EL815 سلسلة فوتودارلينجتون فوتوكوبلر - 4 دبابيس DIP - عزل 5000 فولت RMS - CTR 600-7500% - نطاق درجة الحرارة -55 إلى +110°C - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة EL815 عائلة من مقاومات العزل الضوئية (فوتوكوبلر) عالية الأداء من نوع فوتودارلينجتون، مُحكمة في عبوة مزدوجة الخطوط (DIP) مدمجة ذات 4 دبابيس. الوظيفة الأساسية لهذا الجهاز هي توفير عزل كهربائي ونقل إشارة بين دائرتين لهما جهود أو معاوقات مختلفة. يحقق ذلك باستخدام صمام ثنائي باعث للضوء (LED) يعمل بالأشعة تحت الحمراء على جانب المدخلات، مقترن ضوئيًا بترانزستور فوتودارلينجتون على جانب المخرجات. يضمن هذا التصميم عزلًا كهربائيًا كاملاً، مما يمنع حلقات التأريض ويحمي الدوائر الحساسة من الارتفاعات المفاجئة في الجهد أو الضوضاء المنبعثة من الدائرة الأخرى.

يوفر تكوين الفوتودارلينجتون نسبة نقل تيار (CTR) عالية جدًا، مما يجعله حساسًا للغاية ومناسبًا للتطبيقات التي تحتاج فيها تيار دخل صغير للتحكم في تيار خرج أكبر. الميزة الرئيسية لهذه السلسلة هي امتثالها لمعايير السلامة والبيئة الدولية المختلفة، بما في ذلك متطلبات الخالية من الهالوجين، وRoHS، وEU REACH، مما يجعلها مناسبة للأسواق العالمية والتصاميم الواعية بيئيًا.

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم الحدود التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• تيار الأمامي للمدخلات (I_F): 60 مللي أمبير (تيار مستمر). هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تمريره عبر صمام LED الأشعة تحت الحمراء المدخل.
• تيار الذروة الأمامي (I_FP): 1 أمبير لمدة 1 ميكروثانية نبضة. يمكن لـ LED تحمل نبضات تيار عالية قصيرة، وهو أمر مفيد لظروف تبديل أو عابرة معينة.
• الجهد العكسي للمدخلات (V_R): 6 فولت. أقصى جهد انحياز عكسي يمكن تطبيقه عبر صمام LED المدخل.
• جهد المجمع-الباعث (V_CEO): 35 فولت. أقصى جهد يمكن تحمله بين مجمع وباعث ترانزستور الفوتودارلينجتون المخرج عندما تكون القاعدة مفتوحة.
• تيار المجمع (I_C): 80 مللي أمبير. أقصى تيار مستمر يمكن لترانزستور المخرج استنزافه.
• تبديد الطاقة الكلي (P_TOT): 200 ملي واط. أقصى طاقة مجمعة يمكن تبديدها بواسطة أقسام المدخلات والمخرجات للجهاز.
• جهد العزل (V_ISO): 5000 فولت_RMSلمدة دقيقة واحدة. تحدد هذه المعلمة الحرجة قدرة العزل عالي الجهد بين جانبي المدخلات والمخرجات، تم اختبارها مع تقصير الدبابيس 1-2 وتقصير الدبابيس 3-4.
• درجة حرارة التشغيل (T_OPR): من -55°C إلى +110°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي تم تحديد الجهاز للعمل ضمنه.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات تحت ظروف اختبار محددة (عادةً T_a= 25°C) وتحدد أداء الجهاز.

2.2.1 خصائص المدخلات

• الجهد الأمامي (V_F): عادةً 1.2 فولت، بحد أقصى 1.4 فولت عند I_F= 20 مللي أمبير. هذا هو انخفاض الجهد عبر صمام LED الأشعة تحت الحمراء عند تشغيله.
• التيار العكسي (I_R): بحد أقصى 10 ميكرو أمبير عند V_R= 4 فولت. تيار التسرب الصغير عندما يكون صمام LED في حالة انحياز عكسي.

