ورقة البيانات الفنية لعائلة CNY17-X وCNY17F-X - حزمة DIP 6 أطراف - عزل 5000 فولت RMS - نسبة نقل التيار 40-320%

1. نظرة عامة على المنتج

تُمثل سلسلتا CNY17-X وCNY17F-X عائلات من مقومات الضوء الضوئية (فوتوكوبلر) ذات 6 أطراف في حزمة ثنائية الخط (DIP)، والمعروفة أيضًا باسم مقومات الضوء البصرية أو العوازل البصرية. يتكون كل جهاز من ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء من زرنيخيد الغاليوم (LED) مقترن بصريًا بترانزستور ضوئي من السيليكون من نوع NPN. الوظيفة الأساسية هي توفير عزل كهربائي بين دائرتين مع السماح بنقل الإشارة عبر الضوء. الاختلاف الرئيسي بين السلسلتين هو توفر وصلة قاعدة خارجية (الطرف 6) في سلسلة CNY17-X، وهي غير موجودة (لا يوجد اتصال) في سلسلة CNY17F-X، حيث تقدم الأخيرة حساسية أقل للضوضاء.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تم تصميم هذه الأجهزة للتطبيقات التي تتطلب عزلًا موثوقًا للإشارة. تشمل مزاياها الأساسية جهد عزل مرتفع يصل إلى 5000 فولت_RMS، وتصميم DIP مضغوط مناسب للتركيب عبر الثقب، ومجموعات مختارة من نسب نقل التيار (CTR) لضمان اتساق التصميم. تم اعتمادها من قبل هيئات معايير السلامة الدولية الرئيسية (UL، cUL، VDE، SEMKO، إلخ.)، مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والاستهلاكية ومصادر الطاقة حيث تكون السلامة ومقاومة الضوضاء أمرًا بالغ الأهمية.

2. تحليل متعمق للمعايير الفنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد الحدود القصوى المطلقة حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. هذه ليست ظروف تشغيل موصى بها.

• الجانب الداخلي (جانب LED):أقصى تيار أمامي مستمر (I_F) هو 60 مللي أمبير. يُسمح بتيار أمامي ذروي قصير المدة (10 ميكروثانية) (I_FM) بقيمة 1 أمبير. أقصى جهد عكسي (V_R) عبر LED هو 6 فولت. تبديد الطاقة الداخلي (P_D) هو 100 ملي واط عند 25 درجة مئوية، مع تخفيض بمقدار 3.8 ملي واط/درجة مئوية فوق 100 درجة مئوية.
• الجانب الخارجي (جانب الترانزستور الضوئي):جهد المجمع-الباعث (V_CEO) وجهد المجمع-القاعدة (V_CBO، لـ CNY17-X فقط) مقدران بـ 80 فولت. جهد الباعث-المجمع (V_ECO) وجهد الباعث-القاعدة (V_EBO) هما 7 فولت. تبديد الطاقة الخارجي (P_C) هو 150 ملي واط عند 25 درجة مئوية، مع تخفيض بمقدار 9.0 ملي واط/درجة مئوية فوق 100 درجة مئوية.
• الجهاز ككل:يجب ألا يتجاوز إجمالي تبديد طاقة الجهاز (P_TOT) 200 ملي واط.
• العزل والبيئة:جهد العزل (V_ISO) هو 5000 فولت_RMS(تيار متردد لمدة دقيقة واحدة). نطاق درجة حرارة التشغيل (T_OPR) هو من -55 درجة مئوية إلى +110 درجة مئوية. أقصى درجة حرارة لحام هي 260 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعايير أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل النموذجية (T_a= 25 درجة مئوية ما لم يُذكر غير ذلك).

2.2.1 خصائص الجانب الداخلي (LED الأشعة تحت الحمراء)

• الجهد الأمامي (V_F):أقصى 1.65 فولت عند I_F= 60 مللي أمبير. هذا هو انخفاض الجهد عبر LED عند التوصيل.
• التيار العكسي (I_R):أقصى 10 ميكرو أمبير عند V_R= 6 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما يكون LED في حالة انحياز عكسي.
• السعة الداخلية (C_in):نموذجي 18 بيكو فاراد. يؤثر هذا على أداء التبديل عالي التردد في الجانب الداخلي.

