دیتاشیت فتوكوپلر سری EL847 - بسته‌بندی 16-Pin DIP - ایزولاسیون 5000Vrms - CTR 50-600% - سند فنی انگلیسی

1. مرور کلی محصول

سری EL847 خانواده‌ای از فوتوکوپلرهای فوتوترانزیستوری چهار کاناله است که در یک بسته‌بندی دو خطی استاندارد 16 پین (DIP) قرار گرفته‌اند. هر کانال یک دیود مادون قرمز منتشرکننده نور را که به صورت نوری به یک آشکارساز فوتوترانزیستور کوپل شده، یکپارچه می‌کند و جداسازی الکتریکی قوی‌ای بین مدارهای ورودی و خروجی فراهم می‌آورد. این دستگاه برای انتقال سیگنال قابل اعتماد در محیط‌هایی طراحی شده است که اختلاف پتانسیل و مصونیت در برابر نویز از نگرانی‌های حیاتی هستند.

عملکرد اصلی، انتقال سیگنال‌های الکتریکی با استفاده از نور است و در نتیجه به جداسازی گالوانیکی دست می‌یابد. این امر از ایجاد حلقه‌های زمینی جلوگیری می‌کند، نویز را سرکوب می‌کند و مدارهای حساس را در برابر گذرای ولتاژ بالا محافظت می‌نماید. این سری هم در گزینه‌های استاندارد DIP با سوراخ عبوری و هم در گزینه‌های فرم پایه‌های نصب سطحی (SMD) موجود است که انعطاف‌پذیری را برای فرآیندهای مختلف مونتاژ PCB فراهم می‌آورد.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین‌شده نیست.

• جریان مستقیم ورودی (I_F): 60 میلی‌آمپر (پیوسته). این حداکثر جریان مستقیمی است که می‌توان به LED ورودی اعمال کرد.
• جریان مستقیم اوج (I_FP)1 آمپر برای پالس 1 میکروثانیه. امکان ایجاد پالس‌های کوتاه و با جریان بالا برای راه‌اندازی یا آزمایش را فراهم می‌کند.
• ولتاژ معکوس (V_R): 6 ولت. حداکثر ولتاژ بایاس معکوسی که LED ورودی می‌تواند تحمل کند.
• ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO): 80 ولت. حداکثر ولتاژی که فوتوترانزیستور خروجی در حالت خاموش می‌تواند تحمل کند.
• جریان کلکتور (I_C): 50 میلی‌آمپر. حداکثر جریان پیوسته‌ای که ترانزیستور خروجی می‌تواند دریافت کند.
• ولتاژ ایزوله (V_ISO): 5000 V_rms برای 1 دقیقه. یک پارامتر ایمنی کلیدی که نشان‌دهنده استحکام دی‌الکتریک بین طرف‌های ورودی و خروجی است.
• دمای عملیاتی (T_OPR): -55°C تا +110°C. محدوده دمای محیطی را برای عملکرد مطمئن مشخص می‌کند.
• دمای لحیم‌کاری (T_SOL): 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه. تعیین کننده تلرانس پروفیل لحیم‌کاری رفلو.

2.2 ویژگی‌های الکترواپتیکی

این پارامترها عملکرد دستگاه را در شرایط کاری عادی (T_A = 25°C مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد) تعریف می‌کنند.

2.2.1 ویژگی‌های ورودی (سمت LED)

• ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً ۱.۲ ولت، حداکثر ۱.۴ ولت در I_F = 20 mA. برای محاسبه مقاومت محدودکننده جریان مورد نیاز استفاده می‌شود.
• جریان معکوس (I_R): حداکثر ۱۰ μA در V_R = 4V. نشان‌دهنده نشتی بسیار کم هنگام بایاس معکوس LED است.
• ظرفیت خازنی ورودی (C_در): به طور معمول 30 pF، حداکثر 250 pF. بر قابلیت سوئیچینگ فرکانس بالا در سمت ورودی تأثیر می‌گذارد.

