دیتاشیت فوتودارلینگتون فوتوکوپلر 6 پین DIP - سری‌های TIL113، 4NXX، H11BX - ایزولاسیون 5000 ولت RMS - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

سری‌های TIL113، 4NXX و H11BX خانواده‌ای از فوتوکوپلرهای فوتودارلینگتون (آپتوایزولاتور) هستند. هر قطعه شامل یک دیود نورافشان مادون قرمز (LED) است که از نظر نوری به یک آشکارساز ترانزیستور فوتودارلینگتون کوپل شده است. این پیکربندی نسبت انتقال جریان (CTR) بالایی را فراهم می‌کند و آن‌ها را برای اتصال سیگنال‌های کنترلی با جریان پایین به بارهای با جریان بالاتر مناسب می‌سازد. قطعات در یک پکیج فشرده 6 پین دو ردیفه (DIP) قرار دارند و گزینه‌هایی برای نصب سوراخ‌گذاری استاندارد، فاصله پایه عریض و فناوری نصب سطحی (SMD) ارائه می‌دهند. مزیت اصلی این سری، ایزولاسیون الکتریکی بالا (5000 ولت_rms) بین مدارهای ورودی و خروجی است که برای ایمنی و مصونیت در برابر نویز در سیستم‌های با پتانسیل زمین متفاوت حیاتی می‌باشد.

2. ویژگی‌های کلیدی و تأییدیه‌ها

این سری چندین ویژگی مهم برای عملکرد قوی و قابل اعتماد در کاربردهای سخت ارائه می‌دهد. ولتاژ ایزولاسیون بالا معادل 5000 ولت_rms و فاصله خزشی بیش از 7.62 میلی‌متر، عملکرد ایمن در محیط‌های با ولتاژ بالا را تضمین می‌کند. این قطعات برای محدوده دمای کاری گسترده تا +110 درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده‌اند. علاوه بر این، سری محصول مطابق با استانداردهای اصلی ایمنی و محیط‌زیست بین‌المللی از جمله تأییدیه‌های UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO، FIMKO و CQC است. قطعات همچنین با مقررات REACH اتحادیه اروپا مطابقت دارند و در نسخه‌های سازگار با RoHS موجود می‌باشند.

3. کاربردها

اتصال مدار منطقی کم‌توان و جابجایی سطح.

• تجهیزات مخابراتی برای ایزولاسیون سیگنال.
• الکترونیک قابل حمل و مبتنی بر باتری.
• سیستم‌های اتصال و کوپلینگ که در پتانسیل‌ها و امپدانس‌های الکتریکی مختلف کار می‌کنند، مانند سیستم‌های کنترل صنعتی، منبع تغذیه و تجهیزات اندازه‌گیری.
• 4. پیکربندی پایه‌ها و شماتیک

قطعات از پیکربندی استاندارد 6 پین DIP استفاده می‌کنند. ترتیب پایه‌ها به شرح زیر است:

پایه 1: آند LED ورودی.

• پایه 2: کاتد LED ورودی.
• پایه 3: بدون اتصال (NC).
• پایه 4: امیتر ترانزیستور فوتودارلینگتون خروجی.
• پایه 5: کلکتور ترانزیستور فوتودارلینگتون خروجی.
• پایه 6: بیس ترانزیستور فوتودارلینگتون خروجی (معمولاً باز گذاشته می‌شود یا برای شبکه‌های افزایش سرعت متصل می‌شود).
• شماتیک داخلی نشان می‌دهد که LED مادون قرمز بین پایه‌های 1 و 2 متصل شده و ترانزیستور فوتودارلینگتون بین پایه‌های 4 (امیتر)، 5 (کلکتور) و 6 (بیس) متصل شده است.

5. حداکثر مقادیر مجاز مطلق

تنش‌های فراتر از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی به قطعه شود. تمامی درجه‌بندی‌ها در دمای محیط (T

) 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد._aورودی (LED):

