ورقة بيانات سلسلة ELW137 - عازل ضوئي منطقي عالي السرعة 10 ميجابت/ثانية بتغليف DIP 8 دبابيس واسع الجسم

1. نظرة عامة على المنتج

سلسلة ELW137 و ELW2601 و ELW2611 هي عوازل ضوئية منطقية عالية السرعة (optoisolators) مُصممة للتطبيقات التي تتطلب عزلًا سريعًا للإشارات الرقمية. المكون الأساسي هو ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء مقترن ضوئيًا بكاشف ضوئي متكامل عالي السرعة مع مخرج بوابة منطقية. يتم تغليف هذا الجهاز في حزمة ثنائية الخط (DIP) قياسية في الصناعة مكونة من 8 دبابيس ذات جسم عريض، كما تتوفر خيارات لأجهزة التركيب السطحي (SMD). الوظيفة الأساسية هي توفير عزل كهربائي بين دوائر الإدخال والإخراج أثناء نقل إشارات المنطق الرقمية بسرعات تصل إلى 10 ميجابت في الثانية (Mbit/s).

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الرئيسية لهذه السلسلة قدرتها العالية على السرعة، مما يجعلها مناسبة لواجهات الاتصالات الرقمية الحديثة. توفر جهد عزل عالي يصل إلى 5000 فولت_{قيمة جذر متوسط مربع}، مما يعزز أمان النظام ومقاومة الضوضاء. تم تصميم الجهاز لضمان الأداء عبر نطاق واسع من درجات الحرارة الصناعية من -40°C إلى +85°C. يحمل الجهاز الموافقات الأمنية الدولية الرئيسية (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) ويتوافق مع توجيهات الاتحاد الأوروبي REACH و RoHS. تشمل الأسواق المستهدطة أتمتة المصانع، والاتصالات، وملحقات الكمبيوتر، والمعدات الطبية، ومصادر الطاقة ذات التبديل حيث يكون عزل الإشارة الموثوق به أمرًا بالغ الأهمية.

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

يقدم هذا القسم تفسيرًا موضوعيًا للمعلمات الكهربائية والأداء الرئيسية المدرجة في ورقة البيانات.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا تُستخدم هذه القيم في ظروف التشغيل العادية.

• تيار الأمام للإدخال (I_F): 50 مللي أمبير. تجاوز هذه القيمة يمكن أن يدمر ثنائي الإدخال الباعث للضوء (LED).
• الجهد العكسي (V_R): 5 فولت. ثنائي الإدخال له تحمل محدود للجهد العكسي.
• جهد التغذية (V_CC) وجهد الخرج (V_O): 7.0 فولت. هذا يحدد أقصى جهد يمكن تطبيقه على دبابيس الطاقة والإشارة في جانب الخرج.
• جهد العزل (V_ISO): 5000 فولت_{قيمة جذر متوسط مربع}لمدة دقيقة واحدة. هذه معلمة أمان رئيسية تشير إلى قوة العزل الكهربائي بين جانبي الإدخال والإخراج.
• درجة حرارة التشغيل (T_OPR): من -40°C إلى +85°C. الجهاز مصنف للبيئات الصناعية.
• درجة حرارة اللحام (T_SOL): 260°C لمدة 10 ثوانٍ. هذا مهم لعمليات تجميع لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

2.2 الخصائص الكهربائية

هذه معلمات مضمونة تحت ظروف اختبار محددة عبر نطاق درجة حرارة التشغيل.

2.2.1 خصائص الإدخال

• جهد الأمام (V_F): عادةً 1.4 فولت، بحد أقصى 1.8 فولت عند I_F=10 مللي أمبير. تُستخدم هذه القيمة لتصميم دائرة تحديد تيار الإدخال.
• سعة الإدخال (C_IN): عادةً 70 بيكو فاراد. يؤثر هذا على استجابة مرحلة الإدخال للترددات العالية.

