دیتاشیت سری EL354N-G - فوتوکوپلر با ورودی AC - بسته‌بندی 4 پین SOP - ایزولاسیون 3750 ولت RMS - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

سری EL354N-G نماینده‌ای از خانواده فوتوکوپلرهای فوتوترانزیستوری فشرده و با کارایی بالا است که به‌طور خاص برای کاربردهای ورودی AC طراحی شده‌اند. این قطعات برای ارائه ایزولاسیون الکتریکی مطمئن و انتقال سیگنال در محیط‌هایی که قطبیت ورودی ممکن است نامشخص یا متناوب باشد، مهندسی شده‌اند. هسته دستگاه شامل دو دیود ساطع‌کننده مادون قرمز است که به صورت موازی معکوس به هم متصل شده و به یک آشکارساز فوتوترانزیستور سیلیکونی به‌صورت نوری کوپل شده‌اند. این پیکربندی منحصر به فرد به دستگاه اجازه می‌دهد به جریان عبوری در هر دو جهت از طریق LEDهای ورودی پاسخ دهد و آن را ذاتاً برای کاربردهای نظارت و حس‌گری سیگنال AC که قطبیت DC در آن ثابت نیست، مناسب می‌سازد.

این فوتوکوپلرها در یک بسته‌بندی 4 پین SOP کم‌حجم قرار گرفته‌اند که برای طراحی‌های مدرن و با چگالی بالا برد مدار چاپی (PCB) ایده‌آل هستند. یک فلسفه طراحی کلیدی پشت این سری، انطباق با استانداردهای جهانی زیست‌محیطی و ایمنی است. این قطعات فاقد هالوژن بوده و محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌ای برای برم (Br<900 ppm)، کلر (Cl<900 ppm) و مجموع ترکیبی آن‌ها (Br+Cl<1500 ppm) را رعایت می‌کنند. علاوه بر این، آن‌ها با دستورالعمل RoHS (محدودیت مواد خطرناک) و مقررات REACH اتحادیه اروپا نیز مطابقت دارند و اطمینان حاصل می‌کنند که الزامات زیست‌محیطی معاصر برای قطعات الکترونیکی را برآورده می‌سازند.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزیت اصلی سری EL354N-G در ترکیب قابلیت ورودی AC، ایزولاسیون بالا و فاکتور فرم فشرده آن نهفته است. ولتاژ ایزولاسیون بالا معادل 3750 ولت_rmsبین ورودی و خروجی، یک سد ایمنی مستحکم فراهم می‌کند و مدارهای کنترل حساس با ولتاژ پایین را در برابر خطوط اصلی فشار قوی یا خطوط صنعتی پرنویز محافظت می‌نماید. این ویژگی آن‌ها را در کاربردهایی که نیاز به ایزولاسیون گالوانیک دارند، ضروری می‌سازد.

بازارهای هدف برای این قطعه متنوع بوده و شامل اتوماسیون صنعتی، مخابرات و مدیریت توان می‌شود. حوزه‌های کلیدی کاربرد عبارتند از: نظارت بر خط AC در منبع تغذیه و لوازم خانگی، ارائه ایزولاسیون ورودی در کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC)، واسط‌سازی در مدارهای خط تلفن و استفاده به عنوان سنسور برای سیگنال‌های DC با قطبیت نامشخص. تأییدیه‌های این دستگاه از سازمان‌های ایمنی بین‌المللی اصلی از جمله UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO، FIMKO و CQC، استفاده از آن را در محصولات نهایی که برای بازارهای جهانی طراحی می‌شوند تسهیل کرده و فرآیند صدور گواهینامه برای سازندگان تجهیزات را ساده می‌سازد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک کامل از محدودیت‌ها و مشخصه‌های عملکردی دستگاه برای طراحی مدار مطمئن حیاتی است. این پارامترها محدوده عملیاتی را تعریف کرده و اطمینان حاصل می‌کنند که قطعه در محدوده عملیاتی ایمن (SOA) خود استفاده می‌شود.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

حداکثر مقادیر مجاز مطلق، محدودیت‌های تنش را مشخص می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این مقادیر شرایط کاری نیستند.

