دیتاشیت فوتوکوپلر EL3H7U-G - بسته‌بندی 4 پایه SSOP - ارتفاع 2.0 میلی‌متر - ایزولاسیون 3750 ولت RMS - CTR 100-560% - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

سری EL3H7U-G خانواده‌ای از فوتوکوپلرهای فوتوترانزیستوری (اپتوکوپلر) فشرده و نصب‌سطحی است که برای جداسازی سیگنال مطمئن در مدارهای الکترونیکی مدرن طراحی شده‌اند. این قطعات با انتقال سیگنال‌های الکتریکی بین دو مدار ایزوله شده با استفاده از نور، عملکردی حیاتی ارائه می‌دهند و در نتیجه از تأثیر یا آسیب ولتاژهای بالا یا حلقه‌های زمینی یک مدار بر روی مدار دیگر جلوگیری می‌کنند.

ساختار اصلی شامل یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IRED) از جنس آرسنید گالیم است که به صورت نوری به یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN کوپل شده است. هر دو درون یک ترکیب سبز و بدون هالوژن محصور شده و در یک بسته‌بندی 4 پایه Small Outline Package (SSOP) با ارتفاع کم 2.0 میلی‌متر قرار گرفته‌اند. این بسته‌بندی برای کاربردهای با محدودیت فضا روی بردهای مدار چاپی (PCB) ایده‌آل است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای اصلی سری EL3H7U-G شامل قابلیت ایزولاسیون بالا، ابعاد فشرده و انطباق با استانداردهای بین‌المللی ایمنی و محیط‌زیست است. با ولتاژ ایزولاسیون (Viso) معادل 3750 ولت RMS، محافظت قدرتمندی برای مدارهای حساس فراهم می‌کند. ترکیب مواد بدون هالوژن با مقررات زیست‌محیطی مانند RoHS و REACH همسو است. این قطعه توسط سازمان‌های اصلی ایمنی بین‌المللی از جمله UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO، FIMKO و CQC تأیید شده است که آن را برای بازارهای جهانی نیازمند قطعات دارای گواهینامه مناسب می‌سازد.

کاربردهای هدف متنوع هستند و بر حوزه‌هایی تمرکز دارند که جداسازی الکتریکی و مصونیت در برابر نویز از اهمیت بالایی برخوردار است. بازارهای کلیدی شامل منبع تغذیه‌های سوئیچینگ (SMPS)، به ویژه مبدل‌های DC-DC، کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC) صنعتی، تجهیزات مخابراتی و انتقال سیگنال عمومی بین مدارهایی با پتانسیل زمین یا سطوح امپدانس متفاوت می‌شود.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک ریتینگ‌های حداکثر مطلق و مشخصه‌های الکتریکی برای طراحی مدار مطمئن و تضمین قابلیت اطمینان بلندمدت فوتوکوپلر ضروری است.

2.1 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

این ریتینگ‌ها محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر برای عملکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند.

• ورودی (سمت LED):جریان مستقیم (I_F) نباید از 20 میلی‌آمپر تجاوز کند. ولتاژ معکوس (V_R) به 5 ولت محدود شده است که نیاز به محافظت صحیح قطبیت را در صورتی که ورودی ممکن است تحت بایاس معکوس قرار گیرد، برجسته می‌کند.
• خروجی (سمت فوتوترانزیستور):جریان کلکتور (I_C) در 30 میلی‌آمپر ریت شده است. ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO) می‌تواند تا 60 ولت را تحمل کند، در حالی که ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO) بسیار پایین‌تر و معادل 5 ولت است که نشان‌دهنده عدم تقارن مشخصه‌های شکست فوتوترانزیستور است.
• حرارتی و ایزولاسیون:توان تلفاتی کل قطعه (P_TOT) 200 میلی‌وات است. ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO) معادل 3750 ولت RMS به مدت 1 دقیقه و با اتصال کوتاه پایه‌های 1-2 و 3-4 به یکدیگر تحت رطوبت کنترل‌شده (40-60% RH) تست می‌شود. محدوده دمای کاری از 40- درجه سلسیوس تا 125+ درجه سلسیوس مشخص شده است.

2.2 مشخصه‌های الکترواپتیکی

این پارامترها که معمولاً در دمای 25 درجه سلسیوس اندازه‌گیری می‌شوند، عملکرد قطعه را تحت شرایط کاری عادی تعریف می‌کنند.

