ورقة بيانات مقرن ضوئي ELQ3H4 - عبوة SSOP 16-دبوس - إدخال تيار متردد - نسبة نقل التيار 20-300% - عزل 3750 فولت RMS - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة ELQ3H4 عائلة من معزلات الاقتران الضوئي المصممة للتطبيقات عالية الكثافة التي تتطلب عزل إشارة موثوقًا. المكون الأساسي يتكون من ثنائي باعث للضوء (LED) من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) مقترن ضوئيًا بترانزستور ضوئي من السيليكون من نوع NPN، جميعها موضوعة داخل عبوة SSOP (عبوة مخططة صغيرة متقلصة) مدمجة ذات 16 دبوسًا. الميزة الرئيسية لهذه العبوة هي درع الضوء المدمج، الذي يقلل بشكل فعال من تأثير الضوء المحيط على أداء الترانزستور الضوئي، مما يعزز سلامة الإشارة في البيئات الكهربائية ذات الضوضاء العالية.

تم تصميم هذا الجهاز ليقبل إشارات الإدخال ذات التيار المتردد مباشرة، مما يلغي الحاجة إلى دوائر تقويم خارجية في العديد من التطبيقات. تقوم قيمته الأساسية على الجمع بين عامل شكل صغير جدًا (ارتفاع 2.0 مم) وأداء عزل قوي (3750 فولت_RMS) والامتثال لمعايير السلامة والبيئة الدولية الرئيسية.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

يقدم المقرن الضوئي ELQ3H4 عدة مزايا مميزة. إن بناؤهالخالي من الهالوجينوالتوافق مع توجيهات RoHS والخالي من الرصاص يجعله مناسبًا للتصاميم الواعية بيئيًا. يحمل الجهاز موافقات من وكالات السلامة الرائدة بما في ذلك UL و VDE و SEMKO و NEMKO و DEMKO و FIMKO و CQC، مما يسهل استخدامه في المنتجات الموجهة للأسواق العالمية ذات المتطلبات التنظيمية الصارمة.

التطبيقات المستهدفة الرئيسية هي في أتمتة وقياس العمليات الصناعية، حيث تكون مناعة الضوضاء والسلامة ذات أهمية قصوى. وتشمل هذه:

• المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs):لعزل إشارات الإدخال/الإخراج الرقمية، أو ناقلات الاتصال، أو مدخلات مستشعرات القياس التناظرية عن وحدة المعالجة المركزية.
• أدوات القياس:توفير العزل في أنظمة اكتساب البيانات، أو الملتمترات المتعددة، أو راسمات الذبذبات لحماية الدوائر الحساسة من نقاط الاختبار ذات الجهد العالي.
• الدوائر المتكاملة الهجينة ومصادر الطاقة:العمل كعنصر تغذية مرتدة في مصادر الطاقة المعزولة ذات التبديل، أو داخل وحدات هجينة مخصصة لقيادة البوابات أو تكييف الإشارة.

2. تحليل متعمق للمعاملات التقنية

إن الفهم الشامل للمعاملات الكهربائية والبصرية أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة موثوقة. توفر الأقسام التالية تحليلاً مفصلاً للمواصفات الرئيسية.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد التشغيل تحت هذه الظروف. تشمل الحدود الرئيسية لـ ELQ3H4:

• الإدخال (جانب LED):تيار أمامي مستمر (I_F) بقيمة ±60 مللي أمبير وتيار نبضي لمدة 1 ميكروثانية (I_FP) بقيمة 1 أمبير. تبديد الطاقة لكل قناة هو 70 مللي واط، مع تخفيض بمعدل 0.7 مللي واط/°م.
• الإخراج (جانب الترانزستور الضوئي):تيار المجمع (I_C) بقيمة 50 مللي أمبير. جهد المجمع-الباعث (V_CEO) هو 80 فولت، بينما جهد الباعث-المجمع (V_ECO) هو أقل بقيمة 7 فولت، مما يشير إلى عدم تناسق خصائص انهيار الترانزستور الضوئي. تبديد طاقة الإخراج هو 150 مللي واط لكل قناة، مع تخفيض بمعدل 1.4 مللي واط/°م.
• العزل والبيئة:يتحمل الجهاز جهد عزل (V_ISO) بقيمة 3750 فولت_RMSلمدة دقيقة واحدة. نطاق درجة حرارة التشغيل هو من -55°م إلى +110°م.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

