Ficha Técnica do Fotocoplador 6N138 e 6N139 - Pacote DIP de 8 Pinos - Alta Sensibilidade com Configuração Darlington Dividida - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

Os modelos 6N138 e 6N139 são fotocopladores de alto desempenho e baixa corrente de entrada, que apresentam um estágio de saída com fototransistor na configuração Darlington dividida. Estes dispositivos foram projetados para oferecer uma relação de transferência de corrente (CTR) extremamente elevada, permitindo uma transmissão de sinal confiável com uma corrente de acionamento de entrada mínima. Eles são encapsulados no pacote padrão DIP (Dual In-line Package) de 8 pinos, com opções de espaçamento amplo entre terminais e configurações para montagem em superfície (SMD). A sua função principal é fornecer isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e saída, protegendo lógicas sensíveis de picos de tensão e malhas de aterramento.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

A principal vantagem destes fotocopladores é a sua CTR típica excepcionalmente alta de 2000%, o que permite a interface direta com sinais lógicos de baixa corrente sem a necessidade de amplificação adicional. Eles são certificados pelas principais agências internacionais de segurança (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) e oferecem uma alta tensão de isolamento de 5000 Vrms. Estas características tornam-nos ideais para aplicações industriais, de telecomunicações e computação, onde a imunidade a ruído, o isolamento de segurança e a integridade do sinal são críticos. Os mercados-alvo incluem automação industrial, malhas de realimentação de fontes de alimentação, isolamento de interface digital e receptores de linha de comunicação.

2. Análise Detalhada dos Parâmetros Técnicos

Esta secção fornece uma interpretação objetiva dos principais parâmetros elétricos e óticos especificados na ficha técnica.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente. O LED infravermelho de entrada tem uma corrente contínua direta máxima (IF) de 20 mA e pode suportar uma corrente transitória de pico de 1 A para pulsos muito curtos (<1 µs). A corrente máxima do coletor do transistor de saída (IO) é de 60 mA, e a sua dissipação de potência (PO) está limitada a 100 mW. O dispositivo pode operar numa faixa de temperatura ambiente de -40°C a +85°C. A tensão de isolamento de 5000 Vrms é um parâmetro de segurança fundamental, testado com todos os pinos de entrada em curto-circuito entre si e todos os pinos de saída em curto-circuito entre si.

2.2 Características Elétricas

As características elétricas são garantidas na faixa de temperatura comercial de 0°C a 70°C. Para o LED de entrada, a tensão direta típica (VF) é de 1,3V com IF = 1,6 mA. Os parâmetros da secção de saída diferem ligeiramente entre o 6N138 e o 6N139. O 6N139 oferece tipicamente uma corrente de fuga de saída em nível lógico alto (IOH) mais baixa, de 0,01 µA, em comparação com os 100 µA do 6N138 na mesma condição (IF=0mA, VCC=18V). A corrente de alimentação no estado de nível lógico baixo (ICCL) é tipicamente de 0,6 mA para ambos quando o LED é acionado com 1,6 mA.

2.3 Características de Transferência

A Relação de Transferência de Corrente (CTR) é o parâmetro mais crítico, definida como (IC / IF) * 100%. O 6N139 tem uma CTR mínima de 400% com IF=0,5mA e de 500% com IF=1,6mA. O 6N138 tem uma CTR mínima de 300% com IF=1,6mA. O valor típico para ambos é de 2000-2500%, indicando alta sensibilidade. A tensão de saída em nível lógico baixo (VOL) é especificada sob várias condições de carga, com um máximo de 0,4V, garantindo compatibilidade com os níveis lógicos padrão TTL e CMOS.

2.4 Características de Comutação

A velocidade de comutação depende da corrente de acionamento de entrada e da resistência de carga. Os tempos de atraso de propagação (tPLH, tPHL) são fornecidos para condições de teste específicas. Por exemplo, o 6N139 com IF=0,5mA e RL=4,7kΩ tem um tPHL típico de 5 µs e um tPLH de 16 µs. Aumentar o IF para 12mA com RL=270Ω melhora drasticamente a velocidade para 0,2 µs e 1,7 µs, respetivamente. O 6N138 é geralmente mais lento na sua condição de teste especificada (IF=1,6mA, RL=2,2kΩ). A Imunidade Transitória de Modo Comum (CMTI) é especificada com um mínimo de 1000 V/µs para ambos os estados lógicos alto e baixo, indicando uma boa rejeição de ruído contra transientes de tensão rápidos através da barreira de isolamento.

