ورقة بيانات سلسلة EL263X - عازل ضوئي للبوابات المنطقية عالي السرعة 10 ميجابت/ثانية - 5000 فولت RMS عزل - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة EL263X عائلة من العوازل الضوئية (optoisolators) عالية السرعة ذات مخرج بوابة منطقية. تم تصميم هذه الأجهزة لتوفير عزل كهربائي بين دوائر الإدخال والإخراج مع نقل إشارات منطقية رقمية بسرعات عالية. الوظيفة الأساسية هي تحويل مستوى منطقي للإدخال (مرتفع/منخفض) إلى مستوى منطقي مكافئ ومعزول كهربائيًا في المخرج.

التطبيق الأساسي هو في السيناريوهات التي يكون فيها القضاء على حلقات التأريض، ومقاومة الضوضاء، وتحويل مستويات الجهد أمرًا بالغ الأهمية. تُستخدم عادةً كبديل لمحولات النبض في نقل البيانات، مما يوفر حلاً ذو حالة صلبة، وأكثر موثوقية وأصغر حجمًا.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تم تصميم سلسلة EL263X للتطبيقات التي تتطلب كلًا من سلامة الإشارة الرقمية عالية السرعة والعزل الكهربائي القوي. تنبع مزاياها الرئيسية من معاييرها التقنية المحددة.

• نقل بيانات عالي السرعة:بمعدل بيانات أقصى يبلغ 10 ميجابت/ثانية وأزمنة تأخير انتشار تبلغ عادةً حوالي 35-40 نانوثانية، فهي مناسبة لواجهات الاتصال الرقمية الحديثة، وملحقات الكمبيوتر، وأنظمة التعدد حيث يكون التوقيت حاسمًا.
• مقاومة فائقة للضوضاء:ضمان أدنى مقاومة للضوضاء المشتركة العابرة (CMTI) تبلغ 10 كيلو فولت/ميكروثانية (لـ EL2631) لتشغيل موثوق في البيئات الكهربائية الصاخبة، مثل مصادر الطاقة التبديلية ومشغلات المحركات، حيث تكون الارتفاعات السريعة الكبيرة في الجهد شائعة عبر حاجز العزل.
• جهد عزل مرتفع:يوفر جهد العزل البالغ 5000 فولت_RMSحاجز أمان وحماية قويًا، وهو مناسب لأنظمة التحكم الصناعية، والمعدات الطبية، والتطبيقات الأخرى التي تتطلب عزلًا معززًا.
• تشغيل على مدى درجة حرارة واسع:أداء مضمون من -40°C إلى +85°C مما يجعله مناسبًا للتطبيقات السياراتية، والصناعية، والأنظمة الخارجية حيث تواجه درجات حرارة متطرفة.
• توافق مع البوابات المنطقية:المخرج متوافق مباشرة مع عائلات المنطق القياسية (LSTTL, TTL, CMOS 5V)، مما يبسط تصميم الواجهة دون الحاجة إلى دوائر عازلة إضافية.

يشمل السوق المستهدف مصممي أتمتة المصانع، ومصادر الطاقة (محولات AC-DC, DC-DC)، وأنظمة اكتساب البيانات، وواجهات الاتصال، وأي نظام إلكتروني حيث يكون العزل الجلفاني للإشارات الرقمية ضروريًا للسلامة، أو تقليل الضوضاء، أو تحويل المستوى.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

توفر ورقة البيانات خصائص كهربائية وتبديلية شاملة. التفسير التفصيلي ضروري لتصميم الدائرة بشكل صحيح.

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 الأمام للإدخال (I_F):20 مللي أمبير. يجب تشغيل LED الأشعة تحت الحمراء للإدخال بمقاومة محددة للتيار لضمان بقاء I_Fأقل من هذه القيمة.
• جهد تغذية المخرج (V_CC):7.0 فولت. هذا هو أقصى جهد مطلق يمكن تطبيقه على طرف V_CC(الطرف 8) في جانب المخرج.
• جهد المخرج (V_O):7.0 فولت. يجب ألا يتجاوز الجهد على أطراف المخرج (6، 7) هذا الحد.
• جهد العزل (V_ISO):5000 فولت_RMSلمدة دقيقة واحدة. هذه معلمة اختبار لقوة العزل الكهربائي لحاجز العزل بين قسم الإدخال (الأطراف 1-4) وقسم الإخراج (الأطراف 5-8).
• درجة حرارة اللحام (T_SOL):260°C لمدة 10 ثوانٍ. يوجه هذا ملف تعريف لحام إعادة التدفق، مشيرًا إلى درجة الحرارة القصوى التي يمكن أن يتحملها جسم العبوة.

