دیتاشیت فتوكوپلر گیت منطقی EL260L - بسته‌بندی 8 پین DIP - تغذیه 3.3V/5V - سرعت 10 مگابیت بر ثانیه - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

EL260L یک فتوكوپلر گیت منطقی پرسرعت است كه برای ایزولاسیون سیگنال دیجیتال طراحی شده است. این قطعه یک دیود مادون قرمز منتشركننده نور را به صورت نوری به یک آشكارساز نوری مجتمع پرسرعت با خروجی گیت منطقی قابل استروب كوپل كرده است. این قطعه در بسته‌بندی دو ردیفه 8 پایه (DIP) ارائه می‌شود و برای تأمین ایزولاسیون الكتریكی مطمئن و حفظ یکپارچگی سیگنال در كاربردهای سخت طراحی شده است.

مزایای اصلی:قابلیت‌های اصلی این قطعه شامل توانایی انتقال داده پرسرعت تا 10 مگابیت بر ثانیه، ایمنی گذرای حالت مشترك (CMTI) قوی با حداقل 10 كیلوولت بر میكروثانیه و سازگاری با ولتاژ تغذیه دوگانه (3.3 ولت و 5 ولت) می‌باشد. این قطعه عملكرد خود را در محدوده دمایی گسترده كاركرد از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد تضمین می‌كند. خروجی گیت منطقی قادر به راه‌اندازی تا 10 بار استاندارد (Fan-out 10) است.

بازار هدف:این قطعه برای كاربردهایی هدف‌گیری شده است كه به ایزولاسیون دیجیتال پرسرعت، حذف حلقه زمینی و مصونیت در برابر نویز در اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های منبع تغذیه، تجهیزات جانبی كامپیوتر و رابط‌های ارتباطی نیاز دارند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

مقادیر حداکثر مطلق محدودیت‌های تنش را تعریف می‌كنند كه فراتر از آن ممكن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. پارامترهای كلیدی شامل جریان مستقیم حداكثر (I_F) معادل 50 میلی‌آمپر برای LED ورودی، ولتاژ معكوس (V_R) معادل 5 ولت و ولتاژهای تغذیه/خروجی (V_CC, V_O) معادل 7.0 ولت می‌باشند. تلفات توان کل برای سمت ورودی 45 میلی‌وات است، در حالی كه سمت خروجی می‌تواند 85 میلی‌وات را تحمل كند. ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO) بین ورودی و خروجی برای مدت یك دقیقه معادل 5000 ولت_rmsدرجه‌بندی شده است. محدوده دمای كاركرد و ذخیره‌سازی به ترتیب 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد و 55- درجه سانتی‌گراد تا 125+ درجه سانتی‌گراد است. این قطعه می‌تواند دمای لحیم‌كاری 260 درجه سانتی‌گراد را به مدت 10 ثانیه تحمل كند.

2.2 مشخصات الکتریکی

این مشخصات عملكرد قطعه را در شرایط كاركرد نرمال (T_A= 40- درجه سانتی‌گراد تا 85 درجه سانتی‌گراد) به تفصیل شرح می‌دهند.

مشخصات ورودی:ولتاژ مستقیم (V_F) معمولاً در I_F=10mA برابر با 1.4V اندازه‌گیری می‌شود كه حداكثر آن 1.8V است. ظرفیت خازنی ورودی (C_IN) معمولاً 60 پیکوفاراد است.

مشخصات خروجی:جریان تغذیه با حالت تغییر می‌كند: I_CCH(سطح بالا) معمولاً 7 میلی‌آمپر (حداكثر 10 میلی‌آمپر) و I_CCL(سطح پایین) معمولاً در V_CC=3.3V برابر با 9 میلی‌آمپر (حداكثر 13 میلی‌آمپر) است. پایه Enable دارای یک مقاومت Pull-up داخلی است و به قطعه خارجی نیاز ندارد. ولتاژ Enable سطح پایین (V_EL) تضمین می‌شود كه زیر 0.8 ولت باشد.

مشخصات انتقال:این پارامترها برای عملكرد منطقی حیاتی هستند. ولتاژ خروجی سطح پایین (V_OL) معمولاً هنگام سینك كردن 13 میلی‌آمپر برابر با 0.35 ولت (حداكثر 0.6 ولت) است. جریان آستانه ورودی (I_FT) برای فعال‌سازی خروجی منطقی پایین معمولاً 2.5 میلی‌آمپر (حداكثر 5 میلی‌آمپر) است.

2.3 مشخصات سوئیچینگ

این مقادیر در V_CC=3.3V، I_F=7.5mA و با بار R_L=350Ω و C_L=15pF اندازه‌گیری شده‌اند.

