دیتاشیت سری EL253X - بسته‌بندی 8 پین DIP - سرعت بالا 1 مگابیت بر ثانیه - ایزولاسیون 5000 ولت RMS - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

سری EL253X شامل فوتوکوپلرهای ترانزیستوری دو کاناله با سرعت بالا می‌باشد. هر دستگاه یک دیود مادون قرمز ساطع‌کننده نور را که به صورت نوری به یک ترانزیستور فوتودتکتور سرعت بالا کوپل شده است، در خود ادغام کرده است. یک ویژگی معماری کلیدی، اتصال جداگانه برای بایاس فوتودیود و کلکتور ترانزیستور خروجی است. این طراحی با کاهش ظرفیت بیس-کلکتور ترانزیستور ورودی در مقایسه با کوپلرهای فوتوترانزیستوری مرسوم، به طور قابل توجهی سرعت عملیاتی را افزایش می‌دهد. دستگاه‌ها در یک بسته استاندارد دو خطی 8 پین (DIP) ارائه می‌شوند و با گزینه‌هایی برای فاصله پایه‌های عریض و پیکربندی‌های نصب سطحی در دسترس هستند.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزیت اصلی سری EL253X ترکیب قابلیت انتقال داده با سرعت بالا (تا 1 مگابیت بر ثانیه) و ایزولاسیون الکتریکی قوی است. این امر آن را برای کاربردهایی که نیاز به انتقال سیگنال قابل اطمینان بین مدارات با پتانسیل‌های زمین یا سطوح ولتاژ متفاوت دارند، مناسب می‌سازد. ویژگی‌های کلیدی که از این امر پشتیبانی می‌کنند شامل ایمنی بالای گذرای حالت مشترک (CMTI) با حداقل 10 کیلوولت بر میکروثانیه برای نوع EL2611 (برای اطمینان از عملکرد پایدار در محیط‌های الکتریکی پرنویز) و ولتاژ ایزولاسیون بالا معادل 5000 ولت RMS بین ورودی و خروجی می‌باشد. عملکرد دستگاه‌ها در محدوده دمایی وسیع 40- تا 85+ درجه سانتی‌گراد تضمین شده است که نیازهای کاربردهای صنعتی و خودرویی را برآورده می‌سازد. خروجی گیت منطقی، واسط‌سازی با مدارات دیجیتال را ساده می‌کند. انطباق با دستورالعمل‌های بدون سرب و RoHS، همراه با تأییدیه‌های آژانس‌های ایمنی بین‌المللی اصلی (مانند UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO، FIMKO)، بر قابلیت اطمینان و مناسب بودن آن‌ها برای بازارهای جهانی تأکید دارد. کاربردهای هدف شامل گیرنده‌های خطی، تجهیزات مخابراتی، ایزولاسیون برای ترانزیستورهای قدرت در درایورهای موتور، حلقه‌های فیدبک در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، لوازم خانگی و همچنین ارتقاء برای کوپلرهای فوتوترانزیستوری با سرعت پایین‌تر می‌باشد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی از مشخصات الکتریکی و عملکردی ذکر شده در دیتاشیت را ارائه می‌دهد.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این‌ها شرایط عملیاتی توصیه شده نیستند. محدودیت‌های حیاتی شامل: جریان مستقیم پیوسته (I_F) معادل 25 میلی‌آمپر، جریان مستقیم پیک (I_FP) معادل 50 میلی‌آمپر (چرخه کاری 50%، عرض پالس 1 میلی‌ثانیه) و جریان گذرای پیک بسیار بالا (I_Ftrans) معادل 1 آمپر برای پالس‌های بسیار کوتاه (≤1 میکروثانیه) می‌باشد. خروجی می‌تواند ولتاژی (V_O) از 0.5- تا 20 ولت را تحمل کند و ولتاژ تغذیه (V_CC) می‌تواند در محدوده 0.5- تا 30 ولت باشد. ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO) معادل 5000 ولت RMS برای مدت یک دقیقه درجه‌بندی شده است که تحت شرایط رطوبت خاصی آزمایش می‌شود. دستگاه می‌تواند در دمای محیط (T_OPR) از 40- تا 100+ درجه سانتی‌گراد کار کند و در دمای ذخیره‌سازی (T_STG) از 40- تا 125+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود. دمای لحیم‌کاری (T_SOL) معادل 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه مشخص شده است که یک پروفیل استاندارد ریفلو بدون سرب می‌باشد.