تحدد هذه المعاملات أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل العادية (T_A=25°م ما لم يُذكر خلاف ذلك).

خصائص الإدخال:الجهد الأمامي (V_F) لـ LED من GaAs هو عادة 1.2 فولت عند I_F= 20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.4 فولت. سعة الإدخال (C_in) تصل إلى 250 بيكوفاراد، مما قد يؤثر على أداء التبديل عالي التردد.

خصائص الإخراج:تيار الظلام للمجمع-الباعث (I_CEO) هو بحد أقصى 100 نانو أمبير عند V_CE=20 فولت مع إيقاف LED، مما يمثل تسرب الترانزستور الضوئي. جهود الانهيار (BV_CEO=80 فولت، BV_ECO=7 فولت) تؤكد البنية غير المتناظرة.

خصائص النقل (T_A= -40 إلى 85°م):هذا هو جوهر أداء المقرن الضوئي.

• نسبة نقل التيار (CTR):تُعرّف على أنها (I_C/ I_F) * 100% تحت ظروف محددة. لدى ELQ3H4 نطاق CTR واسع جدًا من 20% إلى 300% عند I_F= 1 مللي أمبير، V_CE= 5 فولت. هذا الانتشار الواسع يستلزم تصميم دائرة دقيق أو فرز للجهاز للتطبيقات الدقيقة.
• نسبة CTR (CTR1/CTR2):هذه المعلمة، التي تتراوح من 0.5 إلى 2.0، تشير إلى التطابق بين القنوات في جهاز متعدد القنوات أو اتساق CTR تحت التشغيل بالتيار المتردد. نسبة 1.0 تمثل تطابقًا تامًا.
• جهد التشبع: V_CE(sat)هو عادة 0.1 فولت (بحد أقصى 0.2 فولت) عند I_F=20 مللي أمبير، I_C=1 مللي أمبير، مما يشير إلى خصائص تبديل جيدة عند قيادته إلى التشبع.
• معاملات العزل:مقاومة العزل (R_IO) هي بحد أدنى 5 × 10¹⁰أوم، وسعة العزل (C_IO) هي عادة 0.3 بيكوفاراد (بحد أقصى 1.0 بيكوفاراد). السعة المنخفضة حاسمة لرفض الضوضاء المشتركة عالية التردد.
• سرعة التبديل:زمن الصعود (t_r) وزمن الهبوط (t_f) محددان بحد أقصى 18 ميكروثانية لكل منهما تحت حالة الاختبار V_CE=2 فولت، I_C=2 مللي أمبير، R_L=100 أوم. هذا يشير إلى أن الجهاز مناسب للإشارات الرقمية ذات التردد المنخفض إلى المتوسط، وليس لنقل البيانات عالي السرعة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص الكهربائية-البصرية النموذجية. بينما لا يتم إعادة إنتاج الرسوم البيانية المحددة في النص المقدم، فإنها توضح عادةً العلاقات التالية الحرجة للتصميم:

• CTR مقابل التيار الأمامي (I_F):يوضح كيف تتغير كفاءة النقل مع تيار تشغيل LED. غالبًا ما ينخفض CTR عند I_Fمرتفع جدًا بسبب انخفاض كفاءة LED.
• CTR مقابل درجة الحرارة:يوضح اعتماد كفاءة الاقتران على درجة الحرارة، والتي عادة ما تنخفض مع زيادة درجة الحرارة.
• الجهد الأمامي (V_F) مقابل درجة الحرارة:يوضح معامل درجة الحرارة السالب لجهد LED الأمامي.
• تيار المجمع (I_C) مقابل جهد المجمع-الباعث (V_CE):خصائص الإخراج للترانزستور الضوئي لتيارات الإدخال المختلفة، مشابهة لمنحنيات الترانزستور ثنائي القطب.
• زمن التبديل مقابل مقاومة الحمل (R_L):يوضح كيف تتأثر أوقات الصعود والهبوط بحمل الإخراج. مقاومة R_Lأكبر تزيد عمومًا من زمن الصعود بسبب زيادة ثابت الوقت RC.

يجب على المصممين الرجوع إلى البيانات الرسومية الكاملة لتحسين نقاط التشغيل لمتطلباتهم المحددة فيما يتعلق بالسرعة واستهلاك الطاقة واستقرار درجة الحرارة.

4. معلومات الميكانيكا والعبوة

4.1 أبعاد العبوة وتخطيطها

يستخدم ELQ3H4 عبوة SSOP ذات 16 دبوسًا بارتفاع منخفض يبلغ 2.0 مم، مما يتيح تركيبًا عالي الكثافة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). تتضمن ورقة البيانات رسمًا مفصلاً بأبعاد يحدد طول العبوة وعرضها وارتفاعها ومسافة الأطراف وأبعاد الأطراف. الالتزام بهذه المواصفات الميكانيكية أمر ضروري لملاءمة صحيحة على PCB وفي معدات التجميع الآلي.

A تخطيط الوسادة الموصى بهلتركيب السطح المثبت مُقدم. اتباع هذا النمط للأرضية أمر بالغ الأهمية لضمان تكوين وصلة لحام موثوقة، وقوة ميكانيكية مناسبة، وتجنب مشاكل مثل ظاهرة "شاهد القبر" أثناء لحام إعادة التدفق. يأخذ النمط في الاعتبار تكوين حشوة اللحام والإغاثة الحرارية.

4.2 علامات الجهاز والقطبية

يتم وضع علامة على الجهاز أعلى العبوة. تتبع العلامة التنسيق:EL Q3H4 YWW V.

• EL:معرف الشركة المصنعة.
• Q3H4:رقم الجهاز.
• Y:رمز السنة المكون من رقم واحد.
• WW:رمز الأسبوع المكون من رقمين.
• V:علامة اختيارية تشير إلى موافقة VDE.

الاتجاه الصحيح أمر حيوي. يجب محاذاة مؤشر الدبوس 1 على العبوة (عادة نقطة أو شق أو حافة مائلة) مع علامة الدبوس 1 على بصمة PCB. الإدخال غير الصحيح سيمنع الجهاز من العمل وقد يتسبب في تلف.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 ظروف لحام إعادة التدفق

الجهاز مناسب للحم إعادة التدفق للأسطح المثبتة. تحدد ورقة البياناتمخطط درجة حرارة الجسم القصوى الحرجالمتوافق مع IPC/JEDEC J-STD-020D. تشمل المعلمات الرئيسية:

• التسخين المسبق:من 150°م إلى 200°م على مدى 60-120 ثانية.
• الوقت فوق نقطة السيولة (T_L=217°م):60-100 ثانية.
• درجة الحرارة القصوى (T_P):260°م كحد أقصى.
• الوقت ضمن 5°م من القمة:30 ثانية كحد أقصى.
• الحد الأقصى لدورات إعادة التدفق:3 مرات.

الالتزام الصارم بهذا المخطط يمنع التلف الحراري للعبوة البلاستيكية، وروابط الأسلاك الداخلية، وشريحة أشباه الموصلات. تجاوز درجة الحرارة القصوى أو وقت التعرض للحرارة يمكن أن يؤدي إلى التقشير أو التشقق أو تحولات في المعاملات.

