Ficha Técnica da Série ELM453H-G - Fotocoplador Lógico de Alta Velocidade 10Mbit/s em Pacote SOP de 5 Pinos - Tensão de Isolamento 3750Vrms

1. Visão Geral do Produto

A Série ELM453H-G representa uma família de fotocopladores lógicos (isoladores ópticos) de alta velocidade, projetados para aplicações exigentes de isolamento digital. Estes dispositivos são concebidos para fornecer transmissão de sinal fiável, mantendo um elevado isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e saída. A função principal é transferir sinais lógicos digitais através de uma barreira de isolamento, utilizando um LED infravermelho acoplado opticamente a um fotodetector de alta velocidade e a um amplificador de transístor.

O mercado principal para este componente inclui automação industrial, sistemas de acionamento de motores, redes de comunicação fieldbus e controlo de fontes de alimentação, onde a imunidade ao ruído e o isolamento de segurança são críticos. As suas principais vantagens derivam do seu desempenho de velocidade melhorado em comparação com os fotocopladores de fototransístor convencionais, conseguido através de uma ligação de polarização de fotodíodo separada que reduz a capacitância base-coletor.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

Esta secção fornece uma análise objetiva dos principais parâmetros elétricos e ópticos especificados na ficha técnica.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente. Os limites-chave incluem:

• Corrente Direta de Entrada (I_F): 25 mA máximo. Exceder este valor pode degradar ou destruir o LED de entrada.
• Tensão de Isolamento (V_ISO): 3750 V_rmsdurante 1 minuto. Esta é uma classificação de segurança crítica que certifica a rigidez dielétrica da barreira de isolamento interna, testada com os pinos 1 e 3 em curto-circuito num lado e os pinos 4, 5 e 6 em curto-circuito no outro.
• Temperatura de Operação (T_OPR): -40 a +125 °C. Esta ampla gama garante operação fiável em ambientes industriais severos.
• Temperatura de Soldadura (T_SOL): 260 °C durante 10 segundos, compatível com perfis típicos de reflow sem chumbo.

2.2 Características Elétricas

Os parâmetros de desempenho garantidos sob condições de teste especificadas.

2.2.1 Características de Entrada

• Tensão Direta (V_F): Tipicamente 1,4V, com um máximo de 1,8V a I_F=16mA. Este valor é utilizado para calcular a resistência limitadora de corrente necessária para o circuito de acionamento do LED.
• Capacitância de Entrada (C_IN): Tipicamente 70 pF. Uma capacitância mais baixa pode contribuir para um melhor desempenho em alta frequência no lado da entrada.

2.2.2 Características de Saída e Transferência

• Tensão de Saída de Nível Baixo (V_OL): Máximo de 0,4V a I_F=16mA, I_O=3mA, V_CC=4,5V. Isto define o nível lógico '0' de saída sob carga.
• Taxa de Transferência de Corrente (CTR): Mínimo de 20% nas mesmas condições de teste. A CTR é a relação entre a corrente do transístor de saída e a corrente do LED de entrada. Uma garantia mínima assegura capacidade de acionamento de saída suficiente.
• Corrente de Saída de Nível Alto (I_OH): Corrente de fuga muito baixa (máx. 5 µA a 25°C) quando o LED está desligado, garantindo uma saída lógica '1' limpa.

2.3 Características de Comutação

Estes parâmetros definem a velocidade e a imunidade ao ruído do dispositivo, cruciais para a transmissão de dados.

• Atraso de Propagação (T_PHL, T_PLH): Tipicamente 0,35 µs (baixo) e 0,45 µs (alto), com um máximo de 1,0 µs. Isto permite taxas de transmissão de sinal até 1Mbit/s, embora o título sugira capacidade de 10Mbit/s para a versão de porta lógica.
• Imunidade Transitória de Modo Comum (CM_H, CM_L): Mínimo de 10 kV/µs. Este é um parâmetro vital que indica a capacidade do dispositivo de rejeitar transientes de tensão rápidos (ruído) que aparecem igualmente em ambos os lados da barreira de isolamento. Uma CMTI elevada evita a comutação falsa da saída em ambientes ruidosos como acionamentos de motores.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia curvas típicas de características eletro-ópticas. Embora não sejam exibidas no texto fornecido, estas curvas ilustram tipicamente relações críticas para o projeto:

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta (I_F): Mostra como a eficiência varia com a corrente de acionamento, ajudando a otimizar o ponto de operação.
• CTR vs. Temperatura Ambiente (T_A): Demonstra a derating da CTR com o aumento da temperatura, essencial para operação em alta temperatura.
• Atraso de Propagação vs. Resistência de Carga (R_L): Mostra o compromisso entre velocidade de comutação e capacidade de acionamento da saída.
• Tensão Direta vs. Temperatura: Importante para a gestão térmica do circuito de entrada.

