ورقة بيانات فوتوكوبلر فوتوترانزستور 6-دبوس DIP - سلسلة 4N2X، 4N3X، H11AX - جهد عزل 5000 فولت RMS - درجة حرارة التشغيل من -55 إلى +110 درجة مئوية - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تُمثل سلاسل 4N2X و4N3X وH11AX عائلات من فوتوكوبلرات الفوتوترانزستور ذات العبوة المزدوجة الخطية 6-دبوس (DIP) (المعروفة أيضًا باسم الأوبتوكوبلر أو العوازل الضوئية). يتكون كل جهاز من ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء من زرنيخيد الغاليوم (LED) مقترن ضوئيًا بكاشف فوتوترانزستور من السيليكون. يوفر هذا التكوين عزلًا كهربائيًا كاملاً بين دوائر الإدخال والإخراج، مما يجعلها مكونات أساسية للسلامة، ومناعة الضوضاء، وتحويل مستويات الجهد في الأنظمة الإلكترونية.

الوظيفة الأساسية هي نقل الإشارة عبر الضوء، مما يلغي الاتصال الكهربائي المباشر. يُنشط تيار الإدخال LED بالأشعة تحت الحمراء، والذي يبعث ضوءًا يتناسب مع التيار. يسقط هذا الضوء على منطقة القاعدة للفوتوترانزستور، مولّدًا تيار قاعدة ويسمح بتدفق تيار المجمع-الباعث، وبالتالي يُعيد إنتاج إشارة الإدخال على الجانب المعزول للإخراج.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

صُممت هذه الفوتوكوبلرات للتطبيقات التي تتطلب عزل إشارة موثوقًا. تشمل مزاياها الرئيسية جهد عزل مرتفع يبلغ 5000 فولت_RMS، وهو أمر بالغ الأهمية لحماية دوائر التحكم ذات الجهد المنخفض (مثل المعالجات الدقيقة) من أقسام التيار الرئيسي عالي الجهد أو محركات الأقراص. تزيد مسافة الزحف الممتدة (>7.62 مم) من السلامة والموثوقية في بيئات الجهد العالي. مع نطاق درجة حرارة تشغيل من -55°C إلى +110°C، فهي مناسبة للتطبيقات الصناعية والسيبية والبيئات القاسية.

تتوفر العبوة DIP المدمجة في متغيرات قياسية، وذات تباعد أرجل واسع (0.4 بوصة)، وذات تركيب سطح (SMD)، مما يوفر مرونة لعمليات التجميع عبر الثقب والأتمتة. تحمل الأجهزة موافقات من وكالات السلامة الدولية الرئيسية بما في ذلك UL وcUL وVDE وSEMKO وNEMKO وDEMKO وFIMKO وCQC، مما يسهل استخدامها في المعدات المُسوّقة عالميًا والتي يجب أن تلتزم بمعايير السلامة الصارمة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

توفر ورقة البيانات المواصفات الكهربائية والبصرية الشاملة، وهي بالغة الأهمية لتصميم الدائرة المناسب وضمان الموثوقية.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تُحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• جانب الإدخال (LED):أقصى تيار أمامي مستمر (I_F) هو 60 مللي أمبير. يُسمح بتيار أمامي ذروي قصير (I_FM) بقيمة 1 أمبير لمدة 10 ميكروثانية، وهو ذو صلة بقمع العابر. أقصى جهد عكسي (V_R) هو 6 فولت متواضع، مما يشير إلى أن LED غير مصمم للانحياز العكسي العالي ويتطلب حماية إذا استخدم في دوائر التيار المتردد.
• جانب الإخراج (الفوتوترانزستور):جهدا انهيار المجمع-الباعث والمجمع-القاعدة (V_CEO, V_CBO) كلاهما 80 فولت، مما يحدد أقصى جهد يمكن تطبيقه عبر الترانزستور في حالة الإيقاف. جهدا الباعث-القاعدة والباعث-المجمع (V_EBO, V_ECO) محدودان بـ 7 فولت.
• الطاقة والحرارة:تبديد طاقة الجهاز الكلي (P_TOT) هو 200 مللي واط عند 25°C. يتم توفير عوامل تخفيض التصنيف: 3.8 مللي واط/°C لجانب الإدخال فوق 100°C و9.0 مللي واط/°C لجانب الإخراج فوق 100°C. هذه عوامل حاسمة لحساب أقصى طاقة مسموح بها في درجات حرارة البيئة المرتفعة لمنع الانفلات الحراري.
• العزل:جهد العزل (V_ISO) البالغ 5000 فولت_RMSلمدة دقيقة هو معيار سلامة رئيسي، يتم اختباره مع توصيل المسامير 1-2-3 معًا والمسامير 4-5-6 معًا.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات تحت الظروف النموذجية (T_a=25°C) وتحدد أداء الجهاز.