5.2 التعامل والتخزين

يجب مراعاة احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) القياسية، حيث أن LED من GaAs الداخلي والترانزستور الضوئي من السيليكون عرضة للتلف من الكهرباء الساكنة. استخدم محطات عمل موصولة بالأرض وأسوار معصم. يجب تخزين الأجهزة في أكياس الحاجز الرطوبة الأصلية مع مجفف في بيئة خاضعة للرقابة (عادة <40°م / 90% رطوبة نسبية) لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يسبب ظاهرة "الفرقعة" أثناء إعادة التدفق.

6. التعبئة ومعلومات الطلب

6.1 ترقيم النماذج والخيارات

هيكل رقم القطعة هو:ELQ3H4(Z)-V.

• Z (خيار التعبئة):"TA" تشير إلى التعبئة بشريط وبكرة. إذا حُذفت، فإن التعبئة الافتراضية هي بالأنبوب.
• V (خيار الموافقة):يشير إلى علامة موافقة VDE.

كميات التعبئة:خيار الأنبوب يحتوي على 40 وحدة لكل أنبوب. خيار الشريط والبكرة (TA) يحتوي على 1000 وحدة لكل بكرة.

6.2 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توفير أبعاد مفصلة لشريط الناقل، بما في ذلك حجم الجيب (A0, B0, D0, D1)، والمسافة (P0)، وأبعاد البكرة. هذه المعلومات ضرورية لضبط آلات الالتقاط والوضع الآلية بشكل صحيح. عرض الشريط (W) هو 16.0 مم ± 0.3 مم، ويتم تحديد اتجاه التغذية.

7. اعتبارات تصميم التطبيق

7.1 تصميم دائرة الإدخال

للتشغيلبإدخال تيار متردد، يمكن تشغيل LED مباشرة بإشارة تيار متردد. مقاومة تحديد التيار إلزامية لضبط التيار الأمامي المطلوب (I_F). يجب حساب قيمتها بناءً على جهد الذروة لإشارة التيار المتردد، و V_Fلـ LED، و I_Fالمطلوب. نظرًا لأن LED هو ثنائي، فإنه سيتصل فقط خلال أنصاف الدورات ما لم يتم استخدام مقوم جسر أمامه للتشغيل بموجة كاملة. نطاق CTR الواسع يعني أن تيار الإخراج سيتغير بشكل كبير بين الأجهزة إذا تم استخدام I_Fثابت. للحصول على أداء أكثر اتساقًا، فكر في استخدام I_Fأعلى (حيث قد يكون تباين CTR أقل) أو تنفيذ تغذية مرتدة.

3.2 تصميم دائرة الإخراج

يمكن استخدام الترانزستور الضوئي إما في وضعالتبديلأوالخطي. للتبديل الرقمي، يتم قيادة الجهاز إلى التشبع (I_Fعالية بما يكفي لجعل V_CE≈ V_CE(sat)). مقاومة الحمل (R_L) المتصلة بالمجمع تحدد تأرجح جهد الإخراج وتؤثر على سرعة التبديل (R_Lأكبر تزيد زمن الصعود). للتطبيقات التناظرية أو الخطية، يعمل الترانزستور الضوئي في منطقته النشطة. ومع ذلك، فإن عدم خطية منحنى CTR مقابل I_Fواعتماده القوي على درجة الحرارة يجعل التشغيل الخطي الدقيق صعبًا بدون تعويض.

7.3 مناعة الضوضاء والتخطيط

لتعظيم قدرة العزل العالية (3750 فولت_RMS، C_IOمنخفضة)، تخطيط PCB الدقيق أمر أساسي. حافظ على مسافات زحف وتباعد كافية بين جانبي الإدخال والإخراج للدائرة وفقًا لمعايير السلامة. استخدم مستوى أرضي، ولكن فكر في تقسيم المستوى تحت المقرن الضوئي لتقليل الاقتران السعوي عبر حاجز العزل. يمكن للمكثفات الالتفافية الموضوعة بالقرب من دبابيس الجهاز على كلا الجانبين المساعدة في قمع الضوضاء عالية التردد.