Os projetistas devem consultar os gráficos completos da ficha técnica para compreender estas relações não lineares para um projeto de circuito robusto.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões da Embalagem

O dispositivo está alojado num pacote Small Outline (SOP) padrão de 5 pinos. O desenho mecânico detalhado fornece as dimensões exatas de comprimento, largura, altura, passo dos terminais e afastamento. Esta informação é crítica para o projeto da pegada na PCB e para garantir o afastamento adequado.

4.2 Layout Recomendado dos Terminais

É fornecido um layout sugerido para os terminais de montagem em superfície. A ficha técnica observa corretamente que este é um projeto de referência e deve ser modificado com base nos processos de fabrico individuais (por exemplo, tipo de pasta de solda, perfil de reflow). Recomenda-se a adesão às normas IPC para o projeto final dos terminais.

4.3 Identificação de Polaridade e Marcação do Dispositivo

Configuração dos Pinos:

1. Ânodo (LED de Entrada +)
2. Sem Ligação / Interno
3. Cátodo (LED de Entrada -)
4. GND (Terra da Saída)
5. V_OUT(Sinal de Saída)
6. V_CC(Tensão de Alimentação da Saída)

Marcação do Dispositivo:A parte superior do pacote está marcada com "EL" (código do fabricante), "M453H" (número do dispositivo), um código de ano de 1 dígito (Y), um código de semana de 2 dígitos (WW) e um "V" opcional para versões aprovadas pela VDE. Isto permite a rastreabilidade.

5. Diretrizes de Soldadura e Montagem

Soldadura por Reflow:O componente está classificado para uma temperatura máxima de soldadura de 260°C durante 10 segundos. Isto está alinhado com os perfis padrão de reflow sem chumbo (IPC/JEDEC J-STD-020). A temperatura de pico e o tempo acima do líquido devem ser controlados para evitar danos na embalagem.

Condições de Armazenamento:A gama de temperatura de armazenamento é de -55 a +125 °C. A informação do Nível de Sensibilidade à Humidade (MSL), crítica para dispositivos de montagem em superfície, deve ser verificada na ficha técnica completa ou na embalagem. As precauções padrão para cozer componentes que absorveram humidade antes do reflow devem ser seguidas, se aplicável.

6. Informações de Embalagem e Encomenda

6.1 Número de Peça para Encomenda

O número de peça segue a estrutura:ELM453H(Z)-VG

• Z: Opção de Fita e Bobina. 'None' para tubo (100 unidades), 'TA' ou 'TB' para diferentes orientações da bobina (3000 unidades/bobina).
• V: Denota que a certificação VDE está incluída.
• G: Indica composição de material sem halogéneos.

6.2 Especificações da Fita e Bobina

São fornecidas dimensões detalhadas da fita transportadora (largura, tamanho do bolso, passo) e especificações da bobina para montagem automática pick-and-place. As opções TA e TB diferem na orientação do componente dentro da fita, afetando a direção de alimentação da bobina.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Circuitos de Aplicação Típicos

Recetor de Linha / Isolamento de Sinal Digital:O dispositivo é ideal para isolar linhas de dados seriais RS-485, CAN ou outras em redes industriais. A elevada CMTI protege contra diferenças de potencial de terra e ruído.

Isolamento de Acionamento de Porta em Acionamentos de Motores:Utilizado para isolar o sinal de controlo de baixa tensão do circuito de acionamento de porta de alta tensão e ruidoso para IGBTs ou MOSFETs. A alta tensão de isolamento (3750Vrms) e a velocidade são aqui fundamentais.

Isolamento de Terra Lógico:Separar os terrenos digitais entre subsistemas (por exemplo, entre uma interface de sensor analógico sensível e um microcontrolador ruidoso) para evitar loops de terra e acoplamento de ruído.

7.2 Considerações de Projeto

• Limitação de Corrente de Entrada:Uma resistência externa deve ser utilizada para definir a corrente direta do LED (I_F), tipicamente cerca de 16mA para os parâmetros garantidos. O valor da resistência é R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• Resistência de Pull-Up de Saída:É necessária uma resistência de pull-up (R_L) na saída (pino 5 para V_CC). O seu valor afeta a velocidade de comutação (R_L mais baixa = mais rápido, mas corrente mais alta) e o nível lógico alto. A condição de teste utiliza 1,9 kΩ.
• Desacoplamento da Fonte de Alimentação:Coloque um condensador cerâmico de 0,1 µF próximo dos pinos 4 (GND) e 6 (V_CC) para garantir operação estável e minimizar o ruído de comutação.
• Rasto e Afastamento:Na PCB, mantenha distâncias adequadas de rasto e afastamento entre os circuitos de entrada e saída (incluindo trilhas e componentes) para preservar a classificação de isolamento de alta tensão. Siga as normas de segurança relevantes (por exemplo, IEC 61010-1).

