Folha de Dados Técnica da Série ELM6XX - Fotocoplador de Porta Lógica de Alta Velocidade 10Mbit/s em Pacote SOP de 5 Pinos

1. Visão Geral do Produto

A série ELM6XX representa uma família de fotocopladores de porta lógica de alto desempenho e alta velocidade, projetados para aplicações exigentes de isolamento digital. Estes dispositivos integram um díodo emissor de infravermelhos opticamente acoplado a um fotodetector integrado de alta velocidade com um estágio de saída de porta lógica, apresentando uma capacidade de saída com "strobe". Embalados em um compacto pacote SOP (Small Outline Package) de 5 pinos, eles se conformam a um padrão industrial, facilitando a integração em projetos existentes e layouts de PCB.

A função principal deste componente é fornecer isolamento galvânico entre dois circuitos elétricos enquanto transmite sinais lógicos digitais. Este isolamento é crucial para quebrar malhas de terra, proteger circuitos lógicos sensíveis de picos de tensão e ruído presentes em outras partes de um sistema, e garantir segurança em aplicações com altas tensões de modo comum.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

A série ELM6XX é projetada com várias vantagens-chave que a tornam adequada para sistemas eletrônicos modernos. Sua capacidade de alta velocidade de 10 Mbit/s permite seu uso em interfaces de comunicação de dados rápidas. Os dispositivos garantem desempenho em uma ampla faixa de temperatura de operação de -40°C a +85°C, assegurando confiabilidade em ambientes industriais e automotivos. Uma alta tensão de isolamento de 3750 V_rmsfornece proteção robusta. Além disso, a série está em conformidade com as principais normas ambientais e de segurança, incluindo ser livre de halogênio, livre de chumbo (Pb), compatível com RoHS, e aprovada por UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO e FIMKO.

Os principais mercados e aplicações incluem:

• Automação Industrial:Para isolar I/Os de CLPs, acionamentos de motores e interfaces de sensores da lógica de controle.
• Telecomunicações e Transmissão de Dados:Em receptores de linha e sistemas de multiplexação de dados para eliminar ruído.
• Eletrônica de Potência:Como uma substituição confiável para transformadores de pulso em malhas de realimentação de fontes chaveadas.
• Periféricos de Computador:Para interface entre sistemas com diferentes potenciais de terra.
• Interface Digital Geral:Para conversão de nível e isolamento entre famílias lógicas como LSTTL, TTL e CMOS 5V.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

Esta seção fornece uma interpretação detalhada e objetiva dos principais parâmetros elétricos e de desempenho especificados na folha de dados. Compreender estes parâmetros é crítico para o projeto adequado do circuito e para garantir operação confiável.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

As Especificações Máximas Absolutas definem os limites de estresse além dos quais danos permanentes ao dispositivo podem ocorrer. Estas não são condições de operação.

• Corrente Direta de Entrada (I_F):50 mA. Exceder esta corrente provavelmente destruirá o Díodo Emissor de Infravermelhos (IRED) interno.
• Tensão Reversa de Entrada (V_R):5 V. O IRED é sensível à polarização reversa; este limite deve ser estritamente observado.
• Tensão de Alimentação (V_CC) e Tensão de Saída (V_O):7.0 V. Isto define a tensão máxima que pode ser aplicada à alimentação e ao pino de saída do lado de saída.
• Tensão de Isolamento (V_ISO):3750 V_rmspor 1 minuto. Este é um parâmetro de segurança chave, testado com os pinos de entrada (1,3) em curto e os pinos de saída (4,5,6) em curto. Ele certifica a resistência dielétrica da barreira de isolamento interna.
• Temperatura de Operação e Armazenamento:O dispositivo é classificado para operação de -40°C a +85°C e armazenamento de -55°C a +125°C.
• Temperatura de Soldagem:260°C por 10 segundos. Isto é importante para processos de montagem de PCB usando soldagem por refluxo.

2.2 Características Elétricas

Estes parâmetros definem o desempenho do dispositivo em condições normais de operação (T_A= -40°C a 85°C, salvo indicação em contrário).

