ورقة البيانات الفنية لجهاز الفوتوكوبلر ELM453H-G: عازل منطقي عالي السرعة 10 ميجابت/ثانية، حزمة 5-دبوس SOP، جهد عزل 3750 فولت RMS

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة ELM453H-G عائلة من الفوتوكوبلرات (العوازل الضوئية) المنطقية عالية السرعة، المصممة للتطبيقات الرقمية المتطلبة للعزل. تم تصميم هذه الأجهزة لتوفير نقل إشارة موثوق مع الحفاظ على عزل كهربائي مرتفع بين دوائر الدخل والخرج. الوظيفة الأساسية هي نقل إشارات المنطق الرقمي عبر حاجز العزل باستخدام صمام ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر مقترن ضوئيًا بكاشف ضوئي عالي السرعة ومضخم ترانزستور.

السوق الأساسي لهذا المكون يشمل أتمتة المصانع، وأنظمة قيادة المحركات، وشبكات اتصال Fieldbus، والتحكم في مصادر الطاقة حيث تكون مناعة الضوضاء وعزل السلامة أمرًا بالغ الأهمية. تنبع مزاياها الأساسية من أداء سرعتها المحسن مقارنة بالفوتوكوبلرات التقليدية ذات الترانزستور الضوئي، والذي تم تحقيقه من خلال توصيل تحيز منفصل للفوتوديود يقلل من سعة القاعدة-المجمع.

2. تحليل متعمق للمعايير الفنية

يقدم هذا القسم تحليلاً موضوعيًا للمعايير الكهربائية والبصرية الرئيسية المحددة في ورقة البيانات.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم. تشمل الحدود الرئيسية:

• تيار الدخل الأمامي (I_F): 25 مللي أمبير كحد أقصى. يمكن أن يؤدي تجاوز هذا الحد إلى تدهور أو تدمير صمام LED الدخل.
• جهد العزل (V_ISO): 3750 فولت_RMSلمدة دقيقة واحدة. هذا تصنيف سلامة حاسم يثبت قوة العزل الكهربائي للحاجز العازل الداخلي، تم اختباره مع توصيل الدبابيس 1 و 3 قصيرة على جانب واحد والدبابيس 4 و 5 و 6 قصيرة على الجانب الآخر.
• درجة حرارة التشغيل (T_OPR): من -40 إلى +125 درجة مئوية. يضمن هذا النطاق الواسع التشغيل الموثوق في بيئات الصناعة القاسية.
• درجة حرارة اللحام (T_SOL): 260 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ، متوافقة مع ملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص النموذجية.

2.2 الخصائص الكهربائية

معايير الأداء المضمونة تحت ظروف الاختبار المحددة.

2.2.1 خصائص الدخل

• الجهد الأمامي (V_F): عادة 1.4 فولت، بحد أقصى 1.8 فولت عند I_F=16 مللي أمبير. يستخدم هذا لحساب المقاوم المحدد للتيار المطلوب لدائرة تشغيل LED.
• سعة الدخل (C_IN): عادة 70 بيكو فاراد. يمكن أن تساهم السعة الأقل في أداء تردد عالي أفضل على جانب الدخل.

2.2.2 خصائص الخرج والنقل

• جهد الخرج المنخفض المستوى (V_OL): حد أقصى 0.4 فولت عند I_F=16 مللي أمبير، I_O=3 مللي أمبير، V_CC=4.5 فولت. هذا يحدد مستوى المنطق '0' للخرج تحت الحمل.
• نسبة نقل التيار (CTR): الحد الأدنى 20% تحت نفس ظروف الاختبار. CTR هي نسبة تيار ترانزستور الخرج إلى تيار LED الدخل. يضمن الحد الأدنى المضمون قدرة دفع كافية للخرج.
• تيار الخرج عالي المستوى (I_OH): تيار تسرب منخفض جدًا (5 ميكرو أمبير كحد أقصى عند 25°C) عندما يكون LED مغلقًا، مما يضمن إخراج منطقي '1' نظيفًا.

2.3 خصائص التبديل

تحدد هذه المعايير سرعة الجهاز ومناعة الضوضاء، وهي حاسمة لنقل البيانات.

