Folha de Dados Técnica - Fotocoplador de Porta Lógica de Alta Velocidade 10Mbit/s, Embalagem DIP de 8 Pinos, Série ELW137

1. Visão Geral do Produto

As séries ELW137, ELW2601 e ELW2611 são fotocopladores (optoisoladores) de porta lógica de alta velocidade, projetados para aplicações que exigem isolamento rápido de sinais digitais. O componente central é um díodo emissor de infravermelhos acoplado opticamente a um fotodetector integrado de alta velocidade com uma saída de porta lógica. Este dispositivo é encapsulado no padrão industrial de 8 pinos Dual In-line Package (DIP) de corpo largo, e opções de Dispositivo de Montagem em Superfície (SMD) estão disponíveis. A função principal é fornecer isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e saída, transmitindo sinais lógicos digitais a velocidades de até 10 Megabits por segundo (Mbit/s).

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

As principais vantagens desta série incluem a sua capacidade de alta velocidade, tornando-a adequada para interfaces de comunicação digital modernas. Oferece uma alta tensão de isolamento de 5000 V_rms, aumentando a segurança do sistema e a imunidade a ruído. O dispositivo é projetado para garantir desempenho numa ampla faixa de temperatura industrial, de -40°C a +85°C. Possui as principais aprovações de segurança internacionais (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) e está em conformidade com as diretivas REACH e RoHS da UE. Os mercados-alvo incluem automação industrial, telecomunicações, periféricos de computador, equipamentos médicos e fontes de alimentação comutadas, onde o isolamento de sinal confiável é crítico.

2. Análise Detalhada dos Parâmetros Técnicos

Esta seção fornece uma interpretação objetiva dos principais parâmetros elétricos e de desempenho listados na folha de dados.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de estresse além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. Eles não são para condições normais de operação.

• Corrente Direta de Entrada (I_F): 50 mA. Exceder este valor pode destruir o LED de entrada.
• Tensão Reversa (V_R): 5 V. O díodo de entrada tem tolerância limitada à tensão reversa.
• Tensão de Alimentação (V_CC) & Tensão de Saída (V_O): 7,0 V. Isto define a tensão máxima que pode ser aplicada aos terminais de alimentação e sinal do lado da saída.
• Tensão de Isolamento (V_ISO): 5000 V_rmspor 1 minuto. Este é um parâmetro de segurança chave que indica a rigidez dielétrica entre os lados de entrada e saída.
• Temperatura de Operação (T_OPR): -40°C a +85°C. O dispositivo é classificado para ambientes industriais.
• Temperatura de Soldagem (T_SOL): 260°C por 10 segundos. Isto é importante para os processos de montagem de PCB.

2.2 Características Elétricas

Estes são parâmetros garantidos sob condições de teste especificadas, ao longo da faixa de temperatura de operação.

2.2.1 Características de Entrada

• Tensão Direta (V_F): Tipicamente 1,4V, máximo 1,8V em I_F=10mA. Isto é usado para projetar o circuito limitador de corrente de entrada.
• Capacitância de Entrada (C_IN): Tipicamente 70 pF. Isto afeta a resposta de alta frequência do estágio de entrada.

2.2.2 Características de Saída e Transferência

• Correntes de Alimentação (I_CCH, I_CCL): O CI de saída consome 6,5-10mA (saída alta) e 8-13mA (saída baixa). Isto determina o requisito de potência no lado da saída.
• Tensão de Saída em Nível Baixo (V_OL): Máximo 0,6V ao drenar 13mA. Isto garante compatibilidade com entradas lógicas TTL e CMOS de baixa tensão.
• Corrente Limiar de Entrada (I_FT): 3,0 a 5,0 mA. Esta é a corrente mínima do LED de entrada necessária para garantir uma saída lógica-baixa válida sob as piores condições. O projeto deve usar uma corrente acima do valor máximo.

2.3 Características de Comutação

Estes parâmetros definem o desempenho de temporização crítico para transmissão de dados de alta velocidade.

