ورقة بيانات سلسلة EL063X: مقرن ضوئي ثنائي القنوات عالي السرعة 10 ميجابت/ثانية ببوابة منطقية في غلاف SOP-8

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة EL063X عائلة من مقرنات الضوء (العوازل الضوئية) المنطقية عالية السرعة وثنائية القنوات. تم تصميم هذه الأجهزة لتوفير عزل كهربائي قوي ونقل إشارات رقمية عالية السرعة بين دائرتين. الوظيفة الأساسية هي نقل إشارات مستوى منطقي عبر حاجز عزل باستخدام ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (LED) مقترن ضوئيًا بكاشف ضوئي متكامل عالي السرعة مع إخراج بوابة منطقية. يكسر هذا التصميم بشكل فعال حلقات التأريض، ويمنع نقل الضوضاء، ويحمي الدوائر الحساسة من تقلبات الجهد أو الاختلافات في جهد التأريض.

مجالات التطبيق الأساسية لهذا المكون هي في الأتمتة الصناعية، وواجهات الاتصالات، والتحكم في إمدادات الطاقة، وملحقات الكمبيوتر حيث يكون نقل الإشارة الموثوق والخالي من الضوضاء أمرًا بالغ الأهمية. يوفر التكوين ثنائي القنوات في غلاف واحد مزايا توفير المساحة وخصائص قناة متطابقة لتطبيقات الإشارات التفاضلية أو لعزل خطوط تحكم متعددة.

2. الغوص العميق في المعايير الفنية

تحدد المعايير الكهربائية والبصرية حدود التشغيل وأداء مقرن الضوء.

2.1 القيم القصوى المطلقة

هذه هي حدود الإجهاد التي لا يجب تجاوزها تحت أي ظرف، حتى بشكل لحظي. تشغيل الجهاز خارج هذه التقييمات قد يسبب تلفًا دائمًا.

• تيار الإدخال الأمامي (I_F): 20 مللي أمبير تيار مستمر/متوسط. هذا يحد من أقصى تيار عبر LED الإدخال.
• جهد الإدخال العكسي (V_R): 5 فولت. أقصى جهد انحياز عكسي يمكن لـ LED الإدخال تحمله.
• تيار الإخراج (I_O): 50 مللي أمبير. أقصى تيار يمكن لترانزستور الإخراج استنزافه (sink).
• جهد الإخراج (V_O) وجهد التغذية (V_CC): 7.0 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه على أطراف جانب الإخراج.
• جهد العزل (V_ISO): 3750 فولت_{قيمة جذر متوسط مربع (RMS)}لمدة دقيقة واحدة. هذه معلمة أمان رئيسية تشير إلى قوة العزل الكهربائي للحاجز العازل بين جانبي الإدخال والإخراج، تم اختبارها مع تقصير الأطراف 1-4 معًا والأطراف 5-8 معًا.
• درجة حرارة التشغيل (T_OPR): من -40°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي يضمن فيه عمل الجهاز.
• درجة حرارة التخزين (T_STG): من -55°C إلى +125°C.

2.2 الخصائص الكهربائية

يتم ضمان هذه المعلمات ضمن ظروف التشغيل المحددة (Ta = -40°C إلى 85°C ما لم يُذكر خلاف ذلك).

2.2.1 خصائص الإدخال

• الجهد الأمامي (V_F): عادةً 1.4 فولت، بحد أقصى 1.8 فولت عند I_F= 10 مللي أمبير. يستخدم هذا لحساب المقاوم التسلسلي المطلوب لدائرة تشغيل LED الإدخال.
• معامل درجة حرارة V_F: حوالي -1.8 مللي فولت/°C. ينخفض جهد LED الأمامي مع زيادة درجة الحرارة.
• سعة الإدخال (C_IN): عادةً 60 بيكو فاراد. تؤثر هذه السعة الطفيلية على الأداء عالي التردد في جانب الإدخال.

