TLP291GB-TP.SE

El TLP291GB-TP.SE de Toshiba es un optoacoplador de salida de fototransistor de un solo canal alojado en un encapsulado SOP-4 (SO4) ultrafino de sólo 2,6 x 7,0 x 2,1 mm. El dispositivo consta de un diodo emisor de infrarrojos (IRED) de arseniuro de galio (GaAs) acoplado ópticamente a un fototransistor NPN de silicio, lo que proporciona aislamiento galvánico entre los circuitos de entrada y salida.

La designación del rango GB especifica un rango de relación de transferencia de corriente (CTR) de 100% a 400% a IF=5mA y VCE=5V a 25C, lo que significa que la corriente de colector del fototransistor equivale a 1x a 4x la corriente de avance del LED. Este rango CTR relativamente alto hace que el rango GB sea adecuado para aplicaciones de accionamiento de baja corriente en las que el presupuesto de corriente de entrada del LED es limitado, como los circuitos de aislamiento accionados por GPIO de microcontrolador.

Las principales especificaciones eléctricas son: tensión de ruptura colector-emisor (VCEO) de 80 V como mínimo, corriente de avance nominal de 50 mA como máximo, corriente de colector nominal de 50 mA como máximo, tensión de saturación colector-emisor (VCE(sat)) de 0,3 V como máximo a IC=2,4 mA, IF=8 mA y disipación de potencia total del paquete de 200 mW. La tensión directa del LED de entrada suele ser de 1,25 V a IF=5 mA, con una tensión inversa nominal máxima de 5 V.

El dispositivo proporciona una tensión de aislamiento mínima de 3750 Vrms (probada durante 1 minuto), lo que lo hace adecuado para aplicaciones de aislamiento reforzado en fuentes de alimentación, controladores lógicos programables (PLC) e interfaces de comunicación. La distancia de fuga y el espacio libre son ambos de 5,0 mm como mínimo, con un grosor de aislamiento de 0,4 mm como mínimo, cumpliendo los requisitos de construcción para optoacopladores con certificación de seguridad.

Las características de conmutación incluyen un tiempo de subida típico de 2us y un tiempo de bajada de 3us (a VCC=10V, IC=2mA, RL=100 ohm), con un tiempo de encendido típico de 3us y un tiempo de apagado típico de 3us. Estas velocidades de conmutación moderadas hacen que el dispositivo sea más adecuado para el aislamiento de señales que para la comunicación de datos a alta velocidad.

El TLP291GB-TP.SE cuenta con todas las homologaciones de seguridad: UL 1577 (nº de expediente E67349), cUL (CSA Component Acceptance Service nº 5A), EN 60747-5-5 (VDE), EN IEC 62368-1 (VDE) y GB 4943.1-2022 (CQC). La opción VDE (sufijo V4) proporciona una certificación adicional con una tensión de aislamiento operativa máxima de 707 Vpk y una sobretensión máxima admisible de 6000 Vpk.

El sufijo TP indica un embalaje en cinta y bobina con 2500 unidades por bobina, adecuado para el montaje SMT automatizado. El sufijo SE indica la versión mejorada con características de conmutación mejoradas. Nota: Toshiba marca el TLP291 como No recomendado para nuevos diseños y recomienda el TLP291(SE o TLP293 como productos de sustitución para nuevos diseños. El dispositivo funciona en un amplio rango de temperaturas de -55C a 110C y cumple la directiva RoHS.

El TLP291GB-TP.SE funciona como optoacoplador de salida de fototransistor, convirtiendo las señales eléctricas de entrada en señales ópticas y de vuelta a señales eléctricas para lograr el aislamiento galvánico entre circuitos.

Etapa de entrada (LED): El lado de entrada consiste en un diodo emisor de infrarrojos (IRED) de arseniuro de galio (GaAs). Cuando la corriente de avance (IF) fluye a través del LED, éste emite radiación infrarroja a una longitud de onda de aproximadamente 940 nm. La caída de tensión en el LED suele ser de 1,25 V a IF=5 mA. El LED debe ser alimentado con una resistencia limitadora de corriente calculada a partir de la tensión de alimentación: R = (VDRIVE - VF) / IF, donde VF es la tensión directa del LED. Las corrientes de accionamiento típicas oscilan entre 1mA y 20mA para aplicaciones de aislamiento de señal.

Acoplamiento óptico: La luz infrarroja del LED se propaga a través de una capa aislante dieléctrica transparente dentro del paquete. Esta capa aislante proporciona la barrera de aislamiento galvánico con un grosor mínimo de 0,4 mm, alcanzando una tensión de aislamiento de 3750 Vrms. La eficacia del acoplamiento óptico entre el LED y el fototransistor determina la relación de transferencia de corriente (CTR). Para el rango GB, la CTR oscila entre 100% y 400% en las condiciones de prueba especificadas, lo que significa IC = CTR x IF.

Etapa de salida (Fototransistor): El lado de salida está formado por un fototransistor NPN de silicio. Cuando los fotones infrarrojos del LED inciden en la unión base-colector del fototransistor, generan pares electrón-hueco (fotocorriente) en la región de la base. Esta fotocorriente actúa como accionamiento de la base del transistor NPN, haciendo que fluya una corriente de colector mayor. El fototransistor proporciona fotodetección y amplificación de corriente en un único dispositivo, razón por la cual el CTR puede superar los 100%: la ganancia de corriente del fototransistor (hFE) amplifica la fotocorriente inicial.

Comportamiento del CTR: El CTR no es constante y varía con: (1) Corriente directa IF: el CTR suele alcanzar su valor máximo a IF=5-10mA y disminuye tanto a corrientes más bajas como más altas; (2) Temperatura: el CTR disminuye a temperaturas superiores a 25C debido a la reducción de la eficiencia del LED y de la ganancia del fototransistor; (3) Edad: el CTR se degrada con el tiempo debido a la degradación de la salida del LED, normalmente 10-20% a lo largo de 10 años a la corriente nominal. Los márgenes de diseño deben tener en cuenta estas variaciones, especialmente cuando se utiliza el CTR mínimo de 100% del rango GB.

Comportamiento de conmutación: La velocidad de conmutación del fototransistor está limitada por su área de unión relativamente grande (necesaria para una alta fotosensibilidad) y los efectos de almacenamiento de carga. El tiempo de subida (tr) y el tiempo de bajada (tf) suelen ser de 2-4us y 3-7us respectivamente. El apagado es más lento que el encendido porque el fototransistor debe eliminar la carga almacenada en la base sin una resistencia pull-down de base dedicada. Para una conmutación más rápida, se puede añadir una resistencia base-emisor, o se debe seleccionar una arquitectura de optoacoplador más rápida (por ejemplo, fotodiodo + amplificador).

Aislamiento: El aislamiento galvánico se consigue mediante la separación física entre los chips del LED y del fototransistor, con sólo un acoplamiento óptico que salva la distancia. La barrera de aislamiento soporta 3750 Vrms durante 1 minuto y proporciona un aislamiento continuo a tensiones de trabajo de hasta la tensión nominal de aislamiento. La capacitancia parásita a través de la barrera de aislamiento (normalmente 0,5-1pF) limita la inmunidad transitoria en modo común, mientras que la resistencia de aislamiento supera los 10^12 ohmios.