2.2.1 Características de Entrada (Lado do IRED)

• Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1,45V, com máximo de 1,8V em I_F=10mA. Isto é usado para calcular o resistor limitador de corrente necessário no lado de entrada.
• Coeficiente de Temperatura de V_F:Aproximadamente -1,9 mV/°C. A tensão direta cai ligeiramente com o aumento da temperatura.
• Capacitância de Entrada (C_IN):Tipicamente 70 pF. Isto afeta a resposta em alta frequência e os requisitos de acionamento do circuito de entrada.

2.2.2 Características de Saída e Transferência

• Correntes de Alimentação: I_CCH(saída alta) é tipicamente 6,0 mA, e I_CCL(saída baixa) é tipicamente 7,5 mA com V_CC=5,5V. Estes valores determinam o consumo de energia no lado de saída.
• Corrente de Saída em Nível Alto (I_OH):A saída pode fornecer uma corrente muito pequena (tip. 2,1 µA) quando está no estado alto. Este dispositivo é projetado para acionar entradas CMOS de alta impedância, não para fornecer corrente significativa.
• Tensão de Saída em Nível Baixo (V_OL):Tipicamente 0,4V, máximo 0,6V ao drenar 13mA. Isto define um nível lógico '0' sólido.
• Corrente Limiar de Entrada (I_FT):Tipicamente 2,4 mA, máximo 5 mA. Esta é a corrente de entrada mínima necessária para garantir que a saída mude para um estado baixo válido (V_OL≤ 0,6V) sob as condições de carga especificadas. É um parâmetro crítico para garantir imunidade a ruído.

2.3 Características de Comutação

Estes parâmetros definem o desempenho dinâmico do fotocoplador, medidos em condições padrão (V_CC=5V, I_F=7,5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω).

• Atrasos de Propagação (t_PHL, t_PLH):O tempo do ponto de 50% da transição da corrente de entrada até o ponto correspondente na transição da tensão de saída. t_PLH(para alto) é tipicamente 50 ns, e t_PHL(para baixo) é tipicamente 41 ns, ambos com máximo de 100 ns. Estes atrasos limitam a taxa de dados máxima.
• Distorção de Largura de Pulso (|t_PHL– t_PLH|):Tipicamente 9 ns, máx. 35 ns. Esta assimetria nos atrasos de subida/descida pode estreitar os pulsos de saída em altas frequências.
• Tempos de Subida/Descida (t_r, t_f):O tempo de subida da saída é tipicamente 40 ns, e o tempo de descida é tipicamente 10 ns. Bordas mais rápidas são geralmente melhores para a integridade do sinal.
• Imunidade a Transientes de Modo Comum (CMH, CML):Este é um parâmetro crítico para dispositivos de isolamento. Mede a imunidade do estado de saída a transientes de tensão rápidos através da barreira de isolamento. O ELM601, por exemplo, pode tolerar um dV/dt de 5.000 V/µs com um sinal de modo comum de 50V pico a pico sem mudar de estado erroneamente. O ELM611 oferece imunidade ainda maior (20.000 V/µs a 1000V_p-p).

3. Informações Mecânicas e de Embalagem

O dispositivo é encapsulado em um pacote SOP (Small Outline Package) de 5 pinos. A configuração dos pinos é a seguinte:

• Pino 1:Ânodo do IRED de entrada.
• Pino 2:Não conectado (NC).
• Pino 3:Cátodo do IRED de entrada.
• Pino 4:Terra (GND) para o lado de saída.
• Pino 5:Tensão de Saída (V_OUT).
• Pino 6:Tensão de Alimentação (V_CC) para o lado de saída.

A folha de dados inclui um desenho detalhado das dimensões do pacote (em milímetros) que deve ser consultado para o projeto do footprint da PCB. Um layout recomendado de pads para montagem em superfície também é fornecido para garantir soldagem confiável e estabilidade mecânica.

4. Diretrizes de Soldagem e Montagem

Manuseio e montagem adequados são essenciais para a confiabilidade. O dispositivo é classificado para uma temperatura máxima de soldagem de 260°C por 10 segundos, o que se alinha com perfis padrão de soldagem por refluxo sem chumbo (ex.: IPC/JEDEC J-STD-020).