8. المقارنة التقنية وإرشادات الاختيار

المميزات الرئيسية لـ ELQ3H4 هيقدرة الإدخال بالتيار المتردد, عبوة SSOP فائقة الصغر، وشهادات السلامة الشاملة. عند اختيار مقرن ضوئي، قارن ما يلي مع متطلبات المشروع:

• مقارنة بمقرنات ضوئية بإدخال تيار مستمر:يُبسط ELQ3H4 الدوائر عن طريق إزالة المقومات الخارجية لإشارات التيار المتردد، مما يوفر مساحة على اللوحة وتكلفة.
• مقارنة بعبوات أكبر (DIP، إلخ.):تقدم SSOP توفيرًا كبيرًا في المساحة ولكن قد يكون لها خصائص حرارية مختلفة قليلاً وتتطلب تجميعًا أكثر دقة.
• مقارنة بمقرنات ضوئية عالية السرعة:تقدم الأجهزة ذات البوابات المنطقية الأسرع أو المعزلات الرقمية معدلات بيانات أعلى بكثير (>1 ميجابت/ثانية) ولكن قد يكون لها تصنيفات عزل مختلفة، أو متطلبات طاقة، أو هياكل تكلفة مختلفة.
• مقارنة بمقرنات ضوئية بإخراج دارلينجتون:تقدم تكوينات دارلينجتون CTR أعلى بكثير (500-1000%) ولكن لديها سرعات تبديل أبطأ وجهود تشبع أعلى.
• اختيار فرز CTR:إذا كان أداء الدائرة حساسًا للغاية للكسب، استفسر عن توفر أجهزة مُفرزة في نطاقات CTR أضيق (مثل 100-200%).

9. الأسئلة المتكررة (FAQ)

س1: هل يمكنني تشغيل LED بمصدر جهد مباشرة؟

ج1: لا. LED هو جهاز يعمل بالتيار. استخدم دائمًا مقاومة تحديد تيار على التوالي للتحكم في I_Fومنع التلف من التيار الزائد.

س2: لماذا زمن صعود الإخراج أبطأ من زمن الهبوط في المواصفات؟

ج2: هذا نموذجي للترانزستورات الضوئية. زمن الصعود محدود بالوقت المطلوب لشحن سعة تقاطع الترانزستور الضوئي عبر التيار الضوئي. زمن الهبوط يحكمه تفريغ هذه السعة عبر مقاومة الحمل الخارجية وعمليات إعادة التركيب الداخلية للجهاز.

س3: كيف تؤثر درجة الحرارة على الأداء؟

ج3: ينخفض CTR عمومًا مع زيادة درجة الحرارة. الجهد الأمامي لـ LED (V_F) ينخفض أيضًا. يجب أخذ هذه التأثيرات في الاعتبار في التصاميم التي تعمل على نطاق واسع من درجات الحرارة لضبط عتبات التبديل الموثوقة أو الخطية.

س4: ما هو الغرض من "تأثير الدرع" المذكور؟

ج4: تعمل العبوة البلاستيكية المعتمة كدرع للضوء، تمنع الضوء المحيط من الوصول إلى الترانزستور الضوئي. هذا يمنع التشغيل الخاطئ أو تيارات الإزاحة الناتجة عن مصادر الضوء الخارجية مثل إضاءة الغرفة أو ضوء الشمس.

10. مثال تطبيقي عملي

السيناريو: اكتشاف شبكة تيار متردد معزولة لوحدة إدخال PLC.

حالة استخدام شائعة هي اكتشاف وجود إشارة تيار متردد 120 فولت من مفتاح أو مستشعر. ELQ3H4 مثالي لهذا.