2.2.2 خصائص الجانب الخارجي (الترانزستور الضوئي)

• تيارات الظلام:مع إيقاف تشغيل LED (I_F=0)، توجد تيارات تسرب. I_CEO(المجمع-الباعث) نموذجيًا 50 نانو أمبير عند V_CE=10 فولت. I_CBO(المجمع-القاعدة، لـ CNY17-X فقط) أقصى 20 نانو أمبير عند V_CB=10 فولت.
• جهود الانهيار: BV_CEOو BV_CBOالحد الأدنى 80 فولت. BV_ECOالحد الأدنى 7 فولت.
• السعة الخارجية (C_CE):نموذجي 8 بيكو فاراد. يؤثر هذا على سرعة تبديل الخرج.

2.3 خصائص النقل

هذه هي المعايير الأكثر أهمية لتطبيقات اقتران الإشارة.

• نسبة نقل التيار (CTR):هذه هي نسبة تيار المجمع الخارجي (I_C) إلى تيار LED الأمامي الداخلي (I_F)، معبرًا عنها كنسبة مئوية. يتم تجميع الأجهزة في أربع نطاقات متميزة من CTR:
  • CNY17-1 / CNY17F-1:CTR = 40% إلى 80% (عند I_F=10 مللي أمبير، V_CE=5 فولت)
  • CNY17-2 / CNY17F-2:CTR = 63% إلى 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3:CTR = 100% إلى 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4:CTR = 160% إلى 320%
• CTR عند تيار منخفض:عند I_F= 1 مللي أمبير، يتم تحديد الحد الأدنى لـ CTR (على سبيل المثال، 13% للدرجة -1، 56% للدرجة -4)، وهو أمر مهم لتطبيقات الاستشعار التناظرية أو منخفضة الطاقة.
• جهد التشبع (V_CE(sat)):أقصى 0.3 فولت عند I_F=10 مللي أمبير، I_C=2.5 مللي أمبير. هذا هو الجهد عبر الترانزستور عندما يكون في حالة "تشغيل" كاملة.
• مقاومة العزل (R_IO):الحد الأدنى 10¹¹أوم. يشير هذا إلى المقاومة المستمرة العالية للغاية بين الجانب الداخلي والخارجي.
• السعة بين الداخل والخارج (C_IO):نموذجي 0.5 بيكو فاراد. هذه السعة الصغيرة هي مفتاح تحقيق مناعة عالية للتداخل العابر المشترك (CMTI).

2.4 خصائص التبديل

يتم تعريف الأداء الديناميكي بأوقات التشغيل/الإيقاف والارتفاع/الانخفاض، والتي تعتمد على ظروف الاختبار.

• الشرط 1 (V_CC=10 فولت، I_C=2 مللي أمبير، R_L=100 أوم):
  • وقت التشغيل (t_on): نموذجي 10 ميكروثانية، أقصى 12 ميكروثانية.
  • وقت الإيقاف (t_off): نموذجي 9 ميكروثانية، أقصى 12 ميكروثانية.
  • وقت الارتفاع (t_r): نموذجي 6 ميكروثانية، أقصى 10 ميكروثانية.
  • وقت الانخفاض (t_f): نموذجي 8 ميكروثانية، أقصى 10 ميكروثانية.
• الشرط 2 (V_CC=5 فولت، I_F=10 مللي أمبير، R_L=75 أوم):
  • وقت الارتفاع (t_r): نموذجي 2 ميكروثانية، أقصى 10 ميكروثانية.
  • وقت الانخفاض (t_f): نموذجي 3 ميكروثانية، أقصى 10 ميكروثانية.

3. شرح نظام التصنيف

يعتمد التصنيف الأساسي لهذه مقومات الضوء الضوئية علىنسبة نقل التيار (CTR). تقدم الدرجات الأربع (1، 2، 3، 4) قيمًا دنيا وعليا متزايدة لـ CTR. يسمح هذا للمصممين باختيار جهاز يتطابق مع كسب الإشارة المطلوب ويوفر اتساقًا في دفعات الإنتاج. على سبيل المثال، قد تستخدم دائرة إدخال رقمية تتطلب إشارة قوية ومحددة جيدًا الدرجة -3 أو -4، بينما قد تحدد دائرة حساسة للتغيرات الدرجة -1 الأكثر ضيقًا وأقل كسبًا.

4. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى "منحنيات الخصائص الكهروضوئية النموذجية." بينما لا يتم تفصيل الرسوم البيانية المحددة في النص المقدم، فإن المنحنيات النموذجية لمثل هذه الأجهزة تشمل:

• CTR مقابل التيار الأمامي (I_F):يوضح كيف تتغير نسبة النقل مع تيار تشغيل LED، حيث يبلغ ذروته عادةً عند تيار محدد.
• CTR مقابل درجة الحرارة:يوضح انخفاض CTR مع زيادة درجة حرارة البيئة، وهو أمر بالغ الأهمية للتشغيل في درجات حرارة عالية.
• تيار المجمع (I_C) مقابل جهد المجمع-الباعث (V_CE):خصائص الخرج للترانزستور الضوئي، تُظهر منطقة التشبع ومنطقة النشاط.
• الجهد الأمامي (V_F) مقابل التيار الأمامي (I_F):خاصية IV لـ LED الأشعة تحت الحمراء.

هذه المنحنيات ضرورية لفهم سلوك الجهاز تحت ظروف غير قياسية ولتحسين تصميم الدائرة.

5. المعلومات الميكانيكية والمتعلقة بالحزمة

يتم تقديم الأجهزة في حزمة DIP قياسية 6 أطراف مع عدة خيارات لأشكال الأطراف.

5.1 أبعاد الحزمة والخيارات

• DIP القياسي:الحزمة الافتراضية عبر الثقب.
• الخيار M:يتميز بـ "انحناء واسع للأطراف" يوفر تباعد أطراف 0.4 بوصة (حوالي 10.16 مم) لتوافق مع آثار لوحات الدوائر المطبوعة الأوسع.
• الخيار S:شكل طرف للتركيب السطحي. مصمم لعمليات اللحام بإعادة التدفق.
• الخيار S1:شكل طرف للتركيب السطحي بـ "مظهر منخفض" للتطبيقات ذات قيود الارتفاع.

يتم توفير رسومات مفصلة ذات أبعاد (بالمليمتر) لكل خيار، تحدد حجم الجسم، طول الطرف، تباعد الأطراف، ومستوى الجلوس.

5.2 تكوين الأطراف والقطبية

تحديد الطرف بوضوح أمر بالغ الأهمية للتركيب الصحيح.

• CNY17-X (مع طرف القاعدة):
  1. الأنود (LED +)
  2. الكاثود (LED -)
  3. لا يوجد اتصال
  4. الباعث (الترانزستور الضوئي)
  5. المجمع (الترانزستور الضوئي)
  6. القاعدة (الترانزستور الضوئي، اتصال خارجي)
• CNY17F-X (بدون طرف القاعدة):
  1. الأنود (LED +)
  2. الكاثود (LED -)
  3. لا يوجد اتصال
  4. الباعث (الترانزستور الضوئي)
  5. المجمع (الترانزستور الضوئي)
  6. لا يوجد اتصال

6. إرشادات اللحام والتجميع

تحدد ورقة البيانات أقصى درجة حرارة لحام 260 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ. هذا عادةً للحام الموجة أو اليدوي للأطراف عبر الثقب. بالنسبة لخيارات التركيب السطحي (S، S1)، يجب استخدام ملفات إعادة التدفق القياسية بالأشعة تحت الحمراء أو الحمل الحراري مع أقصى درجة حرارة لا تتجاوز 260 درجة مئوية. يجب اتخاذ الاحتياطات لتجنب الإجهاد الميكانيكي المفرط على الحزمة أثناء التعامل. يجب أن يتم التخزين في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -55 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية.

7. معلومات التعبئة والطلب

7.1 قاعدة ترقيم الموديل

يتبع رقم الجزء التنسيق:CNY17-XY(Z)-VأوCNY17F-XY(Z)-V

• X:رقم الجزء / درجة CTR (1، 2، 3، أو 4).
• Y:خيار شكل الطرف (S، S1، M، أو لا شيء لـ DIP القياسي).
• Z:خيار الشريط والبكرة (TA، TB، أو لا شيء). ينطبق فقط على خيارات S و S1.
• V:علامة اعتماد VDE اختيارية.

7.2 مواصفات التعبئة

• التعبئة في أنبوب:يتم توريد DIP القياسي والخيار M في أنابيب تحتوي كل منها على 65 وحدة.
• الشريط والبكرة:الخياران S و S1 متاحان على شريط وبكرة. يحتوي كل من خياري TA و TB على 1000 وحدة لكل بكرة.

