دیتاشیت فوتوکوپلر CNY17-X و CNY17F-X - بسته‌بندی 6 پین DIP - ایزولاسیون 5000 ولت RMS - نسبت انتقال جریان 40 تا 320 درصد - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

سری‌های CNY17-X و CNY17F-X خانواده‌ای از فوتوکوپلرها (اپتوکوپلرها یا اپتوایزولاتورها) با بسته‌بندی 6 پین دو ردیفه (DIP) هستند. هر قطعه از یک دیود نور‌افشان مادون قرمز آرسنید گالیم (LED) تشکیل شده که از نظر نوری به یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN کوپل شده است. عملکرد اصلی، ایجاد ایزولاسیون الکتریکی بین دو مدار، در عین امکان انتقال سیگنال از طریق نور است. تمایز کلیدی بین دو سری، وجود اتصال پایه خارجی (پین 6) در CNY17-X است که در سری CNY17F-X وجود ندارد (بدون اتصال). سری CNY17F-X حساسیت کمتری نسبت به نویز دارد.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

این قطعات برای کاربردهایی طراحی شده‌اند که نیازمند ایزولاسیون سیگنال قابل اطمینان هستند. مزایای اصلی آن‌ها شامل ولتاژ ایزولاسیون بالا به میزان 5000 ولت_RMS، فرم فاکتور جمع و جور DIP مناسب برای نصب ترو-هول، و گروه‌بندی‌های انتخابی نسبت انتقال جریان (CTR) برای یکنواختی در طراحی است. این قطعات توسط نهادهای اصلی استانداردهای ایمنی بین‌المللی (UL, cUL, VDE, SEMKO و غیره) تأیید شده‌اند و برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی، مصرفی و منبع تغذیه که ایمنی و مصونیت در برابر نویز در آن‌ها حیاتی است، مناسب هستند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مطلق

حداکثر مقادیر مطلق، محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر شرایط کاری توصیه شده نیستند.

• ورودی (سمت LED):حداکثر جریان پیوسته مستقیم (I_F) 60 میلی‌آمپر است. جریان پیک مستقیم کوتاه‌مدت (10 میکروثانیه) (I_FM) 1 آمپر مجاز است. حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) روی LED برابر 6 ولت است. اتلاف توان ورودی (P_D) در دمای 25 درجه سانتی‌گراد 100 میلی‌وات است که بالاتر از 100 درجه سانتی‌گراد با نرخ 3.8 میلی‌وات بر درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد.
• خروجی (سمت فوتوترانزیستور):ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO) و ولتاژ کلکتور-بیس (V_CBO، فقط برای CNY17-X) در 80 ولت ریت شده‌اند. ولتاژهای امیتر-کلکتور (V_ECO) و امیتر-بیس (V_EBO) 7 ولت هستند. اتلاف توان خروجی (P_C) در دمای 25 درجه سانتی‌گراد 150 میلی‌وات است که بالاتر از 100 درجه سانتی‌گراد با نرخ 9.0 میلی‌وات بر درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد.
• کل قطعه:کل اتلاف توان قطعه (P_TOT) نباید از 200 میلی‌وات تجاوز کند.
• ایزولاسیون و محیط:ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO) برابر 5000 ولت_RMS(AC به مدت 1 دقیقه) است. محدوده دمای کاری (T_OPR) از 55- درجه تا 110+ درجه سانتی‌گراد است. حداکثر دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط کاری معمول (T_a= 25 درجه سانتی‌گراد مگر خلاف آن ذکر شده) تعریف می‌کنند.

2.2.1 مشخصات ورودی (LED مادون قرمز)

• ولتاژ مستقیم (V_F):حداکثر 1.65 ولت در I_F= 60 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ روی LED هنگام هدایت است.
• جریان معکوس (I_R):حداکثر 10 میکروآمپر در V_R= 6 ولت. این جریان نشتی هنگام بایاس معکوس LED است.
• ظرفیت ورودی (C_in):معمولاً 18 پیکوفاراد. این بر عملکرد سوئیچینگ فرکانس بالا در سمت ورودی تأثیر می‌گذارد.