2.2.2 خصائص الخرج والنقل

• تيارات التغذية (I_CCH, I_CCL): تستهلك الدائرة المتكاملة للخرج 6.5-10 مللي أمبير (خرج مرتفع) و 8-13 مللي أمبير (خرج منخفض). هذا يحدد متطلبات الطاقة في جانب الخرج.
• جهد الخرج المنخفض المستوى (V_OL): بحد أقصى 0.6 فولت عند سحب 13 مللي أمبير. يضمن هذا التوافق مع مدخلات منطق TTL و CMOS منخفضة الجهد.
• تيار عتبة الإدخال (I_FT): من 3.0 إلى 5.0 مللي أمبير. هذا هو الحد الأدنى لتيار ثنائي الإدخال الباعث للضوء (LED) المطلوب لضمان خرج منطقي منخفض صالح تحت أسوأ الظروف. يجب أن يستخدم التصميم تيارًا أعلى من القيمة القصوى.

2.3 خصائص التبديل

تحدد هذه المعلمات أداء التوقيت الحرج لنقل البيانات عالي السرعة.

• تأخيرات الانتشار (t_PHL, t_PLH): بحد أقصى 100 نانو ثانية لكل منهما. هذا يحدد أقصى معدل بيانات. تحدد ورقة البيانات قدرة 10 ميجابت/ثانية.
• تشويه عرض النبضة |t_PHL- t_PLH|: بحد أقصى 40 نانو ثانية. يمكن أن يؤثر هذا الاختلال في دورة العمل في الإشارات المرسلة.
• أوقات الصعود/الهبوط (t_r, t_f): t_rعادةً 40 نانو ثانية، t_fعادةً 10 نانو ثانية. وقت الهبوط الأسرع شائع في مثل هذه الأجهزة.
• مناعة النبضات المشتركة (CMH, CML): هذه معلمة حاسمة لمقاومة الضوضاء. يوفر ELW2611 أعلى أداء (10,000 - 20,000 فولت/ميكرو ثانية)، مما يعني أنه يمكنه رفض ذروات الجهد السريعة جدًا بين أطراف الأرضي للإدخال والإخراج دون التسبب في أخطاء في الخرج. ELW137 ليس له CMTI محدد، بينما يوفر ELW2601 5,000 فولت/ميكرو ثانية.

3. تكوين الدبابيس والوصف الوظيفي

يستخدم الجهاز تكوين DIP مكون من 8 دبابيس. الدبابيس 1 و 4 غير متصلين (NC). يتكون جانب الإدخال من الدبوس 2 (الأنود) والدبوس 3 (الكاثود) لثنائي الباعث للضوء (LED). يشمل جانب الخرج الدبوس 5 (الأرضي)، والدبوس 6 (V_OUT- الخرج)، والدبوس 7 (V_E- التمكين)، والدبوس 8 (V_CC- جهد التغذية). دبوس التمكين (V_E) يتحكم في الخرج. يوضح جدول الحقيقة المنطق: عندما يكون التمكين مرتفعًا، يكون الخرج معكوسًا للإدخال (نشط-منخفض). عندما يكون التمكين منخفضًا، يُجبر الخرج على أن يكون مرتفعًا بغض النظر عن الإدخال. تفرض ورقة البيانات استخدام مكثف تجاوز سعته 0.1 ميكرو فاراد بين الدبوسين 8 (V_CC) و 5 (الأرضي) للتشغيل المستقر.

4. اقتراحات التطبيق

4.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• إزالة حلقات الأرضي وعزل مستويات المنطق: عزل الإشارات الرقمية بين الأنظمة الفرعية ذات جهود الأرضي المختلفة لمنع الضوضاء وحلقات الأرضي.
• نقل البيانات ومستقبلات الخط: تُستخدم في وصلات الاتصال التسلسلي (واجهات RS-232، RS-485) للعزل.
• مصادر الطاقة ذات التبديل: توفير عزل للتغذية الراجعة في دوائر محولات flyback أو دوائر محولات معزولة أخرى.
• واجهات ملحقات الكمبيوتر: عزل الإشارات من وإلى الطابعات، وبطاقات الإدخال/الإخراج الصناعية.
• استبدال محول النبضات: تقديم بديل ذو حالة صلبة لعزل الإشارات بدائرة قيادة أبسط.