2.2.2 خصائص الإخراج والنقل

• تيار التغذية (I_CCH/I_CCL): تيار السكون المسحوب بواسطة الدائرة المتكاملة للإخراج. I_CCH(إخراج مرتفع) عادةً 13 مللي أمبير (حد أقصى 18 مللي أمبير). I_CCL(إخراج منخفض) عادةً 15 مللي أمبير (حد أقصى 21 مللي أمبير) عند V_CC= 5.5 فولت. هذا مهم لحسابات ميزانية الطاقة.
• تيار الإخراج بمستوى مرتفع (I_OH): يمكن للإخراج توفير (source) حد أقصى 100 ميكرو أمبير مع الحفاظ على مستوى منطقي مرتفع (V_Oقريب من V_CC). هذه قدرة توفير ضعيفة.
• جهد الإخراج بمستوى منخفض (V_OL): حد أقصى 0.6 فولت عند I_F= 5 مللي أمبير و I_CL= 13 مللي أمبير. هذا يحدد مستوى الجهد عندما يكون ترانزستور الإخراج يستنزف التيار بنشاط، مما يضمن التوافق مع عتبات المنطق المنخفضة لـ TTL/CMOS.
• تيار عتبة الإدخال (I_FT): حد أقصى 5 مللي أمبير. هذا هو تيار الإدخال المطلوب لضمان تحول الإخراج إلى حالة منخفضة صالحة (V_O≤ 0.6 فولت) تحت الظروف المحددة. يجب على المصممين التأكد من أن دائرة التشغيل توفر على الأقل هذا التيار لتبديل موثوق.

2.3 خصائص التبديل

تحدد هذه المعلمات أداء السرعة العالية الرقمي، ويتم قياسها تحت ظروف الاختبار القياسية (Ta=25°C، V_CC=5 فولت، I_F=7.5 مللي أمبير، C_L=15 بيكو فاراد، R_L=350 أوم).

• زمن التأخير في الانتشار (t_PHL, t_PLH): حد أقصى 100 نانو ثانية لكل منهما. t_PHLهو التأخير من تشغيل LED الإدخال (ارتفاع التيار) إلى انخفاض الإخراج. t_PLHهو التأخير من إيقاف LED الإدخال (انخفاض التيار) إلى ارتفاع الإخراج. هذه التأخيرات تحد من أقصى معدل بيانات.
• تشويه عرض النبضة (|t_PHL– t_PLH|): حد أقصى 35 نانو ثانية. يمكن لهذا الاختلاف بين تأخيرات الصعود والهبوط أن يشوه دورة عمل النبضات المرسلة، وهو أمر بالغ الأهمية في التطبيقات الحساسة للتوقيت.
• زمن صعود/هبوط الإخراج (t_r, t_f): t_rعادةً 40 نانو ثانية (من 10% إلى 90%)، t_fعادةً 10 نانو ثانية (من 90% إلى 10%). زمن الهبوط الأسرع هو سمة مميزة لمرحلة الإخراج ذات السحب النشط للأسفل (active pull-down).
• مناعة التداخل المشترك العابر (CMTI): هذه معلمة حاسمة لمناعة الضوضاء في البيئات الصاخبة مثل محركات المحركات أو إمدادات الطاقة التبديلية. تقيس قدرة الجهاز على رفض تقلبات الجهد السريعة التي تظهر عبر حاجز العزل.
  • EL0630: حد أدنى 5000 فولت/ميكرو ثانية.
  • EL0631: حد أدنى 10000 فولت/ميكرو ثانية. تجعل CMTI الأعلى هذه EL0631 مناسبة للتطبيقات الأكثر تطلبًا ذات الضوضاء الكهربائية الشديدة.
  • يتم تحديد المناعة لكل من حالة الإخراج المرتفع (CM_H) وحالة الإخراج المنخفض (CM_L)، مما يضمن عدم تبديل الإخراج بشكل خاطئ أثناء حدث عابر.

