دیتاشیت سری EL121N فوتوکوپلر - بسته‌بندی 4-پین SOP - ارتفاع 2.0 میلی‌متر - ولتاژ ایزوله 3750 ولت RMS - CTR 50-400% - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

سری EL121N نمایانگر خانواده‌ای از قطعات اپتوالکترونیک مادون قرمز است که برای ایزوله و انتقال سیگنال طراحی شده‌اند. هسته اصلی آن شامل یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IRED) از جنس آرسنید گالیم است که از نظر نوری به یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN کوپل شده و همگی درون یک بسته‌بندی سطح‌نشین فشرده 4-پین SOP قرار گرفته‌اند. عملکرد اصلی، انتقال سیگنال‌های الکتریکی بین دو مدار در حالی است که ایزوله الکتریکی بالا حفظ می‌شود و در نتیجه از انتشار نویز، حلقه‌های زمین و اسپایک‌های ولتاژ از یک سمت به سمت دیگر جلوگیری می‌کند.

این دستگاه برای کاربردهایی مهندسی شده که نیازمند ایزوله مطمئن در فضاهای محدود هستند. ارتفاع کم 2.0 میلی‌متری آن، آن را برای طراحی‌های مدرن و با چگالی بالا برد مدار چاپی (PCB) مناسب می‌سازد. یک فلسفه طراحی کلیدی پشت این سری، انطباق با استانداردهای جهانی محیط زیست و ایمنی است، از جمله عاری از هالوژن، بدون سرب (Pb-free) و مطابق با دستورالعمل‌های RoHS و EU REACH. علاوه بر این، دارای تأییدیه‌های ایمنی بین‌المللی مهمی از جمله UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO و FIMKO است که بر قابلیت اطمینان و مناسب بودن آن برای استفاده در تجهیزات تجاری و صنعتی در سراسر جهان تأکید دارد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر، محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد در این محدودیت‌ها یا نزدیک به آن تضمین نمی‌شود.

• ورودی (سمت LED):جریان مستقیم (I_F) در حالت پیوسته 50mA درجه‌بندی شده است. یک جریان مستقیم پیک کوتاه (I_FP) معادل 1A برای 1 میکروثانیه مجاز است که مربوط به عملکرد پالسی می‌باشد. حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) 6V است که نیاز به محافظت صحیح قطبیت را تأکید می‌کند.
• خروجی (سمت ترانزیستور):جریان کلکتور (I_C) در 50mA درجه‌بندی شده است. ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO) 80V است، در حالی که ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO) تنها 7V است که ماهیت نامتقارن مشخصه‌های شکست فوتوترانزیستور را برجسته می‌سازد.
• توان و حرارت:توان تلفاتی کل دستگاه (P_TOT) 200mW است. فاکتورهای کاهش توان جداگانه ارائه شده است: 2.9 mW/°C برای ورودی (LED) بالاتر از دمای محیط 100°C و 3.7 mW/°C برای خروجی (ترانزیستور) بالاتر از دمای محیط 70°C. این امر برای مدیریت حرارتی در محیط‌های با دمای بالا حیاتی است.
• ایزوله و محیط:ولتاژ ایزوله (V_ISO) برابر با 3750 ولت_rmsبه مدت 1 دقیقه است که با اتصال کوتاه پایه‌های 1-2 به یکدیگر و پایه‌های 3-4 به یکدیگر تست می‌شود. محدوده دمای کاری از 55- درجه سانتی‌گراد تا 110+ درجه سانتی‌گراد است و محدوده ذخیره‌سازی تا 55- درجه سانتی‌گراد تا 125+ درجه سانتی‌گراد گسترش می‌یابد.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها عملکرد دستگاه را در شرایط کاری نرمال تعریف می‌کنند (مگر خلاف ذکر شده، Ta=25°C).

