Ficha Técnica do Fotocoplador ELQ3H4 - Pacote SSOP de 16 Pinos - Entrada CA - CTR 20-300% - Isolamento 3750Vrms - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

A série ELQ3H4 representa uma família de isoladores opticamente acoplados projetados para aplicações de alta densidade que exigem isolamento de sinal confiável. O componente central consiste num díodo emissor de luz (LED) de Arsenieto de Gálio (GaAs) opticamente acoplado a um fototransistor de silício NPN, tudo alojado num compacto pacote Shrink Small Outline (SSOP) de 16 pinos. Uma característica fundamental deste pacote é o seu escudo de luz integrado, que minimiza eficazmente o impacto da luz ambiente no desempenho do fototransistor, melhorando a integridade do sinal em ambientes elétricos ruidosos.

Este dispositivo foi projetado para aceitar sinais de entrada CA diretamente, eliminando a necessidade de circuitos retificadores externos em muitas aplicações. A sua principal proposta de valor reside na combinação de um fator de forma muito reduzido (perfil de 2,0mm) com um desempenho de isolamento robusto (3750 V_rms) e conformidade com as principais normas internacionais de segurança e ambiente.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

O fotocoplador ELQ3H4 oferece várias vantagens distintas. A sua construçãolivre de halogéneose conformidade com as diretivas RoHS e sem chumbo tornam-no adequado para projetos ecologicamente conscientes. O dispositivo possui aprovações de agências de segurança líderes, incluindo UL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC, facilitando a sua utilização em produtos destinados a mercados globais com requisitos regulamentares rigorosos.

As principais aplicações-alvo estão na automação e medição industrial, onde a imunidade ao ruído e a segurança são primordiais. Estas incluem:

• Controladores Lógicos Programáveis (CLPs/PLCs):Para isolar sinais digitais de I/O, barramentos de comunicação ou entradas de sensores analógicos da unidade central de processamento.
• Instrumentos de Medição:Fornecendo isolamento em sistemas de aquisição de dados, multímetros ou osciloscópios para proteger circuitos sensíveis de pontos de teste de alta tensão.
• Circuitos Integrados Híbridos e Fontes de Alimentação:Funcionando como elemento de realimentação em fontes de alimentação comutadas isoladas ou dentro de módulos híbridos personalizados para acionamento de portas ou condicionamento de sinal.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

Uma compreensão completa dos parâmetros elétricos e ópticos é crucial para um projeto de circuito confiável. As secções seguintes fornecem uma análise detalhada das especificações-chave.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. A operação nestas condições não é pretendida. Os limites-chave para o ELQ3H4 incluem:

• Entrada (Lado do LED):Uma corrente direta contínua (I_F) de ±60mA e uma corrente de pulso de 1μs (I_FP) de 1A. A dissipação de potência por canal é de 70mW, com redução de 0,7mW/°C.
• Saída (Lado do Fototransistor):Uma corrente de coletor (I_C) de 50mA. A tensão coletor-emissor (V_CEO) é de 80V, enquanto a tensão emissor-coletor (V_ECO) é mais baixa, 7V, indicando a assimetria das características de ruptura do fototransistor. A dissipação de potência na saída é de 150mW por canal, com redução de 1,4mW/°C.
• Isolamento & Ambiente:O dispositivo suporta uma tensão de isolamento (V_ISO) de 3750 V_rmsdurante um minuto. A gama de temperatura de operação é de -55°C a +110°C.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes parâmetros definem o desempenho do dispositivo em condições normais de operação (T_A=25°C salvo indicação em contrário).

Características de Entrada:A tensão direta (V_F) do LED de GaAs é tipicamente 1,2V a I_F= 20mA, com um máximo de 1,4V. A capacitância de entrada (C_in) é até 250pF, o que pode afetar o desempenho de comutação em alta frequência.

Características de Saída:A corrente de coletor-emissor no escuro (I_CEO) é no máximo 100nA a V_CE=20V com o LED desligado, representando a fuga do fototransistor. As tensões de ruptura (BV_CEO=80V, BV_ECO=7V) confirmam a estrutura assimétrica.

Características de Transferência (T_A= -40 a 85°C):Este é o cerne do desempenho do fotocoplador.

