ورقة بيانات الفوتوكوبلر EL3H7U-G - عبوة SSOP 4 دبابيس - ارتفاع 2.0 مم - عزل 3750 فولت RMS - نسبة نقل التيار 100-560% - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة EL3H7U-G عائلة من مقارنات الفوتوترانزستور (الفوتوكوبلر) المدمجة والمركبة على السطح، المصممة لعزل الإشارات بشكل موثوق في الدوائر الإلكترونية الحديثة. تؤدي هذه الأجهزة وظيفة حاسمة عن طريق نقل الإشارات الكهربائية بين دائرتين معزولتين باستخدام الضوء، مما يمنع الجهد العالي أو حلقات التأريض في دائرة واحدة من التأثير على الدائرة الأخرى أو إتلافها.

يتكون البناء الأساسي من صمام ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء من زرنيخيد الغاليوم (IRED) مقترن ضوئيًا بترانزستور ضوئي من السيليكون من نوع NPN. كلاهما مغلف داخل مركب أخضر خالٍ من الهالوجين ومحفوظ داخل عبوة SSOP صغيرة المخطط بأربعة دبابيس وبارتفاع منخفض يبلغ 2.0 مم. هذه العبوة مثالية للتطبيقات ذات المساحة المحدودة على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs).

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الأساسية لسلسلة EL3H7U-G قدرتها العالية على العزل، وحجمها المدمج، وامتثالها لمعايير السلامة والبيئة الدولية. مع جهد عزل (Viso) يبلغ 3750 فولت RMS، توفر حماية قوية للدوائر الحساسة. يتوافق التركيب المادي الخالي من الهالوجين مع اللوائح البيئية مثل RoHS وREACH. تمت الموافقة على الجهاز من قبل وكالات السلامة الدولية الرئيسية بما في ذلك UL وcUL وVDE وSEMKO وNEMKO وDEMKO وFIMKO وCQC، مما يجعله مناسبًا للأسواق العالمية التي تتطلب مكونات معتمدة.

التطبيقات المستهدفة متنوعة، وتركز على المجالات التي يكون فيها العزل الكهربائي ومقاومة الضوضاء أمرًا بالغ الأهمية. تشمل الأسواق الرئيسية مصادر الطاقة ذات التبديل (SMPS)، وخاصة محولات DC-DC، ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) الصناعية، ومعدات الاتصالات، ونقل الإشارات للأغراض العامة عبر دوائر ذات جهود تأريض أو مستويات معاوقة مختلفة.

2. تحليل متعمق للمعاملات التقنية

يعد فهم القيم القصوى المطلقة والخصائص الكهربائية أمرًا ضروريًا لتصميم الدوائر الموثوقة وضمان موثوقية الفوتوكوبلر على المدى الطويل.

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• المدخل (جانب الصمام الثنائي الباعث للضوء LED):يجب ألا يتجاوز التيار الأمامي (I_F) 20 مللي أمبير. جهد الانعكاس (V_R) محدود بـ 5 فولت، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى حماية قطبية مناسبة إذا كان من الممكن تعرض المدخل لجهد انعكاسي.
• المخرج (جانب الترانزستور الضوئي):تيار المجمع (I_C) مقدر بـ 30 مللي أمبير. يمكن لجهد المجمع-الباعث (V_CEO) أن يتحمل حتى 60 فولت، بينما يكون جهد الباعث-المجمع (V_ECO) أقل بكثير عند 5 فولت، مما يشير إلى عدم تناسق خصائص انهيار الترانزستور الضوئي.
• الحراري والعزل:تبديد الطاقة الكلي للجهاز (P_TOT) هو 200 ملي واط. يتم اختبار جهد العزل (V_ISO) البالغ 3750 فولت RMS لمدة دقيقة واحدة مع توصيل الدبابيس 1-2 و 3-4 معًا تحت رطوبة محكومة (40-60% RH). نطاق درجة حرارة التشغيل محدد من -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعاملات، التي تُقاس عادةً عند 25 درجة مئوية، أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل العادية.

