كتيب بيانات سلسلة مقرنات ضوئية EL20X/EL21X ذات الترانزستور الضوئي 8 دبابيس SOP - حزمة SO-8 - جهد عزل 3750 فولت RMS - وثيقة تقنية

1. نظرة عامة على المنتج

سلسلة EL20X و EL21X هي عائلة منتجات من أجهزة اقتران الضوء (أوبتو-كوبلر) تعتمد على الترانزستور الضوئي، وتأتي بتغليف SOP القياسي ذي 8 أطراف. توفر هذه الأجهزة عزلًا كهربائيًا بين دائرتين من خلال استخدام صمام ثنائي باعث للضوء (LED) يعمل بالأشعة تحت الحمراء لنقل الإشارة إلى كاشف الترانزستور الضوئي. وظيفتها الرئيسية هي نقل الإشارات الكهربائية عبر حاجز العزل دون أي توصيل كهربائي مباشر، مما يمنع انتشار الجهد العالي أو الضوضاء من دائرة إلى أخرى.

تكمن الميزة الأساسية لهذه السلسلة في الجمع بين حجم الحزمة المدمج والمتوافق مع معايير الصناعة SO-8 وأداء العزل القوي. تشمل الخصائص الرئيسية جهد عزل يصل إلى 3750 فولت_{جذر متوسط مربع}، ونطاق تشغيل حراري واسع من -55°C إلى +110°C، وجهد انهيار عالي للمجمع-الباعث (BV_{الرئيس التنفيذي}). يقدم الجهاز مستويات متعددة لنسبة نقل التيار (CTR)، مما يمكن المصممين من اختيار النموذج الأمثل بناءً على متطلبات الكسب لتطبيقهم المحدد. يتوافق مع معايير البيئة والسلامة، مثل الخالي من الهالوجين، والخالي من الرصاص، والمتوافق مع معيار RoHS، ويحمل شهادات UL/cUL، مما يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات التجارية والصناعية.

1.1 التطبيقات المستهدفة

تم تصميم هذه المقرنات الضوئية خصيصًا لعزل وتبديل الأغراض العامة في الأنظمة الإلكترونية. تشمل مجالات التطبيق النموذجية:

• دوائر التحكم بالتغذية الراجعة:عزل إشارة التغذية الراجعة في مصادر الطاقة ذات التبديل (SMPS) للحفاظ على تنظيم الجهد وحماية دائرة التحكم المتكاملة (IC).
• واجهة النظام:اقتران الإشارات الرقمية أو التناظرية بين دوائر ذات مستويات جهد أرضي أو جهد مختلفة، كما في واجهة المتحكم الدقيق مع مشغل المحرك أو وحدات الإدخال/الإخراج الصناعية.
• مفتاح عام:استبدال المرحلات الميكانيكية لتحقيق تبديل إشارات صلبة خالية من الضوضاء.
• دائرة المراقبة والكشف:يُستخدم في التطبيقات التي تكون فيها العزل حاسماً مثل المراقبة الأمنية، وكشف الأعطال، أو فحص الخطوط.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يقدم هذا القسم تفسيرًا تفصيليًا وموضوعيًا للمعايير الكهربائية والبصرية الرئيسية المحددة في ورقة البيانات.

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد تؤدي إلى تلف دائم للجهاز. لا يمكن ضمان العمل تحت هذه الظروف.

