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Nel moderno mercato degli accoppiatori ottici, gli utenti premono per ottenere una superiore efficienza, maggiori temperature operative e minime possibilità di malfunzionamento. Gli utenti auspicano anche più ampi margini di manovra a livello progettuale, il che si traduce in superiori livelli di caratteristiche. Ad esempio, gli utenti richiedono valori minimi e massimi predeterminati del parametro CTR (Current Transfer Ratio) unitamente a minori variazioni dello stesso. La gamma CTR viene verificata mediante bin test nei quali il valore CTR-CE viene misurato in specifiche condizioni di prova. Disponendo di tali parametri, gli utenti hanno la possibilità di realizzare design dalle superiori caratteristiche prestazionali.
Gli utenti ricercano anche un optoaccoppiatore in grado di funzionare a bassa corrente, pertanto i produttori devono definire le specifiche di funzionamento dell’accoppiatore anche per le alte temperature. Per esempio, la sorgente ottica non è efficiente a bassa corrente tanto quanto lo è in presenza di correnti più elevate. Assumiamo che l’utente debba utilizzare un classico foto accoppiatore a fototransistor come il dispositivo FOD817 nell’ambito di un convertitore DC-DC isolato nell’ambito del loop di feedback. Nel corso degli anni i requisiti progettuali hanno permesso di ridurre il livello di corrente dell’foto accoppiatore a fototransistor. Sebbene un simile tipo di optoaccoppiatore possa funzionare egualmente, il dispositivo FOD817 e altri prodotti similari non sono corredati da specifiche operative per basse correnti del LED. Questo problema è stato risolto con l’introduzione dei dispositivi della serie FOD8801 OptoHiT™, che forniscono specifiche verificate rispetto alla temperatura per correnti del LED fino a 1mA. Ne consegue che i progettisti possono realizzare design maggiormente accurati rispetto alla costruzione di prototipi e all’esecuzione di test di qualifica.
Per rispondere a queste esigenze Fairchild Semiconductor ha implementato un tipo differente di LED (Light Emitting Diode) a infrarossi (IR) che utilizza un materiale chiamato arseniuro di gallio-alluminio (AlGaAs). Il LED IR AlGaAs è caratterizzato da superiore velocità e migliori caratteristiche di temperatura e uniformità di funzionamento, oltre a essere notevolmente più efficiente alle basse correnti rispetto ai LED IR all’arseniuro di gallio (GaAs) normalmente utilizzati nella maggior parte degli optoaccoppiatori a fototransistor. Fairchild utilizza inoltre la tecnologia di packaging coplanare proprietaria OPTOPLANAR®, la quale assicura una capacitanza input/output (CIO) inferiore del 30% rispetto ai package face-to-face anche nei casi in cui le dimensioni siano particolarmente contenute, come nel tipo MFP (Mini-Flat Package) half-pitch. Lo spessore interno di separazione ottica di 0,4 millimetri assicura un grado elevato di isolamento, evitando ai progettisti di sacrificare tali caratteristiche a vantaggio della compattezza del package (si veda in proposito l’immagine seguente).
Package coplanare OPTOPLANAR®
Una risposta ai requisiti tecnologici
I nuovi dispositivi Fairchild della serie OptoHiT™ rispondono alle esigenze degli utenti fornendo un’eccellente linearità del parametro CTR alle alte temperature e con corrente in entrata estremamente bassa (IF=1mA). Le eccellenti caratteristiche di questi dispositivi derivano dall’impiego dei più efficienti LED IR AlGaAs. Il dispositivo FODM8801 è composto da un LED IR all’arseniuro di gallio-alluminio accoppiato otticamente a un fototransistor al silicio. Il dispositivo fornisce intervalli CTR garantiti tramite bin test in modalità operativa saturata/non saturata e capacità di commutazione in un’ampia gamma di temperature d’impiego (da -40°C a 125°C), assicurando una superiore flessibilità progettuale. Grazie alla superiore stabilità del dispositivo FODM8801 in un vasto intervallo di temperature operative, la deriva e il degrado del parametro CTR non costituiscono un problema anche nel caso di design destinati alle condizioni d’impiego più difficili.
Il dispositivo FODM8801 utilizza la tecnologia di packaging coplanare proprietaria OPTOPLANAR per fornire elevati livelli di isolamento e resistenza ai disturbi ad alte temperature operative. La tecnologia di packaging coplanare permette all’elemento di sopportare tensioni elevate anche con package di ridotte dimensioni e assicura una bassa reiezione di modo comune CMTi (Common Mode Transient immunity) grazie a una capacitanza del package tre volte inferiore.
Il dispositivo FODM8801 utilizza un compatto package half-pitch mini-flat a 4 pin (4,4×2,5mm, passo fra i piedini di 1,27mm) che consente di risparmiare spazio prezioso su scheda e assicura una superiore flessibilità a livello progettuale, contribuendo a ridurre i costi di sistema complessivi.
Il dispositivo FODM8801 offre inoltre un’alta tensione di isolamento (VISO=3750V) che contribuisce ad accrescere l’affidabilità e a rispettare lo standard ambientale ROHS. I dispositivi appartenenti alla linea OptoHiT sono ideali per applicazioni industriali quali alimentatori, contatori intelligenti e controlli del movimento, oltre che per applicazioni consumer quali caricabatterie e convertitori.
Le sfide
Le sfide legate agli accoppiatori ottici che gli sviluppatori sono chiamati a superare riguardano le alte temperature, l’affidabilità e la riduzione dei costi.