• خصائص LED الإدخال:الجهد الأمامي (V_F) هو عادة 1.2 فولت عند I_F=10 مللي أمبير، بحد أقصى 1.5 فولت. يُستخدم هذا لحساب مقاومة تحديد التيار المطلوبة. التيار العكسي (I_R) منخفض جدًا (<10 ميكرو أمبير عند V_R=6 فولت). سعة الإدخال (C_in) هي عادة 30 بيكو فاراد.
• خصائص الفوتوترانزستور للإخراج:تيارات الظلام (I_CBO, I_CEO) في نطاق النانو أمبير، مما يشير إلى تسرب منخفض جدًا عندما يكون LED مطفأ. جهود الانهيار (BV_CEO, BV_CBO, إلخ) تؤكد حدود 80 فولت و7 فولت من التقييمات المطلقة.

2.3 خصائص النقل

تصف هذه المعلمات كفاءة الاقتران وأداء التبديل بين الإدخال والإخراج.

• نسبة نقل التيار (CTR):هذا هو المعيار الأكثر أهمية، يُعرّف على أنه (I_C/ I_F) * 100%. يختلف بشكل كبير حسب رقم الجزء، مما يخلق نظام تصنيف للأداء:
  • CTR مرتفع (>100%):4N35، 4N36، 4N37.
  • CTR متوسط-مرتفع (50%): H11A1.
  • CTR متوسط (30%): H11A5.
  • CTR قياسي (20%):4N25، 4N26، 4N38، H11A2، H11A3.
  • CTR أقل (10%):4N27، 4N28، H11A4.
  يسمح هذا التصنيف للمصممين باختيار جهاز بالحساسية المطلوبة لتطبيقهم المحدد ومستوى تيار الإخراج المرغوب.
• جهد التشبع (V_CE(sat)):هذا هو انخفاض الجهد عبر الفوتوترانزستور عندما يكون في حالة التشغيل الكامل. تشير القيم الأقل (مثل 0.3 فولت كحد أقصى لسلسلة 4N3X عند I_F=10 مللي أمبير، I_C=0.5 مللي أمبير) إلى أداء أفضل، مما يقلل من فقد الطاقة في مرحلة الإخراج.
• سرعة التبديل:يتم تحديد أوقات التشغيل (t_on) والإيقاف (t_off) لسلاسل مختلفة تحت ظروف اختبار محددة (V_CC=10 فولت، R_L=100 أوم). عادة ما تكون سلسلة 4N2X/H11AX أسرع (3 ميكروثانية نموذجيًا) مقارنة بسلسلة 4N3X (10 ميكروثانية نموذجيًا لـ t_on, 9 ميكروثانية نموذجيًا لـ t_off). هذا أمر حيوي لنقل الإشارات الرقمية وتطبيقات PWM.
• معايير العزل:مقاومة العزل (R_IO) مرتفعة للغاية (>10¹¹أوم)، وسعة الإدخال-الإخراج (C_IO) منخفضة جدًا (0.2 بيكو فاراد نموذجيًا)، مما يقلل من الاقتران السعوي للضوضاء عالية التردد عبر حاجز العزل.

3. تحليل منحنيات الأداء

بينما يُظهر ملف PDF نصًا مؤقتًا لـ "منحنيات الخصائص الكهروضوئية النموذجية"، فإن مثل هذه المنحنيات قياسية للفوتوكوبلرات وتشمل عادةً:

• نسبة نقل التيار (CTR) مقابل التيار الأمامي (I_F):يُظهر كيف تتغير الكفاءة مع تيار تشغيل LED، وغالبًا ما يصل إلى ذروته عند تيار محدد.
• CTR مقابل درجة الحرارة:يوضح تدهور CTR في درجات الحرارة المرتفعة، وهو عامل تخفيض تصنيف حاسم للتشغيل في درجات الحرارة العالية.
• تيار المجمع (I_C) مقابل جهد المجمع-الباعث (V_CE):منحنيات خصائص الإخراج تُظهر سلوك الفوتوترانزستور في مناطق مختلفة (التشبع، النشط).
• وقت التبديل مقابل مقاومة الحمل (R_L):يوضح كيف يؤثر اختيار مقاومة السحب لأعلى على أوقات الصعود والهبوط.