2.2 الخصائص الكهربائية وخصائص النقل

تحدد هذه المعايير أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل العادية (T_A= -40°C إلى 85°C).

• جهد الأمام (V_F):عادة 1.4 فولت عند I_F=10 مللي أمبير. يستخدم هذا لحساب المقاومة التسلسلية للإدخال عند التشغيل من مصدر جهد (مثل: R_limit= (V_source- V_F) / I_F).
• جهد المخرج المنخفض المستوى (V_OL):أقصى 0.6 فولت عند I_F=5 مللي أمبير و I_OL=13 مللي أمبير. يحدد هذا قدرة المخرج على استنزاف التيار مع الحفاظ على جهد منطقي منخفض صالح.
• تيار عتبة الإدخال (I_FT):أقصى 5 مللي أمبير. هذا هو تيار الإدخال المطلوب لضمان تحول المخرج إلى حالة منطقية منخفضة صالحة (V_O <0.6 فولت). يجب أن يستخدم التصميم I_Fأعلى بكثير من هذا (مثل 7.5 مللي أمبير أو 10 مللي أمبير كما هو موضح في ظروف الاختبار) ليكون هناك هامش أمان.
• تيارات التغذية (I_CCH, I_CCL):تيار السكون لدارة IC المخرج. I_CCL(المخرج منخفض) أعلى قليلاً (~14.5 مللي أمبير نموذجيًا) من I_CCH(~12.5 مللي أمبير نموذجيًا) لأن الترانزستور المخرج نشط.

2.3 خصائص التبديل

هذه المعايير حاسمة لتحليل التوقيت في الدوائر عالية السرعة. ظروف الاختبار: V_CC=5 فولت، I_F=7.5 مللي أمبير، C_L=15 بيكو فاراد، R_L=350 أوم.

• أزمنة التأخير الانتشارية (t_PLH, t_PHL):الوقت من عبور تيار الإدخال 3.75 مللي أمبير إلى عبور جهد المخرج 1.5 فولت. t_PLH(من الإدخال مرتفع إلى منخفض إلى المخرج منخفض إلى مرتفع) هو 35 نانوثانية نموذجيًا، 100 نانوثانية كحد أقصى. t_PHLهو 40 نانوثانية نموذجيًا، 100 نانوثانية كحد أقصى. عدم التناظر (5 نانوثانية نموذجيًا) يساهم في تشويه عرض النبضة.
• تشويه عرض النبضة (PWD):|t_PHL- t_PLH|، بحد أقصى 35 نانوثانية. هذا هو الفرق في أزمنة التأخير الانتشارية، مما قد يتسبب في اختلاف عرض نبضة المخرج عن عرض نبضة الإدخال. هذا أمر بالغ الأهمية في نقل إشارات التوقيت أو الساعة الدقيقة.
• أزمنة الصعود/الهبوط (t_r, t_f): t_r(من 10% إلى 90%) هو 40 نانوثانية نموذجيًا. t_f(من 90% إلى 10%) هو 10 نانوثانية نموذجيًا. وقت الهبوط الأسرع نموذجي للدوائر ذات السحب النشط للأسفل.
• مقاومة الضوضاء المشتركة العابرة (CMTI):هذه معلمة عزل رئيسية. EL2631 يضمن حدًا أدنى يبلغ 10,000 فولت/ميكروثانية (نموذجي 20,000 فولت/ميكروثانية)، بينما EL2630 يضمن 5,000 فولت/ميكروثانية. يقيس مناعة حالة المخرج للارتفاعات السريعة في الجهد بين أرضيات الإدخال والإخراج. CMTI العالي يمنع التبديل الخاطئ في البيئات الصاخبة.

3. تحليل منحنيات الأداء

بينما يشير مقتطف PDF المقدم إلى "منحنيات الخصائص الكهروبصرية النموذجية" في الصفحة 5، إلا أن الرسوم البيانية المحددة غير مدرجة في النص. عادةً، تتضمن هذه المنحنيات لعازل ضوئي:

• نسبة النقل الحالي (CTR) مقابل تيار الأمام:يوضح كفاءة تيار المخرج المقترن بالنسبة لتيار LED الإدخال، على الرغم من أنه لمخرج بوابة منطقية، يكون هذا داخليًا لـ IC.
• زمن التأخير الانتشاري مقابل درجة الحرارة:يوضح كيف تختلف معايير توقيت الإشارة عبر نطاق درجة حرارة التشغيل.
• جهد الأمام مقابل درجة الحرارة:يوضح معامل درجة الحرارة السالب (V_F/T_A≈ -1.8 مللي فولت/°C)، وهو أمر مهم لتصميم التشغيل بتيار ثابت.
• جهد المخرج مقابل تيار المخرج (استنزاف/مصدر):سيوضح قدرة مشغل المخرج.