2.2.2 خصائص المخرجات

• تيار الظلام للمجمع-الباعث (I_CEO): بحد أقصى 1 ميكرو أمبير عند V_CE= 10 فولت، I_F= 0 مللي أمبير. تيار التسرب لترانزستور المخرج عندما يكون صمام LED المدخل مغلقًا.
• جهد التشبع للمجمع-الباعث (V_CE(sat)): عادةً 0.8 فولت، بحد أقصى 1.0 فولت عند I_F= 20 مللي أمبير، I_C= 5 مللي أمبير. الجهد عبر ترانزستور المخرج عندما يكون في حالة تشغيل كامل (مشبع). القيمة الأقل مرغوبة لتقليل فقد الطاقة.

2.2.3 خصائص النقل

• نسبة نقل التيار (CTR): من 600% (الحد الأدنى) إلى 7500% (الحد الأقصى) عند I_F= 1 مللي أمبير، V_CE= 2 فولت. هذه هي المعلمة الأهم لمقاوم العزل الضوئي، تُعرف على أنها (I_C/ I_F) * 100%. يشير النطاق الواسع للغاية إلى أن الجهاز متوفر بمستويات حساسية متعددة. يسمح الـ CTR العالي بنقل إشارة فعال بأقل تيار دخل ممكن.
• مقاومة العزل (R_IO): الحد الأدنى 5 × 10¹⁰أوم عند V_IO= 500 فولت تيار مستمر. يشير هذا إلى المقاومة المستمرة العالية للغاية بين الجانبين المعزولين.
• زمن الصعود (t_r): عادةً 60 ميكروثانية، بحد أقصى 300 ميكروثانية. زمن الهبوط (t_f): عادةً 53 ميكروثانية، بحد أقصى 250 ميكروثانية. تحدد هذه المعلمات، جنبًا إلى جنب مع تردد القطع (f_c) النموذجي البالغ 6 كيلوهرتز، سرعة تبديل الجهاز. يتمتع هيكل الفوتودارلينجتون بطبيعته بأوقات تبديل أبطأ مقارنة بترانزستورات الضوئية أو مقاومات العزل الضوئية المتكاملة (IC)، مما يجعله أكثر ملاءمة لتطبيقات التيار المستمر والتيار المتردد منخفض التردد بدلاً من العزل الرقمي عالي السرعة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات منحنيات الخصائص النموذجية الضرورية لفهم سلوك الجهاز تحت ظروف غير قياسية. بينما لا يتم إعادة إنتاج الرسوم البيانية المحددة في النص، فإن آثارها حاسمة للتصميم.

• CTR مقابل تيار الأمامي (I_F): عادةً، ينخفض CTR مع زيادة تيار الأمامي. يجب على المصممين الرجوع إلى هذا المنحنى لاختيار نقطة التشغيل المثلى لتيار الخرج المطلوب وكفاءة النقل.
• CTR مقابل درجة الحرارة المحيطة (T_a): يعتمد CTR على درجة الحرارة، عادةً ما ينخفض عند درجات الحرارة القصوى. هذا المنحنى حيوي لضمان التشغيل الموثوق عبر نطاق -55°C إلى +110°C المحدد. يجب أن تقلل تصاميم البيئات القاسية من أداء الجهاز بناءً على هذه البيانات.
• تيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث (I_C-V_CE): تُظهر منحنيات المخرجات هذه، المُعلمة بتيارات دخل مختلفة (I_F)، مناطق التشغيل (التشبع، النشط) للفوتودارلينجتون. تُستخدم لتحديد خط الحمل وضمان عمل الجهاز ضمن حدود آمنة ووظيفية.
• أشكال موجات وقت التبديل: توضح دائرة الاختبار ومخطط الموجة كيفية قياس زمن الصعود (t_r)، وزمن الهبوط (t_f)، وزمن التأخير عند التشغيل (t_on)، وزمن التأخير عند الإيقاف (t_off). يساعد فهم هذه الأمور في تصميم دوائر التوقيت والتنبؤ بسلامة الإشارة.