يجب على المصممين الرجوع إلى هذه المنحنيات من ورقة البيانات الكاملة لتحسين معلمات مثل تيار LED، ومقاومة الحمل، ودرجة حرارة التشغيل لمتطلبات السرعة والإخراج المحددة لديهم.

4. المعلومات الميكانيكية والعبوة

يتم تقديم الأجهزة في عدة متغيرات من عبوة DIP 6-دبوس لتلائم احتياجات التجميع المختلفة.

4.1 أبعاد العبوة والمتغيرات

تتضمن ورقة البيانات رسومات ميكانيكية مفصلة لكل خيار. تشمل الأبعاد الرئيسية الطول الإجمالي، والعرض، وتباعد المسامير، وأبعاد الأرجل.

• نوع DIP القياسي:العبوة عبر الثقب الكلاسيكية بتباعد صف 0.1 بوصة (2.54 مم).
• نوع الخيار M:يتميز بـ "ثني أرجل واسع" يوفر تباعد أرجل 0.4 بوصة (10.16 مم). يزيد هذا من مسافة الزحف والتباعد بين مسامير الإدخال والإخراج، مما يعزز موثوقية العزل لتطبيقات الجهد العالي.
• نوعا الخيار S و S1:نسخ أجهزة التركيب السطحي (SMD). الخيار S1 هو متغير "منخفض الارتفاع"، حيث يكون ارتفاع العبوة أقل مقارنة بخيار S القياسي، وهو مفيد للتطبيقات المحدودة المساحة.

تتميز جميع العبوات بهيكل مصبوب يوفر العزل اللازم. تكوين المسامير موحد: المسمار 1 (الأنود)، المسمار 2 (الكاثود)، المسمار 3 (غير متصل)، المسمار 4 (الباعث)، المسمار 5 (المجمع)، المسمار 6 (القاعدة). غالبًا ما يُترك مسمار القاعدة (6) غير متصل ولكن يمكن استخدامه لتحسين النطاق الترددي أو التحكم في الانحياز في بعض الدوائر.

5. إرشادات اللحام والتجميع

تحدد الحدود القصوى المطلقة درجة حرارة لحام (T_SOL) تبلغ 260°C لمدة 10 ثوانٍ. هذه قيمة نموذجية لعمليات اللحام بالموجة أو إعادة التدفق. بالنسبة لخيارات SMD (S، S1)، تنطبق ملفات إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء أو الحمل الحراري القياسية بدرجة حرارة ذروة حوالي 260°C. من الأهمية بمكان تجاوز حد الوقت-درجة الحرارة هذا لمنع تلف العبوة البلاستيكية وروابط الأسلاك الداخلية. يجب تخزين الأجهزة في ظروف ضمن نطاق درجة حرارة التخزين (-55°C إلى +125°C) وفي تغليف حساس للرطوبة إذا تم تحديده لأجزاء SMD لمنع "الانفجار" أثناء إعادة التدفق.

6. التعبئة ومعلومات الطلب

يتم تعريف نظام ترقيم الأجزاء بوضوح:4NXXY(Z)-VأوH11AXY(Z)-V.

• XX / X:رقم جزء محدد (مثل 25، 35، 1، 5).
• Y (شكل الرجل):
  • لا شيء: DIP قياسي (65 وحدة/أنبوب).
  • M: ثني أرجل واسع (65 وحدة/أنبوب).
  • S: شكل رجل تركيب سطح.
  • S1: شكل رجل تركيب سطح منخفض الارتفاع.
• Z (الشريط والبكرة):ينطبق فقط على خيارات SMD.
  • TA أو TB: مواصفات شريط وبكرة مختلفة (1000 وحدة/بكرة).
• V:لاحقة اختيارية تشير إلى موافقة السلامة VDE.

يسمح هذا النظام المرن بشراء المتغير الميكانيكي الدقيق المطلوب للإنتاج.

7. توصيات التطبيق

7.1 دوائر التطبيق النموذجية

كما هو مذكور في ورقة البيانات، تشمل التطبيقات الأساسية:

• منظمات إمدادات الطاقة:توفير عزل للتغذية الراجعة في مصادر الطاقة ذات التبديل (SMPS) بين الجانب الثانوي (الإخراج) وجهاز التحكم في الجانب الأولي. هذا أساسي للسلامة ورفض الضوضاء.
• مدخلات المنطق الرقمي / مدخلات المعالج الدقيق:عزل إشارات المستشعرات الصناعية المزعجة (مثل من مفاتيح الحد، والمشفرات) أو مجالات أرضية مختلفة قبل دخولها إلى دبابيس المنطق الرقمي الحساسة أو المتحكم الدقيق.
• عزل الإشارة للأغراض العامة:أي دائرة يجب أن يتواصل فيها نظامان فرعيان دون مشاركة أرضية مشتركة، لكسر حلقات الأرضية، أو إزالة ضوضاء الوضع المشترك، أو توفير ترجمة لمستوى الجهد.