3. تحليل منحنيات الأداء

بينما يشير مقتطف PDF المقدم إلى "منحنيات الخصائص الكهروبصرية النموذجية"، إلا أن الرسوم البيانية المحددة غير مدرجة في النص. عادةً، تتضمن هذه المنحنيات لمقرن الضوء ما يلي:

• نسبة النقل الحالي (CTR) مقابل تيار الأمام (I_F): يظهر كفاءة الاقتران الضوئي (تيار الإخراج / تيار الإدخال) عبر مستويات تشغيل مختلفة.
• زمن التأخير في الانتشار مقابل تيار الأمام (I_F): يوضح كيف تختلف سرعة التبديل مع تيار تشغيل LED. ارتفاع I_Fيقلل عمومًا من زمن التأخير في الانتشار.
• زمن التأخير في الانتشار مقابل درجة الحرارة: يظهر اعتماد سرعة التبديل على درجة الحرارة.
• جهد تشبع الإخراج مقابل تيار الإخراج: يصف أداء ترانزستور الإخراج عند استنزاف التيار.

يجب على المصممين الرجوع إلى ورقة البيانات الكاملة مع الرسوم البيانية لفهم هذه العلاقات لتحسين تطبيقهم المحدد، مثل المفاضلة بين السرعة وتيار/تبديد طاقة LED.

4. معلومات الميكانيكا والغلاف

يتم وضع الجهاز في غلاف قياسي 8 أطراف ذو مظهر خارجي صغير (SOP أو SOIC). يتوافق هذا الغلاف للتركيب السطحي مع البصمة الشائعة SO8، مما يسهل تخطيط وتركيب لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

4.1 تكوين الأطراف (Pin Configuration)

تكوين الأطراف كما يلي:

• الطرف 1: الأنود (LED إدخال القناة 1)
• الطرف 2: الكاثود (LED إدخال القناة 1)
• الطرف 3: الكاثود (LED إدخال القناة 2)
• الطرف 4: الأنود (LED إدخال القناة 2)
• الطرف 5: التأريض (GND) - المشترك في جانب الإخراج.
• الطرف 6: V_OUT2 (إخراج القناة 2)
• الطرف 7: V_OUT1 (إخراج القناة 1)
• الطرف 8: V_CC(جهد التغذية لجانب الإخراج، +5 فولت نموذجيًا)

ملاحظة هامة:جانبا الإدخال والإخراج معزولان بالكامل. الأطراف 1-4 في جانب الإدخال المعزول، والأطراف 5-8 في جانب الإخراج المعزول. يجب أن يحافظ تخطيط PCB على مسافات زحف وتباعد كافية بين هاتين المجموعتين من الأطراف والمسارات المرتبطة بهما للحفاظ على تصنيف العزل.

5. إرشادات اللحام والتركيب

الجهاز مناسب لعمليات التركيب السطحي القياسية.

• درجة حرارة اللحام: أقصى درجة حرارة لحام مسموح بها هي 260°C لمدة 10 ثوانٍ. هذا متوافق مع ملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص النموذجية.
• الحساسية للرطوبة: بينما لم يتم ذكرها صراحةً في المقتطف، فإن معظم المكونات الإلكترونية ذات الغلاف البلاستيكي للتركيب السطحي (SMD) لها مستوى حساسية للرطوبة (MSL). التعامل السليم، والتجفيف إذا لزم الأمر، والتخزين وفقًا لإرشادات الشركة المصنعة أمران ضروريان لمنع ظاهرة "الفرقعة" (popcorning) أثناء إعادة التدفق.
• التجاوز (Bypassing) للإخراج: ملاحظة تصميم حرجة (*3) تحدد أنه يجب تجاوز طرف تغذية V_CC(8) بمكثف 0.1 ميكرو فاراد أو أكبر (سيراميك أو تانتاليوم صلب بخصائص تردد عالي جيدة). يجب وضع هذا المكثف بأقرب ما يمكن بين الطرف 8 (V_CC) والطرف 5 (GND) لضمان تشغيل مستقر وتقليل ضوضاء التبديل على خط التغذية.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

