ورقة بيانات سلسلة ELS611-G - عازل ضوئي منطقي عالي السرعة 10 ميجابت/ثانية بتغليف SDIP 6 دبابيس

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة ELS611-G عائلة من العوازل الضوئية (العوازل البصرية) ذات المخرج المنطقي عالية السرعة، المصممة لعزل الإشارات الرقمية. تُدمج هذه الأجهزة ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء مقترن بصريًا بكاشف ضوئي متكامل عالي السرعة مع مخرج بوابة منطقية قابل للتخزين. مُغلفة في حزمة صغيرة مزدوجة الخطوط (SDIP) مدمجة من 6 دبابيس، وهي مصممة لتحل محل محولات النبضات وتوفر إزالة قوية للحلقات الأرضية في البيئات الكهربائية ذات الضوضاء العالية.

الوظيفة الأساسية هي توفير عزل كهربائي بين دوائر الإدخال والإخراج، مما يمنع انتشار الحلقات الأرضية، وارتفاعات الجهد، والضوضاء. يضمن المخرج المنطقي نقل إشارة رقمية نظيفة، مما يجعله مناسبًا للوصل بين عائلات منطقية أو مجالات جهد مختلفة.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الأساسية لسلسلة ELS611-G قدرتها العالية على السرعة تصل إلى 10 ميجابت/ثانية، مما يدعم بروتوكولات الاتصال الرقمية السريعة. توفر جهد عزل عالي يبلغ 5000 فولت RMS، مما يوفر حماية ممتازة للدوائر الحساسة. الأجهزة متوافقة مع متطلبات الخلو من الهالوجين (Br <900 جزء في المليون، Cl <900 جزء في المليون، Br+Cl <1500 جزء في المليون)، وخالية من الرصاص، وتتوافق مع توجيهات RoHS و EU REACH. وتحمل موافقات من وكالات السلامة الدولية الرئيسية بما في ذلك UL و cUL و VDE و NEMKO و FIMKO و SEMKO و DEMKO و CQC، مما يسهل استخدامها في الأسواق العالمية.

التطبيقات المستهدفة هي في المقام الأول في أتمتة العمليات الصناعية، وأنظمة إمداد الطاقة (مثل مصادر الطاقة ذات التبديل لعزل التغذية الراجعة)، وواجهات أجهزة الكمبيوتر الطرفية، وأنظمة نقل البيانات، وتعدد الإرسال، وأي سيناريو يتطلب عزل كهربائي موثوقًا وعالي السرعة للإشارات الرقمية.

2. تحليل متعمق للمعايير الفنية

توفر الأقسام التالية تحليلاً مفصلاً وموضوعيًا للمعايير الكهربائية والأداء الرئيسية المحددة في ورقة البيانات.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه الحدود حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يُنصح بتشغيل الجهاز باستمرار عند هذه الحدود أو بالقرب منها.

• تيار الإدخال الأمامي (I_F): 20 مللي أمبير. أقصى تيار مستمر مسموح به عبر ثنائي الإدخال الباعث للضوء.
• جهد الإدخال العكسي (V_R): 5 فولت. أقصى جهد انحياز عكسي يمكن لثنائي الإدخال الباعث للضوء تحمله.
• تبديد طاقة الإدخال (P_D): 40 ملي واط. أقصى قدرة يمكن تبديدها في جانب الإدخال.
• جهد تغذية الإخراج (V_CC): 7.0 فولت. أقصى جهد مطلق يمكن تطبيقه على دبوس تغذية جانب الإخراج.
• جهد الإخراج (V_O): 7.0 فولت. أقصى جهد يمكن أن يظهر عند دبوس الإخراج.
• تيار الإخراج (I_O): 50 مللي أمبير. أقصى تيار يمكن لدبوس الإخراج استنزافه أو توفيره.
• جهد العزل (V_ISO): 5000 فولت RMS لمدة دقيقة واحدة. هذا تصنيف أمان حاسم، يتم اختباره مع تقصير دبابيس الإدخال (1,2,3,4) معًا وتقصير دبابيس الإخراج (5,6) معًا.
• درجة حرارة التشغيل (T_OPR): من -40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل العادي.
• درجة حرارة اللحام (T_SOL): 260°C لمدة 10 ثوانٍ. هذا يحدد تحمل ملف تعريف لحام إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية

هذه هي معايير الأداء المضمونة تحت ظروف الاختبار المحددة.