• جریان مستقیم ورودی (I_F): ±50 میلی‌آمپر (DC). این ریتینگ برای جریان در هر جهت از طریق دیودهای ورودی اعمال می‌شود.
• جریان مستقیم پیک (I_FP): 1 آمپر برای پالس 1 میکروثانیه. این اجازه می‌دهد دستگاه در برابر جهش‌های جریان کوتاه مقاومت کند.
• اتلاف توان: کل اتلاف توان دستگاه (P_TOT) نباید از 200 میلی‌وات تجاوز کند. سمت ورودی (P_D) برای 70 میلی‌وات ریت شده و دارای فاکتور کاهش 3.7 میلی‌وات/درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای محیط 90 درجه سانتی‌گراد (T_a) است. سمت خروجی (P_C) برای 150 میلی‌وات ریت شده و کاهش ریت بالاتر از دمای 70 درجه سانتی‌گراد T_a.
• مقادیر مجاز ولتاژ: ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO) 80 ولت است، در حالی که ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO) 6 ولت است. این عدم تقارن به دلیل ساختار فوتوترانزیستور است.
• ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO): 3750 ولت_rmsبه مدت 1 دقیقه در رطوبت نسبی 40-60%. این یک پارامتر ایمنی حیاتی است.
• محدوده دمایی: محدوده دمای کاری (T_OPR) از 55- درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد است. محدوده دمای ذخیره‌سازی (T_STG) از 55- درجه سانتی‌گراد تا +125 درجه سانتی‌گراد است.
• دمای لحیم‌کاری: دستگاه می‌تواند دمای پیک لحیم‌کاری (T_SOL) معادل 260 درجه سانتی‌گراد را به مدت 10 ثانیه تحمل کند که با فرآیندهای ریفلو بدون سرب سازگار است.

2.2 مشخصه‌های الکترواپتیکی

این پارامترها عملکرد دستگاه را در شرایط کاری نرمال در دمای 25 درجه سانتی‌گراد تعریف می‌کنند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

2.2.1 مشخصه‌های ورودی

• ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً 1.2 ولت، حداکثر 1.4 ولت در جریان مستقیم (I_F) معادل ±20 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ پایین برای مدارهای کم‌مصرف مفید است.
• ظرفیت ورودی (C_in): از 50 پیکوفاراد (معمولی) تا 250 پیکوفاراد (حداکثر) در فرکانس 1 کیلوهرتز متغیر است. این پارامتر بر پاسخ فرکانس بالا و نویز کوپلینگ بالقوه تأثیر می‌گذارد.

2.2.2 مشخصه‌های خروجی

• جریان تاریک (I_CEO): جریان نشتی از کلکتور به امیتر زمانی که LED ورودی خاموش است (I_F=0) و V_CE=20 ولت، حداکثر 100 نانوآمپر است. یک جریان تاریک پایین برای نسبت سیگنال به نویز خوب در شرایط خاموش ضروری است.
• ولتاژهای شکست: BV_CEOحداقل 80 ولت و BV_ECOحداقل 7 ولت است. این مقادیر حداکثر ولتاژهای معکوس قابل تحمل را تعریف می‌کنند.

2.2.3 مشخصه‌های انتقال

این پارامترها بازدهی کوپلینگ و سرعت بین ورودی و خروجی را توصیف می‌کنند.