• جریان مستقیم (I): 60 میلی‌آمپر؛ جریان مستقیم پیک (I_F، پالس 1µs): 1 آمپر؛ ولتاژ معکوس (V_FP): 6 ولت؛ اتلاف توان (P_R): 120 میلی‌وات (نیاز به کاهش رتبه بالاتر از T_D= 100°C با نرخ 3.8 mW/°C)._aخروجی (ترانزیستور):
• اتلاف توان (P): 150 میلی‌وات (نیاز به کاهش رتبه بالاتر از T_C= 80°C با نرخ 6.5 mW/°C)؛ ولتاژ کلکتور-امیتر (V_a): 55 ولت؛ ولتاژ کلکتور-بیس (V_CEO): 55 ولت؛ ولتاژ امیتر-کلکتور (V_CBO): 7 ولت؛ ولتاژ امیتر-بیس (V_ECO): 7 ولت._EBOکل قطعه:
• کل اتلاف توان (P): 200 میلی‌وات؛ ولتاژ ایزولاسیون (V_TOT): 5000 ولت_ISOrms_{(AC به مدت 1 دقیقه، رطوبت نسبی 40-60%).}دما:
• دمای کاری (T): 55- تا +100 درجه سانتی‌گراد؛ دمای ذخیره‌سازی (T_OPR): 55- تا +125 درجه سانتی‌گراد؛ دمای لحیم‌کاری (T_STG): 260 درجه سانتی‌گراد (به مدت 10 ثانیه)._SOL6. مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها عملکرد الکتریکی و نوری را در شرایط کاری عادی، معمولاً در T

=25°C تعریف می‌کنند._a6.1 مشخصات ورودی (LED)

ولتاژ مستقیم (V

• ): معمولاً 1.2 ولت، حداکثر 1.5 ولت در I_F= 10mA (50mA برای H11B3)._Fجریان معکوس (I
• ): حداکثر 10 میکروآمپر در V_R= 6V._Rظرفیت ورودی (C
• in_{): معمولاً 50 پیکوفاراد در V=0، f=1MHz.}6.2 مشخصات خروجی (فوتودارلینگتون)

جریان تاریک کلکتور-امیتر (I

• ): حداکثر 100 نانوآمپر در V_CEO= 10V._CEولتاژ شکست کلکتور-امیتر (BV
• ): حداقل 55 ولت در I_CEO=1mA._Cولتاژ شکست کلکتور-بیس (BV
• ): حداقل 55 ولت در I_CBO=0.1mA._Cولتاژ شکست امیتر-کلکتور (BV
• ): حداقل 7 ولت در I_ECO=0.1mA._E6.3 مشخصات انتقال

این پارامترها بازده کوپلینگ و عملکرد سوئیچینگ را تعریف می‌کنند.

نسبت انتقال جریان (CTR):

• این نسبت جریان کلکتور خروجی به جریان مستقیم LED ورودی است که به صورت درصد بیان می‌شود. بسته به شماره قطعه متفاوت است:4N32، 4N33، H11B1: CTR ≥ 500% (در I
  • =10mA، V_F=10V یا I_CE=1mA، V_F=5V)._CE4N29، 4N30: CTR ≥ 100%.
  • 4N31، H11B3، H11B255: CTR ≥ 100%.
  • H11B2: CTR ≥ 200%.
  • TIL113: CTR ≥ 300% (در I
  • =10mA، V_F=1V)._CEولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V
• CE(sat)_):حداکثر 1.0 تا 1.2 ولت بسته به سری، تحت شرایط مشخص Iو I_Fمقاومت ایزولاسیون (R_C conditions.
• ):_IOحداقل 10Ω در V¹¹=500V DC._IOظرفیت ورودی-خروجی (C
• ):_IOمعمولاً 0.8 پیکوفاراد در V=0، f=1MHz._IOزمان‌های سوئیچینگ:
• زمان روشن شدن (ton_{) و زمان خاموش شدن (t}off_{) برای سری‌های مختلف تحت شرایط تست خاص (V}=10V، با I_CCو مقاومت بار R_F=100Ω) مشخص شده است. به عنوان مثال، برای سری H11Bx، t_Lon_{معمولاً 25µs و t}off_{معمولاً 18µs است. سری‌های 4Nxx و TIL113 زمان روشن شدن سریع‌تری دارند (حداکثر 5µs) اما ممکن است زمان خاموش شدن کندتری داشته باشند (تا 100µs برای برخی انواع).}7. منحنی‌های عملکرد و مشخصات سوئیچینگ