2.2.1 خصائص الإدخال (جانب ثنائي الباعث للضوء)

• الجهد الأمامي (V_F): عادةً 1.45 فولت، بحد أقصى 1.8 فولت عند I_F=10 مللي أمبير. يستخدم هذا لتصميم دائرة تحديد تيار الإدخال.
• التيار العكسي (I_R): بحد أقصى 10 ميكرو أمبير عند V_R=5 فولت. يشير هذا إلى تيار التسرب لثنائي الباعث للضوء في حالة الإيقاف.
• سعة الإدخال (C_IN): عادةً 60 بيكو فاراد. تؤثر هذه المعلمة على أداء التبديل عالي التردد في جانب الإدخال.

2.2.2 خصائص الإخراج

• تيار التغذية، المستوى العالي (I_CCH): من 7 مللي أمبير إلى 13 مللي أمبير عندما I_F=0 مللي أمبير (ثنائي الباعث للضوء مطفأ) و V_CC=5.5 فولت. هذا هو التيار الساكن عندما يكون الإخراج في حالة منطقية عالية.
• تيار التغذية، المستوى المنخفض (I_CCL): من 9 مللي أمبير إلى 15 مللي أمبير عندما I_F=10 مللي أمبير (ثنائي الباعث للضوء مضاء) و V_CC=5.5 فولت. هذا هو تيار التشغيل عندما يتم سحب الإخراج بنشاط إلى مستوى منخفض.
• جهد الإخراج المنخفض المستوى (V_OL): عادةً 0.4 فولت، بحد أقصى 0.6 فولت تحت الشرط V_CC=5.5 فولت، I_F=5 مللي أمبير، I_OL=13 مللي أمبير. هذا يحدد جهد الإخراج عند استنزاف التيار في الحالة المنخفضة.
• تيار عتبة الإدخال (I_FT): بحد أقصى 5 مللي أمبير. هذا هو الحد الأدنى لتيار ثنائي الباعث للضوء للإدخال المطلوب لضمان تحول الإخراج إلى مستوى منطقي منخفض صالح (V_OL<= 0.6 فولت) تحت شروط V_CCو I_OLالمحددة. إنها معلمة رئيسية لتحديد تيار القيادة المطلوب.

2.3 خصائص التبديل

تحدد هذه المعلمات أداء التوقيت للعازل الضوئي، وهو أمر بالغ الأهمية لنقل البيانات عالي السرعة. ظروف الاختبار هي V_CC=5 فولت، I_F=7.5 مللي أمبير، C_L=15 بيكو فاراد، R_L=350 أوم ما لم يُذكر خلاف ذلك.

• زمن التأخير للانتشار إلى المستوى العالي (t_PHL): عادةً 40 نانو ثانية، بحد أقصى 100 نانو ثانية. الوقت من إطفاء ثنائي الباعث للضوء للإدخال إلى ارتفاع الإخراج إلى مستوى منطقي عالي.
• زمن التأخير للانتشار إلى المستوى المنخفض (t_PLH): عادةً 50 نانو ثانية، بحد أقصى 100 نانو ثانية. الوقت من إضاءة ثنائي الباعث للضوء للإدخال إلى انخفاض الإخراج إلى مستوى منطقي منخفض.
• تشويه عرض النبضة (|t_PHL– t_PLH|): عادةً 10 نانو ثانية، بحد أقصى 50 نانو ثانية. الفرق بين زمني التأخير للانتشار. كلما انخفضت القيمة كان ذلك أفضل للحفاظ على سلامة الإشارة ودورة العمل.
• زمن الصعود للإخراج (t_r): عادةً 50 نانو ثانية. الوقت الذي يستغرقه الإخراج للصعود من 10% إلى 90% من قيمته العالية النهائية.
• زمن الهبوط للإخراج (t_f): عادةً 10 نانو ثانية. الوقت الذي يستغرقه الإخراج للهبوط من 90% إلى 10% من قيمته العالية الأولية.
• مناعة العبور المشترك (CMH, CML): بحد أدنى 5 كيلو فولت/ميكرو ثانية. يقيس هذا مناعة الجهاز لارتفاعات الجهد السريعة بين أرضيات الإدخال والإخراج. CMH ينطبق عندما يكون الإخراج عاليًا، و CML ينطبق عندما يكون الإخراج منخفضًا. تشير القيمة العالية إلى رفض قوي للضوضاء المقترنة عبر حاجز العزل.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص الكهروضوئية النموذجية. بينما لا يتم تفصيل الرسوم البيانية المحددة في النص المقدم، فإنها تشمل عادةً ما يلي، وهو ضروري للتصميم:

• نسبة نقل التيار (CTR) مقابل التيار الأمامي: يظهر كفاءة العازل الضوئي. بالنسبة للنوع المنطقي، يتم تضمين هذا في معلمات التبديل ولكن يمكن أن يشير إلى الأداء عبر درجة الحرارة والتيار.
• زمن التأخير للانتشار مقابل التيار الأمامي: يوضح كيف تختلف سرعة التبديل مع تيار قيادة ثنائي الباعث للضوء. ارتفاع I_Fيقلل عمومًا من زمن التأخير للانتشار ولكنه يزيد من تبديد الطاقة.
• زمن التأخير للانتشار مقابل درجة الحرارة: يظهر تباين معلمة التوقيت عبر نطاق درجة حرارة التشغيل.
• تيار التغذية مقابل درجة الحرارة: يشير إلى كيفية تغير استهلاك الطاقة في جانب الإخراج مع درجة الحرارة.

يجب على المصممين الرجوع إلى الرسوم البيانية الكاملة لورقة البيانات لفهم حدود الأداء واحتياجات التخفيض لظروف تطبيقهم المحددة.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 تكوين الدبابيس والوظيفة

يستخدم الجهاز حزمة SDIP من 6 دبابيس. توزيع الدبابيس كما يلي:

• الدبوس 1: الأنود لثنائي الباعث للضوء للإدخال.
• الدبوس 2: لا اتصال (N.C.).
• الدبوس 3: الكاثود لثنائي الباعث للضوء للإدخال.
• الدبوس 4: الأرض (GND) لجانب الإخراج.
• الدبوس 5: الإخراج (V_OUT). هذا هو مخرج المجمع المفتوح أو مخرج البوابة المنطقية الداخلية من نوع "توتيم بول".
• الدبوس 6: جهد التغذية (V_CC) لجانب الإخراج.

ملاحظة تصميم حرجة:يجب توصيل مكثف تجاوز بسعة 0.1 ميكرو فاراد (أو أكبر) بخصائص تردد عالي جيدة بين الدبوسين 6 (V_CC) و 4 (GND)، ووضعهما بأقرب ما يمكن إلى الحزمة. هذا ضروري للتشغيل المستقر وتحقيق أداء التبديل المحدد.

4.2 أبعاد الحزمة وتخطيط لوحة الدوائر المطبوعة

توفر ورقة البيانات رسومات ميكانيكية مفصلة لحزمة النوع \"P\" (شكل دبوس التثبيت السطحي). تشمل الأبعاد الرئيسية الحجم الكلي لجسم الحزمة، وتباعد الدبابيس، وارتفاع التباعد. يتم أيضًا توفير تخطيط وسادة موصى به لتجميع التثبيت السطحي لضمان لحام موثوق وقوة ميكانيكية. يجب على المصممين الالتزام بإرشادات التخطيط هذه لمنع ظاهرة "اللوح القبري" أو نقاط اللحام الرديئة.