• نسبت انتقال جریان (CTR): این نسبت جریان کلکتور خروجی (I_C) به جریان مستقیم ورودی (I_F) است که به صورت درصد بیان می‌شود. این پارامتر کلیدی برای بهره است. مدل استاندارد EL354N دارای محدوده CTR از 20% تا 300% در I_F= ±1mA، V_CE= 5V است. واریانت EL354NA یک محدوده باریک‌تر و بالاتر با محدوده CTR از 50% تا 150% تحت شرایط یکسان ارائه می‌دهد. این دسته‌بندی به طراحان اجازه می‌دهد قطعاتی را برای بهره یکنواخت‌تر در تولید انتخاب کنند.
• ولتاژ اشباع (V_CE(sat)): معمولاً 0.1 ولت، حداکثر 0.2 ولت زمانی که I_F=±20mA و I_C=1mA. یک ولتاژ اشباع پایین، تلفات توان را هنگامی که ترانزیستور خروجی کاملاً روشن است به حداقل می‌رساند.
• مقاومت ایزولاسیون (R_IO): حداقل 5×10¹⁰Ω، معمولی 10¹¹Ω در 500 ولت DC. این مقاومت بسیار بالا اساس عملکرد ایزولاسیون است.
• فرکانس قطع (f_c): معمولاً 80 کیلوهرتز (نقطه -3dB) تحت شرایط تست مشخص شده. این حداکثر فرکانس سیگنال مفید را تعریف می‌کند.
• ظرفیت شناور (C_IO): معمولاً 0.6 پیکوفاراد، حداکثر 1.0 پیکوفاراد در 1 مگاهرتز. این ظرفیت پارازیتی در سراسر سد ایزولاسیون است که می‌تواند نویز فرکانس بالا را کوپل کند.
• سرعت سوئیچینگ: هم زمان صعود (t_r) و هم زمان نزول (t_f) حداکثر 18 میکروثانیه تعیین شده‌اند. این سرعت نسبتاً متوسط برای نظارت بر فرکانس خط (50/60 هرتز) و بسیاری از سیگنال‌های کنترل صنعتی مناسب است، اما برای ارتباطات دیجیتال پرسرعت مناسب نیست.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

در حالی که دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکترواپتیکی معمولی اشاره می‌کند، نمودارهای خاص آن‌ها (مانند CTR در مقابل دما، CTR در مقابل جریان مستقیم) برای طراحی دقیق ضروری هستند. این منحنی‌ها معمولاً نشان می‌دهند که CTR با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد و ممکن است رابطه غیرخطی با جریان مستقیم داشته باشد. طراحان باید برای کاهش مناسب عملکرد با توجه به محیط عملیاتی خاص خود، به این نمودارها مراجعه کنند تا اطمینان حاصل شود که مدار در محدوده دمایی مورد نظر بهره کافی را حفظ می‌کند. رابطه بین جریان خروجی و جریان مستقیم نیز برای تعیین جریان راه‌اندازی مورد نیاز برای دستیابی به حالت خروجی مطلوب، به ویژه هنگام کار نزدیک به محدوده مشخصات CTR، حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی، بسته‌بندی و مونتاژ

4.1 ابعاد بسته‌بندی و قطبیت

دستگاه در یک بسته‌بندی 4 پین SOP قرار دارد. پیکربندی پایه‌ها به شرح زیر است: پایه 1 آند/کاتد، پایه 2 کاتد/آند (برای جفت LED موازی معکوس)، پایه 3 امیتر فوتوترانزیستور و پایه 4 کلکتور است. این آرایش پایه‌ها برای چیدمان صحیح PCB حیاتی است. نقشه بسته‌بندی ابعاد مکانیکی دقیق از جمله طول بدنه، عرض، ارتفاع، فاصله پایه‌ها و ابعاد پایه‌ها را ارائه می‌دهد که باید برای طراحی دقیق ردپای PCB رعایت شوند.

4.2 چیدمان پیشنهادی پد PCB

یک چیدمان پد سطح‌نصب پیشنهادی ارائه شده است. تأکید شده است که این یک طراحی مرجع است و باید بر اساس فرآیندهای تولیدی فردی، جنس PCB و نیازهای حرارتی اصلاح شود. هدف از طراحی پد، اطمینان از تشکیل اتصال لحیم مطمئن در حین ریفلو و در عین حال مدیریت تنش حرارتی روی قطعه است.