3. Informações Mecânicas e de Pacote

Os dispositivos são fornecidos num pacote DIP padrão de 8 pinos. A configuração dos pinos é a seguinte: Pino 1: Sem Conexão, Pino 2: Ânodo, Pino 3: Cátodo, Pino 4: Sem Conexão, Pino 5: Terra (Gnd), Pino 6: Saída (Vout), Pino 7: Base (VB), Pino 8: Tensão de Alimentação (VCC). O pino da base (7) permite o acesso à base do fototransistor, que pode ser usado para conectar um resistor ou capacitor de aceleração, permitindo um compromisso entre largura de banda e estabilidade. As opções de pacote incluem DIP padrão, terminais com curvatura ampla (espaçamento de 0,4 polegadas) e formatos de terminais para montagem em superfície (S e S1 de baixo perfil).

4. Diretrizes de Soldadura e Montagem

A especificação máxima absoluta para a temperatura de soldadura é de 260°C durante 10 segundos. Isto é típico para processos de soldadura por onda ou por refluxo. Devem ser observadas as precauções padrão para o manuseamento de dispositivos sensíveis à descarga eletrostática (ESD). Os dispositivos devem ser armazenados em condições dentro da faixa de temperatura de armazenamento especificada de -55°C a +125°C.

5. Informações de Embalagem e Encomenda

O número de peça segue o formato: 6N13XY(Z)-V. 'X' é o número da peça (8 para 6N138, 9 para 6N139). 'Y' indica a opção de formato do terminal: nenhum para DIP padrão (45 unidades/tubo), 'M' para curvatura de terminal ampla (45 unidades/tubo), 'S' para montagem em superfície, 'S1' para montagem em superfície de baixo perfil. 'Z' especifica a opção de fita e bobina para peças SMD: 'TA' ou 'TB' (1000 unidades/bobina). 'V' é um sufixo opcional para aprovação VDE. Os utilizadores devem selecionar a combinação correta com base nos requisitos de montagem.

6. Sugestões de Aplicação

6.1 Cenários de Aplicação Típicos

A ficha técnica lista várias aplicações-chave: Isolamento de terra de lógica digital, receptores de linha RS-232C, receptores de linha de baixa corrente de entrada, isolamento de barramento de microprocessador e receptores de malha de corrente. A sua alta CTR torna-os excelentes para fazer a interface diretamente com pinos GPIO de microcontroladores, isolar sinais de sensores em ambientes ruidosos ou fornecer isolamento galvânico em linhas de comunicação série como RS-232 ou RS-485.

6.2 Considerações de Projeto

1. Limitação da Corrente de Entrada:Deve ser utilizado um resistor externo em série para limitar a corrente direta do LED (IF) a um valor dentro do máximo absoluto e da faixa de operação desejada. O valor do resistor necessário é (Vdrive - VF) / IF. 2.Carga de Saída:O transistor de saída atua como um sumidouro de corrente. O resistor de carga (ligado entre VCC e o pino 6) deve ser escolhido para definir o balanço de tensão de saída desejado e a velocidade de comutação. Um resistor menor aumenta a velocidade, mas também aumenta o consumo de energia. 3.Velocidade vs. Estabilidade:Ligar um resistor (tipicamente de 10kΩ a 1MΩ) do pino da base (7) ao terra pode melhorar a estabilidade e a imunidade ao ruído, mas reduzirá a CTR e diminuirá a velocidade de comutação. Um capacitor pode ser adicionado em paralelo para uma filtragem adicional. 4.Desacoplamento da Fonte de Alimentação:Uma boa prática envolve colocar um capacitor cerâmico de 0,1 µF próximo ao pino VCC (8) em relação ao terra para suprimir o ruído.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

A principal diferenciação da família 6N138/6N139 reside na sua configuração Darlington dividida e na CTR muito alta. Em comparação com fotocopladores padrão de transistor único (por exemplo, série 4N25), estes dispositivos oferecem uma sensibilidade significativamente maior, permitindo que sejam acionados diretamente por lógica CMOS de baixa corrente. Comparados com isoladores digitais mais recentes, eles oferecem uma solução analógica mais simples e altamente rentável para aplicações que requerem isolamento básico sem a necessidade de velocidade ultra-alta ou protocolos complexos. A disponibilidade de um pino de base proporciona aos projetistas um grau único de liberdade para ajustar a resposta em frequência e a imunidade ao ruído.

8. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P1: Qual é a principal diferença entre o 6N138 e o 6N139?