2.2 مشخصات الکتریکی

این پارامترها عملکرد دستگاه را تحت شرایط عملیاتی عادی، معمولاً در دمای 25 درجه سانتی‌گراد (مگر خلاف آن ذکر شده باشد) تعریف می‌کنند.

2.2.1 مشخصات ورودی

ولتاژ مستقیم (V_F) به طور معمول 1.45 ولت در جریان مستقیم (I_F) معادل 16 میلی‌آمپر است. این پارامتر دارای ضریب دمایی منفی تقریباً 1.9- میلی‌ولت بر درجه سانتی‌گراد است، به این معنی که V_F با افزایش دما کمی کاهش می‌یابد. حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت است. ظرفیت ورودی (C_IN) به طور معمول 60 پیکوفاراد است که عاملی در عملکرد سوئیچینگ سرعت بالا محسوب می‌شود.

2.2.2 مشخصات خروجی

جریان خروجی منطقی یک (I_OH) بسیار کم است (معمولاً 0.001 میکروآمپر در V_CC=5.5 ولت) که نشان‌دهنده مشخصات عالی نشتی خروجی در حالت خاموش است. جریان تغذیه به طور قابل توجهی بین حالت‌های منطقی متفاوت است: جریان تغذیه منطقی صفر (I_CCL) به طور معمول 140 میکروآمپر هنگامی که LED ورودی راه‌اندازی می‌شود (I_F=16 میلی‌آمپر) است، در حالی که جریان تغذیه منطقی یک (I_CCH) به طور معمول تنها 0.01 میکروآمپر هنگامی که ورودی خاموش است می‌باشد. این موضوع مصرف توان پایین در حالت بیکار را برجسته می‌سازد.

2.3 مشخصات انتقال

این بخش رابطه بین ورودی و خروجی را تعریف می‌کند.

2.3.1 نسبت انتقال جریان (CTR)

CTR که یک پارامتر کلیدی برای فوتوکوپلرها است، نسبت جریان کلکتور خروجی به جریان LED ورودی است که به صورت درصد بیان می‌شود. EL2530 دارای محدوده CTR از 7% تا 50% است، در حالی که EL2531 دارای محدوده بالاتری از 19% تا 50% می‌باشد (هر دو در I_F=16 میلی‌آمپر، V_O=0.4 ولت، V_CC=4.5 ولت، 25 درجه سانتی‌گراد). بنابراین EL2531 نوع با بهره بالاتر است. حداقل مقادیر CTR برای EL2530 معادل 5% و برای EL2531 معادل 15% تحت شرایط کمی متفاوت (V_O=0.5 ولت) تضمین شده است.

2.3.2 ولتاژ خروجی منطقی صفر (V_OL)

این ولتاژ در خروجی هنگامی است که دستگاه در حالت 'روشن' یا صفر منطقی قرار دارد. برای EL2530، V_OL به طور معمول 0.18 ولت با جریان خروجی (I_O) معادل 1.1 میلی‌آمپر است. برای EL2531، این مقدار به طور معمول 0.25 ولت با I_O=3 میلی‌آمپر است. حداکثر V_OL برای هر دو تحت شرایط آزمایش مربوطه خود 0.5 ولت است که سطوح منطقی صفر محکمی را برای واسط‌سازی تضمین می‌کند.