دیتاشیت شامل منحنی‌های عملکرد معمول است (اگرچه در متن ارائه شده جزئیات داده نشده است). این منحنی‌ها معمولاً رابطه بین CTR و دما، جریان مستقیم یا جریان کلکتور را نشان می‌دهند. برای طراحان جهت درک انحراف عملکرد در شرایط غیراستاندارد ضروری هستند. یک مدار تست زمان سوئیچینگ تعریف شده است که پالس ورودی محرک LED و پالس خروجی حاصل در کلکتور را نشان می‌دهد. پارامترهای کلیدی زمان‌بندی مانند زمان صعود (t

)، زمان افت (t_r)، تأخیر روشن شدن (t_fon_{) و تأخیر خاموش شدن (t}off_{) بین نقاط 10% و 90% پالس‌های مربوطه اندازه‌گیری می‌شوند.}8. اطلاعات مکانیکی و پکیج

قطعات در چندین نوع پکیج مختلف برای تطبیق با فرآیندهای مونتاژ مختلف ارائه می‌شوند.

نوع استاندارد DIP:

• پکیج کلاسیک سوراخ‌گذاری.نوع گزینه M:
• دارای خم پایه عریض است که فاصله پایه 0.4 اینچی (تقریباً 10.16 میلی‌متر) را برای کاربردهایی که نیاز به فاصله خزشی بیشتر یا قرار دادن دستی آسان‌تر دارند، فراهم می‌کند.نوع گزینه S:
• فرم پایه نصب سطحی برای لحیم‌کاری ریفلو.نوع گزینه S1:
• یک نوع فرم پایه نصب سطحی با پروفایل کم.نقشه‌های ابعادی دقیق برای هر نوع پکیج ارائه شده است که شامل طول بدنه، عرض، ارتفاع، گام پایه و ابعاد پایه می‌شود. یک طرح پد توصیه شده برای گزینه‌های نصب سطحی نیز گنجانده شده است تا اطمینان حاصل شود که اتصالات لحیم در حین مونتاژ PCB به طور قابل اعتمادی تشکیل می‌شوند.

9. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقدار مجاز مطلق، دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد را به مدت 10 ثانیه مشخص می‌کند. این یک پارامتر حیاتی برای فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو یا موجی است. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که پروفایل حرارتی در حین مونتاژ از این حد فراتر نرود تا از آسیب به دای نیمه‌هادی داخلی یا پکیج پلاستیکی جلوگیری شود. برای انواع نصب سطحی، پیروی از طرح پد توصیه شده برای جلوگیری از بلند شدن قطعه (tombstoning) یا اتصالات لحیم ضعیف بسیار مهم است. شرایط نگهداری مناسب، مطابق با درجه‌بندی دمای ذخیره‌سازی (55- تا +125 درجه سانتی‌گراد)، باید برای حفظ یکپارچگی قطعه قبل از استفاده رعایت شود.

10. بسته‌بندی و اطلاعات سفارش

سیستم شماره‌گذاری قطعات به گونه‌ای ساختار یافته است که سری، شماره قطعه خاص، گزینه فرم پایه، گزینه نوار و قرقره و گواهی ایمنی اختیاری را نشان می‌دهد.

فرمت شماره قطعه:

[سری][شماره قطعه][فرم پایه][نوارقرقره]-[ایمنی]سری: 4NXX، H11BX یا TIL113.

• شماره قطعه: برای 4NXX: 29،30،31،32،33. برای H11BX: 1،2،3،255.
• فرم پایه (Y): S (SMD)، S1 (SMD پروفایل کم)، M (پایه عریض) یا هیچ (DIP استاندارد).
• نوار و قرقره (Z): TA، TB (برای گزینه‌های SMD) یا هیچ.
• ایمنی (V): گواهی VDE اختیاری.
• تعداد بسته‌بندی:

گزینه‌های DIP استاندارد و M: 65 عدد در هر تیوب.

• گزینه‌های S و S1 با TA/TB: 1000 عدد در هر قرقره.
• 11. ملاحظات طراحی کاربردی

هنگام طراحی با این فوتوکوپلرهای فوتودارلینگتون، چندین عامل باید در نظر گرفته شود. CTR بالا اجازه می‌دهد ترانزیستور خروجی با جریان LED نسبتاً پایینی به اشباع برانگیخته شود که برای اتصال به میکروکنترلرها مفید است. با این حال، ساختار فوتودارلینگتون ذاتاً سرعت سوئیچینگ کندتری نسبت به فوتوکوپلرهای فوتوترانزیستور یا فوتو-IC دارد و آن‌ها را برای کاربردهای با فرکانس پایین‌تر مناسب‌تر می‌سازد (معمولاً تا محدوده ده‌ها کیلوهرتز بسته به شرایط بار). پایه بیس (پایه 6) می‌تواند برای اتصال یک مقاومت خارجی به منظور منحرف کردن بخشی از جریان بیس تولید شده نوری به زمین استفاده شود که می‌تواند زمان خاموش شدن را به طور قابل توجهی بهبود بخشد، البته به قیمت کاهش CTR. طراح باید اطمینان حاصل کند که درجه‌بندی ولتاژ ترانزیستور خروجی (V