تأخیرهای انتشار:زمان تأخیر انتشار تا خروجی پایین (t_PHL) معمولاً 40 نانوثانیه (حداكثر 75 نانوثانیه) و تا خروجی بالا (t_PLH) معمولاً 45 نانوثانیه (حداكثر 75 نانوثانیه) است. اعوجاج عرض پالس، كه اختلاف مطلق بین t_PHLو t_PLHاست، معمولاً 5 نانوثانیه (حداكثر 35 نانوثانیه) می‌باشد و برای كاربردهای حساس به تایمینگ حیاتی است.

زمان‌های گذار:زمان صعود خروجی (t_r) معمولاً 40 نانوثانیه است، در حالی كه زمان سقوط (t_f) معمولاً 10 نانوثانیه است كه نشان‌دهنده خاموش‌شدن سریع‌تر است.

زمان‌های Enable:تأخیر انتشار Enable تا خروجی پایین (t_EHL) معمولاً 10 نانوثانیه و تا خروجی بالا (t_ELH) معمولاً 25 نانوثانیه است.

مصونیت گذرای حالت مشترك (CMTI):این پارامتر یك متریك كلیدی ایزولاسیون است. این قطعه حداقل 10000 ولت بر میكروثانیه را برای هر دو حالت منطقی بالا (CM_H) و منطقی پایین (CM_L) تضمین می‌كند و عملكرد مطمئن را در محیط‌های پرنویز با گذراهای ولتاژ سریع در سراسر سد ایزولاسیون فراهم می‌كند.

3. پیکربندی پایه‌ها و شماتیک

پیکربندی 8 پین DIP به شرح زیر است: پایه 1 (NC)، پایه 2 (آند)، پایه 3 (كاتد)، پایه 4 (NC)، پایه 5 (GND)، پایه 6 (V_OUT)، پایه 7 (V_E- Enable)، پایه 8 (V_CC). یک نیاز طراحی حیاتی، قرار دادن یک خازن بای‌پس 0.1μF (یا بزرگتر) با مشخصات فركانس بالا مناسب بین پایه‌های 8 (V_CC) و 5 (GND) است كه باید تا حد ممكن نزدیك به بسته‌بندی قرار گیرد تا عملكرد پایدار تضمین شده و نویز به حداقل برسد.

4. جدول درستی و تابع منطقی

این قطعه به عنوان یک گیت منطقی قابل استروب عمل می‌كند. جدول درستی (با استفاده از منطق مثبت) عملكرد آن را تعریف می‌كند:

• ورودی (I_F) بالا، Enable (V_E) بالا: خروجی (V_O) = پایین
• ورودی پایین، Enable بالا: خروجی = بالا
• ورودی بالا، Enable پایین: خروجی = بالا
• ورودی پایین، Enable پایین: خروجی = بالا
• ورودی بالا، Enable NC (بدون اتصال): خروجی = پایین
• ورودی پایین، Enable NC: خروجی = بالا

پایه Enable كنترل حالت سوم را فراهم می‌كند و هنگامی كه Enable در سطح پایین باشد، بدون توجه به سیگنال ورودی، خروجی را مجبور به حالت منطقی بالا می‌كند.

5. اطلاعات مكانیكی و بسته‌بندی

این قطعه در بسته‌بندی استاندارد 8 پین DIP ارائه می‌شود. دیتاشیت نشان‌دهنده موجودی در هر دو گزینه فاصله پایه عریض و گزینه نصب سطحی (SMD) است، اگرچه تمركز اصلی در اینجا بر روی نوع DIP Through-hole است. نقشه‌های ابعادی دقیق معمولاً در دیتاشیت كامل گنجانده می‌شوند تا راهنمای طراحی PCB و Footprint باشند.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌كاری و مونتاژ

مقادیر حداکثر مطلق دمای لحیم‌كاری (T_SOL) را 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه مشخص می‌كنند. این یک پارامتر حیاتی برای فرآیندهای لحیم‌كاری موجی یا ریفلو است. باید از دستورالعمل‌های استاندارد IPC برای لحیم‌كاری قطعات Through-hole پیروی شود. به دلیل وجود قطعات نیمه‌هادی حساس در داخل، رعایت روش‌های صحیح رسیدگی به ESD در حین مونتاژ توصیه می‌شود.