Considerações-Chave:

• Use o layout de pads recomendado para evitar tombamento ou desalinhamento durante o refluxo.
• Aderir ao perfil de temperatura especificado para evitar danos térmicos ao chip interno e ao pacote plástico.
• Siga as precauções padrão contra ESD (Descarga Eletrostática) durante o manuseio, pois o dispositivo contém componentes semicondutores sensíveis.
• Armazene os dispositivos em um ambiente seco e controlado, conforme a classificação de temperatura de armazenamento (-55°C a +125°C).

5. Informações de Embalagem e Pedido

A série ELM6XX está disponível em diferentes opções de embalagem para atender às necessidades de produção:

• Opção Padrão (Nenhuma):Os dispositivos são fornecidos em tubos antiestáticos, com 100 unidades por tubo.
• Opção Fita e Carretel (TA/TB):Os dispositivos são fornecidos em fita e carretel para montagem automatizada pick-and-place, com 3000 unidades por carretel. 'TA' e 'TB' provavelmente se referem a diferentes tamanhos de carretel ou especificações de fita.

Sistema de Numeração de Peças:ELM6XX(Z)-V

• XX:Número de peça específico (00, 01 ou 11). Estes diferenciam variantes, provavelmente baseadas nas classificações de Imunidade a Transientes de Modo Comum (ex.: ELM600, ELM601, ELM611).
• Z:Opção de fita e carretel (TA, TB, ou nenhuma para tubo).
• V:Marca de aprovação VDE opcional.

6. Sugestões de Aplicação e Considerações de Projeto

6.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A aplicação principal é o isolamento de sinal digital. Um circuito típico envolve um resistor limitador de corrente em série com o IRED de entrada, conectado a um sinal lógico. O pino de saída (V_OUT) é conectado a V_CCatravés de um resistor de pull-up (R_L) e aciona a entrada da porta lógica receptora. O valor de R_L(ex.: 350Ω) e a capacitância de carga afetam a velocidade de comutação.

6.2 Notas Críticas de Projeto

• Corrente de Entrada:Certifique-se de que a corrente de entrada (I_F) atenda ou exceda a Corrente Limiar de Entrada máxima (I_FT) para garantir saída baixa, mas não exceda a Especificação Máxima Absoluta. Uma corrente de operação típica I_Fde 7,5mA a 10mA é comum.
• Imunidade a Ruído:Para ambientes ruidosos, escolha uma variante (ELM601 ou ELM611) com maior Imunidade a Transientes de Modo Comum apropriada para os níveis de ruído esperados na aplicação.
• Desacoplamento da Fonte de Alimentação:Use capacitores de bypass (ex.: 0,1 µF) próximos aos pinos V_CCe GND no lado de saída para garantir operação estável e minimizar ruído de comutação.
• Tabela Verdade:O dispositivo funciona como um buffer não-inversor. Um nível lógico Alto (H) na entrada (IRED ligado) produz um nível lógico Baixo (L) na saída. Um nível lógico Baixo (L) na entrada (IRED desligado) produz um nível lógico Alto (H) na saída (devido ao resistor de pull-up).

7. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado aos fotocopladores padrão da série 4N25/4N35, a série ELM6XX oferece velocidade significativamente maior (10 Mbit/s vs. ~100 kbit/s) e Rejeição de Modo Comum superior. Sua saída de porta lógica fornece formas de onda digitais limpas sem a necessidade dos circuitos adicionais de gatilho Schmitt frequentemente necessários com saídas de fototransistor. O pacote SOP de 5 pinos é mais compacto que os antigos pacotes DIP. A principal diferenciação dentro da própria série ELM6XX é a Imunidade a Transientes de Modo Comum graduada, permitindo que os projetistas selecionem o nível de custo/desempenho apropriado para seu ambiente de ruído específico.

8. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P1: Qual é a taxa de dados máxima que posso alcançar com este fotocoplador?

R: Os atrasos de propagação típicos permitem taxas de dados de até 10 Mbit/s conforme especificado. No entanto, a taxa máxima confiável real em um sistema será menor devido à distorção de largura de pulso e aos tempos de setup/hold da lógica receptora. Um projeto conservador pode visar 5-8 Mbit/s.

P2: Como escolher entre ELM600, ELM601 e ELM611?

