Ficha Técnica da Série ELS611-G - Fotocoplador Lógico de Alta Velocidade 10MBit/s em SDIP de 6 Pinos

1. Visão Geral do Produto

A série ELS611-G representa uma família de fotocopladores (isoladores óticos) de saída lógica e alta velocidade, concebidos para isolamento de sinais digitais. Estes dispositivos integram um díodo emissor de infravermelhos acoplado opticamente a um fotodetector integrado de alta velocidade com uma saída de porta lógica armazenável. Alojados num compacto pacote SDIP (Small Dual In-line Package) de 6 pinos, foram projetados para substituir transformadores de impulso e fornecer uma robusta eliminação de loops de terra em ambientes elétricos ruidosos.

A função principal é fornecer isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e saída, impedindo a propagação de loops de terra, picos de tensão e ruído. A saída de porta lógica garante uma transmissão limpa do sinal digital, tornando-a adequada para interface entre diferentes famílias lógicas ou domínios de tensão.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

As principais vantagens da série ELS611-G incluem a sua capacidade de alta velocidade até 10MBit/s, que suporta protocolos de comunicação digital rápidos. Oferece uma alta tensão de isolamento de 5000Vrms, fornecendo excelente proteção para circuitos sensíveis. Os dispositivos estão em conformidade com os requisitos de isenção de halogéneos (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm), são isentos de chumbo e cumprem as diretivas RoHS e REACH da UE. Possuem aprovações das principais agências de segurança internacionais, incluindo UL, cUL, VDE, NEMKO, FIMKO, SEMKO, DEMKO e CQC, facilitando a sua utilização nos mercados globais.

As aplicações-alvo são principalmente na automação industrial, sistemas de alimentação (ex.: fontes de alimentação comutadas para isolamento de realimentação), interfaces de periféricos de computador, sistemas de transmissão de dados, multiplexagem de dados e qualquer cenário que exija um isolamento galvânico fiável e de alta velocidade para sinais digitais.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

As secções seguintes fornecem uma análise detalhada e objetiva dos principais parâmetros elétricos e de desempenho especificados na ficha técnica.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Não é recomendado operar o dispositivo continuamente nestes limites ou perto deles.

• Corrente Direta de Entrada (I_F): 20 mA. A corrente contínua máxima permitida através do LED de entrada.
• Tensão Reversa de Entrada (V_R): 5 V. A tensão de polarização reversa máxima que o LED de entrada pode suportar.
• Dissipação de Potência de Entrada (P_D): 40 mW. A potência máxima que o lado de entrada pode dissipar.
• Tensão de Alimentação de Saída (V_CC): 7.0 V. A tensão absoluta máxima que pode ser aplicada ao pino de alimentação do lado de saída.
• Tensão de Saída (V_O): 7.0 V. A tensão máxima que pode aparecer no pino de saída.
• Corrente de Saída (I_O): 50 mA. A corrente máxima que o pino de saída pode absorver ou fornecer.
• Tensão de Isolamento (V_ISO): 5000 Vrms durante 1 minuto. Esta é uma classificação de segurança crítica, testada com os pinos de entrada (1,2,3,4) em curto-circuito entre si e os pinos de saída (5,6) em curto-circuito entre si.
• Temperatura de Operação (T_OPR): -40°C a +85°C. A gama de temperatura ambiente para operação normal.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL): 260°C durante 10 segundos. Isto define a tolerância do perfil de soldadura por refluxo.

2.2 Características Elétricas

Estes são os parâmetros de desempenho garantidos sob condições de teste especificadas.

2.2.1 Características de Entrada (Lado do LED)

• Tensão Direta (V_F): Tipicamente 1.45V, máximo 1.8V a I_F=10mA. Isto é usado para projetar o circuito limitador de corrente de entrada.
• Corrente Reversa (I_R): Máximo 10 µA a V_R=5V. Isto indica a corrente de fuga do LED no estado desligado.
• Capacitância de Entrada (C_IN): Tipicamente 60pF. Este parâmetro afeta o desempenho de comutação de alta frequência no lado de entrada.