• مشخصات ورودی:ولتاژ مستقیم (V_F) به طور معمول در جریان تست 20mA برابر با 1.2V و حداکثر 1.4V است. این ولتاژ پایین برای مدارهای رابط منطقی کم‌مصرف مفید است. جریان نشتی معکوس (I_R) در ولتاژ 4V حداکثر 10µA است.
• مشخصات خروجی:جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO) که جریان نشتی در حالت خاموش LED است، در V_CE=20V حداکثر 100nA است. ولتاژهای شکست (BV_CEO=80V,BV_ECO=7V) مقادیر درجه‌بندی را تأیید می‌کنند.
• مشخصات انتقال:این بخش قلب مشخصات دستگاه است.
  • نسبت انتقال جریان (CTR):این نسبت جریان کلکتور خروجی به جریان مستقیم LED ورودی است که به صورت درصد بیان می‌شود. سری EL121N یکسیستم درجه‌بندی/بینیگ:
    • ارائه می‌دهد: EL121N (استاندارد):محدوده CTR از 50% تا 400% در I_F=5mA، V_CE=5V.
    • EL121N B:یک بینینگ محدودتر از 130% تا 260%.
    • EL121N C:یک بینینگ با عملکرد بالاتر از 200% تا 400%.
    • EL121N BC:یک بینینگ گسترده که 130% تا 400% را پوشش می‌دهد.
    این بینینگ به طراحان اجازه می‌دهد تا قطعات را بر اساس بهره و یکنواختی مورد نیاز انتخاب کنند و عملکرد مدار و هزینه را بهینه سازند.
  • ولتاژ اشباع (V_CE(sat)):به طور معمول 0.1V (حداکثر 0.2V) هنگامی که با I_F=20mA راه‌اندازی و با I_C=1mA بارگذاری شود. این مقدار کم برای کاربردهای سوئیچینگ دیجیتال عالی است و افت ولتاژ را به حداقل می‌رساند.
  • مقاومت ایزوله (R_IO):حداقل 5 ضربدر 10 به توان¹⁰Ω، که نشان‌دهنده مقاومت عایقی DC بسیار بالا است.
  • سرعت سوئیچینگ:زمان صعود (t_r) به طور معمول 6µs (حداکثر 18µs) و زمان افت (t_f) به طور معمول 8µs (حداکثر 18µs) تحت شرایط تست مشخص شده (V_CE=2V، I_C=2mA، R_L=100Ω) است. این قابلیت دستگاه را برای انتقال سیگنال دیجیتال با سرعت متوسط تعریف می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکترواپتیکی معمول اشاره می‌کند. اگرچه نمودارهای خاص در متن بازتولید نشده‌اند، اما معمولاً شامل روابط زیر هستند که برای طراحی حیاتی می‌باشند:

• CTR در مقابل جریان مستقیم (I_F):CTR ثابت نیست؛ به طور کلی با افزایش I_Fکاهش می‌یابد. طراحان باید این منحنی را برای انتخاب نقطه کاری که بهره مورد نظر را بدون راه‌اندازی بیش از حد LED فراهم می‌کند، بررسی کنند.
• CTR در مقابل دمای محیط (T_a):CTR فوتوکوپلرها دارای ضریب دمایی منفی است؛ با افزایش دما کاهش می‌یابد. این منحنی برای اطمینان از پایداری مدار در محدوده دمای کاری مورد نظر حیاتی است.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (I_C-V_CE):این منحنی‌های مشخصه خروجی، عملکرد فوتوترانزیستور را در ناحیه خطی (فعال) و اشباع نشان می‌دهند، مشابه یک ترانزیستور دوقطبی استاندارد، اما با I_Fبه عنوان پارامتر کنترل به جای جریان بیس.
• ولتاژ مستقیم در مقابل جریان مستقیم (V_F-I_F):این مشخصه LED برای طراحی مدار درایور محدودکننده جریان مهم است.

شکل 10 در دیتاشیت، مدار تست استاندارد و تعاریف شکل موج را برای اندازه‌گیری زمان‌های سوئیچینگ (t_on, t_off, t_r, t_f) ارائه می‌دهد که از یک بار مقاومتی (R_L) و یک پالس ورودی تعریف شده استفاده می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی، بسته‌بندی و مونتاژ

4.1 پیکربندی پایه‌ها و ابعاد بسته‌بندی

بسته‌بندی 4-پین SOP دارای یک پیکربندی پایه واضح است:

1. آند (A) LED مادون قرمز
2. کاتد (K) LED مادون قرمز
3. امیتر (E) فوتوترانزیستور
4. کلکتور (C) فوتوترانزیستور

نقشه بسته‌بندی ابعاد دقیق از جمله اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و ارتفاع کلی را ارائه می‌دهد که ارتفاع 2.0 میلی‌متری را تأیید می‌کند. یک الگوی لند PCB توصیه شده (طرح پد) نیز ارائه شده است تا اطمینان حاصل شود که لحیم‌کاری قابل اطمینان و پایداری مکانیکی در طول مونتاژ سطح‌نشین حفظ می‌شود.

4.2 دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این دستگاه برای حداکثر دمای لحیم‌کاری (T_SOL) معادل 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه درجه‌بندی شده است. علاوه بر این، یک پروفیل لحیم‌کاری ریفلو دقیق ارائه شده است که مطابق با استاندارد IPC/JEDEC J-STD-020D است. پارامترهای کلیدی این پروفیل شامل موارد زیر است:

• پیش‌گرم:از 150 درجه سانتی‌گراد تا 200 درجه سانتی‌گراد در مدت 60-120 ثانیه.
• 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.
• حداکثر تعداد ریفلوها:3 بار.