5. إرشادات اللحام والتجميع

الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة اللحام هو 260°C لمدة 10 ثوانٍ. يتوافق هذا مع ملفات إعادة التدفق النموذجية الخالية من الرصاص. يجب مراعاة الاحتياطات التالية:

• اتبع ملف إعادة التدفق الموصى به لمعجنة اللحام المحددة المستخدمة، مع التأكد من أن درجة الحرارة القصوى والوقت فوق نقطة السيولة لا يتجاوزان تصنيف الجهاز.
• تجنب الإجهاد الميكانيكي المفرط على الحزمة أثناء التعامل.
• الالتزام بتصميم وسادة لوحة الدوائر المطبوعة الموصى به لمنع جسور اللحام أو حشوات غير كافية.
• يجب أن تكون ظروف التخزين ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد من -55°C إلى +125°C، وفي بيئة جافة وفقًا لمتطلبات مستوى الحساسية للرطوبة (MSL) القياسية للأجهزة ذات التثبيت السطحي (لم يتم ذكر MSL المحدد في المقتطف).

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 قاعدة ترقيم الموديل

يتبع رقم الجزء التنسيق: ELS611X(Y)-VG

• EL: بادئة الشركة المصنعة.
• S611: رقم الجزء الأساسي.
• X: نوع الدبوس. \"P\" يشير إلى شكل دبوس التثبيت السطحي.
• (Y): خيار الشريط والبكرة. \"TA\" أو \"TB\" تحدد أنماط تغليف بكرة مختلفة.
• V: اختياري، يشير إلى موافقة VDE.
• G: يشير إلى بناء خالٍ من الهالوجين.

مثال: ELS611P(TA)-VG هو جهاز تثبيت سطحي على شريط TA وبكرة، معتمد من VDE، وخالٍ من الهالوجين.

6.2 مواصفات التغليف

يتوفر الجهاز بتغليف الشريط والبكرة للتجميع الآلي. يحتوي كل من خياري TA و TB على 1000 وحدة لكل بكرة. تتضمن ورقة البيانات رسومًا بيانية تحدد أبعاد الشريط، وتباعد الجيوب، وحجم البكرة.

6.3 علامات الجهاز

يتم وضع علامة على الحزمة برمز يشير إلى مكان التصنيع، ورقم الجهاز، ورمز التاريخ. يتضمن التنسيق: رمز المصنع (\"T\" لتايوان)، \"EL\" للشركة المصنعة، \"S611\" للجهاز، رمز سنة مكون من رقم واحد، رمز أسبوع مكون من رقمين، والرمز الاختياري \"V\" لـ VDE.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 دوائر التطبيق النموذجية

التطبيق الأساسي هو عزل الإشارات الرقمية. تتضمن الدائرة النموذجية:

1. جانب الإدخال:مقاومة تحديد تيار على التوالي مع ثنائي الباعث للضوء (الدبابيس 1 و 3) لضبط التيار الأمامي I_F. يتم حساب القيمة بناءً على جهد القيادة و I_Fالمطلوب (عادةً بين تيار العتبة I_FTوالحد الأقصى للتصنيف). للتشغيل عالي السرعة، يوصى باستخدام مشغل سريع.
2. جانب الإخراج: V_CC(الدبوس 6) متصل بجهد تغذية المنطق المطلوب (حتى 7 فولت). الدبوس 4 (GND) متصل بأرضية الإخراج. دبوس الإخراج 5 متصل بإدخال المنطق المستقبل. قد تكون هناك حاجة إلى مقاومة سحب خارجية إلى V_CCاعتمادًا على هيكل الإخراج الداخلي (يظهر مخطط ورقة البيانات سحبًا نشطًا للأسفل، مما يشير إلى مخرج من نوع "توتيم بول"، ولكن يجب على التصميم التحقق مما إذا كانت هناك حاجة إلى سحب لأعلى).مكثف التجاوز الحرج 0.1 ميكرو فاراد بين V_CCو GND إلزامي.