7.2 اعتبارات التصميم وأفضل الممارسات

• تحديد تيار LED:استخدم دائمًا مقاومة على التوالي لضبط التيار الأمامي (I_F). احسب R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F. شغّل ضمن نطاق I_Fالموصى به (غالبًا 5-20 مللي أمبير) للحصول على أفضل CTR وعمر أطول.
• انحياز جانب الإخراج:يتطلب الفوتوترانزستور مقاومة سحب لأعلى (R_L) موصولة من المجمع إلى V_{CC_output}. قيمتها هي مقايضة: مقاومة R_Lأصغر توفر تبديلًا أسرع ولكن استهلاك طاقة أعلى وتأرجح جهد إخراج أقل؛ مقاومة R_Lأكبر تعطي هامش ضوضاء أفضل ولكن سرعة أبطأ.
• تحسين السرعة:للتبديل الأسرع، استخدم جهازًا من السلسلة الأسرع (4N2X/H11AX)، قلل R_L، وتأكد من دفع I_Fكافٍ. يمكن أن يساعد توصيل مقاومة (مثل 100 كيلو أوم إلى 1 ميجا أوم) بين القاعدة (المسمار 6) والباعث في تصريف الشحنة المخزنة وتقليل وقت الإيقاف.
• مناعة الضوضاء:تقاوم مقاومة العزل العالية والسعة المنخفضة ضوضاء الوضع المشترك بشكل طبيعي. لمزيد من المتانة في البيئات الكهربائية المزعجة، يُوصى باستخدام مكثفات تجاوز (مثل 0.1 ميكرو فاراد) موضوعة بالقرب من مسامير تغذية الجهاز على جانبي الإدخال والإخراج.

8. المقارنة التقنية ودليل الاختيار

تقدم السلاسل الثلاث (4N2X، 4N3X، H11AX) نطاقًا من الأداء لتلبية احتياجات مختلفة:

• سلسلة 4N3X (4N35-38):تقدم عمومًا أعلى قيم CTR (>100% لـ 4N35-37)، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تيار إخراج مرتفع أو حيث يرغب في الحد الأدنى من تيار تشغيل الإدخال. جهد التشبع لديها منخفض جدًا أيضًا.
• سلسلة 4N2X (4N25-28) وسلسلة H11AX (H11A1-A5):توفر نطاقًا مصنفًا من CTR من 10% إلى 50%. عادة ما تتمتع سلسلة 4N2X بأوقات تبديل أسرع. هذه عوازل متعددة الأغراض وعامة. يملأ H11A5 (30% CTR) وH11A1 (50% CTR) نقاط أداء محددة.
• معايير الاختيار:اختر بناءً على CTR المطلوب (كسب تيار الإخراج)، وسرعة التبديل، وجهد التشبع، والتكلفة. على سبيل المثال، يمكن لمدخل معالج دقيق يقرأ مفتاحًا بطيئًا استخدام جزء منخفض CTR وفعال من حيث التكلفة مثل H11A4. قد تستخدم حلقة تغذية راجعة في مصدر طاقة تحتاج إلى خطية وكسب جيدين جهاز 4N35 أو 4N36.

9. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هو الغرض من مسمار القاعدة (المسمار 6)؟

ج: يوفر مسمار القاعدة الوصول إلى منطقة قاعدة الفوتوترانزستور. تركه مفتوحًا (غير متصل) هو المعيار. يمكن أن يؤدي توصيل مقاومة من القاعدة إلى الباعث إلى تحسين سرعة التبديل من خلال توفير مسار لإزالة الشحنة المخزنة. في بعض التصميمات، يمكن استخدامه للانحياز المسبق أو لتوصيل شبكة تسريع.

س: كيف أضمن الموثوقية على المدى الطويل؟

ج: شغل LED ضمن حدوده القصوى المطلقة، ويفضل مع تخفيض التصنيف. حافظ على درجة حرارة الوصلة منخفضة باحترام منحنيات تخفيض تصنيف الطاقة. استخدم مسافات زحف/تباعد كافية على لوحتك المطبوعة، خاصة لحاجز العزل عالي الجهد، لتتطابق أو تتجاوز قدرة العبوة البالغة 7.62 مم.