• خصائص المدخل:الجهد الأمامي (V_F) هو عادة 1.3 فولت عند تيار أمامي (I_F) قدره 1 مللي أمبير، وهو أمر مهم لتصميم دائرة القيادة. سعة المدخل (C_in) تصل إلى 250 بيكوفاراد، مما قد يؤثر على أداء التبديل عالي التردد.
• خصائص المخرج:تيار الظلام للمجمع-الباعث (I_CEO) منخفض جدًا (بحد أقصى 100 نانو أمبير عند V_CE=20 فولت)، ويمثل تيار التسرب عندما يكون الصمام الثنائي الباعث للضوء LED مطفأ. جهد التشبع للمجمع-الباعث (V_CE(sat)) هو بحد أقصى 0.4 فولت تحت ظروف الاختبار المحددة (I_F=3 مللي أمبير، I_C=1.6 مللي أمبير)، مما يشير إلى انخفاض هبوط الجهد عندما يكون الترانزستور في حالة التشغيل الكامل.
• معاملات العزل:مقاومة العزل (R_IO) هي بحد أدنى 5 × 10¹⁰أوم، وسعة العزل (C_IO) هي بحد أقصى 1.0 بيكوفاراد. هذه القيم حاسمة لتحديد رفض النمط المشترك واقتران الضوضاء عالية التردد عبر حاجز العزل.

2.3 خصائص النقل ونظام التصنيف

نسبة نقل التيار (CTR) هي المعامل الأكثر أهمية للفوتوكوبلر، وتعرف كنسبة تيار المجمع الناتج (I_C) إلى تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء الأمامي المدخل (I_F)، معبرًا عنها كنسبة مئوية: CTR = (I_CF) * 100%.

تستخدم سلسلة EL3H7U-G نظام تصنيف CTR لتزويد المصممين بمجموعات أداء متسقة:

• EL3H7U (قياسي):نطاق CTR من 50% إلى 600% عند I_F= 0.5 مللي أمبير، V_CE= 5 فولت.
• EL3H7UA:نطاق CTR من 100% إلى 200%.
• EL3H7UB:نطاق CTR من 150% إلى 300%.
• EL3H7UC:نطاق CTR من 200% إلى 400%.

يسمح هذا التصنيف بتصميم أكثر دقة، خاصة في الدوائر حيث يكون اتساق الكسب مهمًا، كما هو الحال في حلقات التغذية الراجعة لمصادر الطاقة. يوفر الجزء القياسي أوسع نطاق، وهو مناسب للتطبيقات العامة حيث يكون CTR الدقيق أقل أهمية.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح اتجاهات الأداء الرئيسية. من المهم ملاحظة أن هذه المنحنيات تمثل السلوك النموذجي ولا يتم ضمانها عن طريق اختبار الإنتاج.

3.1 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 1)

يظهر هذا الرسم البياني خاصية I-V لـ IRED المدخل عند درجات حرارة بيئية مختلفة (-40 درجة مئوية، 25 درجة مئوية، 125 درجة مئوية). معامل درجة حرارة الجهد الأمامي (V_F) سالب، مما يعني أنه ينخفض مع زيادة درجة الحرارة لتيار معين. هذا سلوك نموذجي للثنائيات ويجب مراعاته في إدارة الحرارة وتصميم قيادة التيار الثابت.

3.2 تيار المجمع مقابل التيار الأمامي (الشكل 2) و CTR مقابل التيار الأمامي (الشكل 3)

يرسم الشكل 2 تيار المجمع الناتج (I_C) مقابل تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء المدخل (I_F) لجهدين مختلفين للمجمع-الباعث (V_CE=0.4 فولت و 5 فولت). العلاقة خطية عند التيارات المنخفضة ولكنها تظهر تشبعًا عند مستويات I_F الأعلى، خاصة عند V_CE الأقل. يظهر الشكل 3 انخفاض CTR المعياري مع زيادة I_F. يشير هذا إلى أن الجهاز يكون أكثر كفاءة (أعلى CTR) عند تيارات القيادة المنخفضة، عادةً حول حالة الاختبار البالغة 0.5 مللي أمبير.

3.3 الاعتماد على درجة الحرارة (الشكلان 6 و 7)

يوضح الشكل 6 أن تيار المجمع (I_C) لـ I_F ثابت يزداد مع درجة الحرارة. يظهر الشكل 7 أن CTR المعياري يبلغ ذروته حول درجة حرارة الغرفة وينخفض عند درجات الحرارة الأعلى والأقل. هذا الاعتماد على درجة الحرارة لـ CTR هو عامل تصميم حاسم. يجب تصميم الدوائر لتعمل بشكل صحيح على كامل نطاق درجة الحرارة المحدد، مع مراعاة التباين في الكسب.