2.2.2 مشخصه‌های خروجی (سمت فتوترانزیستور)

• Collector-Emitter Dark Current (I_CEO): Maximum 100 nA at V_CE = 20V, I_F = 0mA. جریان نشتی زمانی که LED خاموش است؛ هرچه این مقدار کمتر باشد، مصونیت در برابر نویز بهتر است.
• Collector-Emitter Breakdown Voltage (BV_CEO): حداقل 80V در I_C = 0.1mA. قابلیت تحمل ولتاژ بالا را تأیید می‌کند.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(sat)): معمولاً 0.1V، حداکثر 0.2V در I_F = 20mA, I_C = 1mA. افت ولتاژ در ترانزیستور زمانی که کاملاً روشن (اشباع) است. مقدار پایین برای حداقل کردن تلفات توان مطلوب است.

2.2.3 Transfer Characteristics

• Current Transfer Ratio (CTR): 50% تا 600% در I_F = 5mA, V_CE = 5V. این مهم‌ترین پارامتر است که به صورت (I_C / I_F) * 100%. این نشان‌دهنده بازده تبدیل جریان ورودی به جریان خروجی است. محدوده وسیع نشان می‌دهد که دستگاه در سطوح مختلف بهره در دسترس است.
• مقاومت ایزوله (R_IO): حداقل 5 x 10¹⁰ Ω در V_IO = 500V DC. مقاومت بسیار بالا بین طرف‌های ایزوله شده، تضمین حداقل نشتی.
• ظرفیت شناور (C_IO): به طور معمول 0.6 pF، حداکثر 1.0 pF. ظرفیت پارازیتی در سراسر مانع ایزوله، که بر ایمنی گذرا حالت مشترک و کوپلینگ نویز فرکانس بالا تأثیر می‌گذارد.
• فرکانس قطع (f_c): به طور معمول 80 کیلوهرتز در V_CE = 5V, I_C = 2mA, R_L = 100Ω. پهنای باند -3dB، که نشان‌دهنده حداکثر فرکانس سیگنال دیجیتال مفید است.
• زمان افزایش (t_r) & Fall Time (t_f): به ترتیب معمولاً 6 μs و 8 μs (حداکثر هر کدام 18 μs) تحت شرایط آزمایش مشخص شده. این پارامترهای سرعت سوئیچینگ برای تعیین حداکثر نرخ داده در کاربردهای دیجیتال حیاتی هستند.

3. تحلیل منحنی عملکرد

دیتاشیت شامل منحنی‌های مشخصه معمول است (اگرچه در متن ارائه‌شده به تفصیل شرح داده نشده است). این منحنی‌ها معمولاً رابطه بین پارامترهای کلیدی را نشان می‌دهند و درک عمیق‌تری از رفتار دستگاه، فراتر از مقادیر جدول‌بندی‌شده min/typ/max، در اختیار طراحان قرار می‌دهند.

• CTR در مقابل جریان مستقیم (I_F): نشان می‌دهد که بازده چگونه با جریان درایو تغییر می‌کند و اغلب در یک جریان خاص I به اوج می‌رسد._F.
• CTR در مقابل دما: ضریب دمایی منفی CTR را نشان می‌دهد که معمولاً با افزایش دما کاهش می‌یابد. این برای طراحی مدارهای پایدار در کل محدوده دمایی حیاتی است.
• جریان خروجی (I_C) در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CE): خانواده‌ای از منحنی‌ها که مشخصه‌های خروجی فوتوترانزیستور را برای جریان‌های ورودی مختلف نشان می‌دهند، مشابه منحنی‌های خروجی یک ترانزیستور دوقطبی.
• ولتاژ اشباع (V_CE(sat)) در مقابل جریان کلکتور (I_C)نشان می‌دهد که چگونه افت ولتاژ در حالت روشن با افزایش جریان بار افزایش می‌یابد.