4.3 دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و ریفلو

شرایط دقیق لحیم‌کاری ریفلو با ارجاع به استاندارد IPC/JEDEC J-STD-020D مشخص شده است. پروفایل برای مونتاژ بدون سرب حیاتی است:

• پیش‌گرم: از 150 درجه سانتی‌گراد تا 200 درجه سانتی‌گراد در مدت 60-120 ثانیه.
• افزایش دما: حداکثر 3 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه از 200 درجه سانتی‌گراد تا نقطه پیک.
• زمان بالاتر از نقطه مایع (217 درجه سانتی‌گراد): 60-100 ثانیه.
• دمای پیک: حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد.
• زمان در محدوده 5 درجه سانتی‌گراد از پیک: حداکثر 30 ثانیه.
• نرخ خنک‌سازی: حداکثر 6 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه.
• زمان کل سیکل: از 25 درجه سانتی‌گراد تا پیک در حداکثر 8 دقیقه.
• تعداد پاس‌های ریفلو: دستگاه می‌تواند حداکثر 3 سیکل ریفلو را تحمل کند.

پایبندی به این پروفایل از آسیب حرارتی به بسته‌بندی پلاستیکی و اتصالات سیمی داخلی جلوگیری می‌کند.

5. سفارش‌دهی، بسته‌بندی و مارک‌گذاری

5.1 سیستم شماره قطعه و دسته‌بندی

شماره قطعه از ساختار زیر پیروی می‌کند: EL354N(X)(Y)-VG.

• X: گزینه رتبه CTR. 'A' نشان‌دهنده دسته 50-150% (EL354NA) است. بدون حرف نشان‌دهنده دسته استاندارد 20-300% (EL354N) است.
• Y: گزینه نوار و قرقره. 'TA' یا 'TB' نوع قرقره و جهت‌گیری را مشخص می‌کند. حذف آن نشان‌دهنده بسته‌بندی تیوبی (100 عدد) است.
• V: پسوند اختیاری که نشان‌دهنده تأییدیه VDE است، گنجانده شده.
• G: نشان‌دهنده ساختار بدون هالوژن است.

گزینه‌های بسته‌بندی شامل تیوب (100 عدد) یا نوار و قرقره (3000 عدد در هر قرقره برای هر دو گزینه TA و TB) می‌شود. گزینه‌های 'TA' و 'TB' در جهت‌گیری قطعات روی نوار حامل متفاوت هستند که باید با نیازهای فیدر دستگاه Pick-and-Place مطابقت داشته باشد.

5.2 مارک‌گذاری دستگاه

قطعات روی سطح بالایی با یک کد مشخص می‌شوند:EL 354N RYWWV.

• EL: کد سازنده.
• 354N: شماره پایه دستگاه.
• R: رتبه CTR (مثلاً 'A' یا خالی).
• Y: کد یک رقمی سال.
• WW: کد دو رقمی هفته.
• V: وجود آن نشان‌دهنده تأییدیه VDE است (اختیاری).

5.3 مشخصات نوار و قرقره

ابعاد دقیق نوار حامل برجسته ارائه شده است که شامل ابعاد حفره (A, B, D0, D1)، عرض نوار (W)، فاصله (P0) و ابعاد درز نوار پوششی می‌شود. این ابعاد برای راه‌اندازی صحیح تجهیزات مونتاژ خودکار ضروری هستند.

6. دستورالعمل‌های کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربردی معمول

کاربرد اصلی، حس‌گری ولتاژ خط AC یا تشخیص عبور از صفر است. یک مدار معمول شامل اتصال پایه‌های ورودی (1 و 2) به صورت سری با یک مقاومت محدودکننده جریان در دو سر خط AC است. مقدار مقاومت باید به گونه‌ای محاسبه شود که جریان مستقیم پیک (I_F) را به یک مقدار ایمن زیر 50 میلی‌آمپر محدود کند و ولتاژ پیک AC را در نظر بگیرد. ترانزیستور خروجی را می‌توان در پیکربندی امیتر مشترک (امیتر به زمین، کلکتور از طریق یک مقاومت بار به منبع تغذیه منطقی متصل شده) وصل کرد تا یک سیگنال دیجیتال ارائه دهد که با سیکل AC تغییر حالت می‌دهد. برای حس‌گری DC با قطبیت نامشخص، دستگاه را می‌توان مستقیماً در خط حس‌گری قرار داد، زیرا بدون توجه به جهت جریان، هدایت خواهد کرد.