پایبندی به این پروفیل برای جلوگیری از ترک خوردن بسته‌بندی، لایه‌لایه شدن یا آسیب به دای و اتصالات سیم داخلی ضروری است.

5. سفارش‌دهی، بسته‌بندی و مارک‌گذاری

5.1 سیستم شماره‌گذاری قطعه

شماره قطعه از فرمت زیر پیروی می‌کند:EL121N(X)(Y)-V

• EL121N:شماره پایه دستگاه.
• X:رتبه CTR (B، C، BC یا خالی برای درجه استاندارد).
• Y:گزینه نوار و قرقره (TA یا TB، متفاوت در جهت تغذیه).
• -V:پسوند اختیاری که نشان‌دهنده تأییدیه VDE است.

مثال‌ها: EL121NBC-TA، EL121NC-TB-V.

5.2 مشخصات بسته‌بندی

دستگاه‌ها بر روی نوار و قرقره برای مونتاژ خودکار عرضه می‌شوند. ابعاد نوار (عرض، اندازه جیب، پیتچ) و مشخصات قرقره به تفصیل ارائه شده است. هر دو گزینه TA و TB حاوی 3000 واحد در هر قرقره هستند.

5.3 مارک‌گذاری دستگاه

هر دستگاه در قسمت بالا با یک کد لیزر یا جوهر مارک‌گذاری شده است:EL 121N RYWWV

• EL:کد سازنده.
• 121N:شماره دستگاه.
• R:کد رتبه CTR (مثلاً B یا C).
• Y:کد یک رقمی سال.
• WW:کد دو رقمی هفته.
• V:وجود علامت تأییدیه VDE.

این مارک‌گذاری امکان ردیابی و تأیید نوع دستگاه را فراهم می‌کند.

6. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 کاربردهای متداول

سری EL121N برای طیف گسترده‌ای از نیازهای ایزوله و رابط مناسب است:

• منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS):ارائه ایزوله فیدبک در مبدل‌های DC-DC، که برای تنظیم ولتاژ خروجی در حالی که ایزوله ایمنی از سمت اولیه حفظ می‌شود، حیاتی است.
• سیستم‌های کنترل صنعتی:رابط بین کنترلرهای منطقی کم‌ولتاژ (PLC) و عملگرها یا سنسورهای صنعتی با ولتاژ/جریان بالاتر، برای جلوگیری از نویز حلقه زمین.
• تجهیزات مخابراتی:ایزوله خطوط سیگنال یا ارائه ایزوله گالوانیک در رابط‌های مودم، روتر یا کارت خط.
• ایزوله مدار عمومی:هر کاربرد که نیازمند انتقال سیگنال بین مدارهایی با پتانسیل زمین یا امپدانس متفاوت باشد.

6.2 ملاحظات حیاتی طراحی

• تخریب CTR:CTR فوتوکوپلرها می‌تواند با گذشت زمان کاهش یابد، به ویژه هنگامی که در جریان‌های LED بالا و دمای بالا کار می‌کند. کاهش جریان LED و انتخاب قطعه‌ای با CTR اولیه به میزان قابل توجهی بالاتر از حداقل مورد نیاز، حاشیه طول عمر را فراهم می‌کند.
• مبادله سرعت در مقابل جریان:سرعت سوئیچینگ با جریان درایو LED بالاتر بهبود می‌یابد اما به بهای مصرف توان بالاتر و پیری احتمالی سریع‌تر. شرایط تست (I_F=10mA به طور معمول) یک خط پایه ارائه می‌دهد؛ برای سرعت‌های بالاتر، ممکن است I_Fبالاتری مورد نیاز باشد.
• انتخاب مقاومت بار:مقدار مقاومت بار (R_Lروی کلکتور) هم بر سرعت سوئیچینگ و هم بر دامنه ولتاژ خروجی تأثیر می‌گذارد. یک R_Lکوچکتر سرعت را بهبود می‌بخشد اما بهره و محدوده ولتاژ خروجی را کاهش می‌دهد.
• مصونیت در برابر نویز:برای کاربردهای دیجیتال، اطمینان از یک "حاشیه نویز" کافی با طراحی مدار گیرنده به گونه‌ای که به وضوح بین حالت‌های روشن و خاموش فوتوترانزیستور تمایز قائل شود، کلیدی است.
• فاصله خزشی و هوایی ایزوله:هنگام طراحی چیدمان PCB، فاصله‌های خزشی و هوایی مشخص شده (که توسط درجه‌بندی 3750 ولت_rmsتلویحاً بیان می‌شود) بین مسیرهای سمت ورودی و خروجی را حفظ کنید تا یکپارچگی ایزوله حفظ شود.