س: هل يمكنني استخدام هذا لعزل إشارة التيار المتردد؟

ج: نعم، ولكن LED الإدخال له تصنيف جهد عكسي منخفض (6 فولت). لعزل إشارة تيار متردد، يجب حماية LED من الانحياز العكسي، عادةً بوضع ثنائي قياسي بالتوازي العكسي عبر إدخال LED، أو باستخدام تكوين مقوم جسر قبل LED.

س: لماذا يتم تحديد CTR كقيمة دنيا؟

ج: يختلف CTR على نطاق واسع بسبب تفاوتات التصنيع في كفاءة LED وكسب الفوتوترانزستور. تضمن ورقة البيانات قيمة CTR دنيا تحت ظروف محددة. يجب أن يعتمد التصميم على هذه القيمة الدنيا لضمان وظيفة الدائرة عبر جميع وحدات الإنتاج وعبر درجات الحرارة.

10. مثال تصميمي عملي

السيناريو:عزل إشارة رقمية 24 فولت من إخراج PLC إلى إدخال متحكم دقيق 3.3 فولت.

1. اختيار الجهاز:اختر جزءًا للأغراض العامة مثل 4N25 (20% CTR كحد أدنى). سرعته كافية لـ I/O الرقمي.
2. دائرة الإدخال:إخراج PLC هو 24 فولت. الهدف I_F= 10 مللي أمبير. V_F≈ 1.2 فولت. R_limit= (24 فولت - 1.2 فولت) / 0.01 أمبير = 2280 أوم. استخدم مقاومة قياسية 2.2 كيلو أوم. أضف ثنائي حماية عكسي عبر إدخال LED.
3. دائرة الإخراج:V_CCللمتحكم الدقيق = 3.3 فولت. اختر R_L= 1 كيلو أوم. عندما يكون الفوتوترانزستور مطفأ، يتم سحب الإخراج لأعلى إلى 3.3 فولت (منطق 1). عند التشغيل، بافتراض I_C= CTR * I_F= 0.2 * 10 مللي أمبير = 2 مللي أمبير، سيكون جهد الإخراج هو V_CE(sat)(0.5 فولت كحد أقصى)، وهو منطق 0 ثابت. توفر مقاومة السحب لأعلى 1 كيلو أوم توازنًا جيدًا بين السرعة واستهلاك التيار لهذا التطبيق.

11. مبدأ التشغيل

يعمل الفوتوكوبلر على مبدأ التحويل الكهروضوئي-الكهربائي. تُطبق إشارة كهربائية على جانب الإدخال، مما يتسبب في تدفق التيار عبر LED بالأشعة تحت الحمراء. يتناسب هذا التيار طرديًا مع شدة الضوء المنبعث. يعبر الضوء فجوة عازلة شفافة (عادة بلاستيك مصبوب) ويضرب المادة شبه الموصلة لكاشف ضوئي - في هذه الحالة، وصلة قاعدة-مجمع لـ NPN فوتوترانزستور. تولد الفوتونات أزواج إلكترون-فجوة، مكونة تيار قاعدة. يتم تضخيم تيار القاعدة الضوئي هذا بعد ذلك بواسطة كسب تيار الترانزستور (h_FE)، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر يعيد إنتاج إشارة الإدخال الأصلية على دائرة الإخراج المعزولة كهربائيًا. الغياب الكامل للاتصال الجلفاني هو ما يوفر العزل عالي الجهد ومناعة الضوضاء.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل الفوتوكوبلرات القائمة على الفوتوترانزستور مثل سلسلة 4NXX تقنية عزل ناضجة وفعالة من حيث التكلفة. تشمل الاتجاهات الحالية في سوق الأوبتوكوبلر تطوير أجهزة بسرعة أعلى (لناقلات الاتصال الرقمية مثل SPI، I2C المعزولة بدارات متكاملة مصممة خصيصًا لذلك)، وتكامل أعلى (دمج قنوات متعددة أو إضافة وظائف إضافية مثل مشغلات البوابات)، وتحسين مقاييس الموثوقية (تشغيل بدرجة حرارة أعلى، عمر أطول). هناك أيضًا نمو في تقنيات العزل البديلة مثل العوازل السعوية والعوازل القائمة على المقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR)، والتي يمكن أن تقدم مزايا في الحجم والسرعة واستهلاك الطاقة لتطبيقات معينة. ومع ذلك، تظل فوتوكوبلرات الفوتوترانزستور مهيمنة للتطبيقات العامة والحساسة للتكلفة وعزل الجهد العالي بسبب بساطتها وموثوقيتها المثبتة ومناعة العابر المشترك الممتازة (CMTI).