• زمن الانتشار (T_PHL, T_PLH): نموذجي 0.35 ميكرو ثانية (منخفض) و 0.45 ميكرو ثانية (مرتفع)، بحد أقصى 1.0 ميكرو ثانية. هذا يسمح بمعدلات نقل إشارة تصل إلى 1 ميجابت/ثانية، على الرغم من أن العنوان يشير إلى قدرة 10 ميجابت/ثانية لإصدار البوابة المنطقية.
• مناعة العبور المشترك (CM_H, CM_L): الحد الأدنى 10 كيلو فولت/ميكرو ثانية. هذه معلمة حيوية تشير إلى قدرة الجهاز على رفض التغيرات السريعة في الجهد (الضوضاء) التي تظهر بالتساوي على جانبي حاجز العزل. تمنع CMTI المرتفعة التبديل الخاطئ للخرج في البيئات الصاخبة مثل محركات الأقراص.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص الكهروضوئية النموذجية. بينما لا يتم عرضها في النص المقدم، فإن هذه المنحنيات توضح عادة العلاقات الحرجة للتصميم:

• نسبة نقل التيار (CTR) مقابل التيار الأمامي (I_F): يوضح كيف تختلف الكفاءة مع تيار التشغيل، مما يساعد في تحسين نقطة التشغيل.
• CTR مقابل درجة الحرارة المحيطة (T_A): يوضح انخفاض CTR مع زيادة درجة الحرارة، وهو أمر أساسي للتشغيل في درجات الحرارة المرتفعة.
• زمن الانتشار مقابل مقاوم الحمل (R_L): يوضح المقايضة بين سرعة التبديل وقدرة دفع الخرج.
• الجهد الأمامي مقابل درجة الحرارة: مهم لإدارة الحرارة لدائرة الدخل.

يجب على المصممين الرجوع إلى الرسوم البيانية الكاملة لورقة البيانات لفهم هذه العلاقات غير الخطية لتصميم دائري قوي.

4. معلومات الميكانيكا والحزمة

4.1 أبعاد الحزمة

يتم وضع الجهاز في حزمة Small Outline Package (SOP) قياسية 5 دبابيس. يوفر الرسم الميكانيكي التفصيلي الأبعاد الدقيقة للطول والعرض والارتفاع ومسافة الدبابيس والارتفاع. هذه المعلومات حاسمة لتصميم بصمة PCB وضمان المسافة الصحيحة.

4.2 تخطيط الوسادة الموصى به

يتم توفير تخطيط وسادة سطحية مقترح. تلاحظ ورقة البيانات بشكل صحيح أن هذا تصميم مرجعي ويجب تعديله بناءً على عمليات التصنيع الفردية (مثل نوع معجون اللحام، ملف إعادة التدفق). يوصى بالالتزام بمعايير IPC لتصميم الوسادة النهائي.

4.3 تحديد القطبية وعلامات الجهاز

تكوين الدبابيس:

1. الأنود (دخل LED +)
2. لا اتصال / داخلي
3. الكاثود (دخل LED -)
4. الأرضي (أرضي الخرج)
5. V_OUT(إشارة الخرج)
6. V_CC(جهد تغذية الخرج)

علامات الجهاز:يتم وضع علامة على الجزء العلوي من الحزمة بـ "EL" (رمز الشركة المصنعة)، "M453H" (رقم الجهاز)، رمز سنة مكون من رقم واحد (Y)، رمز أسبوع مكون من رقمين (WW)، و "V" اختياري للإصدارات المعتمدة من VDE. هذا يسمح بإمكانية التتبع.

5. إرشادات اللحام والتجميع

لحام إعادة التدفق:تم تصنيف المكون لأقصى درجة حرارة لحام تبلغ 260 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ. يتوافق هذا مع ملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص القياسية (IPC/JEDEC J-STD-020). يجب التحكم في درجة الحرارة القصوى والوقت فوق السائل لمنع تلف الحزمة.

ظروف التخزين:نطاق درجة حرارة التخزين هو من -55 إلى +125 درجة مئوية. يجب التحقق من معلومات مستوى حساسية الرطوبة (MSL)، وهي حاسمة لأجهزة التركيب السطحي، من ورقة البيانات الكاملة أو التعبئة. يجب اتباع الاحتياطات القياسية لخبز المكونات الممتصة للرطوبة قبل إعادة التدفق إذا كان ذلك مناسبًا.