6.2 عوامل طراحی حیاتی

• محدود کردن جریان: حیاتی‌ترین جنبه طراحی مدار ورودی. مقاومت باید جریان را در بدترین شرایط (حداکثر ولتاژ خط، حداقل تلرانس مقاومت) محدود کند.
• تخریب CTR: CTR می‌تواند با گذشت زمان، به ویژه در دماها و جریان‌های کاری بالا، کاهش یابد. طراحی باید یک حاشیه ایمنی را در نظر بگیرد (مثلاً استفاده از حداقل CTR از دیتاشیت و سپس اعمال یک فاکتور کاهش بیشتر برای طول عمر).
• مصونیت در برابر نویز: ظرفیت پارازیتی (C_IO) می‌تواند ترانزینت‌های فرکانس بالا (مانند ESD یا EMI) را در سراسر سد ایزولاسیون کوپل کند. در محیط‌های پرنویز، ممکن است فیلتر کردن اضافی در سمت خروجی یا استفاده از یک فیلتر دیجیتال سریع‌تر در میکروکنترلر ضروری باشد.
• محدودیت سرعت سوئیچینگ: زمان صعود/نزول 18 میکروثانیه، دستگاه را به کاربردهای فرکانس پایین محدود می‌کند. برای ایزوله کردن خطوط داده دیجیتال پرسرعت مناسب نیست.
• تلفات حرارتیاطمینان حاصل کنید که کل اتلاف توان (تلفات LED ورودی + تلفات ترانزیستور خروجی) با در نظر گرفتن کاهش ریت با دما، از 200 میلی‌وات تجاوز نکند.

7. مقایسه و تمایز فنی

مشخصه متمایزکننده اصلی EL354N-G، ورودی LED موازی معکوس یکپارچه آن است که نیاز به یکسوساز پل خارجی یا مدارات پیچیده برای مدیریت سیگنال‌های AC یا DC با قطبیت نامشخص را از بین می‌برد. در مقایسه با فوتوکوپلرهای استاندارد با ورودی DC، این امر لیست قطعات (BOM) را ساده کرده و فضای برد را ذخیره می‌کند. در بخش فوتوکوپلرهای ورودی AC، ترکیب ایزولاسیون 3750 ولت RMS، مواد بدون هالوژن و تأییدیه‌های ایمنی بین‌المللی جامع (مانند UL، VDE و غیره) در یک بسته‌بندی SOP فشرده، یک مزیت ارزشی قوی برای کاربردهای جهانی حساس به هزینه اما بحرانی از نظر ایمنی ارائه می‌دهد. در دسترس بودن یک دسته CTR باریک‌تر (EL354NA) مزیتی برای طراحی‌هایی فراهم می‌کند که نیاز به بهره یکنواخت‌تر بدون نیاز به دسته‌بندی دستی یا کالیبراسیون دارند.

8. پرسش‌های متداول (FAQs)

س: آیا می‌توانم از این دستگاه برای حس‌گری مستقیم برق شهر 120VAC یا 230VAC استفاده کنم؟

ج: بله، اما باید از یک مقاومت محدودکننده جریان سری خارجی استفاده کنید. مقدار آن را بر اساس ولتاژ پیک برق شهر (مثلاً 230VAC RMS دارای پیک حدود 325 ولت) و جریان LED مورد نظر محاسبه کنید و اطمینان حاصل کنید که جریان پیک به خوبی زیر حداکثر مقدار مجاز مطلق 50 میلی‌آمپر باقی می‌ماند.