يجب على المصممين الرجوع إلى ورقة البيانات الكاملة من الشركة المصنعة لهذه الرسوم البيانية لفهم حدود الأداء وتقليل التصنيف.

4. المعلومات الميكانيكية والتغليف والتركيب

4.1 تكوين الأطراف والمخطط التخطيطي

يتم وضع الجهاز في عبوة ثنائية الخط قياسية ذات 8 أطراف (DIP).

• توزيع الأطراف:
  1. أنود 1
  2. كاثود 1
  3. كاثود 2
  4. أنود 2
  5. أرضي (GND)
  6. جهد المخرج 2 (V_OUT2)
  7. جهد المخرج 1 (V_OUT1)
  8. جهد التغذية (V_CC)
• جدول الحقيقة (منطق موجب):إدخال مرتفع = مخرج منخفض؛ إدخال منخفض = مخرج مرتفع. تسمح أطراف الأنود/الكاثود المزدوجة باتصال مرن لـ LED الإدخال.
• التجاوز الحرج:يجب توصيل مكثف سيراميكي سعة 0.1 ميكروفاراد (أو أكبر) بخصائص تردد عالي جيدةبشكل إلزاميبين V_CC(الطرف 8) و GND (الطرف 5)، ووضعه بأقرب ما يمكن من أطراف الجهاز. هذا ضروري للتشغيل المستقر وتقليل ضوضاء التبديل إلى الحد الأدنى.

4.2 اللحام والتعامل

الحد الأقصى المطلق للحام هو 260°C لمدة 10 ثوانٍ. يتوافق هذا مع ملف تعريف إعادة تدفق قياسي خالي من الرصاص. للحام الموجي أو اليدوي، يجب التحكم في وقت التلامس ودرجة الحرارة لمنع تلف العبوة. يجب مراعاة احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي القياسية (ESD) أثناء التعامل.

5. إرشادات التطبيق واعتبارات التصميم

5.1 دوائر التطبيق النموذجية

EL263X متعدد الاستخدامات. تشمل التطبيقات الرئيسية:

• عزل واجهة رقمية:عزل خطوط UART أو SPI أو I2C بين متحكم دقيق وطرفية في مجال طاقة مختلف أو بيئة صاخبة.
• تغذية مرتدة لمصدر طاقة تبديلي:عزل إشارة الخطأ للتغذية المرتدة من الجانب الثانوي (المخرج) إلى المتحكم في الجانب الأولي، مما يوفر عزل أمان ومقاومة للضوضاء من الارتفاعات العابرة لتبديل الطاقة.
• كاسر حلقة التأريض في خطوط البيانات:منع التيارات الدائرية والضوضاء في روابط الاتصال بين أنظمة ذات أرضيات منفصلة.
• مترجم مستوى منطقي مع عزل:تحويل مستويات الجهد (مثل من 3.3 فولت إلى 5 فولت) مع توفير عزل جلفاني أيضًا.

5.2 اعتبارات التصميم الحرجة

• ضبط تيار الإدخال:اختر I_Fبناءً على السرعة والهامش. حالة الاختبار هي 7.5 مللي أمبير. استخدام 10-16 مللي أمبير يوفر تبديلًا أسرع وهامش ضوضاء أفضل ولكنه يزيد من تبديد الطاقة. استخدم دائمًا مقاومة تسلسلية: R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F. تذكر أن V_Fينخفض مع درجة الحرارة.
• حمل المخرج:حمل الاختبار هو 350 أوم إلى V_CC. يمكن للمخرج استنزاف حد أدنى يبلغ 13 مللي أمبير (حالة I_OL) مع الحفاظ على V_OL <0.6 فولت. لا تتجاوز أقصى تيار مخرج (I_O= 50 مللي أمبير).
• فصل مصدر الطاقة:مكثف التجاوز 0.1 ميكروفارادغير قابل للتفاوض. غيابه يمكن أن يؤدي إلى تذبذبات، أو تشغيل خاطئ، أو تدهور أداء CMTI.
• تخطيط اللوحة لـ CMTI عالي:لتحقيق CMTI المصنف، قلل السعة الطفيلية عبر حاجز العزل. حافظ على فصل مسارات الإدخال والإخراج فعليًا على اللوحة PCB. اتبع مسافات الزحف والتباعد الموصى بها من الشركة المصنعة لـ 5000 فولت_RMS isolation.
• اختيار EL2630 مقابل EL2631:الفرق الأساسي هو CMTI المضمون. استخدم EL2631 في التطبيقات ذات ضوضاء dV/dt عالية للغاية، مثل مشغلات المحركات أو العواكس عالية الطاقة. EL2630 مناسب للبيئات الأقل تطلبًا.

6. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بسلسلة العوازل الضوئية القياسية 4N25/4N35 (ذات مخرج ترانزستور)، تقدم EL263X مزايا حاسمة للأنظمة الرقمية:

• السرعة:10 ميجابت/ثانية مقابل<100 كيلوبت/ثانية نموذجيًا للعوازل ذات مخرج الترانزستور.
• نوع المخرج:مخرج بوابة منطقية مع سحب نشط لأعلى ولأسفل يوفر حواف نظيفة وسريعة وتوافق منطقي مباشر، على عكس مخرج الترانزستور ذو المجمع المفتوح الذي يتطلب مقاومة سحب خارجية ويكون أبطأ.
• CMTI:CMTI عالي محدد ومضمون (10 كيلو فولت/ميكروثانية) هو مقياس حاسم للمتانة الصناعية، غالبًا غير محدد أو أقل بكثير في العوازل الأساسية.

مقارنةً بالعوازل عالية السرعة الأخرى أو العوازل الرقمية (القائمة على الاقتران السعوي أو المغناطيسي)، تقدم العوازل الضوئية مثل EL263X ميزة كونها قائمة على تقنية بصرية مفهومة جيدًا مع مناعة جوهرية عالية للمجالات المغناطيسية.

7. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير)

س: ما هو أقصى معدل بيانات يمكنني تحقيقه؟

ج: الجهاز مصمم للعمل بسرعة 10 ميجابت/ثانية. العوامل المحددة هي أزمنة التأخير الانتشارية وتشويه عرض النبضة. لموجة مربعة بدورة عمل 50%، أقصى تردد تقريبًا 1/(2 * t_PHL) أو 1/(2 * t_PLH)، أيهما أصغر. باستخدام أقصى تأخير (100 نانوثانية)، يعطي هذا ~5 ميجاهرتز. ومع ذلك، للبيانات غير العائدة إلى الصفر (NRZ)، فإن معدل 10 ميجابت/ثانية صالح.

س: لماذا يعتبر مكثف التجاوز إلزاميًا؟

ج: التبديل عالي السرعة للمرحلة المخرجة الداخلية يسبب ارتفاعات تيار مفاجئة على خط V_CC. بدون مكثف محلي ذو محاثة منخفضة، يمكن أن تتسبب هذه الارتفاعات في انخفاض أو ارتفاع جهد التغذية الداخلي، مما يؤدي إلى تشغيل غير منتظم، وتقليل هامش الضوضاء، والفشل في تلبية مواصفات CMTI.

س: هل يمكنني تشغيل الإدخال مباشرة من طرف متحكم دقيق؟

ج: نعم، لكنكيجباستخدام مقاومة محددة للتيار. يمكن لطرف متحكم دقيق نموذجي عند 3.3 فولت أو 5 فولت توفير/استنزاف تيار كافٍ. على سبيل المثال، للحصول على I_F≈ 10 مللي أمبير من طرف 3.3 فولت: R = (3.3 فولت - 1.4 فولت) / 0.01 أمبير = 190 أوم (استخدم قيمة قياسية 180 أوم أو 200 أوم). تحقق دائمًا من قدرة تيار طرف MCU.

س: ماذا تعني ميزة "المخرج القابل للتشغيل بالنبض"؟

ج: تشير إلى القدرة على إجبار المخرج على الدخول في حالة مقاومة عالية. بينما لا يظهر جدول الحقيقة المقدم وظيفة تعطيل، فإن بعض العوازل الضوئية للبوابات المنطقية لها طرف تمكين مخرج. يذكر وصف EL263X ذلك، لكن توزيع الأطراف والجدول لا يظهران طرفًا مخصصًا لهذا. يجب على المصممين تأكيد تنفيذ هذه الميزة في المتغير المحدد.

8. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو:عزل إشارة UART بسرعة 1 ميجابت/ثانية بين عقدة استشعار 3.3 فولت ومتحكم نظام 5 فولت في بيئة صناعية بها ضوضاء محركات.