7. مقایسه و جایگاه فنی

در بازار فوتوکوپلرهای خروجی فوتوترانزیستوری، سری EL121N از طریق چند ویژگی کلیدی خود را متمایز می‌کند:

• بسته‌بندی:بسته‌بندی 4-پین SOP نسبت به بسته‌بندی‌های قدیمی 4-پین DIP فوتپرینت فشرده‌تری ارائه می‌دهد، در حالی که نسبت به بسته‌بندی‌های فوق‌مینیاتوری 4-پین، کار با آن و لحیم‌کاری آن آسان‌تر است و تعادلی بین اندازه و قابلیت ساخت برقرار می‌کند.
• بینینگ CTR:ارائه چندین درجه CTR به وضوح تعریف شده (B، C، BC) انعطاف‌پذیری ارائه می‌دهد که همیشه در قطعات عمومی در دسترس نیست و امکان طراحی بهینه را فراهم می‌کند.
• گواهی‌نامه‌های جامع:تجمع تأییدیه‌های UL، cUL، VDE و نوردیک SEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO در یک قطعه واحد، فرآیند انتخاب قطعه را برای محصولاتی که بازارهای جهانی با الزامات ایمنی سختگیرانه را هدف قرار می‌دهند، ساده می‌سازد.
• تعادل عملکرد:با CTR تا 400%، ولتاژ اشباع زیر 0.2V و زمان‌های سوئیچینگ در محدوده میکروثانیه، عملکردی همه‌جانبه ارائه می‌دهد که برای طیف گسترده‌ای از وظایف ایزوله آنالوگ و دیجیتال، از سیگنال‌های روشن/خاموش ساده تا فیدبک PWM مناسب است.

8. پرسش‌های متداول (FAQ)

8.1 تفاوت بین گزینه‌های نوار TA و TB چیست؟

تفاوت اصلی درجهت تغذیهاز قرقره است. TA و TB جهت جیب‌های قطعه روی نوار حامل متفاوت است. طراح باید بر اساس جهت مورد نیاز توسط سیستم فیدر دستگاه پیک اند پلیس خاص خود، گزینه صحیح را مشخص کند. هر دو حاوی 3000 واحد هستند.

8.2 چگونه بین رتبه‌های CTR شامل B، C و BC انتخاب کنم؟

بر اساس نیاز بهره و نیاز به یکنواختی مدار خود انتخاب کنید.

• ازدرجه C (200-400%)برای کاربردهایی که نیازمند حساسیت بالا هستند یا جایی که مدار درایور فقط می‌تواند جریان LED پایینی تأمین کند، استفاده کنید.
• ازدرجه B (130-260%)برای کاربردهایی که به یک بهره متوسط و به شدت کنترل‌شده برای عملکرد قابل پیش‌بینی در تمام واحدها نیاز است، استفاده کنید.
• از درجهاستاندارد (50-400%)یاBC (130-400%)برای کاربردهای حساس به هزینه استفاده کنید که طراحی مدار می‌تواند تغییرات گسترده‌تری در CTR را تحمل کند، اغلب با استفاده از فیدبک یا سطوح سیگنال کمتر حیاتی.

8.3 آیا از این قطعه می‌توان برای ایزوله سیگنال آنالوگ استفاده کرد؟

بله، اما با نکات احتیاطی مهم. غیرخطی بودن فوتوترانزیستور، وابستگی دمایی CTR و تغییرات ذاتی دستگاه به دستگاه، آن را در مقایسه با فوتوکوپلرهای خطی اختصاصی (که شامل یک فوتودیود و یک تقویت‌کننده عملیاتی هستند) برای ایزوله آنالوگ با دقت بالا کمتر ایده‌آل می‌سازد. برای سیگنال‌های آنالوگ با دقت پایین‌تر یا در مدارهایی که از خطی‌سازی خارجی و جبران دمایی استفاده می‌کنند، می‌توان به طور مؤثر از آن استفاده کرد.

8.4 هدف از تست ولتاژ ایزوله (پایه‌های 1-2 اتصال کوتاه به 3-4) چیست؟

این تست یکپارچگی سد عایقی داخلی بین بخش‌های ورودی (LED) و خروجی (فوتوترانزیستور) بسته‌بندی را تأیید می‌کند. اتصال کوتاه پایه‌ها در هر سمت اطمینان حاصل می‌کند که ولتاژ تست در سراسر مرز ایزوله کامل اعمال می‌شود و هر مسیر شکست احتمالی از طریق ترکیب قالب یا در امتداد فریم پایه بررسی می‌شود.