6. معلومات التعبئة والطلب

6.1 رقم طلب القطعة

يتبع رقم القطعة الهيكل:ELM453H(Z)-VG

• Z: خيار الشريط والبكرة. 'لا شيء' للأنبوب (100 وحدة)، 'TA' أو 'TB' لتوجهات بكرة مختلفة (3000 وحدة/بكرة).
• V: يشير إلى تضمين شهادة VDE.
• G: يشير إلى تكوين مادة خالية من الهالوجين.

6.2 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توفير أبعاد الشريط الحامل التفصيلية (العرض، حجم الجيب، المسافة) ومواصفات البكرة للتجميع الآلي للالتقاط والوضع. يختلف خيارا TA و TB في اتجاه المكون داخل الشريط، مما يؤثر على اتجاه التغذية من البكرة.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 دوائر التطبيق النموذجية

مستقبل الخط / عزل الإشارة الرقمية:الجهاز مثالي لعزل خطوط بيانات RS-485 أو CAN أو غيرها من خطوط البيانات التسلسلية في الشبكات الصناعية. تحمي CMTI المرتفعة من فروق جهد الأرض والضوضاء.

عزل قيادة البوابة في محركات الأقراص:يستخدم لعزل إشارة التحكم منخفضة الجهد عن دائرة قيادة البوابة عالية الجهد والصاخبة لـ IGBTs أو MOSFETs. جهد العزل المرتفع (3750 فولت RMS) والسرعة هما المفتاح هنا.

عزل أرضي المنطق:فصل الأسطح الأرضية الرقمية بين الأنظمة الفرعية (مثل بين واجهة مستشعر تناظري حساس ووحدة تحكم دقيقة صاخبة) لمنع حلقات الأرضية واقتران الضوضاء.

7.2 اعتبارات التصميم

• تحديد تيار الدخل:يجب استخدام مقاوم خارجي لتعيين تيار LED الأمامي (I_F)، عادة حوالي 16 مللي أمبير للمعايير المضمونة. قيمة المقاوم هي R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• مقاوم السحب للأعلى للخرج:مقاوم سحب للأعلى (R_L) مطلوب على الخرج (الدبوس 5 إلى V_CC). تؤثر قيمته على سرعة التبديل (R_Lأقل = أسرع، ولكن تيار أعلى) ومستوى المنطق المرتفع. تستخدم حالة الاختبار 1.9 كيلو أوم.
• فصل مصدر الطاقة:ضع مكثف سيراميك 0.1 ميكرو فاراد بالقرب من الدبابيس 4 (GND) و 6 (V_CC) لضمان التشغيل المستقر وتقليل ضوضاء التبديل إلى الحد الأدنى.
• التسلل والمسافة:على لوحة الدوائر المطبوعة، حافظ على مسافات تسلل ومسافة كافية بين دوائر الدخل والخرج (بما في ذلك المسارات والمكونات) للحفاظ على تصنيف العزل عالي الجهد. اتبع معايير السلامة ذات الصلة (مثل IEC 61010-1).

8. المقارنة الفنية والتمييز

التمييز الأساسي لـ ELM453H-G عن الفوتوكوبلرات التقليدية ذات الترانزستور الضوئي هوالسرعة. من خلال توفير اتصال قاعدة منفصل (عبر الفوتوديود المتكامل) لتحيز ترانزستور الخرج، فإنه يقلل بشكل كبير من تأثير سعة ميلر الذي يبطئ الترانزستورات الضوئية التقليدية. هذا يجعله مناسبًا لنقل البيانات الرقمية في نطاق 1 ميجابت/ثانية إلى 10 ميجابت/ثانية، بينما تكون الأجهزة القياسية محدودة غالبًا بأقل من 100 كيلوبت/ثانية.

علاوة على ذلك، فإن مجموعة شهادات السلامة الدولية الشاملة (UL، cUL، VDE، SEMKO، إلخ.) والامتثال للوائح الخالية من الهالوجين وRoHS وREACH تجعله الخيار المفضل للأسواق العالمية ذات المتطلبات البيئية والسلامة الصارمة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير الفنية)

س: ما هو أقصى معدل بيانات يمكن أن يدعمه هذا الفوتوكوبلر؟

أ: بناءً على أقصى زمن انتشار يبلغ 1.0 ميكرو ثانية، يمكن للجهاز دعم معدلات بيانات تبلغ على الأقل 1 ميجابت/ثانية بشكل موثوق. يشير المرجع 10 ميجابت/ثانية في العنوان إلى أداء محسن أو إصدار محدد؛ يعتمد المعدل الأقصى الفعلي على تصميم الدائرة (R_L, I_F) ويجب التحقق منه بقياسات نطاق للتطبيقات الحرجة.