8. توصيات التطبيق

8.1 دوائر التطبيق النموذجية

تدرج ورقة البيانات الاستخدامات الشائعة: منظمات إمدادات الطاقة (لعزل التغذية الراجعة)، ومدخلات المنطق الرقمي (لتحويل المستوى وعزل الضوضاء)، ومدخلات المعالجات الدقيقة (للتواصل مع الإشارات الخارجية المزعجة). يتم عرض دائرة اختبار محددة لأوقات التبديل (الشكل 11)، والتي تتضمن مقاومة تحديد تيار داخلي (R_IN)، ومقاومة قاعدة-باعث اختيارية لـ CNY17-X (R_BE)، ومقاومة حمل المجمع (R_L).

8.2 اعتبارات التصميم

• تحديد تيار LED:استخدم دائمًا مقاومة على التوالي لتحديد I_Fإلى القيمة المطلوبة، عادةً بين 1 مللي أمبير و 20 مللي أمبير لتحقيق توازن بين السرعة، CTR، والطاقة.
• مقاومة الحمل (R_L):تؤثر قيمة R_Lعلى المجمع على سرعة التبديل، تأرجح الخرج، واستهلاك الطاقة. مقاومة R_Lأصغر تعطي أوقات انخفاض أسرع ولكنها تقلل من تأرجح جهد الخرج.
• مقاومة الضوضاء (CNY17F-X):سلسلة CNY17F-X، بدون اتصال قاعدة خارجي، أقل عرضة لحقن الضوضاء في قاعدة الترانزستور الضوئي، مما يجعلها مفضلة في البيئات الكهربائية المزعجة.
• المفاضلة بين السرعة والتيار:I_Fأعلى يحسن عمومًا سرعة التبديل ولكنه يزيد من تبديد الطاقة. راجع مواصفات وقت التبديل تحت ظروف اختبار مختلفة.
• تدهور CTR:يمكن أن ينخفض CTR خلال عمر الجهاز، خاصةً عند درجات حرارة وتيارات تشغيل عالية. قلل من تصنيف التصميم وفقًا لذلك لتحقيق موثوقية طويلة الأجل.

9. المقارنة الفنية

المميز الرئيسي داخل هذه العائلة هو وجود (CNY17-X) أو غياب (CNY17F-X) طرف القاعدة الخارجي. يوفر CNY17-X مرونة تصميم أكبر؛ يمكن ترك طرف القاعدة مفتوحًا، أو توصيله بالباعث عبر مقاومة (لتحسين السرعة عن طريق إزالة الشحنة المخزنة)، أو استخدامه في تكوينات انحياز محددة. يوفر CNY17F-X مقاومة ضوضاء فائقة حيث أن قاعدة الترانزستور الضوئي داخلية بالكامل وغير قابلة للوصول، وهي ميزة كبيرة في البيئات الصناعية عالية الضوضاء. تشترك السلسلتان في نفس مواصفات العزل، الجهد، وCTR.

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير الفنية)

س: ما هو الفرق الرئيسي بين الدرجات -1، -2، -3، و -4؟

ج: الفرق هو النطاق المضمون لنسبة نقل التيار (CTR). الدرجة -4 لها أعلى كسب (160-320%)، بينما الدرجة -1 لها أقل كسب (40-80%). اختر بناءً على تضخيم الإشارة المطلوب في دائرة.

س: متى يجب أن أستخدم CNY17F-X بدلاً من CNY17-X؟

ج: استخدم CNY17F-X عند العمل في بيئات ذات ضوضاء كهربائية كبيرة (مثل محركات الأقراص، عناصر التحكم الصناعية). إن عدم وجود اتصال قاعدة خارجي يجعلها أقل عرضة بطبيعتها للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) الذي يتسرب إلى منطقة القاعدة الحساسة.

س: كيف أحسب المقاومة المتسلسلة الداخلية لـ LED؟

ج: استخدم قانون أوم: R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F. افترض V_F≈ 1.2 فولت نموذجي (أقصى 1.65 فولت). على سبيل المثال، مع مصدر طاقة 5 فولت و I_Fمطلوب 10 مللي أمبير: R_IN= (5 فولت - 1.2 فولت) / 0.01 أمبير = 380 أوم. استخدم مقاومة قياسية 390 أوم.

