA/EB contêm 1000 unidades. A diferença entre as opções A e B geralmente está relacionada com a largura da fita ou direção de alimentação.
• V:Sufixo opcional que denota que a parte possui aprovação VDE.
• G:Denota material sem halogéneos.

Exemplo: EL3H4A-TA-VG é uma parte de grau 'A', fornecida numa bobina TA de 5000 unidades, com aprovação VDE e sem halogéneos.

7.2 Especificações de Embalagem

O dispositivo pode ser fornecido em tubos (150 unidades) ou em fita e bobina. Dimensões detalhadas da fita (tamanho do bolso, passo, largura da fita) são fornecidas para compatibilidade com equipamentos automáticos de pick-and-place.

7.3 Marcação do Dispositivo

O topo do pacote está marcado com um código:EL 3H4 RYWWV

• EL:Código do fabricante.
• 3H4:Número do dispositivo.
• R:Classificação CTR (A, B, ou vazio).
• Y:Código de ano de 1 dígito.
• WW:Código de semana de 2 dígitos.
• V:Marca de aprovação VDE (se presente).

8. Considerações de Projeto de Aplicação

8.1 Projeto do Circuito de Entrada

Para operação CA, um resistor limitador de corrente deve ser colocado em série com os pinos de entrada (1 e 2). O seu valor deve ser calculado com base na tensão de entrada de pico e na corrente direta desejada (I_F), garantindo que I_Fnão exceda a classificação contínua de 50 mA. Por exemplo, para acionar a entrada a partir de uma linha CA de 120V_rms, o resistor deve limitar a corrente de pico (≈170V / R). Considere a classificação de potência e a capacidade de suporte de tensão deste resistor.

8.2 Projeto do Circuito de Saída

O fototransistor de saída pode ser usado numa configuração de emissor comum (resistor de carga entre V_CCe Coletor, Emissor a terra) ou como um interruptor. O valor do resistor de carga (R_L) afeta:

Amplitude da Tensão de Saída:R_Lmaior dá uma queda de tensão maior para um dado I_C.

Velocidade de Comutação:R_Lmaior aumenta a constante de tempo RC, retardando os tempos de subida e descida (como indicado pela especificação t_r/t_fcom R_L=100Ω).

Um resistor de pull-up é frequentemente necessário se estiver a acionar uma entrada lógica. Garanta que a tensão de saída no estado 'ligado' (V_CE(sat)) seja baixa o suficiente para ser reconhecida como um '0' lógico.

8.3 Garantia de Isolamento Fiável

Para manter o isolamento especificado de 3750V_rms, o layout do PCB é crítico. Mantenha distâncias de rastreamento e de afastamento adequadas na placa entre os traços de cobre e as pastilhas associadas ao lado de entrada (Pinos 1,2) e ao lado de saída (Pinos 3,4). Isto muitas vezes significa fornecer um slot físico ou uma separação ampla no PCB sob o corpo do dispositivo. Evite correr traços de entrada e saída em paralelo próximos uns dos outros.

9. Comparação e Diferenciação Técnica

As características diferenciadoras primárias da série EL3H4-G em comparação com fotocopladores de entrada CC padrão são:

• Entrada CA Integrada:Elimina a necessidade de retificadores de ponte externos ou fotocopladores duplos para lidar com sinais CA, economizando espaço na placa e número de componentes.
• Simetria CTR:Um parâmetro especificado que garante uma resposta equilibrada em ambos os semiciclos CA, o que não é uma preocupação para dispositivos de entrada CC.
• Construção sem Halogéneos:Atende a requisitos ambientais rigorosos que podem não ser abordados por todos os modelos mais antigos de fotocopladores.

Comparado com outros fotocopladores de entrada CA, as suas vantagens residem na combinação de alta tensão de isolamento, pacote SSOP compacto e disponibilidade de múltiplos graus de CTR.

10. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P1: Posso usar isto para detetar diretamente a rede elétrica de 230V CA?

R: Sim, mas deve usar um resistor limitador de corrente externo apropriado em série com a entrada para manter a corrente direta dentro do limite de 50mA. O resistor também deve ser classificado para a alta tensão e dissipação de potência.

P2: Qual é a diferença entre os graus padrão, A e B?