2.2.2 مشخصات خروجی (فوتوترانزیستور)

• جریان‌های تاریک:با خاموش بودن LED (I_F=0)، جریان‌های نشتی وجود دارند. I_CEO(کلکتور-امیتر) معمولاً 50 نانوآمپر در V_CE=10 ولت است. I_CBO(کلکتور-بیس، فقط CNY17-X) حداکثر 20 نانوآمپر در V_CB=10 ولت است.
• ولتاژهای شکست: BV_CEOو BV_CBOحداقل 80 ولت هستند. BV_ECOحداقل 7 ولت است.
• ظرفیت خروجی (C_CE):معمولاً 8 پیکوفاراد. این بر سرعت سوئیچینگ خروجی تأثیر می‌گذارد.

2.3 مشخصات انتقال

این‌ها حیاتی‌ترین پارامترها برای کاربردهای کوپلینگ سیگنال هستند.

• نسبت انتقال جریان (CTR):این نسبت جریان کلکتور خروجی (I_C) به جریان مستقیم LED ورودی (I_F) است که به صورت درصد بیان می‌شود. قطعات در چهار محدوده مجزای CTR گروه‌بندی شده‌اند:
  • CNY17-1 / CNY17F-1:CTR = 40% تا 80% (در I_F=10mA, V_CE=5V)
  • CNY17-2 / CNY17F-2:CTR = 63% تا 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3:CTR = 100% تا 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4:CTR = 160% تا 320%
• CTR در جریان پایین:در I_F= 1mA، حداقل CTR مشخص شده است (مثلاً 13% برای گرید -1، 56% برای گرید -4). این برای کاربردهای حس‌گری کم‌توان یا آنالوگ مهم است.
• ولتاژ اشباع (V_CE(sat)):حداکثر 0.3 ولت در I_F=10mA, I_C=2.5mA. این ولتاژ روی ترانزیستور زمانی است که کاملاً "روشن" است.
• مقاومت ایزولاسیون (R_IO):حداقل 10¹¹Ω. این نشان‌دهنده مقاومت DC بسیار بالا بین سمت‌های ورودی و خروجی است.
• ظرفیت ورودی-خروجی (C_IO):معمولاً 0.5 پیکوفاراد. این ظرفیت کوچک کلید دستیابی به مصونیت بالا در برابر نویز حالت مشترک (CMTI) است.

2.4 مشخصات سوئیچینگ

عملکرد دینامیک توسط زمان‌های روشن/خاموش و صعود/سقوط تعریف می‌شود که به شرایط تست بستگی دارند.

• شرایط 1 (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω):
  • زمان روشن شدن (t_on): معمولاً 10 میکروثانیه، حداکثر 12 میکروثانیه.
  • زمان خاموش شدن (t_off): معمولاً 9 میکروثانیه، حداکثر 12 میکروثانیه.
  • زمان صعود (t_r): معمولاً 6 میکروثانیه، حداکثر 10 میکروثانیه.
  • زمان سقوط (t_f): معمولاً 8 میکروثانیه، حداکثر 10 میکروثانیه.
• شرایط 2 (V_CC=5V, I_F=10mA, R_L=75Ω):
  • زمان صعود (t_r): معمولاً 2 میکروثانیه، حداکثر 10 میکروثانیه.
  • زمان سقوط (t_f): معمولاً 3 میکروثانیه، حداکثر 10 میکروثانیه.

3. توضیح سیستم درجه‌بندی

درجه‌بندی اصلی برای این فوتوکوپلرها بر اساسنسبت انتقال جریان (CTR)است. چهار گرید (1، 2، 3، 4) مقادیر حداقل و حداکثر CTR پیشرونده‌ای ارائه می‌دهند. این به طراحان اجازه می‌دهد قطعه‌ای را انتخاب کنند که با بهره سیگنال مورد نیازشان مطابقت دارد و یکنواختی در دسته‌های تولید را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، یک مدار ورودی دیجیتال که نیاز به سیگنال قوی و تعریف‌شده دارد ممکن است از گرید -3 یا -4 استفاده کند، در حالی که مداری که به تغییرات حساس است ممکن است گرید -1 با بهره پایین‌تر و محدوده باریک‌تر را مشخص کند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به "منحنی‌های مشخصات الکترواپتیکی معمول" اشاره می‌کند. در حالی که نمودارهای خاص در متن ارائه شده جزئیات ندارند، منحنی‌های معمول برای چنین قطعاتی شامل موارد زیر است:

• CTR در مقابل جریان مستقیم (I_F):نشان می‌دهد نسبت انتقال چگونه با جریان راه‌اندازی LED تغییر می‌کند، که معمولاً در یک جریان خاص به اوج می‌رسد.
• CTR در مقابل دما:کاهش CTR با افزایش دمای محیط را نشان می‌دهد که برای کار در دمای بالا حیاتی است.
• جریان کلکتور (I_C) در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CE):مشخصات خروجی فوتوترانزیستور، که ناحیه اشباع و ناحیه فعال را نشان می‌دهد.
• ولتاژ مستقیم (V_F) در مقابل جریان مستقیم (I_F):مشخصه IV دیود نور‌افشان مادون قرمز.