• تيار الدخل الأمامي (I_F):60 مللي أمبير (مستمر). بالنسبة للنبضات القصيرة جدًا (10 ميكروثانية)، تيار الذروة الأمامي (I_FM) هو 1 A، ويرتبط هذا بظروف التيار الاندفاعي خلال فترة التشغيل.
• جهد الإدخال العكسي (V_R):6 V. جهد الانهيار العكسي لـ LED الإدخال منخفض نسبيًا؛ يجب الحرص في تصميم الدائرة لتجنب تطبيق جهد انحياز عكسي.
• جهد المجمع-الباعث الناتج (V_{الرئيس التنفيذي}):80 V. هذا هو أقصى جهد يمكن أن يتحمله الترانزستور الضوئي بين المجمع والباعث عندما تكون القاعدة مفتوحة (بدون إدخال ضوئي).
• استهلاك الطاقة الكلي (P_TOT):240 mW. هذا هو إجمالي الطاقة القصوى التي يمكن تبديدها بواسطة LED الإدخال وترانزستور الإخراج. القيود الفردية للإدخال (P_D) والإخراج (P_C) هي 90 mW و 150 mW على التوالي.
• جهد العزل (V_ISO):3750 V_{جذر متوسط مربع}، لمدة دقيقة واحدة. هذه معلمة أمان حرجة يتم اختبارها عن طريق تطبيق جهد التيار المتردد هذا بين جميع دبابيس الإدخال الموصولة على التوالي (1-4) وجميع دبابيس الإخراج الموصولة على التوالي (5-8). وهو يثبت قوة العزل الكهربائي للعزل الداخلي.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين:من -55°C إلى +110°C (التشغيل)، ومن -55°C إلى +125°C (التخزين). يضمن النطاق الواسع الموثوقية في البيئات القاسية.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات تحت ظروف الاختبار القياسية (ما لم يُذكر خلاف ذلك، Ta=25°C)، وهي تحدد أداء الجهاز.

2.2.1 خصائص الإدخال (LED)

• جهد أمامي (V_F):القيمة النموذجية 1.3 فولت، الحد الأقصى 1.5 فولت عند I_F= 10 مللي أمبير. تُستخدم هذه القيمة لحساب المقاوم المحدد للتيار المطلوب لدائرة تشغيل LED.
• التيار العكسي (I_R):عند V_R= 6 فولت، الحد الأقصى 100 ميكرو أمبير، مما يشير إلى تيار التسرب في حالة إيقاف تشغيل LED.

2.2.2 خصائص الإخراج (الترانزستور الضوئي)

• تيار الظلام بين المجمع والباعث (I_{الرئيس التنفيذي}):عند V_CE= 10V، I_F= 0mA بحد أقصى 50 nA. هذا هو تيار التسرب للترانزستور الضوئي في حالة عدم وجود إضاءة، وهو مهم لتحديد مستوى إشارة حالة "الإيقاف".
• جهد التشبع بين المجمع والباعث (V_CE(sat)):في I_F= 10mA، I_C= 2mA، الحد الأقصى 0.4V. عندما يُستخدم الجهاز كمفتاح، فإن جهد التشبع المنخفض يساعد في تقليل انخفاض الجهد وفقدان الطاقة.

2.2.3 خصائص النقل

المعلمة الأكثر أهمية في العازل البصري هي نسبة نقل التيار (CTR).

• تعريف:CTR = (I_C/ أنا_F) * 100%، حيث I_Cهو تيار المجمع للترانزستور الضوئي، I_Fهو تيار الأمام للصمام الثنائي الباعث للضوء. وهو يمثل كفاءة تحويل تيار الإدخال إلى تيار الإخراج.
• نظام التصنيف:يتم تقسيم السلسلة إلى مستويات CTR محددة لضمان اتساق التصميم.
  • سلسلة EL20X (في I_F=10mA عند CTR القياسي):EL205 (40-80%)، EL206 (63-125%)، EL207 (100-200%)، EL208 (160-320%).
  • سلسلة EL21X (عند I_F=10mA، الحد الأدنى لنسبة نقل التيار):EL211（>20%）、EL212（>50%）、EL213（>100%）。
  • نسبة نقل تيار منخفضة (عند I_F=1mA):تم تحديد نماذج مختلفة (EL215، EL216، EL217) للعمل عند تيارات LED منخفضة، مما يشير إلى اعتماد CTR على I_F.
• سرعة التبديل:تحت ظروف الاختبار المحددة (V_{=10V، I}=2mA، R_{=100Ω)، وقت التشغيل النموذجي (t}on_r) وزمن الإيقاف (t_foff_CC) كل منهما 3.0 µs، وزمن الصعود (t_C) هو 1.6 ميكروثانية، وزمن الهبوط (t_L) هو 2.2 ميكروثانية. هذه المعلمات تحد من أقصى تردد للإشارة القابلة للإرسال.
• معلمات العزل:مقاومة العزل (R_IO) القيمة النموذجية هي 10¹¹Ω، سعة الإدخال والإخراج (C) تبلغ قيمتها النموذجية 0.5 pF._IOالسعة المنخفضة ضرورية للحفاظ على مناعة عالية للتداخل المشترك العابر (CMTI) في البيئات الصاخبة.