4. المعلومات الميكانيكية وعبوة التغليف

4.1 أبعاد العبوة

يُقدم EL815 في ثلاثة خيارات رئيسية لشكل الأطراف، لكل منها رسومات ميكانيكية مفصلة تحدد جميع الأبعاد الحرجة بالمليمترات.

• النوع القياسي DIP: العبوة التقليدية ذات الثقوب المارة مع تباعد دبابيس قياسي.
• النوع M (خيار): يتميز بانحناء واسع للأطراف، مما يوفر تباعد أطراف 0.4 بوصة (حوالي 10.16 ملم)، مما يمكن أن يكون مفيدًا لمتطلبات الزحف والتباعد على لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).
• النوع S1 (خيار): شكل أطراف لمكون سطح التثبيت (SMD) ذو مظهر منخفض. هذا هو البديل SMD للعبوة.

تحافظ جميع العبوات على مسافة زحف أكبر من 7.62 ملم، مما يساهم في تصنيف جهد العزل العالي.

4.2 تحديد القطبية والعلامات

تكوين الدبابيس قياسي لمقاوم العزل الضوئي 4 دبابيس DIP:

1. الأنود (موجب صمام LED المدخل)
2. الكاثود (سالب صمام LED المدخل)
3. الباعث (باعث ترانزستور المخرج)
4. المجمع (مجمع ترانزستور المخرج)

يتم وضع علامة على الجهاز من الأعلى بـ "EL" (تشير إلى السلسلة)، "815" (رقم الجهاز)، يليه رمز سنة مكون من رقم واحد (Y)، ورمز أسبوع مكون من رقمين (WW)، وحرف "V" اختياري للإصدارات المعتمدة من VDE.

4.3 تخطيط اللوحة الموصى به للمكونات السطحية (SMD)

لخيار S1 (تركيب السطح)، توفر ورقة البيانات مخطط تخطيط لوحة مقترح. يتم إعطاء الأبعاد كمرجع، وتنص الملاحظة صراحةً على أن المصممين يجب أن يعدلوا أبعاد اللوحة بناءً على عملية تصنيع لوحة الدوائر المطبوعة المحددة لديهم ومتطلبات الموثوقية.

5. إرشادات اللحام والتجميع

تحدد القيم القصوى المطلقة درجة حرارة اللحام (T_SOL) عند 260°C لمدة 10 ثوانٍ. هذه معلمة حرجة لعمليات لحام إعادة التدفق.

• لحام إعادة التدفق: لتجميع SMD (خيار S1)، يجب استخدام ملف تعريف إعادة تدفق قياسي خالٍ من الرصاص بدرجة حرارة ذروة لا تتجاوز 260°C للوقت المحدد. يجب التحكم في الملف الشخصي لتجنب الصدمة الحرارية.
• لحام الموجة/اليدوي: بالنسبة للعبوات ذات الثقوب المارة (القياسي وخيار M)، يمكن استخدام تقنيات لحام الموجة أو اليدوي القياسية، ولكن يجب الحرص على تحديد وقت تعرض جسم الجهاز لدرجة حرارة عالية.
• ظروف التخزين: نطاق درجة حرارة التخزين محدد من -55°C إلى +125°C. يجب تخزين الأجهزة في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة. بالنسبة للأجزاء SMD الموردة في شريط وبكرة، يجب تخزين البكرة في كيس الحاجز الرطوبة الأصلي مع مجفف إذا كانت الأجهزة حساسة للرطوبة (على الرغم من عدم ذكرها صراحةً على أنها مصنفة MSL في ورقة البيانات هذه).

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 هيكل رمز الطلب

يتبع رقم الجزء التنسيق:EL815X(Z)-V

• X: خيار شكل الطرف.
  • بدون: DIP-4 قياسي (100 وحدة/أنبوب).
  • M: انحناء طرف واسع، تباعد 0.4 بوصة (100 وحدة/أنبوب).
  • S1: شكل طرف تركيب سطح، مظهر منخفض.
• Z: خيار الشريط والبكرة (ينطبق فقط مع S1).
  • TA, TB, TU, TD: مواصفات شريط وبكرة مختلفة تؤثر على كمية التعبئة واتجاه التغذية.
• V: لاحقة اختيارية تشير إلى اعتماد السلامة VDE.