، V_CEO) توسط مدار بار فراتر نرود. همیشه یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با LED ورودی مورد نیاز است. مقدار آن بر اساس ولتاژ تغذیه، I_CBOمورد نظر و V_FLED محاسبه می‌شود._F.

12. مقایسه فنی و راهنمای انتخاب

تفاوت اصلی در این سری، نسبت انتقال جریان (CTR) است. قطعاتی مانند 4N32/33 و H11B1 حساسیت بسیار بالایی ارائه می‌دهند (CTR ≥ 500%) و آن‌ها را برای کاربردهایی که سیگنال محرک بسیار ضعیف است ایده‌آل می‌سازد. 4N29/30 و H11B2 حساسیت متوسطی ارائه می‌دهند. 4N31، H11B3 و H11B255 یک CTR استاندارد 100% ارائه می‌دهند. TIL113 تعادل خوبی در 300% ارائه می‌دهد. انتخاب بین پکیج‌های DIP و SMD به فرآیند تولید بستگی دارد. گزینه پایه عریض (M) برای کاربردهای با ولتاژ بالا که نیاز به افزایش فاصله خزشی روی PCB دارند مفید است. در مقایسه با فوتوکوپلرهای ساده فوتوترانزیستور، فوتودارلینگتون‌ها بهره بسیار بالاتری ارائه می‌دهند اما کندتر هستند. برای ایزولاسیون دیجیتال با سرعت بسیار بالا، فناوری‌های دیگر مانند ایزولاتورهای دیجیتال یا فوتوکوپلرهای سریع‌تر با خروجی گیت منطقی مناسب‌تر خواهند بود.

13. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: مزیت اصلی فوتودارلینگتون نسبت به فوتوترانزیستور استاندارد چیست؟

ج: مزیت اصلی نسبت انتقال جریان (CTR) بسیار بالاتر است، اغلب به ضریب 10 تا 100. این بدان معنی است که یک جریان LED ورودی بسیار کوچک می‌تواند یک جریان خروجی بسیار بزرگتر را کنترل کند و مدار محرک را ساده می‌سازد.

س: چرا زمان‌های سوئیچینگ برای فوتودارلینگتون‌ها کندتر است؟

ج: پیکربندی جفت دارلینگتون یک مرحله ترانزیستور اضافی دارد که ذخیره بار را افزایش و سرعت سوئیچینگ را کاهش می‌دهد، به ویژه در حین خاموش شدن.

س: چگونه می‌توانم زمان خاموش شدن فوتودارلینگتون را بهبود بخشم؟

ج: اتصال یک مقاومت خارجی (معمولاً در محدوده 10kΩ تا 100kΩ) بین پایه بیس (6) و پایه امیتر (4) مسیری برای تخلیه بار ذخیره شده فراهم می‌کند و زمان خاموش شدن را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

س: درجه‌بندی ایزولاسیون 5000 ولت_rmsبرای طراحی من چه معنایی دارد؟

ج: این درجه‌بندی تأیید می‌کند که قطعه می‌تواند اختلاف پتانسیل AC 5000 ولتی بین طرف‌های ورودی و خروجی را به مدت یک دقیقه بدون شکست تحمل کند. این مانع ایمنی برای سیستم شما را تعریف می‌کند و کاربران و مدارهای کم‌ولتاژ را در برابر خطاهای ولتاژ بالا محافظت می‌کند.

س: آیا می‌توانم از این‌ها برای سیگنال‌های ورودی AC استفاده کنم؟

ج: ورودی یک LED است که یک دیود است. این فقط در نیم‌سیکل مثبت یک سیگنال AC هدایت می‌کند. برای حس‌گری ورودی AC واقعی، یک یکسوکننده پل یا یک فوتوکوپلر با ورودی AC اختصاصی مورد نیاز است.