3. تحليل منحنى الأداء

على الرغم من أن مقتطف PDF المقدم ذكر منحنيات الخصائص النموذجية دون عرضها، فإن استخدامها العام وتأثيرها على التصميم موضح أدناه.

3.1 نسبة نقل التيار (CTR) مقابل التيار الأمامي (I_F)

يُظهر المنحنى النموذجي أن نسبة نقل التيار (CTR) ليست ثابتة. عادة ما تصل إلى ذروتها عند تيار أمامي محدد (I_F(عادة في نطاق 1-10 مللي أمبير لمثل هذه الأجهزة)، وتنخفض عند التيارات المنخفضة والعالية. يجب على المصممين الرجوع إلى هذا المنحنى لاختيار نقطة التشغيل المثلى التي توفر كسبًا كافيًا وخطية لتطبيقهم.

3.2 العلاقة بين CTR ودرجة الحرارة

يتمتع CTR بمعامل درجة حرارة سالب؛ فهو ينخفض مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. هذه الخاصية حاسمة للتصميمات التي تعمل في نطاق درجة حرارة كامل من -55°C إلى +110°C. يجب أن يضمن تصميم الدائرة التشغيل السليم حتى عند أعلى درجة حرارة متوقعة (حيث يكون CTR في حده الأدنى) (مثل، تأرجح إخراج كافٍ أو قدرة تبديل).

3.3 العلاقة بين تيار المجمع وجهد المجمع-الباعث

تُظهر هذه المجموعة من المنحنيات ذات المعلمات المختلفة لـ I_Fخصائص الإخراج للترانزستور الضوئي. وهي توضح منطقة التشبع (V_CEمنخفض، I_Cيتحدد بشكل أساسي بواسطة I_F(التحكم) ومنطقة النشطة/الخطية. هذا أمر بالغ الأهمية لتصميم مضخم عزل خطي أو لضمان تشبع الجهاز بالكامل عند استخدامه كمفتاح.

4. المعلومات الميكانيكية ومعلومات التغليف

4.1 تكوين الأطراف

ترتيب أطراف حزمة SOP ذات 8 أطراف هو كما يلي:الطرف 1:الأنود،الطرف 2:الكاثود،الأطراف 3، 4، 8:لا يوجد اتصال (NC)،الطرف 5:الباعث،الطرف 6:المجمع،الطرف 7:القاعدة. يتم توصيل طرف القاعدة للخارج، مما يوفر مرونة في التصميم. يمكن تركه مفتوحًا للحصول على أعلى حساسية، أو توصيله بالمقاوم إلى الباعث لتقليل الحساسية وزيادة سرعة التبديل، أو استخدامه للتغذية الراجعة في تكوينات معينة.

4.2 أبعاد الغلاف وتخطيط لوحة الدوائر المطبوعة

يتوافق هذا المكون مع الأبعاد القياسية لتغليف SO-8. يحتوي كتيب البيانات على رسومات ميكانيكية مفصلة، بوحدة المليمتر. كما يوفر تخطيطًا موصى به لوسادات التجميع السطحي. يعد اتباع نمط الوسادات هذا أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق وصلات لحام موثوقة ومنع مشاكل مثل "قبرة القيام" أثناء عملية إعادة التدفق. يضمن شكل التغليف التوافق مع معدات التركيب الآلي.

5. دليل اللحام والتجميع

الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة اللحام هو 260 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ. هذه قيمة تصنيفية نموذجية لعملية إعادة التدفق الخالية من الرصاص. يجب اتباع الإرشادات القياسية لـ IPC/JEDEC J-STD-020 فيما يتعلق بمستوى الحساسية للرطوبة (MSL) ومنحنى إعادة التدفق. يجب تخزين المكون في حقيبته الأصلية المضادة للرطوبة حتى الاستخدام. إذا تعرض لرطوبة بيئية تتجاوز مستوى MSL الخاص به، فإنه يتطلب الخبز قبل اللحام لمنع تلف "الفشار" أثناء إعادة التدفق.