• Taxa de Transferência de Corrente (CTR):Definida como (I_C/ I_F) * 100% em condições especificadas. O ELQ3H4 tem uma gama de CTR muito ampla, de 20% a 300% a I_F= 1mA, V_CE= 5V. Esta grande dispersão exige um projeto de circuito cuidadoso ou a seleção por lotes (binning) para aplicações precisas.
• Razão CTR (CTR1/CTR2):Este parâmetro, variando de 0,5 a 2,0, indica a correspondência entre canais num dispositivo multicanal ou a consistência do CTR sob operação CA. Uma razão de 1,0 representa uma correspondência perfeita.
• Tensão de Saturação: V_CE(sat)é tipicamente 0,1V (máx. 0,2V) a I_F=20mA, I_C=1mA, indicando boas características de comutação quando levado à saturação.
• Parâmetros de Isolamento:A resistência de isolamento (R_IO) é no mínimo 5 x 10¹⁰Ω, e a capacitância de isolamento (C_IO) é tipicamente 0,3pF (máx. 1,0pF). A baixa capacitância é crítica para rejeitar ruído de modo comum de alta frequência.
• Velocidade de Comutação:O tempo de subida (t_r) e o tempo de descida (t_f) são especificados com um máximo de 18μs cada, sob a condição de teste V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω. Isto indica que o dispositivo é adequado para sinalização digital de baixa a média frequência, não para transmissão de dados de alta velocidade.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia curvas eletro-ópticas típicas. Embora os gráficos específicos não sejam reproduzidos no texto fornecido, eles tipicamente ilustram as seguintes relações críticas para o projeto:

• CTR vs. Corrente Direta (I_F):Mostra como a eficiência de transferência muda com a corrente de acionamento do LED. O CTR frequentemente diminui em I_Fmuito altas devido à queda de eficiência do LED.
• CTR vs. Temperatura:Ilustra a dependência da eficiência de acoplamento com a temperatura, que tipicamente diminui à medida que a temperatura aumenta.
• Tensão Direta (V_F) vs. Temperatura:Mostra o coeficiente de temperatura negativo da tensão direta do LED.
• Corrente de Coletor (I_C) vs. Tensão Coletor-Emissor (V_CE):As características de saída do fototransistor para diferentes correntes de entrada, semelhantes às curvas de um transistor bipolar.
• Tempo de Comutação vs. Resistência de Carga (R_L):Demonstra como os tempos de subida e descida são afetados pela carga de saída. Uma R_Lmaior geralmente aumenta o tempo de subida devido ao aumento da constante de tempo RC.

Os projetistas devem consultar os dados gráficos completos para otimizar os pontos de operação para os seus requisitos específicos relativos a velocidade, consumo de energia e estabilidade térmica.

4. Informações Mecânicas e de Pacote

4.1 Dimensões e Disposição do Pacote

O ELQ3H4 utiliza um SSOP de 16 pinos com um perfil baixo de 2,0mm, permitindo montagem em PCB de alta densidade. A ficha técnica inclui um desenho dimensionado detalhado especificando o comprimento, largura, altura, passo dos terminais e dimensões dos terminais do pacote. A adesão a estas especificações mecânicas é essencial para um encaixe adequado na PCB e nos equipamentos de montagem automatizada.

A Um padrão de solda recomendadopara montagem em superfície é fornecido. Seguir este padrão de solda é crítico para garantir a formação confiável das juntas de solda, a resistência mecânica adequada e para evitar problemas como o efeito "lápide" durante a soldagem por refluxo. O padrão considera a formação do filete de solda e o alívio térmico.

4.2 Marcação e Polaridade do Dispositivo

O dispositivo é marcado no topo do pacote. A marcação segue o formato:EL Q3H4 YWW V.

• EL:Identificador do fabricante.
• Q3H4:Número do dispositivo.
• Y:Código de um dígito para o ano.
• WW:Código de dois dígitos para a semana.
• V:Marcação opcional indicando aprovação VDE.

A orientação correta é vital. O indicador do pino 1 no pacote (tipicamente um ponto, um entalhe ou uma borda chanfrada) deve estar alinhado com o marcador do pino 1 na impressão da PCB. A inserção incorreta impedirá o funcionamento do dispositivo e pode causar danos.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

5.1 Condições de Soldagem por Refluxo

O dispositivo é adequado para soldagem por refluxo em superfície. A ficha técnica especifica um perfil crítico detemperatura máxima do corpoconforme a IPC/JEDEC J-STD-020D. Os parâmetros-chave incluem:

• Pré-aquecimento:150°C a 200°C durante 60-120 segundos.
• Tempo Acima do Líquidus (T_L=217°C):60-100 segundos.
• Temperatura de Pico (T_P):Máximo de 260°C.
• Tempo dentro de 5°C do Pico:Máximo de 30 segundos.
• Ciclos de Refluxo Máximos:3 vezes.

Aderir estritamente a este perfil previne danos térmicos ao pacote plástico, às ligações internas por fio e ao chip semicondutor. Exceder a temperatura de pico ou o tempo a temperatura pode levar a delaminação, fissuras ou desvios paramétricos.