تذكر ورقة البيانات عدة تطبيقات رئيسية:

• إزالة حلقات التأريض: الوظيفة الأساسية، عزل تأريض نظامين فرعيين لمنع التيارات الدائرية والضوضاء.
• ترجمة/واجهة مستوى المنطق: يمكن أن تعمل كواجهة بين عائلات منطقية مختلفة (مثلًا، من LSTTL إلى TTL أو CMOS 5 فولت) مع توفير العزل.
• نقل البيانات ومستقبلات الخط: مناسبة لروابط البيانات التسلسلية المعزولة (مثلًا، عزل RS-232، RS-485)، وعزل الإدخال/الإخراج الرقمي، والتعددية (multiplexing).
• تغذية مرتدة لمصدر الطاقة التبديلي: عزل إشارة التغذية المرتدة من الجانب الثانوي (الإخراج) إلى الجانب الأولي (المتحكم) في دوائر flyback أو دوائر محولات معزولة أخرى.
• استبدال محول النبضة: يوفر بديلًا ذا حالة صلبة، وربما أكثر موثوقية وصغر حجمًا لنقل النبضات الرقمية عبر حاجز عزل.
• واجهة ملحقات الكمبيوتر: عزل الإشارات من/إلى الطابعات، أو بطاقات الإدخال/الإخراج الصناعية، أو الملحقات الأخرى.

6.2 اعتبارات التصميم

• دائرة تشغيل الإدخال: يجب حساب مقاوم تسلسلي بناءً على جهد تغذية الإدخال (V_IN)، و تيار الأمام المطلوب I_F، و جهد LED V_F. R_series= (V_IN- V_F) / I_F. يجب أن يكون I_F≥ I_FTلضمان التبديل ويمكن زيادته حتى القيمة القصوى المطلقة لتحسين السرعة، على حساب تبديد طاقة أعلى.
• حمل الإخراج: تم تصميم الإخراج لدفع أحمال منطقية قياسية. المقاومة الساحبة للأعلى R_L(المتصل بين V_CCوطرف الإخراج) تحدد مستوى المنطق المرتفع وزمن الصعود. مقاومة R_Lأصغر توفر أزمنة صعود أسرع ولكنها تزيد من استهلاك الطاقة عندما يكون الإخراج منخفضًا. تستخدم حالة الاختبار R_L=350 أوم.
• تبديد الطاقة: احسب إجمالي تبديد الطاقة على جانبي الإدخال (P_D= V_F* I_F) والإخراج للتأكد من بقائها ضمن الحدود، خاصة في درجات الحرارة العالية.
• اختيار القناة: اختر EL0631 بدلاً من EL0630 للتطبيقات التي تتطلب مناعة أعلى للضوضاء المشتركة (CMTI ≥ 10,000 فولت/ميكرو ثانية مقابل 5,000 فولت/ميكرو ثانية).

7. المقارنة الفنية والتمييز

تميز سلسلة EL063X نفسها في السوق من خلال عدة ميزات رئيسية:

• السرعة العالية: قدرة 10 ميجابت/ثانية وأزمنة تأخير انتشار ≤100 نانو ثانية تضعها في فئة مقرنات الضوء عالية السرعة، المناسبة للاتصالات الرقمية السريعة.
• قناتان في غلاف SOP-8: يدمج قناتين معزولتين في غلاف قياسي مضغوط، مما يوفر مساحة على اللوحة مقارنة بجهازين أحاديي القناة.
• CMTI عالية: خاصةً CMTI الدنيا لـ EL0631 البالغة 10 كيلو فولت/ميكرو ثانية هي ميزة كبيرة في البيئات الكهربائية الصاخبة مثل محركات المحركات الصناعية، حيث قد تعمل مقرنات الضوء ذات CMTI أقل بشكل خاطئ.
• نطاق حراري واسع: أداء مضمون من -40°C إلى 85°C، مع نطاق تشغيل يصل إلى 100°C، يناسب التطبيقات الصناعية والسيارات.
• موافقات أمان شاملة: يحمل الجهاز موافقات من وكالات الأمان الدولية الرئيسية (UL، cUL، VDE، SEMKO، إلخ.)، وهو غالبًا ما يكون شرطًا إلزاميًا للمنتجات النهائية في الأسوظم المنظمة.
• الامتثال البيئي: إنه خالٍ من الهالوجين (حدود Br/Cl)، وخالٍ من الرصاص، ومتوافق مع RoHS، ومتوافق مع REACH، مما يلبي اللوائح البيئية الحديثة.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير الفنية)