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 قواعد تسمية الموديلات

يتبع النموذج التنسيق التالي:EL2XX(Y)-V

• XX:النماذج (05، 06، 07، 08، 11، 12، 13، 15، 16، 17). تحدد مستوى CTR.
• Y:خيارات التعبئة على بكرات (TA، TB، أو عدم الإشارة يعني تعبئة في أنابيب).
• V:لاحقة اختيارية، تشير إلى تضمين شهادة السلامة VDE.

6.2 خيارات التغليف

• التعبئة في أنابيب:100 قطعة لكل أنبوب. مناسبة للنماذج الأولية أو التجميع اليدوي بكميات صغيرة.
• التعبئة في بكرات:2000 قطعة لكل بكرة. مصممة خصيصًا لخطوط التجميع الآلي ذات الأحجام الكبيرة. تحتوي ورقة البيانات على مواصفات مفصلة للشريط الحامل (أبعاد التجويف، عرض الشريط، قطر البكرة).

6.3 تعريف الجهاز

توجد على الجزء العلوي من الغلاف علامات "EL" (رمز الشركة المصنعة)، ورقم الموديل (مثل 207)، ورمز السنة المكون من رقم واحد (Y)، ورمز الأسبوع المكون من رقمين (WW). بالنسبة للإصدارات المعتمدة من VDE، قد تحمل حرف "V" اختياريًا. يسمح هذا التعريف بتتبع المكون والتحقق منه.

7. اعتبارات تصميم التطبيق

7.1 تشغيل LED الإدخال

يجب استخدام مقاومة محددة للتيار لتشغيل LED. يتم حساب قيمة المقاومة على أنها R_الحد= (V_DRIVE- V_F) / I_Fاستخدم أقصى قيمة لـ V من ورقة البيانات._Fلضمان تحقيق الحد الأدنى المطلوب من I تحت جميع الظروف._Fبالنسبة للمفاتيح الرقمية، مع الأخذ في الاعتبار سرعة تبديل الجهاز، تأكد من أن دائرة القيادة قادرة على توفير I اللازمة._Fلتحقيق حالة الإخراج المطلوبة في الوقت المحدد.

7.2 تصميم دائرة الخرج

متصل بين المجمع و V_Lمقاوم الحمل (R_CCيحدد مدى جهد الخرج وسرعة التبديل. المقاومة الأصغر R_Lتوفر سرعة تبديل أسرع (بسبب ثابت الوقت RC الأصغر)، ولكنها تؤدي إلى مدى جهد خرج أصغر واستهلاك طاقة أعلى. المقاومة الأكبر R_Lتوفر مدى أكبر ولكن بسرعة أبطأ. يجب أن يضمن التيار المحدد I_Fومعامل نقل التيار (CTR) أن الترانزستور الضوئي قادر على سحب تيار كافٍ عند التوصيل لسحب جهد الخرج إلى ما دون عتبة المستوى المنطقي المنخفض لدائرة الاستقبال.

7.3 استخدام دبوس القاعدة

ترك دبوس القاعدة (دبوس 7) عائماً يوفر أعلى نسبة نقل التيار الضوئي (CTR) وأعلى حساسية. توصيل مقاومة (عادة في نطاق 100 كيلو أوم إلى 1 ميغا أوم) بين دبوس القاعدة ودبوس الباعث (دبوس 5) يحول جزءاً من تيار القاعدة الضوئي، مما يقلل الكسب الفعال (CTR) ولكنه يحسن سرعة التبديل بشكل ملحوظ، خاصة وقت الإيقاف (t_off). هذا هو المقايضة الشائعة في تطبيقات العزل الرقمي عالي السرعة.

7.4 ضمان عزل موثوق

للحفاظ على جهد العزل المقنن، فإن تخطيط PCB الصحيح أمر بالغ الأهمية. وفقًا للمعايير الأمنية ذات الصلة (مثل IEC 60950، IEC 60601)، حافظ على مسافة الزحف والفجوة الكهربائية الكافية بين مسارات النحاس على جانب الإدخال وجانب الإخراج على PCB. حاجز العزل داخل المكون معتمد، ولكن لا يجب أن يتسبب تخطيط PCB في الإضرار به.