4.2 اعتبارات التصميم

• ضبط تيار الإدخال: يجب ضبط تيار ثنائي الإدخال الباعث للضوء (LED) باستخدام مقاوم متسلسل. لضمان التبديل، يجب ضبط I_Fأعلى من الحد الأقصى لـ I_FT(5 مللي أمبير). تستخدم حالة الاختبار النموذجية 7.5 مللي أمبير. قيمة المقاوم هي (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• استخدام دبوس التمكين: يمكن استخدام دبوس التمكين لبوابة الخرج أو توصيله بجهد ثابت إذا لم يكن مطلوبًا. يجب ألا يتجاوز V_CCبأكثر من 0.5 فولت.
• حمل الخرج: يمكن للخرج سحب ما يصل إلى 13 مللي أمبير للحصول على V_OLصالح. لقيادة تيارات أعلى أو أحمال سعوية، قد تكون هناك حاجة إلى عازل خارجي.
• مقاومة الضوضاء: للبيئات عالية الضوضاء، اختر النوع ELW2611 لتفوقه في مناعة النبضات المشتركة (CMTI). تستخدم دائرة القيادة الموصى بها في الشكل 15 لـ ELW2611 ترانزستورًا لزيادة حدة حواف تيار ثنائي الإدخال الباعث للضوء (LED)، مما يحسن أداء CMTI بشكل أكبر.
• المكثف التجازي: مكثف 0.1 ميكرو فاراد في جانب الخرج ضروري لتقليل ضوضاء التغذية وضمان تشغيل عالي السرعة مستقر.

5. المقارنة التقنية وإرشادات الاختيار

تتضمن السلسلة ثلاثة أنواع رئيسية: ELW137 و ELW2601 و ELW2611. العامل المميز الأساسي هو مناعة النبضات المشتركة (CMTI). ELW137 لديه عزل أساسي. يوفر ELW2601 CMTI متوسط (5,000 فولت/ميكرو ثانية). يوفر ELW2611 CMTI عالي (10,000 - 20,000 فولت/ميكرو ثانية). يجب أن يعتمد الاختيار على بيئة الضوضاء الكهربائية للتطبيق. لمشغلات المحركات، أو وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الصناعية، أو مصادر الطاقة ذات الضوضاء، يوصى بـ ELW2611. للعزل الرقمي الأقل تطلبًا، قد يكون ELW2601 أو ELW137 كافيين.

6. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

6.1 ما هو أقصى معدل بيانات يمكن تحقيقه؟

بينما يتم تحديد الجهاز لـ 10 ميجابت/ثانية، فإن أقصى معدل قابل للاستخدام فعليًا يعتمد على تأخيرات الانتشار وأوقات الصعود/الهبوط. مع أقصى تأخير انتشار يبلغ 100 نانو ثانية، فإن أقصى تردد نظري للموجة المربعة أقل. لنقل بيانات موثوق، ضع في اعتبارك تشويه النبضة الكلي وهوامش التوقيت في النظام.

6.2 كيف أحسب قيمة مقاومة الإدخال؟

استخدم الصيغة: R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F. افترض أن V_Fهي القيمة القصوى (1.8 فولت) لتصميم أسوأ الحالات. لقيادة 5 فولت و I_F= 10 مللي أمبير، R_IN= (5V - 1.8V) / 0.01A = 320 أوم. استخدم القيمة القياسية الأقرب (مثل 330 أوم).

6.3 هل يمكنني استخدامه مع منطق 3.3 فولت؟

يمكن تغذية جانب الخرج V_CCبـ 3.3 فولت. ومع ذلك، يتم اختبار الخصائص الكهربائية مع V_CC=5.5 فولت. قد تختلف معلمات مثل V_OL, I_OH، وتأخيرات الانتشار عند 3.3 فولت. جانب الإدخال مستقل؛ يمكن تشغيل ثنائي الباعث للضوء (LED) بمصدر 3.3 فولت طالما تم تحقيق I_Fالصحيح.

6.4 ما هو الغرض من دبوس التمكين؟

يوفر دبوس التمكين (V_E) تحكمًا في الحالة الثالثة. عند جعله منخفضًا (<0.8 فولت)، يجبر الخرج على أن يكون مرتفعًا، مما يعطل مسار الإشارة من الإدخال إلى الإخراج بشكل فعال. يمكن استخدام هذا لتعدد إخراجات عدة عوازل على خط ناقل واحد أو لوضعيات توفير الطاقة.