2.2.2 Características de Saída

• Corrente de Alimentação, Nível Alto (I_CCH): 7mA a 13mA quando I_F=0mA (LED desligado) e V_CC=5.5V. Esta é a corrente quiescente quando a saída está no estado lógico alto.
• Corrente de Alimentação, Nível Baixo (I_CCL): 9mA a 15mA quando I_F=10mA (LED ligado) e V_CC=5.5V. Esta é a corrente de operação quando a saída é ativamente puxada para baixo.
• Tensão de Saída em Nível Baixo (V_OL): Tipicamente 0.4V, máximo 0.6V sob a condição V_CC=5.5V, I_F=5mA, I_OL=13mA. Isto define a tensão de saída quando absorve corrente no estado baixo.
• Corrente de Limiar de Entrada (I_FT): Máximo 5mA. Esta é a corrente mínima do LED de entrada necessária para garantir que a saída comuta para um nível lógico baixo válido (V_OL<= 0.6V) sob as condições especificadas de V_CCe I_OL. É um parâmetro chave para determinar a corrente de acionamento necessária.

2.3 Características de Comutação

Estes parâmetros definem o desempenho temporal do fotocoplador, crucial para transmissão de dados de alta velocidade. As condições de teste são V_CC=5V, I_F=7.5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω salvo indicação em contrário.

• Atraso de Propagação para Nível Alto (t_PHL): Tipicamente 40ns, máximo 100ns. Tempo desde o desligamento do LED de entrada até a saída subir para um nível lógico alto.
• Atraso de Propagação para Nível Baixo (t_PLH): Tipicamente 50ns, máximo 100ns. Tempo desde o ligamento do LED de entrada até a saída descer para um nível lógico baixo.
• Distorção de Largura de Impulso (|t_PHL– t_PLH|): Tipicamente 10ns, máximo 50ns. A diferença entre os dois atrasos de propagação. Um valor mais baixo é melhor para preservar a integridade do sinal e o ciclo de trabalho.
• Tempo de Subida da Saída (t_r): Tipicamente 50ns. Tempo para a saída subir de 10% para 90% do seu valor alto final.
• Tempo de Descida da Saída (t_f): Tipicamente 10ns. Tempo para a saída descer de 90% para 10% do seu valor alto inicial.
• Imunidade a Transientes de Modo Comum (CMH, CML): Mínimo 5 kV/µs. Isto mede a imunidade do dispositivo a transientes de tensão rápidos entre as massas de entrada e saída. CMH aplica-se quando a saída está alta, e CML aplica-se quando a saída está baixa. Um valor elevado indica uma forte rejeição ao ruído acoplado através da barreira de isolamento.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia curvas eletro-óticas típicas. Embora os gráficos específicos não sejam detalhados no texto fornecido, eles normalmente incluem o seguinte, que é essencial para o projeto:

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta: Mostra a eficiência do optoacoplador. Para um tipo de porta lógica, isto está incorporado nos parâmetros de comutação, mas pode indicar o desempenho ao longo da temperatura e da corrente.
• Atraso de Propagação vs. Corrente Direta: Ilustra como a velocidade de comutação varia com a corrente de acionamento do LED. Um I_Fmais elevado geralmente diminui o atraso de propagação, mas aumenta a dissipação de potência.
• Atraso de Propagação vs. Temperatura: Mostra a variação do parâmetro temporal ao longo da gama de temperatura de operação.
• Corrente de Alimentação vs. Temperatura: Indica como o consumo de energia no lado de saída muda com a temperatura.

Os projetistas devem consultar os gráficos completos da ficha técnica para compreender os limites de desempenho e as necessidades de derating para as suas condições específicas de aplicação.