6.2 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توفير رسومات وجداول أبعاد مفصلة للشريط (شريط الناقل، شريط الغطاء) والبكرة. تشمل الأبعاد الرئيسية حجم الجيب (A، B)، قطر الفتحة (D0)، تباعد المكونات (P0)، عرض الشريط (W)، وأبعاد محور البكرة. يختلف خيارا TA وTB في اتجاه التغذية من البكرة، والذي يجب تكوينه بشكل صحيح في معدات الاختيار والوضع الآلية.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 دوائر تطبيقية نموذجية

تدرج ورقة البيانات عدة مجالات تطبيق: هواتف/بدالات، وحدات تحكم تسلسلية، أجهزة النظام، أدوات القياس، ونقل الإشارة بين دوائر ذات جهود/معاوقات مختلفة. يجعل الـ CTR العالي وجهد العزل مناسبًا بشكل خاص لـ:

• عزل مدخلات/مخرجات المتحكم الدقيق: حماية متحكم دقيق منخفض الجهد من إشارات تحكم صناعية ذات جهد أعلى أو ضوضاء.
• استشعار خط التيار المتردد: استخدام مقاوم العزل الضوئي لتوفير تغذية راجعة معزولة من ترياك أو مرحل يقود حمل تيار متردد.
• القضاء على حلقات التأريض: كسر حلقات التأريض في سلاسل الإشارات التناظرية بين أجهزة الاستشعار وأنظمة اكتساب البيانات.
• ترجمة مستوى المنطق مع العزل: توصيل دوائر منطقية تعمل بمستويات جهد مختلفة مع الحفاظ على العزل.

7.2 اعتبارات التصميم

• تحديد تيار المدخلات: يجب دائمًا استخدام مقاوم متسلسل مع صمام LED المدخل لتحديد تيار الأمامي (I_F) إلى القيمة المطلوبة، محسوبة كـ (جهد التغذية - V_F) / I_F.
• تحميل المخرجات: يعمل الفوتودارلينجتون المخرج كمستنزف للتيار. عادةً ما يتم توصيل مقاوم سحب من المجمع إلى جهد تغذية موجب (V_CC). ستحدد قيمة هذا المقاوم والحمل تأرجح جهد الخرج وسرعة التبديل.
• المفاضلة بين السرعة والحساسية: يأتي الـ CTR العالي على حساب سرعات تبديل أبطأ. هذا الجهاز غير مناسب للاتصالات عالية التردد (مثل معزلات رقمية لـ USB، SPI > 10 كيلوهرتز). إنه مثالي لاكتشاف الحالة، وإشارات التحكم البطيئة، ومزامنة خط طاقة التيار المتردد (50/60 هرتز).
• اعتبارات حرارية:** بينما تبديد الطاقة منخفض، فإن التشغيل عند أقصى درجة حرارة تقاطع (مستنتجة من T_OPRحتى 110°C) قد يتطلب تقليل التيارات القصوى المسموح بها أو تبديد الطاقة.

8. المقارنة والتمييز التقني

تحتل سلسلة EL815، كمقاوم دارلينجتون ضوئي، مكانة محددة مقارنة بأنواع مقاومات العزل الضوئية الأخرى:

• مقارنة بمقاومات العزل الضوئية الترانزستورية القياسية: تقدم مقاومات دارلينجتون الضوئية CTR أعلى بكثير (غالبًا أعلى بـ 10-100 مرة) ولكنها أبطأ بكثير. اختر مقاوم عزل ضوئي ترانزستوري للسرعة المعتدلة (عشرات الكيلوهرتز) واختر مقاوم دارلينجتون ضوئي لأقصى حساسية مع تيار دخل منخفض عند الترددات المنخفضة.
• مقارنة بمقاومات العزل الضوئية المتكاملة (مخرجات منطقية): تمتلك مقاومات العزل الضوئية المتكاملة مخرجات رقمية (تبديل نظيف) ويمكن أن تكون سريعة جدًا (نطاق ميغابت/ثانية)، لكن لديها دالة نقل تيار ثابتة، وغالبًا ما تكون أقل، وتتطلب جهد تغذية محددًا على جانب المخرجات. يوفر EL815 مخرج تيار تناظري ويمكن أن يعمل عبر نطاق واسع من جهود المخرجات (حتى V_CEO).
• مقارنة بمقاومات دارلينجتون ضوئية أخرى: المميزات الرئيسية لـ EL815 هي عزلها العالي 5000 فولت_RMS، ونطاق درجة حرارة التشغيل الواسع (-55°C إلى +110°C)، والامتثال لاعتمادات السلامة الدولية الرئيسية (UL، VDE، cUL، SEMKO، إلخ). يسمح التصنيف الواسع لـ CTR (600-7500%) بتوريد أجزاء مصممة خصيصًا لاحتياجات حساسية محددة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: ما هو الغرض من جهد العزل العالي (5000 فولت RMS)؟

ج: يضمن التشغيل الموثوق والسلامة في التطبيقات التي يكون فيها للدوائر المعزولة فرق جهد كبير، كما هو الحال في مصادر الطاقة غير المتصلة بالشبكة، أو تحكمات المحركات الصناعية، أو المعدات الطبية. يحمي من الارتفاعات المفاجئة عالية الجهد ويمنع الانهيار.

س: تحتاج دائري إلى التبديل بتردد 1 كيلوهرتز. هل EL815 مناسب؟

ج: نعم، بالتأكيد. مع تردد قطع نموذجي (f_c) يبلغ 6 كيلوهرتز وأوقات صعود/هبوط بعشرات الميكروثانية، يمكن لـ EL815 التعامل مع التبديل بتردد 1 كيلوهرتز بسهولة. سيكون شكل موجة الخرج مستديرًا، وليس مربعًا، ولكن للتحكم التشغيل/الإيقاف عند هذا التردد، فهو مناسب تمامًا.

س: كيف أختار درجة CTR المناسبة؟

ج: اختر حدًا أدنى لـ CTR يضمن أن ترانزستور المخرج الخاص بك يصل إلى التشبع (يُشغل بالكامل) مع أسوأ حالة (أقل) تيار دخل مخطط له. على سبيل المثال، إذا كان تصميمك يدفع I_F= 1 مللي أمبير وتحتاج I_C> 5 مللي أمبير لتشبع الحمل، فأنت بحاجة إلى CTR > 500%. اختيار جزء من فئة CTR أعلى يوفر هامش تصميم أكبر. استشر دائمًا منحنى CTR مقابل درجة الحرارة لظروف التشغيل الخاصة بك.

س: هل يمكنني استخدام هذا لعزل الإشارات التناظرية؟

ج: بينما ممكن، فهو ليس مثاليًا. إن CTR لمقاومات دارلينجتون الضوئية غير خطي ويتغير بشكل كبير مع درجة الحرارة والتيار الأمامي. للعزل التناظري الدقيق، يوصى بمقاومات العزل الضوئية الخطية المخصصة أو مضخمات العزل. EL815 الأنسب للعزل الرقمي (تشغيل/إيقاف) أو العزل التناظري منخفض الدقة.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو: دخل رقمي معزول لوحدة PLC 24 فولت.

تحتاج وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) إلى قراءة إشارة مستشعر 24 فولت تيار مستمر مع توفير عزل 4000 فولت للسلامة ومناعة الضوضاء.