7. حالة تصميم عملية

السيناريو:عزل إشارة UART بسرعة 1 ميجابت/ثانية بين متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت وجهاز إرسال واستقبال RS-485 بجهد 5 فولت في عقدة استشعار صناعية.

خطوات التصميم:

1. اختيار النوع:اختر ELW2611 لمقاومة عالية للضوضاء في البيئة الصناعية.
2. دائرة الإدخال:يقوم منفذ الإدخال/الإخراج العام للمتحكم الدقيق (3.3 فولت) بتشغيل ثنائي الباعث للضوء (LED). احسب المقاوم: R_IN= (3.3V - 1.8V) / 0.01A = 150 أوم. استخدم مقاوم 150Ω على التوالي مع أنود ثنائي الباعث للضوء (LED) (الدبوس 2). كاثود ثنائي الباعث للضوء (LED) (الدبوس 3) إلى أرضي المتحكم الدقيق.
3. دائرة الخرج:قم بتغذية جانب الخرج بـ 5 فولت (V_CCالدبوس 8). قم بتوصيل مكثف سيراميك سعته 0.1 ميكرو فاراد بين الدبوس 8 والدبوس 5 (الأرضي). قم بتوصيل دبوس الخرج 6 مباشرة بدبوس الإدخال لجهاز إرسال واستقبال RS-485. تعمل معاوقة الإدخال لجهاز الإرسال والاستقبال كحمل. يمكن ربط دبوس التمكين 7 بـ V_CC(5 فولت) عبر مقاوم 10 كيلو أوم للتشغيل دائم النشاط، أو تشغيله بواسطة منفذ إدخال/إخراج عام آخر للتحكم.
4. تخطيط اللوحة:احتفظ بمسارات الإدخال والإخراج منفصلة ماديًا. ضع مكثف التجاوز أقرب ما يمكن إلى الدبوسين 8 و 5.

8. مبدأ التشغيل

يعمل العازل الضوئي على مبدأ الاقتران الضوئي. تقوم إشارة كهربائية إدخالية بتشغيل ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED). يتم اكتشاف الضوء المنبعث بواسطة ثنائي ضوئي أو ترانزستور ضوئي في جانب الخرج المعزول. في هذا العازل الضوئي المنطقي، يحتوي جانب الخرج على دائرة متكاملة أكثر تعقيدًا. يتم تضخيم تيار الكاشف الضوئي ومعالجته بواسطة بوابة منطقية رقمية (عادةً مشغل شميت) لإنتاج إشارة خرج رقمية نظيفة ومحددة جيدًا. يوفر المسار الضوئي حاجز العزل الكهربائي، حيث يمكن للضوء عبور فجوة مادية (من خلال مادة عازلة شفافة) حيث لا يمكن للكهرباء ذلك، مما يحجب حلقات الأرضي وذروات الجهد العالي.

9. اتجاهات الصناعة

يتجه تطور عزل الإشارات نحو سرعات أعلى، واستهلاك طاقة أقل، وحزم أصغر، ووظائف متكاملة. بينما لا تزال العوازل الضوئية التقليدية مثل حزمة DIP هذه مستخدمة على نطاق واسع، فإن التقنيات الأحدث تكتسب زخمًا. تقدم العوازل الرقمية القائمة على تقنية CMOS مع اقتران سعوي أو مغناطيسي معدلات بيانات أعلى بكثير (تصل إلى مئات الميجابت/ثانية)، وتأخيرات انتشار أقل، وتناسق توقيت أفضل، وموثوقية أعلى عبر درجات الحرارة والزمن. كما أنها تدمج قنوات متعددة في حزم صغيرة جدًا. ومع ذلك، لا تزال العوازل الضوئية تحتفز بمزايا في مجالات معينة مثل قدرة عزل جهد عالية جدًا، والبساطة، والفعالية من حيث التكلفة للعديد من التطبيقات ذات السرعة القياسية. إن تطوير العوازل الضوئية عالية السرعة وعالية CMTI (كما هو الحال في ELW2611) هو استجابة للحاجة إلى عزل قوي في بيئات إلكترونيات الطاقة والمحركات ذات الضوضاء.