8. Comparação e Diferenciação Técnica

A principal diferenciação do ELM453H-G em relação aos fotocopladores de fototransístor padrão é a suavelocidade. Ao fornecer uma ligação de base separada (via fotodíodo integrado) para polarizar o transístor de saída, reduz drasticamente o efeito da capacitância Miller que abranda os fototransístores convencionais. Isto torna-o adequado para transmissão de dados digitais na gama de 1Mbit/s a 10Mbit/s, enquanto os dispositivos padrão são frequentemente limitados a abaixo de 100 kbit/s.

Além disso, o seu conjunto abrangente de certificações de segurança internacionais (UL, cUL, VDE, SEMKO, etc.) e conformidade com as regulamentações sem halogéneos, RoHS e REACH tornam-no uma escolha preferencial para mercados globais com requisitos ambientais e de segurança rigorosos.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é a taxa de dados máxima que este fotocoplador pode suportar?

R: Com base no atraso de propagação máximo de 1,0 µs, o dispositivo pode suportar de forma fiável taxas de dados de pelo menos 1 Mbit/s. A referência a 10 Mbit/s no título sugere desempenho otimizado ou uma versão específica; a taxa máxima real depende do projeto do circuito (R_L, I_F) e deve ser verificada com medições de osciloscópio para aplicações críticas.

P: Como posso garantir que a classificação de alto isolamento é mantida no meu projeto?

R: A construção interna do dispositivo fornece o isolamento. Para o manter na PCB, deve garantir distância física suficiente (rasto/afastamento) entre todos os elementos condutores (trilhas, terminais, componentes) associados ao lado da entrada (pinos 1,2,3) e ao lado da saída (pinos 4,5,6). Siga as diretrizes de layout de PCB para isolamento reforçado com base na tensão de trabalho.

P: Posso usar isto para isolar sinais analógicos?

R: Embora listado para isolamento de terra de sinal analógico, é fundamentalmente um dispositivo digital (porta lógica) com CTR não linear. Não é ideal para isolamento linear de sinais analógicos. Para esse fim, um optoacoplador linear dedicado ou um amplificador de isolamento seria mais apropriado.

10. Caso de Uso Prático

Cenário: Comunicação SPI Isolada numa Unidade de Controlo de Motor.

Um microcontrolador numa placa de controlo de 3,3V precisa de enviar dados de configuração via SPI para um ADC localizado perto de uma fase de motor de alta potência. Os potenciais de terra são ruidosos e diferentes. Um ELM453H-G pode ser usado para isolar as linhas de relógio SPI (SCK) e seleção de chip (CS). O GPIO do microcontrolador aciona o LED através de uma resistência limitadora de corrente. O pino de saída (5) é ligado em pull-up à alimentação de 5V do ADC através de uma resistência de 2,2kΩ, fornecendo um sinal lógico limpo e isolado. A elevada CMTI garante que os sinais SPI não são corrompidos pelo ruído de comutação do motor.

11. Princípio de Funcionamento

O dispositivo funciona com base no princípio do acoplamento óptico. Uma corrente elétrica aplicada ao Díodo Emissor de Infravermelhos (IRED) de entrada faz com que este emita luz. Esta luz atravessa uma barreira de isolamento transparente (tipicamente silicone moldado ou polímero) e atinge um fotodíodo dentro do chip detetor integrado. A corrente do fotodíodo é amplificada e processada por um estágio de transístor para produzir um sinal de saída digital correspondente (drenando corrente para terra quando ativo). O isolamento elétrico completo é alcançado porque o sinal é transferido por luz, sem um caminho de condução elétrica através da barreira.

12. Tendências da Indústria

A tendência no isolamento de sinais é para velocidades mais altas, menor consumo de energia, embalagens mais pequenas e integração de múltiplos canais num único pacote. Embora os fotocopladores autónomos como o ELM453H-G permaneçam vitais pela sua robustez, capacidade de alta tensão e simplicidade, tecnologias mais recentes como isoladores capacitivos e isoladores de magnetorresistência gigante (GMR) estão a competir em aplicações que requerem taxas de dados muito elevadas (>100 Mbit/s) ou fiabilidade melhorada em campos magnéticos extremos. No entanto, o acoplamento óptico continua a dominar em aplicações que requerem isolamento de tensão de trabalho muito elevada, fiabilidade a longo prazo comprovada e imunidade a interferências magnéticas.