2.4 مشخصات سوئیچینگ

این پارامترها برای کاربردهای سرعت بالا حیاتی هستند. آزمایش‌ها در I_F=16 میلی‌آمپر و V_CC=5 ولت انجام می‌شوند.

2.4.1 تأخیر انتشار

تأخیر انتشار به منطقی صفر (t_PHL) و به منطقی یک (t_PLH) اندازه‌گیری می‌شود. برای EL2530 با مقاومت بار (R_L) معادل 4.1 کیلواهم، t_PHL به طور معمول 0.35 میکروثانیه (حداکثر 2.0 میکروثانیه) و t_PLH به طور معمول 0.5 میکروثانیه (حداکثر 2.0 میکروثانیه) است. برای EL2531 با R_L معادل 1.9 کیلواهم، هر دو تأخیر به ترتیب به طور معمول 0.35 میکروثانیه و 0.3 میکروثانیه (حداکثر 1.0 میکروثانیه) هستند. EL2531 زمان‌های سوئیچینگ سریع‌تری را نشان می‌دهد که بخشی از آن به دلیل CTR بالاتر آن است که اجازه استفاده از یک مقاومت pull-up کوچکتر را می‌دهد.

2.4.2 ایمنی گذرای حالت مشترک (CMTI)

CMTI توانایی دستگاه در رد کردن گذراهای ولتاژ سریع بین زمین‌های ورودی و خروجی را اندازه‌گیری می‌کند. این پارامتر بر حسب ولت بر میکروثانیه (V/µs) مشخص می‌شود. هر دو EL2530 و EL2531 دارای حداقل CMTI معادل 1000 V/µs و مقدار معمولی معادل 10000 V/µs برای هر دو حالت منطقی یک (CM_H) و منطقی صفر (CM_L) هستند. شرایط آزمایش متفاوت است: EL2530 از یک پالس حالت مشترک 10 ولت پیک-تو-پیک استفاده می‌کند، در حالی که EL2531 از یک پالس 1000 ولت پیک-تو-پیک استفاده می‌کند که نشان‌دهنده آزمایش بالقوه قوی‌تر برای نوع اخیر در این جنبه است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکترواپتیکی معمول ارجاع می‌دهد. در حالی که نمودارهای خاص در متن ارائه شده بازتولید نشده‌اند، آن‌ها معمولاً شامل نمودارهایی از نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل جریان مستقیم (I_F)، CTR در مقابل دمای محیط (T_A)، تأخیر انتشار در مقابل مقاومت بار (R_L) و ولتاژ مستقیم (V_F) در مقابل I_F می‌باشند. این منحنی‌ها برای طراحان ضروری هستند تا درک کنند که پارامترها تحت شرایط غیرایده‌آل یا متغیر، مانند جریان‌های راه‌اندازی پایین‌تر، دمای بالاتر یا پیکربندی‌های بار متفاوت، چگونه تغییر می‌کنند و این امر امکان طراحی مدار قوی در محدوده عملیاتی مشخص شده را فراهم می‌آورد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

دستگاه از یک بسته 8 پین DIP استفاده می‌کند. پیکربندی پایه‌ها به شرح زیر است: پایه 1: آند (کانال 1)، پایه 2: کاتد (کانال 1)، پایه 3: کاتد (کانال 2)، پایه 4: آند (کانال 2)، پایه 5: زمین (GND)، پایه 6: خروجی 2 (V_OUT2)، پایه 7: خروجی 1 (V_OUT1)، پایه 8: ولتاژ تغذیه (V_CC). بسته در چندین گزینه فرم پایه در دسترس است: DIP استاندارد، خم پایه عریض (فاصله 0.4 اینچ، گزینه 'M') و فرم‌های پایه نصب سطحی (گزینه‌های 'S' و 'S1' با پروفیل کوتاه).