1. دائرة الإدخال:يتم تخفيض إشارة التيار المتردد 120 فولت عبر شبكة مقاومة عالية القيمة وعالية الجهد لتحديد التيار. يمكن وضع ثنائي حماية متوازي عكسي عبر LED لتثبيت الجهد العكسي خلال نصف الدورة السالب، على الرغم من أن الجهاز مصنف للتشغيل بالتيار المتردد. يتم اختيار قيمة المقاومة لضبط I_Fإلى قيمة اسمية 5-10 مللي أمبير، ضمن التقييمات بشكل جيد.
2. دائرة الإخراج:يتم توصيل مجمع الترانزستور الضوئي بجهد إمداد منطق PLC (مثل 3.3 فولت أو 5 فولت) عبر مقاومة سحب لأعلى (R_L). الباعث موصول بالأرض. عندما يكون التيار المتردد موجودًا، يعمل الترانزستور الضوئي خلال أنصاف الدورات الموصلة، مما يسحب ناتج المجمع إلى مستوى منخفض. يقرأ إدخال PLC الرقمي هذه الإشارة المنخفضة النابضة. يمكن للبرنامج بعد ذلك إزالة الارتداد أو اكتشاف تقاطعات الصفر لتأكيد وجود التيار المتردد.
3. الفوائد:يوفر هذا التصميم عزلًا كهربائيًا قويًا، يحمي دوائر PLC الحساسة من التموجات والعيوب في الشبكة الرئيسية. تسمح عبوة SSOP المدمجة بوضع العديد من هذه القنوات على وحدة واحدة.

11. مبدأ التشغيل

يعمل المقرن الضوئي على مبدأالاقتران الضوئيلتحقيق العزل الكهربائي. تقود إشارة إدخال كهربائية ثنائي باعث للضوء (LED)، مما يجعله يبعث ضوءًا تحت الأحمر يتناسب مع التيار. ينتقل هذا الضوء عبر فجوة قصيرة شفافة داخل العبوة ويضرب منطقة قاعدة ترانزستور ضوئي من السيليكون. تولد الفوتونات الساقطة أزواج إلكترون-فجوة في القاعدة، تعمل بشكل فعال كتيار قاعدة. يتم بعد ذلك تضخيم هذا التيار الضوئي بواسطة كسب الترانزستور، منتجًا تيار مجمع هو نسخة كهربائية من إشارة الإدخال. النقطة الأساسية هي أن نقل الإشارة يحدث عبر الضوء، بدون اتصال كهربائي بين الإدخال والإخراج، مما يخلق حاجز العزل.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر مجال عزل الإشارة في التطور. بينما تظل المقرنات التقليدية القائمة على الترانزستور الضوئي مثل ELQ3H4 مهيمنة للتطبيقات فعالة التكلفة ومتوسطة السرعة وعالية العزل، هناك عدة اتجاهات ملحوظة:

• زيادة التكامل:مقرنات ضوئية متعددة القنوات في عبوات واحدة شائعة، مما يقلل مساحة اللوحة والتكلفة لكل قناة.
• بدائل أعلى سرعة:لاتصالات البيانات، تقدم المعزلات الرقمية القائمة على تقنية CMOS والاقتران الراديوي أو السعوي معدلات بيانات أعلى بكثير (تصل إلى مئات الميجابت/ثانية)، واستهلاك طاقة أقل، واتساق توقيت أفضل، على الرغم من تصنيفات جهد عزل مختلفة غالبًا.
• تعزيز الموثوقية والشهادات:هناك دفع مستمر لتحقيق مقاييس موثوقية أعلى (معدلات FIT)، ونطاقات تشغيل أوسع لدرجة الحرارة، والحصول على شهادات للمعايير الناشئة، خاصة في التطبيقات السيارية (AEC-Q100) والطبية.
• تصغير العبوة:يستمر السعي نحو عبوات أصغر وأرق لتمكين منتجات نهائية أكثر إحكاما، كما هو واضح في SSOP بارتفاع 2.0 مم المستخدم في ELQ3H4.