خطوات التصميم:

1. اختيار القطعة:اختر EL2631 لـ CMTI المضمون الأعلى (10 كيلو فولت/ميكروثانية) لتحمل الضوضاء من المحركات القريبة.
2. دائرة الإدخال:يقوم طرف TX لعقدة الاستشعار 3.3 فولت بتشغيل إدخال العازل الضوئي. احسب المقاومة التسلسلية لـ I_F= 10 مللي أمبير: R_IN= (3.3 فولت - 1.4 فولت) / 0.01 أمبير = 190 أوم. استخدم مقاومة 180 أوم. قم بتوصيل الأنود (الطرف 1 أو 4) بالمقاومة، والكاثود (الطرف 2 أو 3) إلى GND للاستشعار.
3. دائرة المخرج:قم بتغذية V_CC= 5 فولت من جانب المتحكم. ضع مكثف سيراميكي 0.1 ميكروفاراد مباشرة بين الطرف 8 (V_CC) والطرف 5 (GND). قم بتوصيل طرف المخرج (6 أو 7) إلى طرف RX لمتحكم 5 فولت. يمكن إضافة مقاومة تسلسلية (مثل 100 أوم) للحد من التيار إذا لزم الأمر، ولكنها ليست مطلوبة بشكل صارم لإدخال منطقي.
4. تخطيط اللوحة PCB:ضع العازل الضوئي ممتدًا على فجوة العزل على اللوحة PCB. تأكد من مسافة زحف/تباعد >8 مم (استشر معايير السلامة لـ 5000 فولت_RMS) بين جميع مناطق النحاس، والمكونات، والمسارات في جانب الإدخال وجانب الإخراج. اجعل أطراف مكثف التجاوز قصيرة جدًا.
5. التحقق:بهذا الإعداد، سيؤدي منطق مرتفع (3.3 فولت) من TX للاستشعار إلى تشغيل LED، مما يتسبب في انخفاض المخرج (<0.6 فولت)، والذي يقرأه متحكم 5 فولت كمنطق منخفض. يتم عكس الإشارة، والذي يمكن تصحيحه في البرنامج إذا لزم الأمر.

9. مبدأ التشغيل

يعمل EL263X على مبدأ الاقتران الضوئي. تقوم إشارة إدخال كهربائية بتشغيل ثنائي باعث للضوء (LED) يعمل بالأشعة تحت الحمراء. عند انحيازه للأمام، يصدر LED ضوءًا تحت أحمر. يعبر هذا الضوء حاجز عزل شفاف (عادة فجوة بلاستيكية مصبوبة). على الجانب الآخر، يكشف كاشف ضوئي سيليكوني متكامل ودارة متكاملة عن هذا الضوء. تتضمن IC مضخمًا عالي الكسب، ومشغل شميت لمقاومة الضوضاء، ومرحلة مشغل مخرج من نوع توتيم بول. يقوم المشغل بسحب طرف المخرج بنشاط إلى الأعلى (نحو V_CC) أو إلى الأسفل (نحو GND) بناءً على وجود أو عدم وجود الضوء، مما يخلق إشارة منطقية نظيفة ومعززة ومعزولة كهربائيًا عن الإدخال. يوفر حاجز العزل قدرة عالية على تحمل الجهد ويمنع حلقات التأريض.

10. اتجاهات التكنولوجيا

تستمر تكنولوجيا العوازل الضوئية في التطور. تشمل الاتجاهات ذات الصلة بأجهزة مثل EL263X:

• سرعات أعلى:يهدف التطوير المستمر إلى تحقيق معدلات بيانات تتجاوز 50 ميجابت/ثانية وحتى تصل إلى نطاق 100+ ميجابت/ثانية لواجهات التسلسلية عالية السرعة الحديثة.
• استهلاك طاقة أقل:تقليل متطلبات تيار LED الإدخال (I_F) وتيار تغذية المخرج (I_CC) لتلبية متطلبات الأجهزة المحمولة والمقتصدة للطاقة.
• تكامل محسن:دمج قنوات عزل متعددة (ثنائية، رباعية) في عبوة واحدة لتوفير مساحة اللوحة والتكلفة في واجهات متعددة الخطوط مثل SPI أو GPIO المعزول.
• CMTI محسن:مع زيادة سرعات تبديل الإلكترونيات القوية (مثل مع ترانزستورات SiC و GaN)، يزداد الطلب على العوازل ذات تصنيفات CMTI أعلى (25-100 كيلو فولت/ميكروثانية) للحفاظ على الموثوقية.
• تصغير حجم العبوة:الانتقال من عبوات DIP ذات الثقوب المارّة إلى خيارات التركيب السطحي مثل SOIC-8 وحتى عبوات SOIC ذات الجسم العريض الأصغر لاستيعاب تصميمات PCB أكثر كثافة.

تقع سلسلة EL263X في شريحة أداء راسخة، حيث توفر توازنًا قويًا بين السرعة، وقوة العزل، ومقاومة الضوضاء لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والاتصالات.