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقدار مجاز مطلق برای دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه است. این با پروفیل‌های معمول لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب همسو است. برای لحیم‌کاری موجی یا دستی، باید روش‌های استاندارد برای قطعات سوراخ‌دار یا SMD رعایت شود و محدودیت‌های حداکثر دما و زمان برای جلوگیری از آسیب بسته یا تخریب مواد داخلی مورد احترام قرار گیرد. دستگاه‌ها باید در شرایطی در محدوده دمای ذخیره‌سازی (40- تا 125+ درجه سانتی‌گراد) و در بسته‌بندی حساس به رطوبت در صورت لزوم برای انواع SMD نگهداری شوند تا از "پاپ کورن شدن" در حین ریفلو جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

شماره قطعه از فرمت زیر پیروی می‌کند: EL253XY(Z)-V. 'X' نشان‌دهنده شماره قطعه است (0 برای EL2530، 1 برای EL2531). 'Y' گزینه فرم پایه را نشان می‌دهد: خالی برای DIP استاندارد، 'M' برای خم پایه عریض، 'S' برای نصب سطحی، 'S1' برای نصب سطحی با پروفیل کوتاه. 'Z' گزینه نوار و قرقره را مشخص می‌کند: 'TA' یا 'TB' (انواع مختلف قرقره)، یا خالی برای بسته‌بندی تیوب. 'V' یک پسوند اختیاری برای تأییدیه VDE است. تعداد بسته‌بندی 45 واحد در هر تیوب برای نسخه‌های سوراخ‌دار و 1000 واحد در هر قرقره برای نسخه‌های SMD نوار و قرقره می‌باشد.

7. توصیه‌های کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی معمول

• گیرنده‌های خطی:ایزوله کردن خطوط ارتباطی دیجیتال (مانند RS-485، RS-422) برای جلوگیری از حلقه‌های زمینی و نویز.
• ایزولاسیون درایو موتور:ارائه سیگنال‌های درایو گیت به ترانزیستورهای قدرت (IGBTها، MOSFETها) در درایوهای فرکانس متغیر، ایزوله کردن منطق کنترل کم‌ولتاژ از مرحله قدرت پرولتاژ.
• فیدبک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS):ایزوله کردن سیگنال خطای فیدبک از سمت ثانویه (خروجی) به کنترلر سمت اولیه (ورودی)، که یک نیاز ایمنی و عملکردی حیاتی است.
• ایزولاسیون زمین منطقی:جدا کردن زمین بین زیرسیستم‌های دیجیتال پرنویز (مانند بین یک میکروکنترلر و یک IC درایور موتور) برای جلوگیری از کوپلینگ نویز.
• تجهیزات مخابراتی:ایزولاسیون سیگنال در مدارات زنگ، واسط‌های خطی یا حفاظت خط داده.

7.2 ملاحظات طراحی

• مقاومت محدودکننده جریان:باید از یک مقاومت خارجی به صورت سری با LED ورودی برای تنظیم جریان مستقیم (I_F) استفاده شود، معمولاً به مقدار توصیه شده 16 میلی‌آمپر برای سرعت و CTR بهینه.
• مقاومت Pull-Up:خروجی نیاز به یک مقاومت pull-up (R_L) به V_CC دارد. مقدار آن بر سرعت سوئیچینگ و مصرف توان تأثیر می‌گذارد. دیتاشیت شرایط آزمایش را با 4.1 کیلواهم برای EL2530 و 1.9 کیلواهم برای EL2531 مشخص می‌کند.
• دکاپلینگ منبع تغذیه:یک خازن بای‌پس (مانند 0.1 میکروفاراد) را نزدیک به پایه V_CC (پایه 8) و زمین قرار دهید تا عملکرد پایدار را تضمین کرده و نویز سوئیچینگ را به حداقل برسانید.
• لایه‌بندی برای CMTI بالا:برای حفظ CMTI بالا، ظرفیت پارازیتی بین بخش‌های ورودی و خروجی در لایه‌بندی PCB را به حداقل برسانید. فاصله‌های خزشی و هوایی کافی را مطابق با استانداردهای ایمنی فراهم کنید.
• انتخاب بین EL2530 و EL2531:EL2531 را برای کاربردهایی که نیاز به سرعت سوئیچینگ سریع‌تر دارند یا جایی که یک مقاومت pull-up با مقدار پایین‌تر قابل قبول است، انتخاب کنید. EL2530 ممکن است برای کاربردهایی با الزامات سرعت کمتر سخت‌گیرانه یا جایی که جریان تغذیه کمتر در حالت روشن (به دلیل R_L بالاتر) اولویت دارد، انتخاب شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