5.2 Manuseio e Armazenamento

Devem ser observadas as precauções padrão contra Descarga Eletrostática (ESD), uma vez que o LED interno de GaAs e o fototransistor de silício são suscetíveis a danos por eletricidade estática. Utilize estações de trabalho e pulseiras aterradas. Os dispositivos devem ser armazenados nas suas embalagens originais de barreira à humidade com dessecante num ambiente controlado (tipicamente <40°C/90% HR) para evitar a absorção de humidade, que pode causar o efeito "pipoca" durante o refluxo.

6. Embalagem e Informação de Encomenda

6.1 Numeração de Modelo e Opções

A estrutura do número de peça é:ELQ3H4(Z)-V.

• Z (Opção de Embalagem):"TA" denota embalagem em Fita e Bobina. Se omitido, o padrão é embalagem em Tubo.
• V (Opção de Aprovação):Denota marcação de aprovação VDE.

Quantidades de Embalagem:A opção Tubo contém 40 unidades por tubo. A opção Fita e Bobina (TA) contém 1000 unidades por bobina.

6.2 Especificações da Fita e Bobina

São fornecidas dimensões detalhadas para a fita transportadora, incluindo tamanho do bolso (A0, B0, D0, D1), passo (P0) e dimensões da bobina. Esta informação é necessária para configurar corretamente as máquinas automáticas pick-and-place. A largura da fita (W) é de 16,0mm ± 0,3mm, e a direção de alimentação é especificada.

7. Considerações de Projeto de Aplicação

7.1 Projeto do Circuito de Entrada

Para operação comentrada CA, o LED pode ser acionado diretamente por um sinal CA. Um resistor limitador de corrente é obrigatório para definir a corrente direta desejada (I_F). O seu valor deve ser calculado com base na tensão de pico do sinal CA, na V_Fdo LED e na I_Fdesejada. Como o LED é um díodo, ele só conduzirá durante os semiciclos, a menos que um retificador de ponte seja usado à sua frente para operação em onda completa. A ampla gama de CTR significa que a corrente de saída variará significativamente entre dispositivos se uma I_Ffixa for usada. Para um desempenho mais consistente, considere usar uma I_Fmais alta (onde a variação do CTR pode ser menor) ou implementar realimentação.

3.2 Projeto do Circuito de Saída

O fototransistor pode ser usado no modocomutaçãooulinear. Para comutação digital, o dispositivo é levado à saturação (I_Fsuficientemente alta para fazer V_CE≈ V_CE(sat)). O resistor de carga (R_L) conectado ao coletor determina a excursão da tensão de saída e afeta a velocidade de comutação (uma R_Lmaior aumenta o tempo de subida). Para aplicações analógicas ou lineares, o fototransistor opera na sua região ativa. No entanto, a não linearidade da curva CTR vs. I_Fe a sua forte dependência da temperatura tornam a operação linear precisa desafiadora sem compensação.

7.3 Imunidade ao Ruído e Disposição

Para maximizar a alta capacidade de isolamento (3750V_rms, baixa C_IO), um layout cuidadoso da PCB é essencial. Mantenha distâncias de rastreamento e de arco adequadas entre os lados de entrada e saída do circuito, conforme as normas de segurança. Utilize um plano de terra, mas considere dividir o plano sob o fotocoplador para minimizar o acoplamento capacitivo através da barreira de isolamento. Capacitores de desacoplamento colocados próximos aos pinos do dispositivo em ambos os lados podem ajudar a suprimir ruído de alta frequência.

8. Comparação Técnica e Orientação de Seleção

Os principais diferenciadores do ELQ3H4 são a suacapacidade de entrada CA, , o pacote SSOP ultracompactoe ascertificações de segurança abrangentes. Ao selecionar um fotocoplador, compare o seguinte com os requisitos do projeto:

• vs. Fotocopladores de Entrada CC:O ELQ3H4 simplifica os circuitos ao eliminar retificadores externos para sinais CA, economizando espaço na placa e custo.
• vs. Pacotes Maiores (DIP, etc.):O SSOP oferece uma economia de espaço significativa, mas pode ter características térmicas ligeiramente diferentes e requer uma montagem mais precisa.
• vs. Optoacopladores de Alta Velocidade:Dispositivos com portas lógicas mais rápidas ou isoladores digitais oferecem taxas de dados muito mais altas (>1 Mbps), mas podem ter classificações de isolamento, requisitos de energia ou estruturas de custo diferentes.
• vs. Fotocopladores com Saída Darlington:Configurações Darlington oferecem CTR muito mais alto (500-1000%), mas têm velocidades de comutação mais lentas e tensões de saturação mais altas.
• Seleção por Lote de CTR:Se o desempenho do circuito for altamente sensível ao ganho, informe-se sobre a disponibilidade de dispositivos selecionados em faixas de CTR mais estreitas (ex.: 100-200%).