س: ما هو أقصى معدل بيانات يمكنني تحقيقه باستخدام هذا مقرن الضوء؟

ج: مواصفات 10 ميجابت/ثانية وزمن التأخير في الانتشار الأقصى 100 نانو ثانية تشير إلى أقصى معدل بيانات نظري حوالي 5-10 ميجابت/ثانية للبيانات NRZ. عمليًا، يعتمد المعدل القابل للتحقيق على الشكل الموجي المحدد، وأزمنة الصعود/الهبوط، وتشويه عرض النبضة. للتشغيل الموثوق، يكون هدف التصميم المحافظ النموذجي هو 1-5 ميجابت/ثانية.

س: كيف أختار بين EL0630 و EL0631؟

ج: الاختلاف الأساسي هو مناعة التداخل المشترك العابر (CMTI). إذا كان تطبيقك يتضمن ضوضاء تبديل كبيرة (مثلًا، بالقرب من محركات المحركات، العاكسات عالية الطاقة، مصادر طاقة صاخبة)، فإن EL0631 (10 كيلو فولت/ميكرو ثانية) توفر مناعة ضوضاء فائقة. للبيئات الأقل ضوضاء، قد يكون EL0630 (5 كيلو فولت/ميكرو ثانية) كافيًا.

س: لماذا يلزم وجود مكثف تجاوز (bypass) على V_CC?

ج: يمكن أن يسبب التبديل عالي السرعة لمرحلة الإخراج طفرات تيار لحظية على خط V_CC. يوفر المكثف المحلي للتجاوز مصدرًا منخفض المعاوقة لهذا التيار، مما يمنع انخفاضات أو طفرات الجهد على V_CCوالتي قد تسبب تشغيلًا غير منتظم أو إشعاع ضوضاء. وضعه بالقرب من الأطراف أمر بالغ الأهمية للفعالية.

س: هل يمكنني استخدام هذا الجهاز لعزل الإشارات التناظرية؟

ج: لا. هذا هومقرن ضوئي ببوابة منطقية. الإخراج هو مستوى منطقي رقمي (مرتفع أو منخفض)، وليس تمثيلًا خطيًا لتيار الإدخال. للعزل التناظري، يلزم مقرن ضوئي خطي (بإخراج ترانزستور ضوئي أو ثنائي ضوئي).

س: ما هو الغرض من "الإخراج القابل للتفعيل بالستروب (strobable output)" المذكور في الوصف؟

ج: بينما لم يتم تفصيله في هذا المقتطف، فإن الإخراج القابل للتفعيل بالستروب يعني عادةً أن مرحلة الإخراج لها تحكم تمكين أو ستروب. هذا يسمح بتشغيل/إيقاف الإخراج أو قفله بواسطة إشارة تحكم ثالثة، مما يمكن أن يكون مفيدًا لتطبيقات التعددية (multiplexing) أو تقليل استهلاك الطاقة. تكوين الأطراف هنا لا يظهر طرف ستروب منفصل، لذا قد تكون هذه الوظيفة مدمجة داخليًا في وضع محدد أو قد تشير إلى تمكين الإخراج بواسطة إشارة الإدخال نفسها.