7.2 اعتبارات التصميم

• السرعة مقابل التيار:ارتفاع I_Fيحسن زمن التأخير للانتشار ولكنه يزيد من تبديد الطاقة وقد يقلل من الموثوقية طويلة المدى. قم بتحسين I_Fبناءً على السرعة المطلوبة والقيود الحرارية.
• مناعة الضوضاء:مناعة العبور المشترك العالية (5 كيلو فولت/ميكرو ثانية) تجعله مناسبًا للبيئات ذات الضوضاء العالية مثل محركات المحركات ومصادر الطاقة. تأكد من تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة المناسب لتقليل الاقتران الطفيلي حول حاجز العزل.
• اعتبارات الحمل:احترم الحد الأقصى لتصنيفات تيار الإخراج (I_O) والجهد (V_O). تم تصميم الإخراج لقيادة مدخلات المنطق القياسية (TTL، CMOS) وليس الأحمال الثقيلة.
• تجاوز مصدر الطاقة:إهمال مكثف التجاوز الموصى به يمكن أن يؤدي إلى تذبذبات، وتشغيل خاطئ، وتدهور أداء التبديل.

8. المقارنة الفنية والتمييز

مقارنة بالعوازل الضوئية ذات المخرج الترانزستوري القياسية، توفر البوابة المنطقية المتكاملة في ELS611-G عدة مزايا رئيسية:

• سرعة أعلى:معدل بيانات 10 ميجابت/ثانية وأزمنة تأخير انتشار أقل من 100 نانو ثانية أسرع بكثير من العوازل الترانزستورية النموذجية (غالبًا في نطاق الميكرو ثانية).
• إخراج رقمي نظيف:يوفر مخرج البوابة المنطقية حواف حادة ومستويات منطقية محددة بوضوح دون الحاجة إلى مشغلات شميت خارجية، مما يبسط تصميم الدائرة.
• تشويه أقل لعرض النبضة:تشويه عرض النبضة المحدد منخفض، وهو أمر بالغ الأهمية للحفاظ على سلامة الإشارة في خطوط الساعة والبيانات.
• وظيفة متكاملة:يجمع بين الكاشف الضوئي، والمضخم، والبوابة المنطقية في شريحة واحدة، مما يقلل من عدد المكونات الخارجية.

9. الأسئلة المتكررة (بناءً على المعايير الفنية)

1. س: ما هو الحد الأدنى لتيار الإدخال المطلوب لضمان تحول الإخراج إلى مستوى منخفض؟
   
   أ: المعلمة I_FT(تيار عتبة الإدخال) لها قيمة قصوى تبلغ 5 مللي أمبير تحت ظروف الاختبار (V_CC=5.5 فولت، V_O=0.6 فولت، I_OL=13 مللي أمبير). لضمان تبديل موثوق تحت جميع الظروف، يجب أن يستخدم التصميم I_Fأكبر من هذه القيمة، عادةً 7.5 مللي أمبير إلى 10 مللي أمبير كما هو موضح في خصائص التبديل.
2. س: هل يمكنني استخدام هذا مع مصدر منطق 3.3 فولت على الإخراج؟
   
   أ: نعم، يمكن للجهاز العمل مع V_CCمنخفضًا بقدر الحد الأدنى المطلوب لعمل البوابة المنطقية الداخلية (لم يتم ذكرها صراحةً، ولكن عادةً ~2.7 فولت إلى 3 فولت لـ CMOS). ستكون مستويات المنطق للإخراج نسبية لهذا V_CC. الحد الأقصى لـ V_CCهو 7.0 فولت.
3. س: ما مدى أهمية مكثف التجاوز 0.1 ميكرو فاراد؟
   
   أ: إنه بالغ الأهمية للتشغيل المستقر عالي السرعة. يوفر خزان شحن محلي لتيارات تبديل مرحلة الإخراج، مما يمنع هبوط خط التغذية والتذبذبات التي يمكن أن تسبب أعطالاً.
4. س: ماذا يعني \"مخرج قابل للتخزين\"؟
   
   أ: يشير على الأرجح إلى وظيفة قفل أو قلاب يمكنها الاحتفاظ بحالة الإخراج. ومع ذلك، يظهر جدول الحقيقة في ملف PDF وظيفة عاكس بسيطة (إدخال H -> إخراج L، إدخال L -> إخراج H). قد يشير المصطلح إلى أن الإخراج يمكنه الحفاظ على حالته خلال انقطاعات قصيرة أو لديه مناعة جيدة ضد الضوضاء. يجب الرجوع إلى المخطط التوضيحي للتوضيح.