9. Perguntas Frequentes (FAQ)

P1: Posso acionar o LED diretamente com uma fonte de tensão?

R1: Não. Um LED é um dispositivo acionado por corrente. Utilize sempre um resistor limitador de corrente em série para controlar I_Fe prevenir danos por sobrecorrente.

P2: Por que o tempo de subida da saída é mais lento que o tempo de descida nas especificações?

R2: Isto é típico para fototransistores. O tempo de subida é limitado pelo tempo necessário para carregar a capacitância da junção do fototransistor através da fotocorrente. O tempo de descida é governado pela descarga desta capacitância através do resistor de carga externo e dos processos internos de recombinação do dispositivo.

P3: Como a temperatura afeta o desempenho?

R3: O CTR geralmente diminui com o aumento da temperatura. A tensão direta (V_F) do LED também diminui. Estes efeitos devem ser considerados em projetos que operam numa ampla gama de temperaturas para garantir limiares de comutação ou linearidade confiáveis.

P4: Qual é o propósito do "efeito de blindagem" mencionado?

R4: O pacote plástico opaco atua como um escudo de luz, impedindo que a luz ambiente atinja o fototransistor. Isto evita o acionamento falso ou correntes de desvio causadas por fontes de luz externas, como iluminação ambiente ou luz solar.

10. Exemplo Prático de Aplicação

Cenário: Deteção Isolada de Rede CA para um Módulo de Entrada de PLC.

Um caso de uso comum é detetar a presença de um sinal CA de 120V de um interruptor ou sensor. O ELQ3H4 é ideal para isto.

1. Circuito de Entrada:O sinal CA de 120V é reduzido através de uma rede de resistores de alto valor e alta tensão para limitar a corrente. Um díodo de proteção em paralelo reverso pode ser colocado em paralelo com o LED para limitar a tensão reversa durante o semiciclo negativo, embora o dispositivo seja classificado para operação CA. O valor do resistor é escolhido para definir I_Fpara um valor nominal de 5-10mA, bem dentro das classificações.
2. Circuito de Saída:O coletor do fototransistor é conectado à tensão de alimentação lógica do PLC (ex.: 3,3V ou 5V) através de um resistor pull-up (R_L). O emissor é ligado à terra. Quando a CA está presente, o fototransistor liga durante os semiciclos condutores, puxando a saída do coletor para baixo. A entrada digital do PLC lê este sinal baixo pulsante. O software pode então fazer debounce ou detetar as passagens por zero para confirmar a presença de CA.
3. Benefícios:Este projeto fornece um isolamento galvânico robusto, protegendo os circuitos sensíveis do PLC de transitórios da rede e falhas. O pacote SSOP compacto permite que muitos desses canais sejam colocados num único módulo.

11. Princípio de Funcionamento

Um fotocoplador opera com base no princípio doacoplamento ópticopara alcançar isolamento elétrico. Um sinal elétrico de entrada aciona um díodo emissor de luz (LED), fazendo-o emitir luz infravermelha proporcional à corrente. Esta luz atravessa um pequeno espaço transparente dentro do pacote e atinge a região da base de um fototransistor de silício. Os fotões incidentes geram pares eletrão-lacuna na base, atuando efetivamente como uma corrente de base. Esta corrente fotogerada é então amplificada pelo ganho do transistor, produzindo uma corrente de coletor que é uma réplica elétrica do sinal de entrada. O ponto-chave é que a transferência do sinal ocorre através da luz, sem conexão elétrica entre a entrada e a saída, criando a barreira de isolamento.

12. Tendências Tecnológicas

O campo do isolamento de sinais continua a evoluir. Embora os acopladores tradicionais baseados em fototransistor, como o ELQ3H4, permaneçam dominantes para aplicações de custo-benefício, velocidade média e alto isolamento, várias tendências são notáveis:

• Maior Integração:Fotocopladores multicanal em pacotes únicos são comuns, reduzindo o espaço na placa e o custo por canal.
• Alternativas de Maior Velocidade:Para comunicação de dados, isoladores digitais baseados em tecnologia CMOS e acoplamento RF ou capacitivo oferecem taxas de dados significativamente mais altas (até centenas de Mbps), menor consumo de energia e melhor consistência temporal, embora frequentemente com classificações de tensão de isolamento diferentes.
• Confiabilidade e Certificação Aprimoradas:Existe um esforço contínuo para métricas de confiabilidade mais altas (taxas FIT), faixas de temperatura de operação mais amplas e obtenção de certificações para normas emergentes, particularmente em aplicações automotivas (AEC-Q100) e médicas.
• Miniaturização do Pacote:A busca por pacotes cada vez menores e mais finos continua a permitir produtos finais mais compactos, como visto no perfil de 2,0mm do SSOP utilizado no ELQ3H4.