• مشخصه‌های ورودی:ولتاژ مستقیم (V_F) معمولاً در جریان مستقیم (I_F) معادل 1 میلی‌آمپر، 1.3 ولت است که برای طراحی مدار درایور مهم می‌باشد. ظرفیت خازنی ورودی (C_in) حداکثر 250 پیکوفاراد است که می‌تواند بر عملکرد سوئیچینگ فرکانس بالا تأثیر بگذارد.
• مشخصه‌های خروجی:جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO) بسیار کم است (حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=20V)، که نشان‌دهنده جریان نشتی هنگامی که LED خاموش است. ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(sat)) تحت شرایط تست مشخص شده (I_F=3mA, I_C=1.6mA) حداکثر 0.4 ولت است که نشان‌دهنده افت ولتاژ کم هنگامی که ترانزیستور کاملاً روشن است.
• پارامترهای ایزولاسیون:مقاومت ایزولاسیون (R_IO) حداقل 5 ضربدر 10 به توان 10 اهم است و ظرفیت خازنی ایزولاسیون (C¹⁰) حداکثر 1.0 پیکوفاراد است. این مقادیر برای تعیین حذف حالت مشترک و کوپلینگ نویز فرکانس بالا در سراسر مانع ایزولاسیون حیاتی هستند._IO2.3 مشخصه‌های انتقال و سیستم درجه‌بندی

نسبت انتقال جریان (CTR) مهم‌ترین پارامتر برای یک فوتوکوپلر است که به عنوان نسبت جریان کلکتور خروجی (I

) به جریان مستقیم LED ورودی (I_C) تعریف شده و به صورت درصد بیان می‌شود: CTR = (I_F) * 100%._CFسری EL3H7U-G از یک سیستم درجه‌بندی CTR استفاده می‌کند تا محدوده‌های عملکردی ثابتی را برای طراحان فراهم کند:

EL3H7U (استاندارد):

• محدوده CTR از 50% تا 600% در I= 0.5 میلی‌آمپر، V_F= 5 ولت._CEEL3H7UA:
• محدوده CTR از 100% تا 200%.EL3H7UB:
• محدوده CTR از 150% تا 300%.EL3H7UC:
• محدوده CTR از 200% تا 400%.این درجه‌بندی امکان طراحی دقیق‌تر را فراهم می‌کند، به ویژه در مدارهایی که ثابت بودن بهره مهم است، مانند حلقه‌های فیدبک در منابع تغذیه. قطعه استاندارد گسترده‌ترین محدوده را ارائه می‌دهد که برای کاربردهای عمومی که CTR دقیق اهمیت کمتری دارد مناسب است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که روندهای کلیدی عملکرد را نشان می‌دهند. توجه به این نکته حیاتی است که این منحنی‌ها رفتار معمول را نشان می‌دهند و توسط تست تولید تضمین نمی‌شوند.

3.1 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (شکل 1)

این نمودار مشخصه I-V مربوط به IRED ورودی را در دمای محیطی مختلف (40- درجه، 25 درجه، 125 درجه سلسیوس) نشان می‌دهد. ولتاژ مستقیم (V

) دارای ضریب دمایی منفی است، به این معنی که با افزایش دما برای یک جریان معین کاهش می‌یابد. این یک رفتار معمول برای دیودها است و باید در مدیریت حرارتی و طراحی درایور جریان ثابت در نظر گرفته شود._F3.2 جریان کلکتور در مقابل جریان مستقیم (شکل 2) و CTR در مقابل جریان مستقیم (شکل 3)

شکل 2 جریان کلکتور خروجی (I

) را در مقابل جریان LED ورودی (I_C) برای دو ولتاژ کلکتور-امیتر متفاوت (V_F=0.4V و 5V) رسم می‌کند. این رابطه در جریان‌های پایین خطی است اما در سطوح بالاتر I_CE، به ویژه در V_F پایین‌تر، اشباع را نشان می‌دهد. شکل 3 نشان می‌دهد که CTR نرمال‌شده با افزایش I_CE کاهش می‌یابد. این نشان می‌دهد که قطعه در جریان‌های درایو پایین‌تر، معمولاً در حدود شرایط تست 0.5 میلی‌آمپر، کارآمدترین (بالاترین CTR) است._F3.3 وابستگی دمایی (شکل‌های 6 و 7)