R1: As principais diferenças estão nas suas especificações elétricas. O 6N139 geralmente oferece um desempenho melhor: uma CTR mínima mais alta (500% vs. 300% com IF=1,6mA), uma corrente de fuga de saída mais baixa no estado desligado e características de comutação ligeiramente diferentes nos testes. O 6N138 é a variante com especificações mais baixas.

P2: Como escolho o valor do resistor limitador de corrente de entrada?

R2: Determine a corrente direta necessária (IF) para a sua aplicação (por exemplo, 1,6 mA para um bom equilíbrio entre velocidade e CTR). Meça ou use o VF típico da ficha técnica (1,3V). Se a sua tensão de acionamento for 5V, o resistor R = (5V - 1,3V) / 0,0016A = 2312,5Ω. Um resistor padrão de 2,2kΩ seria uma escolha adequada.

P3: Por que o meu fotocoplador está comutando lentamente?

R3: A velocidade de comutação é fortemente influenciada pelo IF e pelo resistor de carga RL. Para aumentar a velocidade, pode: a) Aumentar a corrente de acionamento do LED (IF). b) Diminuir o valor do resistor de carga (RL) no coletor de saída. c) Opcionalmente, usar o pino da base (7) com um pequeno resistor para o terra para remover a carga armazenada, mas isto reduzirá a CTR.

P4: O que significa "Imunidade Transitória de Modo Comum"?

R4: Mede a capacidade do dispositivo de ignorar picos de tensão rápidos que aparecem igualmente nos lados de entrada e saída da barreira de isolamento. Uma CMTI alta (como 1000 V/µs) significa que a saída não irá alternar falsamente devido a tal ruído, o que é crucial em ambientes de energia ruidosos.

9. Caso Prático de Projeto

Caso: Isolamento de um Sinal UART de Microcontrolador para Comunicação RS-232.

A linha TX UART de 3,3V de um microcontrolador precisa ser isolada antes de ser ligada a um chip transceptor RS-232 num plano de terra diferente. Pode ser usado um 6N139. O pino do microcontrolador aciona o LED através de um resistor de 1kΩ (IF ~ (3,3V-1,3V)/1k = 2mA). O coletor de saída (pino 6) é ligado ao pino de entrada do chip RS-232 através de um resistor de pull-up de 4,7kΩ para o VCC (5V) do chip RS-232. O pino da base (7) é deixado aberto ou ligado ao terra através de um resistor grande (por exemplo, 1MΩ) para estabilidade. Este circuito simples fornece um isolamento robusto, protege o microcontrolador de desvios de terra ou surtos na linha RS-232 e mantém a integridade do sinal.

10. Princípio de Funcionamento

O dispositivo opera com base no princípio do acoplamento optoeletrónico. Uma corrente elétrica aplicada aos pinos de entrada (Ânodo e Cátodo) faz com que o Diodo Emissor de Luz (LED) infravermelho emita luz. Esta luz atravessa uma lacuna de isolamento transparente e atinge a região base fotossensível de um par Darlington dividido de fototransistores de silício. A luz incidente gera uma corrente de base, que é amplificada pelos dois estágios do transistor, resultando numa corrente de coletor muito maior na saída. A configuração "dividida" significa tipicamente que a base do primeiro transistor é acessível (pino 7), permitindo polarização externa. O isolamento elétrico completo entre o LED de entrada e os transistores de saída é fornecido pelo pacote de plástico moldado, que possui alta rigidez dielétrica.

11. Tendências e Contexto da Indústria

Fotocopladores como os 6N138/139 representam uma tecnologia de isolamento madura e confiável. As tendências atuais no isolamento de sinais incluem o crescimento de isoladores digitais baseados em CMOS e acoplamento RF ou capacitivo, que oferecem velocidade superior, eficiência energética e integração (múltiplos canais num único pacote). No entanto, os fotocopladores mantêm fortes vantagens em certas áreas: oferecem isolamento de tensão de trabalho muito alto (vários kV), excelente imunidade transitória de modo comum, simplicidade e robustez contra tensões de dv/dt elevadas. Eles são frequentemente preferidos em ambientes industriais de alto ruído, malhas de realimentação de fontes de alimentação e aplicações onde a confiabilidade comprovada e as certificações de segurança são fundamentais. O desenvolvimento de novos materiais de LED e detetores continua a melhorar a velocidade e a CTR dos optoacopladores, garantindo a sua relevância ao lado de tecnologias mais recentes.