4. Mechanical & Package Information

4.1 ابعاد بسته‌بندی

این دستگاه در دو گزینه اصلی فرم لید ارائه می‌شود:

1. Standard DIP Type: بسته‌بندی ترو-هول با 16 پین روی پیتچ 2.54 میلی‌متر (100-میل). نقشه‌های ابعادی دقیق، طول بدنه، عرض، ارتفاع، طول پین و فاصله را مشخص می‌کنند.
2. گزینه نوع S (نصب سطحی): فرم پایه بال پرنده‌ای برای مونتاژ SMD. ابعاد شامل توصیه‌های ردپا برای طراحی الگوی زمین PCB است.

یک ویژگی مکانیکی کلیدی مرتبط با ایمنی، creepage distance of >7.62 mm between the input and output sides of the package. This is the shortest distance along the surface of the insulating package between conductive parts and is essential for meeting safety standards for high isolation voltage.

4.2 پین‌اوت و شماتیک

پیکربندی پین‌ها ساده و در تمام کانال‌ها یکسان است:

• پین‌های 1، 3، 5، 7: به ترتیب آند برای کانال‌های 1 تا 4.
• پین‌های 2، 4، 6، 8: به ترتیب کاتد برای کانال‌های 1 تا 4.
• پایه‌های 9، 11، 13، 15: به ترتیب امیتر برای کانال‌های 1 تا 4.
• پایه‌های 10، 12، 14، 16: به ترتیب کلکتور برای کانال‌های 1 تا 4.

این چیدمان تمام ورودی‌ها را در یک سمت (پایه‌های 1 تا 8) و تمام خروجی‌ها را در سمت مقابل (پایه‌های 9 تا 16) گروه‌بندی می‌کند و به طور فیزیکی مانع جداسازی را تقویت می‌نماید.

4.3 Device Marking

دستگاه‌ها در قسمت بالا با عبارت "EL847" (شماره دستگاه) علامت‌گذاری شده‌اند و پس از آن یک کد یک رقمی سال (Y)، یک کد دو رقمی هفته (WW) و یک پسوند اختیاری "V" که نشان‌دهنده تأیید VDE برای آن واحد است، قرار دارد.

5. Soldering & Assembly Guidelines

5.1 پروفایل لحیم‌کاری رفلو

دیتاشیت یک پروفایل رفلو دقیق و مطابق با استاندارد IPC/JEDEC J-STD-020D برای لحیم‌کاری بدون سرب ارائه می‌دهد:

• پیش‌گرم: ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد در مدت ۶۰ تا ۱۲۰ ثانیه.
• Time Above Liquidus (T_L=217°C): 60-100 ثانیه.
• دمای اوج (T_P): حداکثر 260°C.
• زمان در محدوده 5 درجه‌سلسیوس دمای اوج: حداکثر ۳۰ ثانیه.
• حداکثر نرخ افزایش: ۳ درجه‌سلسیوس بر ثانیه از T_smax به T_p.
• حداکثر نرخ کاهش شیب: 6 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه.
• زمان کل چرخه: حداکثر 8 دقیقه از 25 درجه سانتی‌گراد تا نقطه اوج.
• Number of Reflowsدستگاه می‌تواند تا ۳ چرخه عملیات Reflow را تحمل کند.

رعایت دقیق این پروفیل برای جلوگیری از ترک خوردن بسته‌بندی، لایه‌لایه شدن یا آسیب به قطعه داخلی و اتصالات سیمی ناشی از تنش حرارتی حیاتی است.

6. Packaging & Ordering Information

سری EL847 با استفاده از قالب شماره قطعه زیر سفارش داده می‌شود: EL847X-V.

• X: گزینه فرم پایه. \"S\" برای نصب سطحی، خالی (هیچ) برای DIP استاندارد.
• V: پسوند اختیاری نشان‌دهنده تأیید ایمنی VDE برای آن واحد خاص در نظر گرفته شده است.

بسته‌بندی: هر دو نوع در لوله‌هایی عرضه می‌شوند که هر کدام حاوی 20 واحد هستند.