سری EL253X خود را عمدتاً از طریق سرعت بالا (1 مگابیت بر ثانیه در مقابل معمولاً کمتر از 100 کیلوبیت بر ثانیه برای انواع استاندارد) از کوپلرهای فوتوترانزیستوری استاندارد متمایز می‌کند. اتصال بایاس جداگانه فوتودیود تفاوت معماری کلیدی است که این امر را ممکن می‌سازد. در مقایسه با سایر اپتوکوپلرهای سرعت بالا (مانند آن‌هایی که دارای گیت‌های منطقی مجتمع یا ایزولاتورهای دیجیتال با سرعت بالاتر هستند)، EL253X یک خروجی ترانزیستوری ساده و قوی ارائه می‌دهد که می‌تواند در برخی کاربردهای آنالوگ یا تغییر سطح ولتاژ مزیت داشته باشد و معمولاً با هزینه کمتری همراه است. پیکربندی دو کاناله آن در یک بسته 8 پین منفرد در مقایسه با استفاده از دو دستگاه تک کاناله، فضای برد را ذخیره می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت اصلی بین EL2530 و EL2531 چیست؟

ج: تفاوت اصلی در حداقل نسبت انتقال جریان (CTR) تضمین شده است. EL2531 دارای حداقل CTR بالاتر (15-19% بسته به شرایط آزمایش) در مقایسه با EL2530 (5-7%) است. این به طور کلی به EL2531 اجازه می‌دهد با یک مقاومت بار معین سریع‌تر سوئیچ کند یا از یک مقاومت pull-up بزرگتر برای همان سرعت استفاده کند که بر مصرف توان و قابلیت درایو تأثیر می‌گذارد.

س: آیا می‌توانم LED ورودی را مستقیماً با یک منبع ولتاژ راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. LED باید با یک منبع محدودکننده جریان راه‌اندازی شود که معمولاً با یک مقاومت سری از یک منبع ولتاژ پیاده‌سازی می‌شود. دیتاشیت مشخصات ولتاژ مستقیم (V_F) را برای کمک به محاسبه مقدار مقاومت مناسب برای I_F مورد نظر (مانند 16 میلی‌آمپر) ارائه می‌دهد.

س: ایمنی گذرای حالت مشترک (CMTI) معادل 10 کیلوولت بر میکروثانیه به چه معناست؟

ج: به این معنی است که حالت خروجی صحیح باقی خواهد ماند (به اشتباه تغییر نخواهد کرد) حتی اگر اختلاف ولتاژ بین زمین‌های مدار ورودی و خروجی با نرخی به اندازه 10000 ولت بر میکروثانیه تغییر کند. این امر در درایوهای موتور یا منابع تغذیه که در آن سوئیچینگ پرولتاژ سریع، گذراهای زمینی بزرگی ایجاد می‌کند، حیاتی است.

س: آیا هیت‌سینک مورد نیاز است؟

ج: تحت شرایط عملیاتی عادی و در محدوده حداکثر مقادیر مجاز مطلق برای اتلاف توان (P_IN=45 میلی‌وات، P_O=35 میلی‌وات)، هیت‌سینک مورد نیاز نیست. توان تلف شده نسبتاً کم است. لایه‌بندی PCB مناسب برای اتلاف حرارت معمولاً کافی است.