9. مبدأ التشغيل

يعتمد مبدأ التشغيل على التحويل الكهروضوئي. عندما يتم تطبيق تيار أمامي كافٍ (I_F) على ثنائي إصدار الأشعة تحت الحمراء (IRED) للإدخال، فإنه يصدر فوتونات ضوئية. تعبر هذه الفوتونات حاجز العزل الشفاف (عادةً مركب بلاستيكي مشكل). في جانب الإخراج، تستقبل دائرة متكاملة لكاشف ضوئي عالي السرعة من السيليكون هذا الضوء. تحتوي هذه الدائرة المتكاملة على ثنائي ضوئي يحول الضوء مرة أخرى إلى تيار ضوئي. ثم تتم معالجة هذا التيار الضوئي بواسطة دائرة مكبر ومقارن داخلية ("البوابة المنطقية") لإنتاج جهد إخراج رقمي نظيف ومحدد جيدًا. عندما يكون LED الإدخال قيد التشغيل، يتم دفع الإخراج إلى حالة منطقية منخفضة (عادةً بواسطة ترانزستور سحب نشط للأسفل). عندما يكون LED الإدخال متوقفًا، تسحب دائرة الإخراج الطرف إلى حالة منطقية مرتفعة (من خلال المقاومة الساحبة للأعلى الخارجية R_L). يتم تلخيص عملية المنطق الإيجابي هذه في جدول الحقيقة المقدم: إدخال مرتفع = إخراج منخفض، إدخال منخفض = إخراج مرتفع.

10. اتجاهات الصناعة والسياق

يتم دفع تطوير مقرنات الضوء مثل سلسلة EL063X من خلال عدة اتجاهات رئيسية في الإلكترونيات:

• الطلب على سرعة وعرض نطاق أعلى: مع تسارع الشبكات الصناعية (EtherCAT، PROFINET IRT) وواجهات الاتصالات، يجب أن تواكب العوازل هذا التسارع. الانتقال من الكيلوبت إلى الميجابت والآن نحو سرعات 10+ ميجابت واضح.
• زيادة مناعة الضوضاءأصبحت البيئات الصناعية والسيارات أكثر تعقيدًا كهربائيًا، مما يستلزم عوازل ذات تصنيفات CMTI أعلى لضمان التشغيل الموثوق وسط ضوضاء من محركات المحركات، وإمدادات الطاقة التبديلية، ومصادر الترددات الراديوية.
• التصغير والتكامليعكس التصميم ثنائي القنوات في غلاف SOP-8 الحاجة لتوفير مساحة على لوحة الدوائر المطبوعة وتقليل عدد المكونات. تشمل الاتجاهات الإضافية دمج المزيد من القنوات (عوازل رباعية) أو الجمع بين العزل مع وظائف أخرى مثل مشغلات ADC أو²ترجمة مستوى I²C.
• تعزيز معايير الأمان والموثوقيةتدفع اللوائح الأمانية الأكثر صرامة عبر الصناعات نحو مكونات ذات جهود عزل أعلى، وعمر تشغيلي أطول، وشهادات قوية من وكالات مثل UL و VDE و CQC.
• تقنيات العزل البديلةبينما مقرنات الضوء ناضجة، إلا أنها تواجه منافسة من العوازل السعوية (باستخدام حواجز SiO₂) والعوازل المغناطيسية (المقاومة المغناطيسية العملاقة أو القائمة على المحولات)، والتي يمكن أن تقدم مزايا في السرعة، واستهلاك الطاقة، وكثافة التكامل. ومع ذلك، تحافظ مقرنات الضوء على مواقع قوية بسبب CMTI العالية، وبساطتها، وموثوقيتها المفهومة جيدًا.

تتموضع سلسلة EL063X، بتوازنها بين السرعة، والتكامل ثنائي القنوات، وCMTI العالية، وشهادات الأمان، لتلبية هذه المطالب المستمرة في السوق للعزل الإشارات القوي عالي الأداء.