3.4 خصائص التبديل (الشكل 9)

يظهر الرسم البياني لوقت التبديل مقابل مقاومة الحمل (R_L) أن وقت الصعود (t_r) ووقت الهبوط (t_f) كلاهما ينخفض مع انخفاض مقاومة الحمل. يتم تحقيق تبديل أسرع بمقاومات حمل أصغر، ولكن هذا يأتي على حساب تبديد طاقة أعلى في مرحلة الخرج. تحدد دائرة الاختبار (الشكل 13) t_r كالوقت من 10% إلى 90% من نبضة الخرج و t_f كالوقت من 90% إلى 10%.

4. المعلومات الميكانيكية والتعبئة والتغليف والتركيب

4.1 تكوين الدبابيس والقطبية

يستخدم الجهاز بصمة SSOP قياسية بأربعة دبابيس. توزيع الدبابيس كما يلي: الدبوس 1: الأنود لـ IRED، الدبوس 2: الكاثود لـ IRED، الدبوس 3: الباعث للترانزستور الضوئي، الدبوس 4: المجمع للترانزستور الضوئي. يجب مراعاة القطبية الصحيحة أثناء تخطيط PCB والتركيب لمنع التلف.

4.2 إرشادات اللحام والتعامل

الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة اللحام (T_SOL) هو 260 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ. يتوافق هذا مع ملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص النموذجية. يجب اتباع إرشادات IPC/JEDEC J-STD-020 القياسية للأجهزة الحساسة للرطوبة. يجب تخزين الجهاز في كيس الحاجز للرطوبة الأصلي مع مجفف تحت ظروف محكومة ويجب تجفيفه قبل اللحام إذا تم فتح الكيس أو تجاوز حد وقت التعرض.

5. معلومات الطلب والتعبئة

يتبع رقم الجزء الهيكل: EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X:درجة CTR (A، B، C، أو فارغ للدرجة القياسية).
• Y:خيار الشريط والبكرة (TA، TB، أو فارغ). يشير TA وTB على الأرجح إلى أحجام بكرات مختلفة أو اتجاهات تغليف، كل منهما يحتوي على 5000 وحدة لكل بكرة.
• V:علامة موافقة VDE اختيارية.
• G:يشير إلى مادة خالية من الهالوجين.

أمثلة: EL3H7UB-TA-VG سيكون جهاز CTR من الدرجة B، معبأ على شريط وبكرة TA، مع موافقة VDE ومادة خالية من الهالوجين.

6. إرشادات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

التطبيق الأساسي هو عزل الإشارة. تتضمن الدائرة النموذجية قيادة الصمام الثنائي الباعث للضوء المدخل بمقاومة محددة للتيار من مصدر إشارة رقمي (مثل دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة). يمكن استخدام الترانزستور الضوئي الناتج في تكوين باعث مشترك (المجمع متصل بمقاومة سحب لأعلى، الباعث مؤرض) لإنتاج إشارة خرج معكوسة، أو في تكوين تابع باعث لإشارة غير معكوسة.

6.2 اعتبارات التصميم الرئيسية

• تيار قيادة الصمام الثنائي الباعث للضوء LED:اختر I_Fبناءً على سرعة التبديل المطلوبة وCTR. يقدم I_F المنخفض CTR أعلى ولكن تبديل أبطأ. يجب حساب المقاومة التسلسلية باستخدام R = (V_source- V_F) / I_F.
• مقاومة الحمل الناتجة (R_L):تحدد هذه المقاومة تأرجح جهد الخرج، وسرعة التبديل، وتبديد الطاقة. تعطي R_L الأصغر تبديلًا أسرع ولكن تأرجح جهد خرج أقل و I_C.
• تدهور CTR:يمكن أن يتدهور CTR للفوتوكوبلر مع مرور الوقت، خاصة عند التشغيل في درجات حرارة عالية وتيارات LED عالية. لتصميمات العمر الطويل، قلل من تصنيف I_F التشغيلي وتأكد من إدارة حرارية كافية.
• مقاومة الضوضاء:للبيئات ذات الضوضاء، يمكن أن يساعد مكثف تجاوز صغير (مثل 0.1 ميكروفاراد) عبر دبابيس المدخل، بالقرب من الجهاز. على الخرج، يعد تخطيط PCB الدقيق لتقليل السعة الطفيلة أمرًا مهمًا للإشارات عالية السرعة.