10. مثال‌های عملی طراحی و استفاده

مورد 1: گسترش‌دهنده GPIO ایزوله.یک میکروکنترلر نیاز به مانیتورینگ سوئیچ‌های حد 12 ولت در یک پنل صنعتی دارد. با استفاده از شش کانال EL2531، GPIOهای 3.3 ولتی میکروکنترلر می‌توانند LEDها را از طریق مقاومت‌های محدودکننده جریان راه‌اندازی کنند. خروجی‌ها که به 12 ولت pull-up شده‌اند، یک سیگنال منطقی تمیز به سوئیچ‌ها ارائه می‌دهند. ایزولاسیون 5000 ولت RMS از میکروکنترلر در برابر گذراهای احتمالی روی خطوط صنعتی 12 ولتی محافظت می‌کند.

مورد 2: درایور گیت برای یک MOSFET پل نیمه.در یک کنترلر موتور DC کم‌توان، یک کانال منفرد EL2531 می‌تواند برای راه‌اندازی MOSFET سمت بالا استفاده شود. ورودی توسط سیگنال PWM از کنترلر راه‌اندازی می‌شود. خروجی که از طریق یک مقاومت گیت مناسب به گیت MOSFET متصل شده و به یک منبع تغذیه بوت‌استرپ pull-up شده است، درایو گیت ایزوله را فراهم می‌کند. CMTI بالا اطمینان می‌دهد که سیگنال گیت در حین سوئیچینگ سریع پل نیمه پایدار باقی می‌ماند.

11. اصل عملکرد

اصل اساسی تبدیل اپتوالکترونیک است. یک جریان الکتریکی اعمال شده به دیود ساطع‌کننده مادون قرمز ورودی (IRED) باعث می‌شود که نور ساطع کند. این نور از یک مانع نوری شفاف اما عایق الکتریکی (معمولاً سیلیکون یا ماده مشابه) عبور می‌کند. نور به فوتودیود دتکتور مجتمع برخورد می‌کند و یک فوتوکرنت تولید می‌کند. در EL253X، این فوتوکرنت مستقیماً بیس ترانزیستور خروجی NPN را بایاس می‌کند، آن را روشن کرده و پایه خروجی (کلکتور) را به سطح پایین می‌کشد. اتصال جداگانه برای فوتودیود اجازه می‌دهد که فوتوکرنت به طور کارآمدتری برای سوئیچینگ استفاده شود، به جای اینکه تا حدی توسط ظرفیت بیس-کلکتور ترانزیستور شنت شود که عامل محدودکننده سرعت در فوتوترانزیستورهای سنتی است.

12. روندهای فناوری

حوزه ایزولاسیون سیگنال در حال تحول است. در حالی که فوتوکوپلرهای با خروجی ترانزیستوری مانند EL253X به دلیل سادگی، استحکام و مقرون‌به‌صرفه بودن همچنان بسیار مرتبط هستند، چندین روند قابل توجه است. حرکت به سمت یکپارچه‌سازی بالاتر، مانند دستگاه‌هایی با درایورهای مجتمع برای IGBTها / FETهای GaN وجود دارد. ایزولاتورهای دیجیتال مبتنی بر فناوری CMOS و کوپلینگ RF یا خازنی، نرخ داده به مراتب بالاتر (ده‌ها تا صدها مگابیت بر ثانیه)، مصرف توان کمتر و قابلیت اطمینان بالاتر (بدون پیری LED) ارائه می‌دهند. با این حال، فوتوکوپلرها در برخی زمینه‌ها مزایایی را حفظ می‌کنند: قابلیت بسیار بالای ولتاژ ایزولاسیون، ایمنی عالی گذرای حالت مشترک و ایمنی ذاتی در برابر میدان‌های مغناطیسی. تمرکز توسعه برای فوتوکوپلرها شامل بهبود بیشتر سرعت، کاهش اندازه بسته (به ویژه برای SMD)، افزایش عملکرد دمای بالا و بهبود معیارهای قابلیت اطمینان مانند پایداری CTR بلندمدت است.