4. Informações Mecânicas e de Pacote

4.1 Configuração e Função dos Pinos

O dispositivo utiliza um pacote SDIP de 6 pinos. A disposição dos pinos é a seguinte:

• Pino 1: Ânodo do LED de entrada.
• Pino 2: Sem Ligação (N.C.).
• Pino 3: Cátodo do LED de entrada.
• Pino 4: Terra (GND) para o lado de saída.
• Pino 5: Saída (V_OUT). Esta é a saída de coletor aberto ou totem-pole da porta lógica interna.
• Pino 6: Tensão de Alimentação (V_CC) para o lado de saída.

Nota Crítica de Projeto:Um condensador de desacoplamento de 0.1µF (ou maior) com boas características de alta frequência deve ser ligado entre os pinos 6 (V_CC) e 4 (GND), colocado o mais próximo possível do pacote. Isto é essencial para uma operação estável e para alcançar o desempenho de comutação especificado.

4.2 Dimensões do Pacote e Layout da PCB

A ficha técnica fornece desenhos mecânicos detalhados para o pacote do tipo \"P\" (forma de terminais para montagem superficial). As dimensões-chave incluem o tamanho total do corpo do pacote, o espaçamento dos terminais e a altura de afastamento. Um layout recomendado para as pastilhas para montagem superficial também é fornecido para garantir uma soldadura fiável e resistência mecânica. Os projetistas devem aderir a estas diretrizes de layout para evitar o efeito \"tombstoning\" ou soldaduras deficientes.

5. Diretrizes de Soldadura e Montagem

O valor máximo absoluto para a temperatura de soldadura é de 260°C durante 10 segundos. Isto está alinhado com os perfis típicos de soldadura por refluxo sem chumbo. Devem ser observadas as seguintes precauções:

• Siga o perfil de refluxo recomendado para a pasta de soldar específica utilizada, garantindo que a temperatura de pico e o tempo acima do líquido não excedam a classificação do dispositivo.
• Evite stress mecânico excessivo no pacote durante a manipulação.
• Aderir ao design recomendado para as pastilhas da PCB para evitar pontes de solda ou filetes insuficientes.
• As condições de armazenamento devem estar dentro da gama de temperatura de armazenamento especificada de -55°C a +125°C, e num ambiente seco de acordo com os requisitos padrão do nível de sensibilidade à humidade (MSL) para dispositivos de montagem superficial (o MSL específico não é indicado no excerto).

6. Embalagem e Informação de Encomenda

6.1 Regra de Numeração de Modelo

O número de peça segue o formato: ELS611X(Y)-VG

• EL: Prefixo do fabricante.
• S611: Número de peça base.
• X: Tipo de terminal. \"P\" denota a forma de terminal para montagem superficial.
• (Y): Opção de fita e bobina. \"TA\" ou \"TB\" especificam diferentes estilos de embalagem em bobina.
• V: Opcional, denota aprovação VDE.
• G: Denota construção sem halogéneos.

Exemplo: ELS611P(TA)-VG é um dispositivo de montagem superficial na fita e bobina TA, aprovado pela VDE e sem halogéneos.

6.2 Especificações de Embalagem

O dispositivo está disponível em embalagem de fita e bobina para montagem automatizada. Ambas as opções TA e TB contêm 1000 unidades por bobina. A ficha técnica inclui diagramas que especificam as dimensões da fita, o espaçamento dos bolsos e o tamanho da bobina.

6.3 Marcação do Dispositivo

O pacote está marcado com um código que indica a origem de fabrico, o número do dispositivo e o código de data. O formato inclui: Código de fábrica (\"T\" para Taiwan), \"EL\" para o fabricante, \"S611\" para o dispositivo, um código de ano de 1 dígito, um código de semana de 2 dígitos e o opcional \"V\" para VDE.