7. پیشنهادات کاربرد

7.1 مدارهای کاربرد معمول

EL847 چندمنظوره است و میتواند در پیکربندی‌های مختلفی استفاده شود:

1. جداسازی سیگنال دیجیتال: LED ورودی را از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان به یک پین GPIO میکروکنترلر متصل کنید. کلکتور خروجی را میتوان از طریق یک مقاومت به ولتاژ منطقی سمت ایزوله شده متصل کرد. امیتر معمولاً به زمین متصل میشود. این امر انتقال سیگنالهای روشن/خاموش را با ایمنی در برابر نویز فراهم میکند، مانند ماژولهای ورودی/خروجی PLC.
2. جداسازی سیگنال آنالوگ (حالت خطی)با کاربرد فتوترانزیستور در ناحیه خطی آن (نه در حالت اشباع)، جریان خروجی را میتوان تقریباً متناسب با جریان LED ورودی ساخت. این امر نیازمند بایاس دقیق بوده و در معرض تغییرات CTR و رانش دمایی است. اغلب برای ایزولاسیون آنالوگ با پهنای باند کم و دقت پایین استفاده میشود.
3. راه‌اندازی بارهای کوچکخروجی می‌تواند مستقیماً بارهای کوچکی مانند رله‌ها، LEDها یا درایورهای اپتوتریاک را راه‌اندازی کند، مشروط بر اینکه مقادیر نامی جریان کلکتور و ولتاژ превы نشوند.

7.2 ملاحظات طراحی & Best Practices

• انتخاب CTR و طراحی مدار: محدوده وسیع CTR (600%-50%) نیازمند طراحی دقیق است. برای سوئیچینگ دیجیتال، یک دسته CTR انتخاب کنید که در کمترین مقدار مشخص‌شده CTR با جریان I انتخاب‌شده شما و مقاومت بار (R) اشباع ترانزیستور خروجی را تضمین کند._F و مقاومت بار (R_L). شرط I_C = CTR_min * I_F باید بزرگ‌تر از V باشد._CC/R_L برای اطمینان از اشباع.
• Speed vs. Current Trade-off: Higher I_F generally improves switching speed (reduces t_r/t_fاما به مرور زمان به دلیل پیری LED، CTR کاهش می‌یابد. یک طراحی باید کمترین I را استفاده کند_F که الزامات سرعت و مصونیت در برابر نویز را برآورده می‌سازد.
• مصونیت در برابر نویز و بای‌پس کردن: برای بهبود مصونیت گذرای حالت مشترک (CMTI)، از یک خازن بای‌پس (مثلاً 0.1 μF) بین تغذیه و زمین در هر دو سمت ورودی و خروجی استفاده کنید، که تا حد امکان نزدیک به پایه‌های دستگاه قرار داده شود. این به مقابله با اثرات خازن کوپلینگ داخلی (C کمک می‌کند._IO).
• اتلاف حرارت: محدودیت‌های کل اتلاف توان (P_TOT = 200 mW). توان به صورت (I_F * V_F) در سمت ورودی به اضافه (I_C * V_CE) در سمت خروجی محاسبه می‌شود.

8. Technical Comparison & Key Advantages

EL847 خود را در بازار از طریق چند ویژگی کلیدی متمایز می‌کند:

• High Isolation Voltage (5000 V_rms): فراتر از الزامات بسیاری از کاربردهای کنترل صنعتی و منبع تغذیه میرود و حاشیه ایمنی قابل توجهی فراهم میکند.
• محدوده دمای عملیاتی گسترده (۵۵- تا ۱۱۰+ درجه سانتیگراد): مناسب برای محیطهای صنعتی و خودرویی خشن که نوسانات شدید دما در آنها رایج است.
• تأییدیه‌های جامع ایمنی: تأییدیه‌های UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO، FIMKO و CQC فرآیند ادغام دستگاه در محصولات نهایی را که نیازمند گواهی برای بازارهای مختلف جهانی هستند، ساده می‌کنند.
• چهار کانال در یک بستهدر مقایسه با استفاده از چهار اپتوکوپلر تک‌کاناله برای وظایف ایزوله کردن چند سیگنال، صرفه‌جویی در فضای برد و کارایی هزینه ارائه می‌دهد.
• گزینه‌های بسته‌بندی دوگانهدر دسترس بودن در هر دو فرم سوراخ‌دار (DIP) و نصب سطحی (SMD) انعطاف‌پذیری را برای نمونه‌سازی اولیه و مونتاژ خودکار با حجم بالا فراهم می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