8. المقارنة التقنية وإرشادات الاختيار

تبرز سلسلة EL20X/EL21X بجهد عزل يصل إلى 3750 فولت في حزمة SO-8 القياسية_{جذر متوسط مربع}وهو أعلى من العديد من أجهزة اقتران الصور الضوئية الأساسية ذات الأربعة أطراف. بالمقارنة مع معزلات رقمية أكثر تقدمًا (تستخدم تقنية CMOS)، فإن أجهزة اقتران الصور الضوئية ذات الترانزستورات الحساسة للضوء هذه عادة ما تكون أبطأ سرعة، ولها نسبة نقل التيار (CTR) أقل، وتتدهور نسبة نقل التيار (CTR) مع مرور الوقت. ومع ذلك، فإنها توفر رفضًا ممتازًا للنمط المشترك، وبساطة، ومتانة لعزل إشارات التيار المستمر والتيار المتردد منخفضة التردد. معايير الاختيار الرئيسية هي: جهد العزل المطلوب، ونسبة نقل التيار (CTR) اللازمة عند تيار التشغيل I_Fوسرعة التبديل المقبولة، ونطاق درجة حرارة التشغيل.

9. الأسئلة الشائعة (FAQ)

9.1 ما الفرق بين سلسلة EL20X و EL21X؟

تحدد سلسلة EL20X (EL205-EL208) الحد الأدنى والحد الأقصى لقيمة CTR (نطاق "مُدرج")، مما يوفر تحكمًا أكثر دقة في المعلمات. بينما تحدد سلسلة EL21X (EL211-EL213) الحد الأدنى لقيمة CTR فقط، مما قد يؤدي إلى توزيع أوسع للقيم الفعلية، ولكن بتكلفة قد تكون أقل.

9.2 كيف تؤثر درجة الحرارة على الأداء؟

تنخفض نسبة نقل التيار (CTR) مع ارتفاع درجة الحرارة. للعمل بشكل موثوق عبر نطاق درجات الحرارة بالكامل، يجب أن تستخدم حسابات التصميم أقل نسبة نقل تيار (CTR) متوقعة عند أقصى درجة حرارة تشغيل. توفر ورقة البيانات عادةً منحنى تخفيض التصنيف أو معامل درجة الحرارة لهذا الغرض.

9.3 هل يمكن استخدام هذه الوحدة لعزل الإشارات التناظرية؟

نعم، ولكن مع قيود. استجابة الترانزستور الضوئي غير خطية، ويتغير CTR مع I_Fودرجة الحرارة. للعزل التناظري الخطي، هناك حاجة إلى دائرة خارجية إضافية (مضخم عمليات، تغذية مرتدة) لتحويل الاستجابة إلى خطية، أو يجب النظر في استخدام عازل ضوئي خطي مخصص.

ما هو الغرض من خيار "V" في الموديل 9.4؟

تشير اللاحقة "-V" إلى أن هذه الوحدة المحددة قد تم اختبارها واعتمادها للامتثال لمعايير السلامة الخاصة بـ VDE (جمعية المهندسين الكهربائيين الألمان) المتعلقة بالعزل المعزز. وهذا عادة ما يكون مطلبًا للمنتجات المباعة في السوق الأوروبية.

10. مثال تصميم عملي

السيناريو:عزل دبوس GPIO لوحدة تحكم دقيقة بجهد 3.3 فولت للتحكم في ملفّ مرحّل بجهد 12 فولت في دائرة أخرى. يتطلب ملفّ المرحّل تيارًا مقداره 50 مللي أمبير للتنشيط.