7. Sugestões de Aplicação e Considerações de Projeto

7.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A aplicação principal é o isolamento de sinais digitais. Um circuito típico envolve:

1. Lado de Entrada:Uma resistência limitadora de corrente em série com o LED (pinos 1 e 3) para definir a corrente direta I_F. O valor é calculado com base na tensão de acionamento e na I_Fdesejada (tipicamente entre a corrente de limiar I_FTe o valor máximo absoluto). Para operação de alta velocidade, é recomendado um acionador rápido.
2. Lado de Saída: V_CC(pino 6) é ligado à tensão de alimentação lógica desejada (até 7V). O pino 4 (GND) é ligado à massa do lado de saída. O pino de saída 5 é ligado à entrada lógica recetora. Uma resistência de pull-up externa para V_CCpode ser necessária dependendo da estrutura de saída interna (o esquema da ficha técnica mostra um pull-down ativo, sugerindo uma saída totem-pole, mas o projeto deve verificar se é necessário pull-up).O condensador de desacoplamento crítico de 0.1µF entre V_CCe GND é obrigatório.

7.2 Considerações de Projeto

• Velocidade vs. Corrente:Um I_Fmais elevado melhora o atraso de propagação, mas aumenta a dissipação de potência e pode reduzir a fiabilidade a longo prazo. Otimize I_Fcom base na velocidade necessária e nas restrições térmicas.
• Imunidade ao Ruído:A alta imunidade a transientes de modo comum (5kV/µs) torna-o adequado para ambientes ruidosos como acionamentos de motores e fontes de alimentação. Garanta um layout adequado da PCB para minimizar o acoplamento parasita em torno da barreira de isolamento.
• Considerações de Carga:Respeite as classificações máximas de corrente de saída (I_O) e tensão (V_O). A saída foi projetada para acionar entradas lógicas padrão (TTL, CMOS) e não cargas pesadas.
• Desacoplamento da Fonte de Alimentação:Negligenciar o condensador de desacoplamento recomendado pode levar a oscilações, disparos falsos e degradação do desempenho de comutação.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado com fotocopladores de saída transístor padrão, a porta lógica integrada do ELS611-G oferece várias vantagens-chave:

• Maior Velocidade:Taxa de dados de 10MBit/s e atrasos de propagação inferiores a 100ns são significativamente mais rápidos do que os acopladores transístor típicos (muitas vezes na gama dos µs).
• Saída Digital Limpa:A saída da porta lógica fornece transições nítidas e níveis lógicos bem definidos sem a necessidade de disparadores de Schmitt externos, simplificando o projeto do circuito.
• Menor Distorção de Impulso:A distorção de largura de impulso especificada é baixa, o que é crítico para preservar a integridade do sinal em linhas de relógio e dados.
• Funcionalidade Integrada:Combina o fotodetector, amplificador e porta lógica num único chip, reduzindo a contagem de componentes externos.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

1. P: Qual é a corrente de entrada mínima necessária para garantir que a saída comuta para baixo?
   
   R: O parâmetro I_FT(Corrente de Limiar de Entrada) tem um valor máximo de 5mA sob as condições de teste (V_CC=5.5V, V_O=0.6V, I_OL=13mA). Para garantir uma comutação fiável em todas as condições, o projeto deve usar um I_Fsuperior a este valor, tipicamente 7.5mA a 10mA como indicado nas características de comutação.
2. P: Posso usar isto com uma alimentação lógica de 3.3V na saída?
   
   R: Sim, o dispositivo pode operar com V_CCtão baixa quanto o mínimo necessário para a porta lógica interna funcionar (não explicitamente declarado, mas tipicamente ~2.7V a 3V para CMOS). Os níveis lógicos de saída serão relativos a este V_CC. O V_CCmáximo é 7.0V.
3. P: Quão crítico é o condensador de desacoplamento de 0.1µF?
   
   R: É absolutamente crítico para uma operação estável e de alta velocidade. Fornece uma reserva local de carga para as correntes de comutação do estágio de saída, impedindo quedas na linha de alimentação e oscilações que podem causar mau funcionamento.
4. P: O que significa \"saída armazenável\"?
   