سوال اول: چگونه مقاومت محدودکننده جریان صحیح را برای LED ورودی انتخاب کنم؟
پاسخ اول: از فرمول استفاده کنید: R_limit = (V_عرضه - V_F) / I_F. از حداکثر V_F از دیتاشیت (1.4V) برای طراحی بدترین حالت استفاده کنید تا اطمینان حاصل شود که I_F تجاوز نمی‌کند. I_F را بر اساس CTR و سرعت مورد نیاز انتخاب کنید؛ محدوده معمول 5-20 mA است.

Q2: مدار من به طور کامل سوئیچ نمی‌کند. ولتاژ خروجی به اندازه کافی پایین نمی‌آید. مشکل چیست؟
A2: به احتمال زیاد فوتوترانزیستور وارد حالت اشباع نمی‌شود. این معمولاً یک مسئله CTR است. تأیید کنید که طراحی شما از حداقل CTR (50%) برای محاسبات استفاده می‌کند. جریان I را افزایش دهید_F یا مقدار مقاومت pull-up R را افزایش دهید_L روی کلکتور برای کاهش جریان I مورد نیاز_C برای اشباع (I_C(sat) ≈ V_CC/R_L).

Q3: آیا می‌توانم از این برای جداسازی سیگنال‌های آنالوگ مانند خروجی سنسورها استفاده کنم؟
A3: این امکان‌پذیر است اما چالش‌برانگیز است. خطی بودن فوتوترانزیستور ضعیف است و CTR به طور قابل توجهی با دما و تفاوت بین قطعات تغییر می‌کند. برای جداسازی آنالوگ دقیق، استفاده از تقویت‌کننده‌های ایزوله اختصاصی یا اپتوکوپلرهای خطی (که شامل فیدبک برای جبران غیرخطی بودن‌ها هستند) به شدت توصیه می‌شود.

Q4: What is the significance of the creepage distance >7.62 mm?
A4: فاصله خزشی، کوتاه‌ترین مسیر روی سطح بسته‌بندی عایق بین بخش‌های رسانا (مانند پایه ورودی ۱ و پایه خروجی ۹) است. فاصله خزشی طولانی‌تر از ردیابی سطحی (جرقه زدن روی سطح به دلیل آلودگی یا رطوبت) جلوگیری می‌کند و برای گواهی‌های ایمنی در ولتاژهای ایزوله بالا مانند ۵۰۰۰ ولت یک الزام اجباری است._rms.

10. Practical Design Case Study

سناریو: جداسازی چهار سیگنال کنترل دیجیتال از یک میکروکنترلر به یک درایور عملگر صنعتی 24 ولت.

1. الزامات: Signal frequency < 1 kHz, high noise immunity, isolation for safety and ground loop prevention.
2. انتخاب‌های طراحی:
   • دستگاه: EL847 (Standard DIP).
   • سمت ورودی: Microcontroller GPIO (3.3V, capable of 20mA). Choose I_F = 10 میلی‌آمپر برای سرعت و طول عمر مناسب. R_limit = (3.3V - 1.4V) / 0.01A = 190Ω. از یک مقاومت استاندارد 200Ω استفاده کنید.
   • سمت خروجیدرایور عمل‌گر انتظار یک منطق بالا 24 ولتی دارد، برای روشن شدن به زمین کشیده می‌شود. کلکتور را از طریق یک مقاومت بالا‌کش به منبع تغذیه 24 ولت متصل کنید. R را انتخاب کنید_L تا اطمینان از اشباع در حداقل CTR حاصل شود. جریان مورد نیاز I_C(sat) > 24V / R_L. با CTR_min=50% و من_F=10mA، I_C >= 5mA. Therefore, R_L must be < 24V / 0.005A = 4.8 kΩ. A 3.3 kΩ resistor is chosen, giving I_C(sat) ≈ 7.3mA را نتیجه می‌دهد، که به خوبی در محدوده 50mA دستگاه قرار دارد و حاشیه اطمینان خوبی فراهم می‌کند.
   • دور زدن: یک خازن سرامیکی 0.1 μF بین پایه 10 (کلکتور 1) و پایه 9 (امیتر 1) اضافه کنید، و به طور مشابه برای کانال‌های دیگر، تا ایمنی در برابر نویز بهبود یابد.
3. نتیجهیک رابط قوی و ایزوله الکتریکی که قادر به انتقال قابل اعتماد سیگنال‌های کنترلی در محیط صنعتی پرنویز الکتریکی است.