شکل 6 نشان می‌دهد که جریان کلکتور (I

) برای یک I_C ثابت با افزایش دما افزایش می‌یابد. شکل 7 نشان می‌دهد که CTR نرمال‌شده در حدود دمای اتاق به اوج خود می‌رسد و در دماهای بالاتر و پایین‌تر کاهش می‌یابد. این وابستگی دمایی CTR یک فاکتور طراحی حیاتی است. مدارها باید به گونه‌ای طراحی شوند که در کل محدوده دمایی مشخص شده به درستی کار کنند و تغییرات بهره را در نظر بگیرند._F3.4 مشخصه‌های سوئیچینگ (شکل 9)

نمودار زمان سوئیچینگ در مقابل مقاومت بار (R

) نشان می‌دهد که هم زمان صعود (t_L) و هم زمان نزول (t_r) با کاهش مقاومت بار کاهش می‌یابند. سوئیچینگ سریع‌تر با مقاومت‌های بار کوچک‌تر حاصل می‌شود، اما این به قیمت تلفات توان بالاتر در مرحله خروجی تمام می‌شود. مدار تست (شکل 13) t_f را به عنوان زمان از 10% تا 90% پالس خروجی و t_r را از 90% تا 10% تعریف می‌کند._f4. اطلاعات مکانیکی، بسته‌بندی و مونتاژ

4.1 پیکربندی پایه‌ها و قطبیت

قطعه از یک فوت‌پرینت استاندارد 4 پایه SSOP استفاده می‌کند. ترتیب پایه‌ها به شرح زیر است: پایه 1: آند IRED، پایه 2: کاتد IRED، پایه 3: امیتر فوتوترانزیستور، پایه 4: کلکتور فوتوترانزیستور. قطبیت صحیح باید در حین طراحی PCB و مونتاژ رعایت شود تا از آسیب جلوگیری گردد.

4.2 دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و جابجایی

ریتینگ حداکثر مطلق برای دمای لحیم‌کاری (T

) 260 درجه سلسیوس به مدت 10 ثانیه است. این با پروفیل‌های معمول لحیم‌کاری بازجریانی بدون سرب همسو است. باید از دستورالعمل‌های استاندارد IPC/JEDEC J-STD-020 برای قطعات حساس به رطوبت پیروی شود. قطعه باید در کیسه اصلی ضد رطوبت خود با ماده جاذب رطوبت تحت شرایط کنترل‌شده نگهداری شود و در صورتی که کیسه باز شده یا زمان قرارگیری در معرض محیط از حد مجاز فراتر رفته باشد، قبل از لحیم‌کاری باید خشک شود._SOL5. اطلاعات سفارش و بسته‌بندی

شماره قطعه از ساختار زیر پیروی می‌کند: EL3H7U(X)(Y)-VG.

X:

• رتبه CTR (A، B، C، یا خالی برای درجه استاندارد).Y:
• گزینه نوار و قرقره (TA، TB، یا خالی). TA و TB احتمالاً به اندازه‌های قرقره یا جهت‌های بسته‌بندی متفاوت اشاره دارند که هر کدام حاوی 5000 عدد در هر قرقره هستند.V:
• علامت‌گذاری اختیاری تأییدیه VDE.G:
• نشان‌دهنده مواد بدون هالوژن.مثال‌ها: EL3H7UB-TA-VG یک قطعه درجه B از نظر CTR خواهد بود که بر روی نوار و قرقره TA بسته‌بندی شده، دارای تأییدیه VDE و مواد بدون هالوژن است.

6. دستورالعمل‌های کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربردی معمول

کاربرد اصلی جداسازی سیگنال است. یک مدار معمول شامل درایو کردن LED ورودی با یک مقاومت محدودکننده جریان از یک منبع سیگنال دیجیتال (مانند GPIO یک میکروکنترلر) است. فوتوترانزیستور خروجی می‌تواند در پیکربندی امیتر مشترک (کلکتور متصل به یک مقاومت pull-up، امیتر زمین شده) برای تولید سیگنال خروجی معکوس‌شده، یا در پیکربندی فالوور امیتر برای یک سیگنال غیرمعکوس استفاده شود.