7. المقارنة التقنية والأسئلة الشائعة

7.1 التمييز عن الفوتوكوبلرات الأخرى

تميز سلسلة EL3H7U-G نفسها من خلال مزيجها من عبوة SSOP المدمجة، وتصنيف العزل العالي 3750 فولت RMS، ونطاق درجة حرارة التشغيل الواسع من -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية، وشهادات السلامة الدولية الشاملة. قد تقدم العديد من الأجهزة المنافسة CTR أو سرعة مماثلة ولكنها تفتقر إلى مجموعة الموافقات الكاملة أو القدرة على درجات الحرارة العالية.

7.2 الأسئلة الشائعة (FAQs)

س: ما الفرق بين الدرجة القياسية ودرجات A/B/C؟

ج: الدرجة القياسية لها نطاق CTR واسع جدًا (50-600%). يتم تصنيف درجات A و B و C إلى نطاقات CTR مضمونة وأكثر ضيقًا (مثل 200-400% للدرجة C). استخدم الأجزاء المصنفة للتصميمات التي تتطلب كسبًا يمكن التنبؤ به.

س: هل يمكنني استخدام هذا لعزل إشارة مدخل AC؟

ج: ليس مباشرة. المدخل هو IRED، وهو صمام ثنائي ويوصل في اتجاه واحد فقط. لعزل إشارة AC، ستحتاج أولاً إلى تقويمها أو استخدام فوتوكوبلر مخصص لمدخل AC.

س: كيف أحسب أقصى معدل بيانات؟

ج: أقصى معدل بيانات محدود بمجموع وقت الصعود ووقت الهبوط (t_r+ t_f). تقدير تقريبي للإشارة الرقمية هو عرض النطاق الترددي ≈ 0.35 / (t_r). مع t_r نموذجي يبلغ 8 ميكروثانية، يكون عرض النطاق الترددي حوالي 44 كيلوهرتز. للاتصال الرقمي الموثوق، سيكون معدل البيانات العملي أقل.

س: لماذا سعة العزل مهمة؟

ج: سعة العزل المنخفضة (C_IO) حاسمة لرفض الضوضاء عالية التردد ذات النمط المشترك. في التطبيقات ذات التغيرات السريعة في الجهد عبر حاجز العزل (كما في محركات الأقراص)، يمكن لـ C_IO العالية أن تقترن بالضوضاء من الجانب الأساسي إلى الجانب الثانوي، مما قد يتسبب في حدوث أعطال.

8. مبدأ التشغيل واتجاهات التكنولوجيا

8.1 مبدأ التشغيل الأساسي

يعمل الفوتوكوبلر على مبدأ التحويل الكهروضوئي الكهربائي. تسبب الإشارة الكهربائية المطبقة على جانب المدخل IRED في انبعاث ضوء الأشعة تحت الحمراء يتناسب مع التيار. يعبر هذا الضوء حاجز عزل شفاف داخل العبوة. على جانب الخرج، يكتشف الترانزستور الضوئي هذا الضوء، مما يولد تيار قاعدة والذي بدوره يتحكم في تيار مجمع أكبر بكثير. الدائرتان معزولتان كهربائيًا، مع اقتران ضوئي فقط بينهما.

8.2 اتجاهات الصناعة

اتجاه تكنولوجيا الفوتوكوبلر هو نحو سرعة أعلى، واستهلاك طاقة أقل، وتكامل أعلى، وعبوات أصغر. بينما تعتبر الأجهزة التقليدية القائمة على الترانزستور الضوئي مثل EL3H7U-G ممتازة للعزل DC والتردد المنخفض، تقدم التقنيات الأحدث مثل العوازل الرقمية (باستخدام CMOS و RF أو الاقتران السعوي) معدلات بيانات أعلى بكثير، وقدرة أقل، وخصائص توقيت أفضل. ومع ذلك، تحتفظ الفوتوكوبلرات بمزايا في مناعة النمط المشترك العابرة العالية (CMTI)، والبساطة، وشهادات السلامة الراسخة للعزل عالي الجهد، مما يضمن استمرار أهميتها في تطبيقات تحويل الطاقة والتحكم الصناعي.