خطوات التصميم:

1. اختيار الواجهة:استخدام عازل ضوئي كمفتاح منخفض الجانب للريلاي. المتحكم الدقيق يقود جانب LED. الترانزستور الضوئي سيمتص تيار ملف الريلاي.
2. اختيار المكونات:اختر نموذجًا ذو معدل نقل التيار الكافي (CTR). التيار المطلوب I_C= 50 مللي أمبير. إذا كان الهدف هو توفير I من المتحكم الدقيق (MCU)_F= 5 مللي أمبير، فإن الحد الأدنى المطلوب لمعدل نقل التيار (CTR) = (50 مللي أمبير / 5 مللي أمبير)*100% = 1000%. لا يمكن للترانزستور الضوئي القياسي توفير هذه القيمة. لذلك، يجب أن يقود العازل الضوئي ترانزستورًا صغيرًا ("ترانزستور لاحق")، والذي بدوره يقود المرحل. اختر EL207 (معدل نقل التيار 100-200%) للحصول على كسب جيد.
3. دائرة الإدخال:MCU GPIO（3.3V）-> 限流电阻R1 -> EL207引脚1（阳极）和2（阴极）。R1 = (3.3V - 1.5V) / 0.005A = 360Ω（使用330Ω标准值）。
4. دائرة الخرج:12V电源 -> 继电器线圈 -> EL207的集电极（引脚6）。发射极（引脚5）接地。必须在继电器线圈两端反向并联一个续流二极管，以保护光敏三极管在关断时免受电压尖峰的影响。可以在引脚7添加一个基极-发射极电阻（例如1 MΩ）以改善关断速度。
5. التحقق:في I_Fعند =5mA، يضمن الحد الأدنى لنسبة النقل الحالي (CTR) بنسبة 100% توفير تيار I_C= 5mA. هذا كافٍ لإشباع ترانزستور ثنائي القطب ذو الوصلة (BJT) صغير ذو كسب عالٍ (مثل 2N3904)، والذي يمكنه بعد ذلك تشغيل ملف مرحل يستهلك 50mA.

11. آلية العمل

يتكون العازل البصري من مكونين رئيسيين، محاطين بغلاف معتم للضوء. على جانب الإدخال، يحول الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) بالأشعة تحت الحمراء التيار الكهربائي إلى ضوء تحت أحمر. تتناسب شدة هذا الضوء طرديًا مع التيار الأمامي (I_F) الذي يتدفق عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء. يعبر هذا الضوء فجوة عازلة شفافة (مملوءة عادة بهلام عازل) ويضيء على الترانزستور الضوئي الحساس للضوء من السيليكون الموجود على جانب الإخراج. تم تصميم منطقة القاعدة في الترانزستور الضوئي لتكون حساسة لهذا الطول الموجي المحدد من الضوء. تولد الفوتونات الساقطة أزواج إلكترون-فجوة في وصلة القاعدة-المجمع، مكونة تيارًا ضوئيًا يعمل كتيار قاعدي. يتم بعد ذلك تضخيم تيار القاعدة الضوئي هذا بواسطة كسب التيار (h_FE) للترانزستور، لينتج تيار مجمع أكبر (I_C). النسبة I_C/I_Fهو نسبة نقل التيار (CTR). النقطة الأساسية هي أن الإشارة تنتقل عبر الضوء، مما يوفر عزلًا كهربائيًا تحدده الخصائص الفيزيائية للمادة العازلة الداخلية وكذلك المسافة بين الصمام الثنائي الباعث للضوء والترانزستور.

12. الاتجاهات التقنية

تمثل أجهزة العزل البصري القائمة على الترانزستورات الضوئية مثل EL20X/EL21X تقنية عزل ناضجة وموثوقة. تشمل الاتجاهات الحالية في عزل الإشارات اعتمادًا متزايدًا لأجهزة العزل الرقمية القائمة على تقنية CMOS والاقتران الراديوي أو السعوي.العوازل الرقمية。这些在速度（高达数百Mbps）、功耗、尺寸和寿命（无LED退化）方面具有显著优势。然而，传统光电耦合器在需要极高隔离电压（>5kV）、优异的共模瞬态抗扰度（CMTI）、简单性以及直流和低频隔离的成本效益的应用中仍保持强势地位。光电耦合器技术本身也在不断发展，例如将光敏三极管与基极-发射极电阻集成以提高速度（如基极引脚的可用性所示），以及开发具有更高爬电距离/电气间隙的封装以满足加强绝缘要求。