Molti progettisti si interrogano in merito al degrado delle caratteristiche dei LED nell’arco della vita operativa dei sistemi che li utilizzano. Il degrado del LED, che si riferisce alla riduzione permanente a lungo termine della sua efficienza, dipende da vita utile, temperatura operativa e corrente del LED stesso. Il degrado del LED riduce il CTR nel lungo periodo. Quando il LED funziona a bassa corrente, il degrado a lungo termine è minimo. Con basse correnti di funzionamento un incremento della temperatura operativa ha il massimo influsso sull’efficienza del LED nel breve periodo. La temperatura di giunzione è il fattore che influisce maggiormente sull’efficienza del LED. Anziché preoccuparsi della variazione CTR nel lungo periodo, in cui il degrado a bassa corrente (IF< 5mA) è valutabile nello 0,1% per 1.000 ore di funzionamento, consideriamo che una variazione del 50% può verificarsi nell’arco di pochi minuti a causa di un forte cambiamento della temperatura. Per esempio, il CTR del dispositivo FOD817 può diminuire fino al 50% se la temperatura ambiente cresce di 50⁰C. Un simile incremento della temperatura può verificarsi anche in soli cinque minuti. Questo effetto può passare inosservato in quanto il CTR ritorna sui valori originari quando la temperatura ambiente scende ai valori iniziali. La maggior parte delle schede informative riporta unicamente le caratteristiche tecniche relative al funzionamento a temperatura ambiente.
La velocità del fototransistor è determinata dalla fotocorrente sviluppata dal LED, dal guadagno di corrente del transistor (hfe) e dalle condizioni del carico. Al calare del flusso del LED la temporizzazione varia. Se un design opera correttamente nella gamma di temperature stabilita con bassa corrente, le variazioni nel lungo periodo saranno minime.
La buona notizia è che i nuovi optoaccoppiatori a fototransistor sviluppati da Fairchild, come i dispositivi FODM8801, FODM453 e HCPL4503, utilizzano il LED IR AlGaAs, che fornisce prestazioni notevolmente superiori rispetto ai normali LED GaAs impiegati nella maggior parte degli accoppiatori ottici. Si veda in proposito il grafico allegato, che illustra le significative differenze tra il LED IR AlGaAs a 880nm e il LED IR GaAs standard a 840nm. La luce emessa dal LED IR AlGaAs diminuisce soltanto dello 0,225%/⁰C con una corrente operativa di 1mA. Ciò significa che con una variazione di 50⁰C della temperatura di giunzione la luce emessa dal LED diminuirà soltanto dell’11%. Nel caso del LED GaAs, alla stessa corrente operativa (IF=1mA) un incremento di 50⁰C della temperatura di giunzione comporterà tipicamente la perdita del 50% (-1%/⁰C) della luce emessa. Non soltanto dunque i LED AlGaAs sono più efficienti (nell’ordine di 2-3 volte), ma sono anche 4,5 volte più stabili termicamente rispetto ai vecchi e poco efficienti LED GaAs, generalmente caratterizzati da una variazione di processo di 4:1. La conseguenza è rappresentata dalla possibilità di estendere la vita operativa del LED grazie a correnti e temperature più basse.
Si noti che il grafico allegato si riferisce a dati tipici non garantiti.
Fairchild è attivamente impegnata a migliorare le specifiche prestazionali dei propri accoppiatori ottici. Per quanto riguarda il dispositivo FODM8801 vengono indicate tre gamme CTR differenti. Il rapporto tra minimo e massimo rimane uguale, ma le tre gamme CTR presentano significative sovrapposizioni. I LED impiegati sono gli stessi ma il guadagno del transistor (hfe) viene regolato in modo da offrire bin CTR differenti. Ciò offre all’utente la possibilità di utilizzare la porzione inferiore dell’area di guadagno per privilegiare la velocità, oppure la porzione superiore qualora il guadagno sia maggiormente critico rispetto all’ampiezza di banda.
Nel caso in cui siano richiesti livelli superiori di precisione/tolleranza si possono valutare prodotti che offrono valori CTR garantiti. In linea generale, la preselezione dei LED e la realizzazione di un amplificatore con feedback vengono effettuate a livello di fabbrica, in modo da lasciare all’utente unicamente la gestione della variazione del LED e dell’accoppiamento. Per esempio, nel caso dell’optoaccoppiatore ad alta velocità FOD8012, anche la variazione viene eliminata sostituendo il fototransistor con un circuito CMOS.
Nuovi sbocchi di mercato per gli optoaccoppiatori ad alta velocità e con gate drive
Oltre ai progressi compiuti negli accoppiatori ottici standard, si stanno aprendo nuovi mercati per gli optoaccoppiatori ad alta velocità e con gate drive per motori e applicazioni solari, settori in cui gli utenti richiedono superiori livelli di isolamento rispetto ai 600V standard. Gli accoppiatori ottici con gate drive sviluppati da Fairchild forniscono fino a 1.414V di tensione operativa e una valore VIORM/VISO di 5.000V. Secondo IMS Research il mercato degli optoaccoppiatori ad alta velocità, comprendente gli accoppiatori ottici con gate drive, crescerà a un tasso del 14,5% tra il 2009 e il 2016 (il relativo fatturato nel 2010 ha superato quello dei fototransistor).
Gli optoaccoppiatori a fototransistor sono diffusi da oltre 40 anni e la loro popolarità è diffusa ancora oggi. I progressi descritti precedentemente – gamma CTR, linearità, range di temperature e bassa corrente in entrata nel drive – facilitano il lavoro di progettazione e semplificano la messa a punto da parte di design atti a gestire le condizioni più difficili.
(di Joyce Patrick, Regional Marketing Manager, Optocoupler Products (EMEA) e Robert Krause, Applications Engineer, Optocoupler Products)