6.2 ملاحظات کلیدی طراحی

جریان درایو LED:

• I را بر اساس سرعت سوئیچینگ مورد نیاز و CTR انتخاب کنید. I_F پایین‌تر CTR بالاتر اما سوئیچینگ کندتر ارائه می‌دهد. یک مقاومت سری باید با استفاده از R = (V_Fsource_{- V}) / I_F محاسبه شود._F.
• مقاومت بار خروجی (R_L):این مقاومت دامنه ولتاژ خروجی، سرعت سوئیچینگ و تلفات توان را تعیین می‌کند. یک R_L کوچک‌تر سوئیچینگ سریع‌تر اما دامنه ولتاژ خروجی پایین‌تر و I_C.
• بالاتر می‌دهد.تخریب CTR:_FCTR فوتوکوپلرها می‌تواند با گذشت زمان کاهش یابد، به ویژه هنگامی که در دمای بالا و جریان‌های LED بالا کار می‌کنند. برای طراحی‌های با طول عمر طولانی، I
• کاری را کاهش دهید و مدیریت حرارتی کافی را تضمین کنید.مصونیت در برابر نویز:

برای محیط‌های پرنویز، یک خازن بای‌پس کوچک (مانند 0.1 میکروفاراد) در سراسر پایه‌های ورودی و نزدیک به قطعه می‌تواند کمک کند. در خروجی، طراحی دقیق PCB برای به حداقل رساندن ظرفیت خازنی پراکنده برای سیگنال‌های پرسرعت مهم است.

7. مقایسه فنی و سؤالات متداول

7.1 تمایز از سایر فوتوکوپلرها

سری EL3H7U-G از طریق ترکیب بسته‌بندی فشرده SSOP، ریتینگ ایزولاسیون بالا 3750 ولت RMS، محدوده دمای کاری گسترده 40- تا 125+ درجه سلسیوس و گواهینامه‌های ایمنی بین‌المللی جامع، خود را متمایز می‌کند. بسیاری از قطعات رقیب ممکن است CTR یا سرعت مشابهی ارائه دهند اما فاقد مجموعه کامل تأییدیه‌ها یا قابلیت دمای بالا هستند.

7.2 سؤالات متداول (FAQs)

س: تفاوت بین درجه استاندارد و درجات A/B/C چیست؟

ج: درجه استاندارد دارای محدوده CTR بسیار گسترده‌ای (600%-50) است. درجات A، B و C در محدوده‌های CTR تضمین‌شده و تنگ‌تری دسته‌بندی شده‌اند (مثلاً 400%-200 برای درجه C). از قطعات درجه‌بندی شده برای طراحی‌هایی که نیاز به بهره قابل پیش‌بینی دارند استفاده کنید.

س: آیا می‌توانم از این برای جداسازی سیگنال ورودی AC استفاده کنم؟

ج: نه به طور مستقیم. ورودی یک IRED است که یک دیود است و فقط در یک جهت هدایت می‌کند. برای جداسازی یک سیگنال AC، ابتدا باید آن را یکسو کنید یا از یک فوتوکوپلر مخصوص ورودی AC استفاده کنید.

س: چگونه حداکثر نرخ داده را محاسبه کنم؟_rج: حداکثر نرخ داده توسط مجموع زمان‌های صعود و نزول (t_f+ t_r) محدود می‌شود. یک تخمین تقریبی برای یک سیگنال دیجیتال Bandwidth ≈ 0.35 / (t_r) است. با t

معمولی 8 میکروثانیه، پهنای باند حدود 44 کیلوهرتز است. برای ارتباط دیجیتال مطمئن، نرخ داده عملی پایین‌تر خواهد بود.

س: چرا ظرفیت خازنی ایزولاسیون مهم است؟_IOج: ظرفیت خازنی ایزولاسیون پایین (C_IO) برای حذف نویز حالت مشترک فرکانس بالا حیاتی است. در کاربردهایی با تغییرات سریع ولتاژ در سراسر مانع ایزولاسیون (مانند درایورهای موتور)، یک C

بالا می‌تواند نویز را از سمت اولیه به سمت ثانویه کوپل کند و به طور بالقوه باعث اختلال در عملکرد شود.

8. اصل عملکرد و روندهای فناوری

8.1 اصل عملکرد اساسی

یک فوتوکوپلر بر اساس اصل تبدیل الکترواپتیکی-الکتریکی عمل می‌کند. یک سیگنال الکتریکی اعمال شده به سمت ورودی باعث می‌شود IRED نور مادون قرمز متناسب با جریان ساطع کند. این نور از یک مانع ایزولاسیون شفاف درون بسته‌بندی عبور می‌کند. در سمت خروجی، فوتوترانزیستور این نور را تشخیص می‌دهد و یک جریان بیس تولید می‌کند که به نوبه خود یک جریان کلکتور بسیار بزرگ‌تر را کنترل می‌کند. دو مدار از نظر الکتریکی ایزوله هستند و تنها کوپلینگ نوری بین آن‌ها وجود دارد.

8.2 روندهای صنعت