10. مثال تطبيقي عملي

سيناريو: عزل إشارة UART في وحدة تحكم صناعية.

يتواصل متحكم دقيق صناعي مع جهاز طرفي عبر UART بسرعة 115200 باود. يعمل الجهاز الطرفي على مصدر طاقة منفصل بإمكانية أرضية مختلفة، مما يخلق خطرًا لحدوث حلقات أرضية.

التنفيذ:

يتم استخدام جهازين من ELS611-G، أحدهما لخط TX (من المتحكم إلى الطرفي) والآخر لخط RX (من الطرفي إلى المتحكم). على عازل TX، يقود دبوس TX للمتحكم الدقيق ثنائي الباعث للضوء عبر مقاومة تحديد تيار مضبوطة على I_F=10 مللي أمبير. دبوس الإخراج للعازل متصل بإدخال RX للطرفي. V_CCللعازل يتم توفيره من خط 5 فولت أو 3.3 فولت للطرفي، مع مكثف التجاوز الإلزامي. يتم عكس العملية لخط RX. يكسر هذا الإعداد اتصال الأرض، ويمنع اقتران الضوضاء، ويحمي المتحكم الدقيق من ارتفاعات الجهد على جانب الطرفي، كل ذلك مع الحفاظ على سلامة البيانات التسلسلية عالية السرعة.

11. مبدأ التشغيل

يعمل العازل الضوئي على مبدأ الاقتران البصري لتحقيق العزل الكهربائي. في ELS611-G:

1. تتسبب إشارة كهربائية مطبقة على جانب الإدخال في جعل ثنائي الباعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED) يبعث ضوءًا يتناسب مع التيار.
2. ينتقل هذا الضوء عبر حاجز عزل شفاف (عادةً مركب قولبة) داخل الحزمة.
3. على جانب الإخراج، يكتشف ثنائي ضوئي من السيليكون أو ترانزستور ضوئي الضوء ويعيد تحويله إلى تيار كهربائي.
4. يتم تضخيم ومعالجة هذا التيار الضوئي الصغير بواسطة دائرة متكاملة عالية السرعة تتضمن بوابة منطقية (في هذه الحالة، على الأرجح عاكس أو عازل). توفر الدائرة المتكاملة إشارة إخراج رقمية نظيفة تكرر حالة الإدخال ولكنها معزولة كهربائيًا عنها.
5. يوفر حاجز العزل قوة عزل كهربائي عالية (5000 فولت RMS)، مما يمنع تدفق التيار واختلافات الجهد بين الجانبين.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يتم دفع تطور العوازل الضوئية مثل ELS611-G من خلال عدة اتجاهات رئيسية في الإلكترونيات:

• زيادة معدلات البيانات:يؤدي الطلب على عزل عالي السرعة في الاتصالات الصناعية (Profibus، EtherCAT)، والشبكات السياراتية، وأنظمة الطاقة المتجددة إلى دفع الأجهزة ذات زمن التأخير المنخفض للانتشار ومناعة العبور المشترك الأعلى.
• التصغير:هناك اتجاه مستمر نحو حزم أصغر (مثل SOIC-4، LSSOP) بنفس تصنيفات العزل أو أفضل لتوفير مساحة لوحة الدوائر المطبوعة.
• تعزيز التكامل:قد تدمج الأجهزة المستقبلية وظائف أكثر، مثل عزل الطاقة (محولات DC-DC المعزولة) مع عزل البيانات في حزمة واحدة، أو عوازل متعددة القنوات.
• ابتكار المواد والعمليات:تساهم التطورات في كفاءة ثنائي الباعث للضوء، وحساسية الكاشف، ونقاء مركب القولبة في انخفاض استهلاك الطاقة، وزيادة السرعة، وتحسين الموثوقية طويلة المدى.
• تقنيات العزل البديلة:بينما العوازل الضوئية ناضجة، تتنافس تقنيات مثل العزل السعوي (باستخدام حواجز SiO2) والعزل المغناطيسي (GMR) في بعض التطبيقات عالية السرعة والكثافة. لكل تقنية مقايضاتها الخاصة من حيث السرعة، والمناعة، واستهلاك الطاقة، والتكلفة.