14. مثال‌های طراحی و کاربرد

مثال 1: درایور رله میکروکنترلر:یک کاربرد رایج، ایزوله کردن یک میکروکنترلر 3.3 ولتی یا 5 ولتی از سیم پیچ رله 12 ولتی یا 24 ولتی است. پایه GPIO میکروکنترلر، از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان (مثلاً 220Ω برای تغذیه 5 ولت و I_F~10mA)، طرف LED را راه‌اندازی می‌کند. کلکتور فوتودارلینگتون به سیم پیچ رله و امیتر به زمین متصل است. یک دیود فلای‌بک باید در دو سر سیم پیچ رله قرار داده شود. CTR بالا اطمینان می‌دهد که رله حتی اگر پایه میکروکنترلر فقط بتواند جریان متوسطی تأمین کند، به طور کامل تحریک شود.

مثال 2: تشخیص عبور از صفر ولتاژ اصلی:اگرچه برای اتصال مستقیم به برق اصلی نیست، اما این کوپلرها می‌توانند در مسیر فیدبک ایزوله یک منبع تغذیه سوئیچینگ یا در مدار تشخیص عبور از صفر استفاده شوند که در آن یک سیگنال ایزوله با ولتاژ بالاتر نیاز به ارتباط با یک مدار منطقی کم‌ولتاژ دارد. ولتاژ ایزولاسیون بالا در اینجا حیاتی است.

مثال 3: ماژول ورودی دیجیتال صنعتی:در یک ماژول ورودی PLC، این آپتوکوپلرها می‌توانند سیگنال‌های سنسور میدانی (مانند سوئیچ‌های مجاورتی 24 ولت DC) را از مدار منطقی داخلی ایزوله کنند، مصونیت در برابر نویز ایجاد کرده و کنترلر مرکزی را در برابر تغییرات ولتاژ ناگهانی در طرف میدانی محافظت کنند.

15. اصل عملکرد

اصل اساسی تبدیل الکترواپتیکی-الکتریکی است. هنگامی که یک جریان مستقیم (I_F) به LED مادون قرمز ورودی اعمال می‌شود، فوتون‌ها (نور) ساطع می‌کند. این نور از یک شکاف عایق شفاف در داخل پکیج عبور کرده و به ناحیه بیس ترانزیستور فوتودارلینگتون سیلیکونی خروجی برخورد می‌کند. فوتون‌های جذب شده جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند و یک فوتوکرنت ایجاد می‌کنند که به عنوان جریان بیس برای ترانزیستور اول جفت دارلینگتون عمل می‌کند. این فوتوکرنت کوچک توسط بهره بالای دو ترانزیستور تقویت می‌شود و منجر به یک جریان کلکتور بسیار بزرگتر (I_C) می‌شود که می‌تواند یک بار خارجی را سوئیچ کند. نکته کلیدی این است که تنها اتصال بین ورودی و خروجی پرتو نور است که ایزولاسیون الکتریکی را فراهم می‌کند.

16. روندهای فناوری

آپتوکوپلرهای فوتودارلینگتون نمایانگر یک فناوری بالغ و جاافتاده هستند. در حالی که آن‌ها به دلیل سادگی، بهره بالا و مقرون‌به‌صرفه بودن در بسیاری از کاربردهای ایزولاسیون همچنان به طور گسترده استفاده می‌شوند، چندین روند قابل توجه است. یک تغییر کلی صنعتی به سمت پکیج‌های نصب سطحی (مانند گزینه‌های S و S1) برای امکان مونتاژ خودکار و کاهش فضای برد وجود دارد. تقاضا برای نرخ داده بالاتر در ارتباطات صنعتی، پذیرش فناوری‌های سریع‌تر مانند ایزولاتورهای دیجیتال (بر اساس کوپلینگ خازنی یا مغناطیسی) و فوتوکوپلرهای پرسرعت با منطق مجتمع را هدایت می‌کند. با این حال، برای کاربردهایی که اولویت با ولتاژ ایزولاسیون بالا، استحکام و قابلیت درایو جریان بالا در فرکانس‌های پایین است، کوپلرهای فوتودارلینگتون همچنان یک راه‌حل بسیار مرتبط و قابل اعتماد باقی می‌مانند. توسعه‌های جاری بر بهبود عملکرد دمای بالا و قابلیت اطمینان بلندمدت مواد LED و مواد کپسوله‌کننده پلاستیکی متمرکز است.