این منحنی‌ها برای درک رفتار قطعه تحت شرایط غیراستاندارد و بهینه‌سازی طراحی مدار ضروری هستند.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

این قطعات در یک بسته‌بندی استاندارد 6 پین DIP با چندین گزینه فرم پایه ارائه می‌شوند.

5.1 ابعاد و گزینه‌های بسته‌بندی

• DIP استاندارد:بسته‌بندی ترو-هول پیش‌فرض.
• گزینه M:دارای "خم پایه عریض" است که فاصله پایه 0.4 اینچ (تقریباً 10.16 میلی‌متر) را برای سازگاری با ردپای PCB عریض‌تر فراهم می‌کند.
• گزینه S:فرم پایه نصب سطحی. طراحی شده برای فرآیندهای لحیم‌کاری رفلو.
• گزینه S1:فرم پایه نصب سطحی با "پروفایل پایین" برای کاربردهایی با محدودیت ارتفاع.

نقشه‌های ابعادی دقیق (بر حسب میلی‌متر) برای هر گزینه ارائه شده است که اندازه بدنه، طول پایه، فاصله پایه‌ها و صفحه نشیمن را مشخص می‌کند.

5.2 پیکربندی و قطبیت پایه‌ها

شناسایی واضح پایه‌ها برای نصب صحیح حیاتی است.

• CNY17-X (با پایه بیس):
  1. آند (LED +)
  2. کاتد (LED -)
  3. بدون اتصال
  4. امیتر (فوتوترانزیستور)
  5. کلکتور (فوتوترانزیستور)
  6. بیس (فوتوترانزیستور، اتصال خارجی)
• CNY17F-X (بدون پایه بیس):
  1. آند (LED +)
  2. کاتد (LED -)
  3. بدون اتصال
  4. امیتر (فوتوترانزیستور)
  5. کلکتور (فوتوترانزیستور)
  6. بدون اتصال

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

دیتاشیت حداکثر دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه را مشخص می‌کند. این معمولاً برای لحیم‌کاری موجی یا دستی پایه‌های ترو-هول است. برای گزینه‌های نصب سطحی (S, S1)، باید از پروفایل‌های استاندارد رفلو مادون قرمز یا همرفتی با حداکثر دمای 260 درجه سانتی‌گراد استفاده شود. باید اقدامات احتیاطی برای جلوگیری از تنش مکانیکی بیش از حد روی بسته‌بندی در حین جابجایی انجام شود. انبارش باید در یک محیط خشک و ضد استاتیک در محدوده دمای مشخص شده 55- تا 125+ درجه سانتی‌گراد انجام شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 قانون شماره‌گذاری مدل

شماره قطعه از فرمت زیر پیروی می‌کند:CNY17-XY(Z)-VیاCNY17F-XY(Z)-V

• X:شماره قطعه / گرید CTR (1، 2، 3 یا 4).
• Y:گزینه فرم پایه (S، S1، M، یا هیچ‌کدام برای DIP استاندارد).
• Z:گزینه نوار و قرقره (TA، TB، یا هیچ‌کدام). فقط برای گزینه‌های S و S1 اعمال می‌شود.
• V:علامت‌گذاری اختیاری تأییدیه VDE.

7.2 مشخصات بسته‌بندی

• بسته‌بندی تیوب:DIP استاندارد و گزینه M در تیوب‌های حاوی 65 قطعه عرضه می‌شوند.
• نوار و قرقره:گزینه‌های S و S1 روی نوار و قرقره موجود هستند. هر دو گزینه TA و TB حاوی 1000 قطعه در هر قرقره هستند.

8. توصیه‌های کاربردی

8.1 مدارهای کاربردی معمول

دیتاشیت کاربردهای رایج را فهرست می‌کند: تنظیم‌کننده‌های منبع تغذیه (برای ایزولاسیون فیدبک)، ورودی‌های منطق دیجیتال (برای تغییر سطح و ایزولاسیون نویز)، و ورودی‌های میکروپروسسور (برای ارتباط با سیگنال‌های خارجی پرنویز). یک مدار تست خاص برای زمان‌های سوئیچینگ نشان داده شده است (شکل 11)، که شامل یک مقاومت محدودکننده جریان ورودی (R_IN)، یک مقاومت اختیاری بیس-امیتر برای CNY17-X (R_BE)، و یک مقاومت بار کلکتور (R_L) است.