R: A diferença é a Taxa de Transferência de Corrente (CTR) mínima e máxima garantida. O grau B tem a sensibilidade mínima mais alta (100%), tornando-o adequado para detetar sinais mais fracos. O grau A oferece uma gama mais moderada e previsível. O grau padrão tem a gama mais ampla, oferecendo uso geral com boa relação custo-benefício.

P3: Quão rápido é este dispositivo? Pode ser usado para comunicação?

R: Com tempos típicos de subida/descida de até 18 µs, a largura de banda é limitada a aproximadamente dezenas de kHz. É adequado para detetar frequência de energia CA (50/60 Hz), sinais digitais lentos ou deteção de estado em CLPs, mas não é projetado para comunicação de dados de alta velocidade como isoladores digitais.

P4: Por que a resistência de isolamento é tão alta (10^11 Ω)?

R: Esta resistência extremamente alta minimiza a corrente de fuga através da barreira de isolamento. Isto é crucial para a segurança, prevenindo correntes perigosas de fluir entre circuitos isolados, e para a integridade do sinal em aplicações de medição de precisão.

11. Exemplo Prático de Projeto

Cenário: Detetor de Presença de Linha CA de 120V Isolado.

Objetivo:Fornecer um sinal lógico baixo de 3.3V a um microcontrolador quando a tensão CA de 120V estiver presente.

Passos do Projeto:

1. Cálculo do Resistor de Entrada:Para 120V_rms, a tensão de pico é ~170V. Para limitar I_Fa um valor seguro de 10mA (bem abaixo de 50mA), R_limit= 170V / 0.01A = 17kΩ. Use um resistor padrão de 18kΩ, 1/2W ou com classificação superior.

2. Circuito de Saída:Ligue o Coletor do fototransistor (Pino 4) à alimentação de 3.3V do microcontrolador através de um resistor de pull-up (ex., 10kΩ). Ligue o Emissor (Pino 3) ao terra. O nó do Coletor liga-se a um pino de entrada digital no microcontrolador.

3. Operação:Quando a CA está presente, a saída do fotocoplador liga-se durante cada semiciclo, puxando a tensão do Coletor para baixo, perto de V_CE(sat)(~0.2V), que é lido como um '0' lógico. Quando a CA está ausente, o fototransistor está desligado, e o resistor de pull-up leva a tensão do Coletor a 3.3V ('1' lógico). O software pode precisar de fazer debounce deste sinal devido às passagens por zero de 50/60 Hz.

12. Princípio de Funcionamento

O EL3H4-G opera com base no princípio do acoplamento optoeletrónico. Um sinal elétrico aplicado ao lado de entrada faz com que os LEDs infravermelhos emitam luz proporcional à corrente. Esta luz atravessa uma barreira de isolamento transparente dentro do pacote. No lado de saída, a luz atinge a região da base de um fototransistor de silício, gerando pares eletrão-lacuna. Esta fotocorrente atua como corrente de base, fazendo com que o transistor conduza uma corrente de coletor muito maior, replicando assim o sinal de entrada no lado de saída isolado. A configuração de LEDs em antiparalelo permite que a corrente flua e a luz seja emitida durante ambas as polaridades de um sinal de entrada CA.

13. Tendências Tecnológicas

Fotocopladores como o EL3H4-G representam uma tecnologia de isolamento madura e fiável. As tendências atuais no campo do isolamento de sinais incluem:

Integração:Combinação de múltiplos canais de isolamento ou integração de funções adicionais (como drivers ou proteção) num único pacote.

Maior Velocidade:Desenvolvimento de fotocopladores com tempos de comutação mais rápidos para aplicações de comunicação digital, embora geralmente sejam mais lentos do que tecnologias baseadas em acoplamento capacitivo ou magnético.

Padrões de Segurança Reforçados:Evolução contínua dos padrões internacionais de segurança (UL, VDE, IEC) que impulsionam requisitos para tensões de trabalho mais altas, isolamento reforçado e métricas de fiabilidade melhoradas.

Ciência dos Materiais:Desenvolvimento de novos compostos de encapsulamento com melhor estabilidade térmica, resistência à humidade e clareza ótica para melhorar o desempenho e longevidade.