• Atrasos de Propagação (t_PHL, t_PLH): Máximo 100 ns cada. Isto limita a taxa de dados máxima. A folha de dados especifica uma capacidade de 10 Mbit/s.
• Distorção de Largura de Pulso |t_PHL- t_PLH|: Máximo 40 ns. Esta assimetria pode afetar o ciclo de trabalho nos sinais transmitidos.
• Tempos de Subida/Descida (t_r, t_f): t_ré tipicamente 40 ns, t_fé tipicamente 10 ns. Um tempo de descida mais rápido é comum nesses dispositivos.
• Imunidade a Transientes de Modo Comum (CMH, CML): Este é um parâmetro crítico para imunidade a ruído. O ELW2611 oferece o melhor desempenho (10.000 - 20.000 V/µs), significando que pode rejeitar picos de tensão muito rápidos entre os terras de entrada e saída sem causar erros na saída. O ELW137 tem CMTI não especificado, enquanto o ELW2601 oferece 5.000 V/µs.

3. Configuração dos Terminais e Descrição Funcional

O dispositivo usa uma configuração DIP de 8 pinos. Os pinos 1 e 4 são Sem Conexão (NC). O lado de entrada consiste no Pino 2 (Ânodo) e Pino 3 (Cátodo) para o LED. O lado de saída inclui o Pino 5 (Terra), Pino 6 (V_OUT- Saída), Pino 7 (V_E- Habilitação), e Pino 8 (V_CC- Tensão de Alimentação). O pino de habilitação (V_E) controla a saída. A tabela verdade mostra a lógica: quando Habilitação está Alto, a saída é o inverso da entrada (ativo-baixo). Quando Habilitação está Baixo, a saída é forçada a Alto, independentemente da entrada. A folha de dados exige um capacitor de desacoplamento de 0,1µF entre os pinos 8 (V_CC) e 5 (GND) para operação estável.

4. Sugestões de Aplicação

4.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Eliminação de Malha de Terra & Isolamento de Nível Lógico: Isolar sinais digitais entre subsistemas com diferentes potenciais de terra para prevenir ruído e malhas de terra.
• Transmissão de Dados & Receptores de Linha: Usado em enlaces de comunicação serial (interfaces RS-232, RS-485) para isolamento.
• Fontes de Alimentação Comutadas: Fornecendo isolamento de realimentação em topologias de conversor isolado, como flyback.
• Interfaces de Periféricos de Computador: Isolando sinais de/para impressoras, placas de I/O industriais.
• Substituição de Transformador de Pulso: Oferecendo uma alternativa de estado sólido para isolamento de sinal com circuito de acionamento mais simples.

4.2 Considerações de Projeto

• Configuração da Corrente de Entrada: A corrente do LED de entrada deve ser definida usando um resistor em série. Para garantir a comutação, I_Fdeve ser definida acima do I_FTmáximo (5mA). A condição de teste típica usa 7,5mA. O valor do resistor é (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• Uso do Pino de Habilitação: O pino de habilitação pode ser usado para controlar a saída ou conectado a uma tensão fixa se não for necessário. Ele não deve exceder V_CCem mais de 0,5V.
• Carga de Saída: A saída pode drenar até 13mA para um V_OLválido. Para acionar correntes mais altas ou cargas capacitivas, um buffer externo pode ser necessário.
• Imunidade a Ruído: Para ambientes com muito ruído, escolha a variante ELW2611 pela sua superior Imunidade a Transientes de Modo Comum (CMTI). O circuito de acionamento recomendado na Fig. 15 para o ELW2611 usa um transistor para aguçar as bordas da corrente do LED de entrada, melhorando ainda mais o desempenho de CMTI.
• Desacoplamento: O capacitor de 0,1µF no lado da saída é essencial para minimizar o ruído da alimentação e garantir operação estável em alta velocidade.

5. Comparação Técnica e Orientação de Seleção

A série inclui três variantes principais: ELW137, ELW2601 e ELW2611. O principal fator de diferenciação é a Imunidade a Transientes de Modo Comum (CMTI). O ELW137 tem isolamento básico. O ELW2601 oferece CMTI médio (5.000 V/µs). O ELW2611 fornece CMTI alto (10.000 - 20.000 V/µs). A seleção deve ser baseada no ambiente de ruído elétrico da aplicação. Para acionamentos de motores, CLPs industriais ou fontes de alimentação ruidosas, o ELW2611 é recomendado. Para isolamento digital menos exigente, o ELW2601 ou ELW137 podem ser suficientes.

6. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

6.1 Qual é a taxa de dados máxima alcançável?

Embora o dispositivo seja especificado para 10 Mbit/s, a taxa máxima utilizável real depende dos atrasos de propagação e dos tempos de subida/descida. Com um atraso de propagação máximo de 100 ns, a frequência máxima teórica para uma onda quadrada é menor. Para transmissão de dados confiável, considere a distorção total do pulso e as margens de temporização do sistema.