11. اصل عملکرد

عملکرد یک فتوكوپلر بر اساس تبدیل الكترواپتیكال-الكتریكی است. هنگامی که جریان مستقیم (I_F) به دیود مادون قرمز تابشی (IRED) ورودی اعمال می‌شود، فوتون‌هایی (نور) با طول موجی معمولاً حدود 940 نانومتر منتشر می‌کند. این نور از شکاف عایق شفاف (اغلب از جنس ترکیب قالب یا هوا) درون پکیج عبور می‌کند. نور به ناحیه بیس فتوترانزیستور سیلیکونی خروجی برخورد می‌کند. فوتون‌های جذب شده جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند که یک جریان بیس تولید کرده و ترانزیستور را روشن می‌کند و اجازه می‌دهد جریان کلکتور (I_C) به جریان بیفتد. نکته کلیدی این است که تنها اتصال بین ورودی و خروجی، پرتو نور است که ایزولاسیون گالوانیک را فراهم می‌کند. نسبت I_C/I_F نسبت انتقال جریان (CTR) است که به بازده نوری LED، حساسیت فوتوترانزیستور و بازده کوپلینگ نوری بین آن‌ها بستگی دارد.

12. Industry Trends & Context

فوتوکوپلرهایی مانند EL847 همچنان جزء اساسی در الکترونیک قدرت، اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر باقی مانده‌اند که در آن‌ها ایزولاسیون ولتاژ بالا غیرقابل مذاکره است. روند در این بخش به سمت موارد زیر است:

• سرعت بالاتر: توسعه ایزولاتورهای دیجیتال مبتنی بر فناوری‌های کوپلینگ خازنی یا RF CMOS که نرخ داده‌ای در محدوده Mbps تا Gbps ارائه می‌دهند و به مراتب از محدودیت ~100 کیلوهرتزی فوتوکوپلرهای ترانزیستوری نوری سنتی فراتر می‌روند.
• یکپارچگی بالاتر ترکیب ایزولاسیون با سایر عملکردها مانند درایورهای گیت، رابط‌های ADC، یا ایزولاتورهای USB/I2C/SPI در بسته‌بندی‌های واحد.
• Improved Reliability & Lifetimeتمرکز بر فناوری LED با تخریب کمتر در طول زمان و دما، منجر به CTR پایدارتر در طول عمر محصول می‌شود.
• مینیاتوری‌سازیحرکت به سمت بسته‌بندی‌های کوچک‌تر و نصب‌شده روی سطح مانند SOIC-8 و حتی کوچک‌تر، در حالی که رتبه‌های ایزولاسیون حفظ یا بهبود می‌یابند.

علیرغم این روندها، فوتوکوپلرهای مبتنی بر فوتوترانزیستور به دلیل سادگی، استحکام، قابلیت ولتاژ ایزولاسیون بالا، سهولت استفاده و مقرون‌به‌صرفه بودن برای کاربردهای نیازمند ایزولاسیون سیگنال با سرعت متوسط تا پایین، مانند کنترلرهای قابل برنامه‌ریزی، لوازم خانگی و تجهیزات مخابراتی ذکر شده در دیتاشیت EL847، همچنان از ارتباط قوی برخوردارند. گواهی‌های ایمنی جامع آن‌ها، آن‌ها را به انتخابی مطمئن برای طراحی‌های نیازمند تأییدیه نظارتی تبدیل می‌کند.