س: كيف يمكنني التأكد من الحفاظ على تصنيف العزل المرتفع في تصميمي؟

أ: يوفر البناء الداخلي للجهاز العزل. للحفاظ عليه على لوحة الدوائر المطبوعة، يجب عليك التأكد من وجود مسافة مادية كافية (تسلل/مسافة) بين جميع العناصر الموصلة (المسارات، الوسائد، المكونات) المرتبطة بجانب الدخل (الدبابيس 1،2،3) وجانب الخرج (الدبابيس 4،5،6). اتبع إرشادات تخطيط PCB للعزل المعزز بناءً على جهد العمل.

س: هل يمكنني استخدام هذا لعزل الإشارات التناظرية؟

أ: على الرغم من إدراجه لعزل أرضي الإشارة التناظرية، إلا أنه في الأساس جهاز رقمي (بوابة منطقية) مع CTR غير خطي. إنه ليس مثاليًا لعزل الإشارة التناظرية الخطية. لهذا الغرض، سيكون الفوتوكوبلر الخطي المخصص أو مضخم العزل أكثر ملاءمة.

10. حالة استخدام عملية

السيناريو: اتصال SPI معزول في وحدة تحكم المحرك.

تحتاج وحدة تحكم دقيقة على لوحة تحكم 3.3 فولت إلى إرسال بيانات التكوين عبر SPI إلى ADC موجود بالقرب من طور محرك عالي الطاقة. إمكانيات الأرض صاخبة ومختلفة. يمكن استخدام ELM453H-G لعزل خطوط ساعة SPI (SCK) واختيار الشريحة (CS). تقوم GPIO لوحدة التحكم الدقيقة بتشغيل LED عبر مقاوم محدد للتيار. يتم سحب دبوس الخرج (5) إلى مصدر تغذية ADC 5 فولت عبر مقاوم 2.2 كيلو أوم، مما يوفر إشارة منطقية نظيفة ومعزولة. تضمن CMTI المرتفعة عدم تلف إشارات SPI بسبب ضوضاء تبديل المحرك.

11. مبدأ التشغيل

يعمل الجهاز على مبدأ الاقتران الضوئي. يتسبب التيار الكهربائي المطبق على صمام LED الباعث للأشعة تحت الحمراء (IRED) في إصداره للضوء. يعبر هذا الضوء حاجز عزل شفاف (عادة من السيليكون المصبوب أو البوليمر) ويضرب فوتوديود داخل شريحة الكاشف المتكاملة. يتم تضخيم تيار الفوتوديود ومعالجته بواسطة مرحلة ترانزستور لإنتاج إشارة خرج رقمية مقابلة (سحب التيار إلى الأرض عند التنشيط). يتم تحقيق العزل الكهربائي الكامل لأن الإشارة تنتقل عن طريق الضوء، دون مسار توصيل كهربائي عبر الحاجز.

12. اتجاهات الصناعة

يتجه اتجاه عزل الإشارة نحو سرعات أعلى، واستهلاك طاقة أقل، وحزم أصغر، ودمج قنوات متعددة في حزمة واحدة. بينما تظل الفوتوكوبلرات المستقلة مثل ELM453H-G حيوية لقوتها، وقدرتها على الجهد العالي، وبساطتها، فإن التقنيات الأحدث مثل العوازل السعوية والعوازل ذات المقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR) تتنافس في التطبيقات التي تتطلب معدلات بيانات عالية جدًا (>100 ميجابت/ثانية) أو موثوقية معززة في المجالات المغناطيسية القصوى. ومع ذلك، يستمر الاقتران الضوئي في الهيمنة في التطبيقات التي تتطلب عزل جهد عمل مرتفع جدًا، وموثوقية طويلة الأجل مثبتة، ومناعة ضد التداخل المغناطيسي.