8.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان LED:همیشه از یک مقاومت سری برای محدود کردن I_Fبه مقدار مورد نظر استفاده کنید، معمولاً بین 1 میلی‌آمپر تا 20 میلی‌آمپر برای تعادل بین سرعت، CTR و توان.
• مقاومت بار (R_L):مقدار R_Lروی کلکتور بر سرعت سوئیچینگ، دامنه خروجی و مصرف توان تأثیر می‌گذارد. یک R_Lکوچک‌تر زمان‌های سقوط سریع‌تری می‌دهد اما دامنه ولتاژ خروجی را کاهش می‌دهد.
• مصونیت در برابر نویز (CNY17F-X):سری CNY17F-X، بدون اتصال بیس خارجی، حساسیت کمتری نسبت به تزریق نویز به ناحیه بیس حساس فوتوترانزیستور دارد و آن را در محیط‌های پرنویز الکتریکی ترجیح‌پذیر می‌کند.
• مبادله سرعت در مقابل جریان:I_Fبالاتر به طور کلی سرعت سوئیچینگ را بهبود می‌بخشد اما اتلاف توان را افزایش می‌دهد. به مشخصات زمان سوئیچینگ تحت شرایط تست مختلف مراجعه کنید.
• تخریب CTR:CTR می‌تواند در طول عمر قطعه کاهش یابد، به ویژه در دماها و جریان‌های کاری بالا. طراحی را بر این اساس برای قابلیت اطمینان بلندمدت کاهش بار دهید.

9. مقایسه فنی

متمایزکننده کلیدی در این خانواده، وجود (CNY17-X) یا عدم وجود (CNY17F-X) پایه بیس خارجی است. CNY17-X انعطاف‌پذیری طراحی بیشتری ارائه می‌دهد؛ پایه بیس می‌تواند باز گذاشته شود، از طریق یک مقاومت به امیتر متصل شود (برای بهبود سرعت با تخلیه بار ذخیره شده)، یا در پیکربندی‌های بایاس خاصی استفاده شود. CNY17F-X مصونیت برتر در برابر نویز ارائه می‌دهد زیرا بیس فوتوترانزیستور کاملاً داخلی و غیرقابل دسترسی است، که یک مزیت قابل توجه در محیط‌های صنعتی پرنویز است. هر دو سری مشخصات ایزولاسیون، ولتاژ و CTR یکسانی دارند.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت اصلی بین گریدهای -1، -2، -3 و -4 چیست؟

ج: تفاوت در محدوده تضمین شده نسبت انتقال جریان (CTR) است. گرید -4 بالاترین بهره (160-320%) را دارد، در حالی که گرید -1 کمترین بهره (40-80%) را دارد. بر اساس تقویت سیگنال مورد نیاز در مدار خود انتخاب کنید.

س: چه زمانی باید به جای CNY17-X از CNY17F-X استفاده کنم؟

ج: زمانی که در محیط‌های با نویز الکتریکی قابل توجه (مانند درایوهای موتور، کنترل‌های صنعتی) کار می‌کنید از CNY17F-X استفاده کنید. عدم وجود اتصال بیس خارجی باعث می‌شود ذاتاً حساسیت کمتری نسبت به کوپلینگ تداخل الکترومغناطیسی (EMI) به ناحیه بیس حساس داشته باشد.

س: چگونه مقاومت سری ورودی برای LED را محاسبه کنم؟

ج: از قانون اهم استفاده کنید: R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F. فرض کنید V_F≈ 1.2V معمول (حداکثر 1.65V). به عنوان مثال، با منبع تغذیه 5V و I_Fمورد نظر 10mA: R_IN= (5V - 1.2V) / 0.01A = 380Ω. از یک مقاومت استاندارد 390Ω استفاده کنید.

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

ج: بله، اما با محدودیت. خروجی فوتوترانزیستور یک‌سو (DC) است. برای انتقال سیگنال‌های AC، معمولاً به دو فوتوکوپلر (یکی برای هر نیم‌سیکل) یا مدارهای اضافی برای بایاس کردن خروجی به ناحیه خطی آن برای انتقال آنالوگ نیاز دارید، اگرچه خطی بودن یک پارامتر مشخص شده برای این قطعه نیست.