   R: Provavelmente refere-se a uma função de latch ou flip-flop que pode manter o estado de saída. No entanto, a tabela verdade no PDF mostra uma função simples de inversor (Entrada H -> Saída L, Entrada L -> Saída H). O termo pode indicar que a saída pode manter o seu estado durante breves interrupções ou tem boa imunidade ao ruído. O esquema deve ser consultado para esclarecimento.

10. Exemplo de Aplicação Prática

Cenário: Isolar um Sinal UART num Controlador Industrial.

Um microcontrolador industrial comunica com um periférico via UART a 115200 baud. O periférico opera numa fonte de alimentação separada com um potencial de terra diferente, criando um risco de loops de terra.

Implementação:

São utilizados dois dispositivos ELS611-G, um para a linha TX (controlador para periférico) e outro para a linha RX (periférico para controlador). No isolador TX, o pino TX do microcontrolador aciona o LED através de uma resistência limitadora de corrente ajustada para I_F=10mA. O pino de saída do isolador liga-se à entrada RX do periférico. O V_CCdo isolador é fornecido pela linha de 5V ou 3.3V do periférico, com o condensador de desacoplamento obrigatório. O processo é espelhado para a linha RX. Esta configuração quebra a ligação de terra, impede o acoplamento de ruído e protege o microcontrolador de transientes de tensão no lado do periférico, mantendo a integridade dos dados seriais de alta velocidade.

11. Princípio de Funcionamento

Um fotocoplador opera com base no princípio do acoplamento ótico para alcançar isolamento elétrico. No ELS611-G:

1. Um sinal elétrico aplicado ao lado de entrada faz com que o Díodo Emissor de Luz (LED) infravermelho emita luz proporcional à corrente.
2. Esta luz atravessa uma barreira de isolamento transparente (tipicamente um composto de moldagem) dentro do pacote.
3. No lado de saída, um fotodíodo ou fototransístor de silício deteta a luz e converte-a novamente numa corrente elétrica.
4. Esta pequena fotocorrente é amplificada e processada por um circuito integrado de alta velocidade que inclui uma porta lógica (neste caso, provavelmente um inversor ou buffer). O CI fornece um sinal de saída digital limpo que replica o estado de entrada, mas está eletricamente isolado dele.
5. A barreira de isolamento fornece alta rigidez dielétrica (5000Vrms), impedindo o fluxo de corrente e diferenças de tensão entre os dois lados.

12. Tendências Tecnológicas

A evolução dos fotocopladores como o ELS611-G é impulsionada por várias tendências-chave na eletrónica:

• Taxas de Dados Aumentadas:A procura por isolamento de maior velocidade em comunicações industriais (Profibus, EtherCAT), redes automóveis e sistemas de energia renovável impulsiona dispositivos com menor atraso de propagação e maior imunidade de modo comum.
• Miniaturização:Existe uma tendência contínua para pacotes mais pequenos (ex.: SOIC-4, LSSOP) com as mesmas ou melhores classificações de isolamento para economizar espaço na PCB.
• Integração Aprimorada:Dispositivos futuros podem integrar mais funções, como isolamento de potência (conversores DC-DC isolados) com isolamento de dados num único pacote, ou isoladores multicanal.
• Inovação em Materiais e Processos:Desenvolvimentos na eficiência do LED, sensibilidade do detetor e pureza do composto de moldagem contribuem para menor consumo de energia, maior velocidade e melhor fiabilidade a longo prazo.
• Tecnologias de Isolamento Alternativas:Embora os optoacopladores sejam uma tecnologia madura, tecnologias como o isolamento capacitivo (usando barreiras de SiO2) e o isolamento magnético (GMR) competem em algumas aplicações de alta velocidade e alta densidade. Cada tecnologia tem os seus próprios compromissos em termos de velocidade, imunidade, consumo de energia e custo.