س: تفاوت بین EL354N و EL354NA چیست؟

ج: تفاوت در دسته‌بندی نسبت انتقال جریان (CTR) است. EL354N محدوده وسیع‌تری (300%-20%) دارد، در حالی که EL354NA محدوده باریک‌تر با حداقل بالاتر (150%-50%) دارد. از نسخه 'NA' برای کاربردهایی استفاده کنید که نیاز به بهره یکنواخت‌تر از قطعه به قطعه دارند.

س: خروجی یک فوتوترانزیستور است. آیا می‌توانم از آن برای راه‌اندازی مستقیم یک رله استفاده کنم؟

ج: توصیه نمی‌شود. توانایی تحمل جریان فوتوترانزیستور محدود است (مرتبط با ریت اتلاف توان آن). این قطعه به عنوان یک دستگاه در سطح سیگنال طراحی شده است. برای راه‌اندازی یک رله، از خروجی فوتوکوپلر برای راه‌اندازی گیت یک ترانزیستور قدرت بزرگ‌تر یا یک MOSFET استفاده کنید.

س: چگونه در طراحی خود اطمینان از ایزولاسیون مطمئن حاصل کنم؟

ج: فاصله‌های خزشی و هوایی مناسب را روی PCB بین مدارهای ورودی و خروجی مطابق با استاندارد ایمنی مربوطه (مانند IEC 60950-1، IEC 62368-1) حفظ کنید. ریتینگ 3750 ولت RMS خود قطعه باید توسط فاصله کافی روی برد پشتیبانی شود.

9. اصل عملکرد

دستگاه بر اساس اصل تبدیل الکترواپتیکی و ایزولاسیون عمل می‌کند. هنگامی که جریانی از هر یک از دو LED مادون قرمز ورودی (بسته به قطبیت) عبور کند، نور ساطع می‌کند. این نور از یک سد ایزولاسیون شفاف (معمولاً پلاستیک قالب‌گیری شده) عبور کرده و به ناحیه بیس فوتوترانزیستور سیلیکونی در سمت خروجی برخورد می‌کند. فوتون‌ها در بیس جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند که به طور مؤثری به عنوان جریان بیس عمل کرده و ترانزیستور را روشن می‌کنند و اجازه می‌دهند جریان کلکتور بسیار بزرگ‌تری جاری شود. نکته کلیدی این است که تنها ارتباط بین ورودی و خروجی، نوری است که ایزولاسیون گالوانیک را فراهم می‌کند. پیکربندی LED موازی معکوس به این معنی است که جریان وارد شده به پایه 1 (آند) و خارج شده از پایه 2 (کاتد) یک LED را روشن می‌کند، در حالی که جریان در جهت مخالف LED دیگر را روشن می‌کند و عملکرد با AC یا DC دوطرفه را تضمین می‌نماید.

10. روندهای صنعت

روند در فوتوکوپلرها و تکنولوژی ایزولاسیون به سمت یکپارچگی بالاتر، سرعت بیشتر و مصرف توان پایین‌تر است. در حالی که کوپلرهای سنتی مبتنی بر فوتوترانزیستور مانند EL354N-G برای ایزولاسیون مقرون‌به‌صرفه و با سرعت متوسط در کنترل‌های توان و صنعتی حیاتی باقی مانده‌اند، تکنولوژی‌های جدیدی در حال ظهور هستند. این موارد شامل ایزولاتورهای دیجیتال مبتنی بر تکنولوژی CMOS و کوپلینگ RF می‌شود که نرخ داده به مراتب بالاتر، مصرف توان کمتر و قابلیت اطمینان بیشتری ارائه می‌دهند. با این حال، برای حس‌گری خط AC پایه و نظارت ولتاژ که در آن سادگی، ولتاژ ایزولاسیون بالا و استحکام اثبات‌شده از اهمیت بالایی برخوردار است، فوتوکوپلرهای AC همچنان یک راه‌حل ترجیحی و مطمئن هستند. حرکت به سمت بدون هالوژن و انطباق زیست‌محیطی پیشرفته، همانطور که در سری '-G' مشاهده می‌شود، پاسخی مستقیم به روندهای نظارتی جهانی است.