R: A escolha é baseada principalmente na Imunidade a Transientes de Modo Comum (CMTI) necessária. Use o ELM600 para isolamento básico com baixo ruído. O ELM601 (5.000 V/µs) é adequado para aplicações de acionamento de motores industriais e fontes de alimentação. O ELM611 (20.000 V/µs) é para ambientes de muito alto ruído, como inversores de alta potência.

P3: Posso usar este dispositivo para acionar um LED ou relé diretamente?

R: Não. A saída é projetada para acionar entradas lógicas CMOS ou TTL de alta impedância. Sua capacidade de fornecer/drenar corrente é limitada (I_OHé muito baixa, I_OLé especificada em 13mA). Para acionar cargas de corrente mais alta, é necessário um estágio adicional de buffer ou transistor.

P4: Qual valor de resistor de pull-up (R_L) devo usar?

R: A folha de dados especifica condições de teste com R_L=350Ω. Este é um bom ponto de partida. Um resistor menor fornecerá tempos de subida mais rápidos, mas aumentará o consumo de energia e a corrente de saída. Um resistor maior economizará energia, mas desacelerará o tempo de subida. O valor deve ser escolhido considerando a capacitância de carga e a velocidade necessária.

9. Estudo de Caso de Aplicação Prática

Cenário: Isolando a UART de um Microcontrolador de um Transceptor RS-485.

Em um nó de sensor industrial, a linha TX UART de um microcontrolador de 3,3V precisa ser isolada de um transceptor RS-485 de 5V que se conecta a um barramento de longa distância ruidoso. Um ELM601 pode ser usado para este propósito. O pino do microcontrolador aciona o IRED através de um resistor limitador de corrente (ex.: (3,3V - 1,45V)/7,5mA ≈ 247Ω). O lado de saída é alimentado pela linha de 5V do transceptor RS-485. O pino V_OUT, puxado para 5V com um resistor de 350Ω, conecta-se diretamente ao pino Driver Input (DI) do CI RS-485. Esta configuração quebra a conexão de terra entre o microcontrolador sensível e o barramento ruidoso, protege o microcontrolador de transientes induzidos pelo barramento e lida com a conversão de nível lógico de 3,3V para 5V. A alta CMTI do ELM601 garante que o sinal digital permaneça intacto apesar do ruído no barramento.

10. Princípio de Funcionamento

O dispositivo opera com base no princípio da conversão optoeletrônica. Uma corrente elétrica aplicada ao lado de entrada (pinos 1 e 3) faz com que o Díodo Emissor de Infravermelhos (IRED) emita luz. Esta luz atravessa uma barreira de isolamento interna transparente (tipicamente um vão de plástico moldado). No lado de saída, um circuito integrado fotodetector de silício monolítico recebe esta luz. Este CI contém um fotodiodo, um amplificador de alto ganho e um estágio de saída de porta lógica (provavelmente uma estrutura totem-pole ou similar). O amplificador converte a fotocorrente em uma tensão, que o estágio lógico bufferiza e emite como um sinal digital limpo. O recurso de 'saída com strobe' mencionado provavelmente se refere a um latch interno ou função de habilitação que pode manter o estado de saída, mas detalhes específicos requerem o esquema interno completo.

11. Tendências Tecnológicas

A tendência no isolamento digital é em direção a maiores velocidades, menor consumo de energia, pacotes menores e maior integração. Embora fotocopladores como a série ELM6XX permaneçam excelentes para muitas aplicações, tecnologias alternativas baseadas em acoplamento capacitivo (usando barreiras de SiO₂) ou magnetorresistivo gigante (GMR) estão surgindo. Estas podem oferecer taxas de dados ainda maiores (>>100 Mbit/s), melhor simetria de temporização (menor distorção de largura de pulso) e maior vida útil, pois não possuem LED para degradar. No entanto, fotocopladores de alto desempenho continuam sendo amplamente utilizados devido à sua confiabilidade comprovada, alta CMTI, simplicidade e custo-benefício para velocidades de até dezenas de megabits por segundo. O desenvolvimento de dispositivos como a série ELM6XX, com CMTI graduada e materiais livres de halogênio, reflete a evolução contínua para atender às demandas ambientais e de desempenho mais rigorosas na eletrônica moderna.