11. مثال عملی طراحی

سناریو:ایزوله کردن پین GPIO میکروکنترلر 3.3 ولتی از سیگنال سنسور صنعتی 24 ولتی.

1. انتخاب قطعه:CNY17F-3 را برای بهره خوب (CTR 100-200%) و مصونیت بالا در برابر نویز انتخاب کنید.
2. سمت ورودی (میکروکنترلر):پین GPIO از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان، LED را راه‌اندازی می‌کند. با V_{GPIO_HIGH}≈ 3.3V و I_Fهدف 5mA: R_IN= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω. از 430Ω استفاده کنید.
3. سمت خروجی (رابط سنسور):کلکتور فوتوترانزیستور را از طریق یک مقاومت pull-up (R_L) به منبع تغذیه 24 ولت متصل کنید. امیتر به زمین متصل می‌شود. R_Lرا طوری انتخاب کنید که اطمینان حاصل شود خروجی هنگام روشن بودن اشباع می‌شود و هنگام خاموش بودن یک منطق HIGH معتبر ارائه می‌دهد. با I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5mA = 7.5mA (معمول)، و منطق HIGH خروجی مورد نظر حدود 20V هنگام خاموش بودن: R_L≤ (24V - 20V) / (I_CEO). با I_CEOحداکثر ~50nA، تقریباً هر مقداری برای نشتی کار می‌کند. برای سرعت سوئیچینگ، یک مقاومت 10kΩ نقطه شروع رایجی است. خروجی (نود کلکتور) اکنون یک کپی ایزوله و معکوس‌شده از سیگنال ورودی را ارائه می‌دهد.

12. اصل عملکرد

یک فوتوکوپلر با تبدیل یک سیگنال الکتریکی به نور، انتقال آن در سراسر یک مانع عایق الکتریکی، و سپس تبدیل نور به سیگنال الکتریکی عمل می‌کند. در سری‌های CNY17-X/F-X، یک جریان الکتریکی (I_F) از طریق LED مادون قرمز جریان می‌یابد و باعث می‌شود فوتون ساطع کند. این فوتون‌ها از یک ترکیب قالب عایق شفاف عبور می‌کنند و به ناحیه بیس فوتوترانزیستور سیلیکونی برخورد می‌کنند. انرژی فوتون جفت‌های الکترون-حفره در بیس ایجاد می‌کند و یک جریان بیس ایجاد می‌کند که ترانزیستور را روشن می‌کند و اجازه می‌دهد یک جریان کلکتور (I_C) جریان یابد. نسبت I_C/I_F، CTR است. هیچ اتصال الکتریکی بین ورودی و خروجی وجود ندارد و ایزولاسیون گالوانیکی را فراهم می‌کند که توسط استحکام دی‌الکتریک ترکیب قالب و فاصله داخلی پایه‌ها (فاصله خزشی >7.6mm) تعیین می‌شود.

13. روندهای فناوری

فناوری فوتوکوپلر همچنان در حال تکامل است. در حالی که کوپلرهای سنتی مبتنی بر فوتوترانزیستور مانند سری CNY17 برای ایزولاسیون عمومی و مقرون‌به‌صرفه محبوب باقی مانده‌اند، روندها به سمت موارد زیر حرکت می‌کنند:

سرعت بالاتر:توسعه کوپلرهای سریع‌تر با استفاده از فوتودیود و تقویت‌کننده مجتمع (مانند ایزولاتورهای دیجیتال) برای انتقال داده چند مگابیت بر ثانیه.

یکپارچه‌سازی بالاتر:ترکیب چندین کانال ایزولاسیون یا یکپارچه‌سازی ایزولاسیون با عملکردهای دیگر مانند درایورهای گیت یا رابط‌های ADC در یک بسته واحد.

قابلیت اطمینان و عمر بهبودیافته:تمرکز بر مواد و طراحی‌هایی که تخریب CTR در طول زمان و دما را به حداقل می‌رسانند.

کوچک‌سازی:مهاجرت به بسته‌بندی‌های نصب سطحی کوچک‌تر (SOIC, SSOP) با ریتینگ ایزولاسیون یکسان یا بهتر. گزینه‌های S و S1 سری CNY17 این روند به سمت مونتاژ سطحی را منعکس می‌کنند.