1. تصميم الدائرة: يتم توصيل مخرج المستشعر 24 فولت على التوالي مع مقاوم محدد للتيار وصمام LED مدخل EL815 (الدبابيس 1-2). يتم حساب قيمة المقاوم لـ I_F≈ 5-10 مللي أمبير عند 24 فولت. على جانب المخرجات، يتم توصيل المجمع (الدبوس 4) عبر مقاوم سحب 10 كيلو أوم إلى مصدر طاقة المنطق الداخلي 3.3 فولت لـ PLC. يتم توصيل الباعث (الدبوس 3) بتأريض PLC الداخلي. تؤخذ إشارة الخرج من المجمع.
2. اختيار المكونات: يتم اختيار EL815 بدرجة CTR تضمن التشبع عند I_F= 5 مللي أمبير. يلبي العزل 5000 فولت_RMSواعتمادات السلامة (UL، VDE) المعايير الصناعية. يتم اختيار عبوة S1 (SMD) لتجميع لوحة دوائر مطبوعة عالي الكثافة.
3. الأداء: عندما يكون المستشعر 24 فولت نشطًا، يتم تشغيل LED، مما يتسبب في توصيل الفوتودارلينجتون، وسحب جهد خرج المجمع إلى مستوى منخفض (إلى V_CE(sat)≈ 0.8 فولت)، والذي تقرأه PLC كمنطق '0'. عندما يكون المستشعر مغلقًا، يكون الفوتودارلينجتون مغلقًا، ويسحب مقاوم السحب الخرج إلى 3.3 فولت (منطق '1'). يحمي حاجز العزل منطق PLC الحساس من أي أعطال أو ارتفاعات مفاجئة على خط مستشعر 24 فولت.

11. مبدأ التشغيل

يعمل EL815 على المبدأ الأساسي للتحويل الكهروضوئي. تسبب إشارة كهربائية مطبقة على جانب المدخلات تيارًا (I_F) للتدفق عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بالأشعة تحت الحمراء. يصدر هذا LED ضوءًا تحت أحمر بكثافة تتناسب مع تيار الأمامي. ينتقل الضوء عبر فجوة عزل شفافة داخل العبوة ويضرب منطقة قاعدة ترانزستور فوتودارلينجتون على جانب المخرجات.

الفوتودارلينجتون هو في الأساس ترانزستوران ثنائيا القطب متصلان بتكوين دارلينجتون، حيث يتم تضخيم التيار الضوئي المتولد في وصلة قاعدة-مجمع الترانزستور الأول (التي تعمل كصمام ثنائي ضوئي) بواسطة الترانزستور الثاني. يوفر هذا الهيكل كسب تيار عالي جدًا (h_FE)، والذي يترجم إلى نسبة نقل التيار العالية (CTR) الملاحظة. وبالتالي يتم التحكم في تيار مجمع الخرج (I_C) بواسطة شدة الضوء المدخل، وبالتالي بواسطة الإشارة الكهربائية المدخلة، دون أي اتصال كهربائي بين الجانبين.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تستمر تكنولوجيا مقاومات العزل الضوئية في التطور. بينما تظل الأجهزة التقليدية مثل EL815 حيوية للتطبيقات الحساسة للتكلفة، وعالية العزل، وعالية CTR، هناك عدة اتجاهات ملحوظة:

• التكامل: تقوم الأجهزة الأحدث بدمج مكونات إضافية مثل مقاومات قاعدة-باعث على ترانزستور المخرج لتحسين استقرار درجة الحرارة وسرعة التبديل.
• العزل الرقمي عالي السرعة: تتحدى التقنيات القائمة على مقاومات RF، أو المقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR)، أو الاقتران السعوي مقاومات العزل الضوئية في عزل البيانات عالي السرعة (≥1 ميغابت/ثانية) بسبب سرعتها واستقرارها وعمرها الافتراضي المتفوق.
• التصغير: هناك دفع مستمر نحو عبوات SMD أصغر (مثل SO-4، SO-5) بنفس أو أفضل تصنيفات العزل، مدفوعًا بالحاجة إلى كثافة أعلى للوحة الدوائر المطبوعة.
• تحسين الموثوقية: التركيز على تحسين تدهور CTR على المدى الطويل، خاصة تحت ظروف إجهاد درجة الحرارة العالية والتيار العالي، لتلبية متطلبات التطبيقات السياراتية والصناعية ذات العمر الافتراضي الأطول.

على الرغم من هذه الاتجاهات، يحافظ مقاوم دارلينجتون الضوئي الأساسي، كما يتضح من سلسلة EL815، على مكانة قوية في السوق بسبب بساطته، وقوته، وقدرة العزل العالية، وأدائه الممتاز في مجال التردد المنخفض إلى المتوسط المقصود.