6.2 Como calculo o valor do resistor de entrada?

Use a fórmula: R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Assuma V_Fcomo o valor máximo (1,8V) para projeto no pior caso. Para um acionamento de 5V e I_F= 10mA, R_IN= (5V - 1,8V) / 0,01A = 320 Ohms. Use o valor padrão mais próximo (ex.: 330 Ohms).

6.3 Posso usá-lo com lógica de 3,3V?

O lado da saída V_CCpode ser alimentado por 3,3V. No entanto, as características elétricas são testadas com V_CC=5,5V. Parâmetros como V_OL, I_OHe atrasos de propagação podem diferir a 3,3V. O lado de entrada é independente; o LED pode ser acionado por uma fonte de 3,3V desde que a I_Fcorreta seja alcançada.

6.4 Qual é a finalidade do pino Habilitação?

O pino Habilitação (V_E) fornece um controle de terceiro estado. Quando levado a baixo (<0,8V), força a saída a alto, desabilitando efetivamente o caminho do sinal da entrada para a saída. Isto pode ser usado para multiplexar várias saídas de isoladores em uma única linha de barramento ou para modos de economia de energia.

7. Caso Prático de Projeto

Cenário:Isolar um sinal UART de 1 Mbit/s entre um microcontrolador de 3,3V e um transceptor RS-485 de 5V em um nó de sensor industrial.

Passos do Projeto:

1. Seleção da Variante:Escolha ELW2611 para alta imunidade a ruído no ambiente industrial.
2. Circuito de Entrada:GPIO do microcontrolador (3,3V) aciona o LED. Calcule o resistor: R_IN= (3,3V - 1,8V) / 0,01A = 150 Ohms. Use resistor de 150Ω em série com o ânodo do LED (Pino 2). Cátodo (Pino 3) para o GND do microcontrolador.
3. Circuito de Saída:Alimente o lado da saída com 5V (V_CCPino 8). Conecte um capacitor cerâmico de 0,1µF entre o Pino 8 e o Pino 5 (GND). Conecte a saída Pino 6 diretamente ao pino de entrada do transceptor RS-485. A impedância de entrada do transceptor atua como a carga. O Pino de Habilitação 7 pode ser ligado a V_CC(5V) via um resistor de 10kΩ para operação sempre ativa, ou acionado por outro GPIO para controle.
4. Layout:Mantenha os traços de entrada e saída fisicamente separados. Coloque o capacitor de desacoplamento o mais próximo possível dos pinos 8 e 5.

8. Princípio de Operação

Um fotocoplador opera com base no princípio do acoplamento óptico. Um sinal elétrico de entrada aciona um Diodo Emissor de Luz (LED) infravermelho. A luz emitida é detectada por um fotodiodo ou fototransistor no lado isolado da saída. Neste fotocoplador de porta lógica, o lado da saída contém um circuito integrado mais complexo. A corrente do fotodetector é amplificada e processada por uma porta lógica digital (tipicamente um gatilho Schmitt) para produzir um sinal digital de saída limpo e bem definido. O caminho óptico fornece a barreira de isolamento elétrico, pois a luz pode atravessar um espaço físico (através de material isolante transparente) onde a eletricidade não pode, bloqueando malhas de terra e transitórios de alta tensão.

9. Tendências da Indústria

A tendência no isolamento de sinais é em direção a velocidades mais altas, menor consumo de energia, embalagens menores e funcionalidade integrada. Embora fotocopladores tradicionais como este pacote DIP permaneçam amplamente usados, tecnologias mais novas estão ganhando força. Isoladores digitais baseados em tecnologia CMOS com acoplamento capacitivo ou magnético oferecem taxas de dados significativamente mais altas (até centenas de Mbit/s), atrasos de propagação menores, melhor simetria de temporização e maior confiabilidade ao longo da temperatura e do tempo. Eles também integram múltiplos canais em embalagens minúsculas. No entanto, os fotocopladores ainda mantêm vantagens em certas áreas, como capacidade de isolamento de tensão muito alta, simplicidade e custo-benefício para muitas aplicações de velocidade padrão. O desenvolvimento de fotocopladores de alta velocidade e alto CMTI (como visto no ELW2611) é uma resposta à necessidade de isolamento robusto em ambientes ruidosos de eletrônica de potência e acionamento de motores.