س: هل يمكنني استخدام هذا لعزل إشارة التيار المتردد؟

ج: نعم، ولكن مع قيود. خرج الترانزستور الضوئي أحادي الاتجاه (تيار مستمر). لنقل إشارات التيار المتردد، تحتاج عادةً إلى مقومين ضوئيين (واحد لكل نصف دورة) أو دوائر إضافية لتحيز الخرج إلى منطقته الخطية للإرسال التناظري، على الرغم من أن الخطية ليست معيارًا محددًا لهذا الجهاز.

11. مثال تصميم عملي

السيناريو:عزل طرف GPIO لوحدة تحكم دقيقة بجهد 3.3 فولت عن إشارة مستشعر صناعي بجهد 24 فولت.

1. اختيار الجهاز:اختر CNY17F-3 للحصول على كسب جيد (100-200% CTR) ومقاومة ضوضاء عالية.
2. الجانب الداخلي (وحدة التحكم الدقيقة):يقوم طرف GPIO بتشغيل LED عبر مقاومة تحديد تيار. مع V_{GPIO_HIGH}≈ 3.3 فولت و I_Fمستهدف = 5 مللي أمبير: R_IN= (3.3 فولت - 1.2 فولت) / 0.005 أمبير = 420 أوم. استخدم 430 أوم.
3. الجانب الخارجي (واجهة المستشعر):قم بتوصيل مجمع الترانزستور الضوئي بمصدر 24 فولت عبر مقاومة سحب لأعلى (R_L). يتصل الباعث بالأرض. اختر R_Lلضمان تشبع الخرج عند التشغيل وتوفير مستوى منطقي عالي صالح عند الإيقاف. مع I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5 مللي أمبير = 7.5 مللي أمبير (نموذجي)، ومستوى منطقي عالي مطلوب للخرج ~20 فولت عند الإيقاف: R_L≤ (24 فولت - 20 فولت) / (I_CEO). مع I_CEOأقصى ~50 نانو أمبير، أي قيمة تقريبًا تعمل للتسرب. لسرعة التبديل، مقاومة 10 كيلو أوم هي نقطة بداية شائعة. يوفر الخرج (عقدة المجمع) الآن نسخة معزولة ومعكوسة من الإشارة الداخلية.

12. مبدأ التشغيل

يعمل مقوم الضوء الضوئي عن طريق تحويل إشارة كهربائية إلى ضوء، ونقلها عبر حاجز عازل كهربائيًا، ثم تحويل الضوء مرة أخرى إلى إشارة كهربائية. في سلسلة CNY17-X/F-X، يتدفق تيار كهربائي (I_F) عبر LED الأشعة تحت الحمراء، مما يجعله يبعث فوتونات. تمر هذه الفوتونات عبر مركب عازل شفاف وتصطدم بمنطقة قاعدة الترانزستور الضوئي السيليكوني. تولد طاقة الفوتون أزواج إلكترون-ثقب في القاعدة، مما يخلق تيار قاعدة يشغل الترانزستور، مما يسمح لتيار المجمع (I_C) بالتدفق. النسبة I_C/I_Fهي CTR. لا يوجد اتصال كهربائي بين الداخل والخارج، مما يوفر عزلًا كهربائيًا تحدد قوته العازلة للمركب العازل والتباعد الداخلي للأطراف (زحف >7.6 مم).

13. اتجاهات التكنولوجيا

تستمر تكنولوجيا مقومات الضوء الضوئية في التطور. بينما تظل مقومات الضوء التقليدية القائمة على الترانزستور الضوئي مثل سلسلة CNY17 شائعة للعزل العام فعال التكلفة، فإن الاتجاهات تتجه نحو:

سرعة أعلى:تطوير مقومات أسرع باستخدام ثنائي ضوئي ومكبر متكامل (على سبيل المثال، عوازل رقمية) لنقل بيانات متعدد ميغابت في الثانية.

تكامل أعلى:دمج قنوات عزل متعددة أو دمج العزل مع وظائف أخرى مثل مشغلات البوابات أو واجهات ADC في حزمة واحدة.

موثوقية وعمر افتراضي محسّنان:التركيز على المواد والتصميمات التي تقلل من تدهور CTR مع مرور الوقت ودرجة الحرارة.

التصغير:الانتقال إلى حزم تركيب سطحي أصغر (SOIC، SSOP) بنفس أو أفضل تصنيفات العزل. تعكس خيارات S و S1 لسلسلة CNY17 هذا الاتجاه نحو تجميع التركيب السطحي.