7. پیشنهادات كاربردی

7.1 سناریوهای كاربردی متداول

• حذف حلقه زمینی و تبدیل سطح منطقی:ایزوله كردن سیگنال‌های دیجیتال بین مدارهایی با پتانسیل زمین متفاوت، مانند تبدیل سیگنال بین خانواده‌های منطقی LSTTL و TTL/CMOS.
• انتقال داده و مالتی‌پلكسینگ:ایزولاسیون داده سریال پرسرعت در خطوط ارتباطی و ایزولاسیون باس داده.
• سوئیچینگ منبع تغذیه:تأمین ایزولاسیون فیدبک در توپولوژی‌های مبدل ایزوله فلای‌بك یا سایر توپولوژی‌ها.
• جایگزینی ترانسفورماتور پالس:ارائه یک جایگزین حالت جامد، بالقوه فشرده‌تر و مطمئن‌تر برای ترانسفورماتورهای پالس سنتی برای ایزولاسیون سیگنال.
• رابط صنعتی و تجهیزات جانبی كامپیوتر:ایزوله كردن خطوط I/O دیجیتال در محیط‌های صنعتی پرنویز یا برای ارتباط با موتورها و عملگرها.

7.2 ملاحظات طراحی

• خازن بای‌پس:خازن 0.1μF بین V_CCو GND برای عملكرد پرسرعت پایدار اجباری است و باید نزدیك به پایه‌ها قرار گیرد.
• مقاومت محدودكننده جریان:یک مقاومت خارجی به صورت سری با LED ورودی (آند) مورد نیاز است تا جریان مستقیم (I_F) را مطابق با نیازهای كاربردی تنظیم كند (به عنوان مثال، 7.5mA برای زمان‌های سوئیچینگ مشخص شده).
• مقاومت بار:مشخصات خروجی با یک مقاومت Pull-up 350Ω به V_CCتعریف شده است. این مقدار باید استفاده شود یا بر اساس جریان و سرعت خروجی مورد نیاز با دقت تنظیم شود.
• پایه Enable:Pull-up داخلی روی پایه Enable طراحی را ساده می‌كند. اعمال سطح پایین به آن، خروجی را مجبور به سطح بالا می‌كند؛ رها كردن آن بدون اتصال (NC) به طور پیش‌فرض آن را در حالت بالا قرار می‌دهد و اجازه می‌دهد عملكرد نرمال تنها توسط ورودی كنترل شود.
• طرح PCB:حتی با وجود اینكه قطعه خود سد ایزولاسیون اصلی را فراهم می‌كند، باید فاصله‌های ایزولاسیون و خزشی مناسبی روی PCB بین سمت ورودی و خروجی مطابق با استانداردهای ایمنی حفظ شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

EL260L خود را در بازار فتوكوپلر از طریق تركیبسرعت بالا (10 مگابیت بر ثانیه)وCMTI بسیار بالا (10 كیلوولت بر میكروثانیه)متمایز می‌كند. بسیاری از فتوكوپلرهای استاندارد در سرعت‌های پایین‌تر (به عنوان مثال، 1 مگابیت بر ثانیه) كار می‌كنند یا دارای درجه‌بندی CMTI پایین‌تری هستند. سازگاری با تغذیه دوگانه 3.3V/5V انعطاف‌پذیری طراحی را در سیستم‌های مدرن با ولتاژ مختلط ارائه می‌دهد. گیت منطقی مجتمع با قابلیت Enable و عملكرد تضمین شده در محدوده دمایی گسترده، آن را در مقایسه با اپتوکوپلرهای پایه با خروجی ترانزیستوری، انتخابی مستحكم برای كاربردهای صنعتی می‌كند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف از پایه Enable (V_E) چیست؟

ج: پایه Enable كنترل حالت سوم را فراهم می‌كند. هنگامی كه در سطح پایین قرار می‌گیرد، سیگنال ورودی را نادیده گرفته و خروجی را مجبور به حالت منطقی بالا می‌كند. این می‌تواند برای مدیریت رقابت روی باس یا غیرفعال كردن خروجی استفاده شود.

س: چرا خازن بای‌پس 0.1μF اینقدر حیاتی است؟

ج: در سرعت‌های سوئیچینگ بالا (10 مگابیت بر ثانیه)، تقاضای ناگهانی جریان می‌تواند باعث ایجاد اسپایك ولتاژ روی ریل تغذیه شود. خازن بای‌پس محلی به عنوان مخزن بار فوری عمل كرده، V_CCرا پایدار كرده و از بروز خرابی یا ایجاد نویز جلوگیری می‌كند.

س: چگونه مقدار مقاومت محدودكننده جریان ورودی را انتخاب كنم؟

ج: از قانون اهم استفاده كنید: R_LIMIT= (ولتاژ تغذیه - V_F) / I_F. به عنوان مثال، با تغذیه 5V، V_F~1.4V و I_Fمورد نظر =10mA: R = (5 - 1.4) / 0.01 = 360Ω. یک مقدار استاندارد مانند 360Ω یا 390Ω را انتخاب كنید. برای سرعت بهینه، مطابق مشخصات سوئیچینگ از I_F=7.5mA استفاده كنید.

س: آیا می‌توانم این قطعه را با تغذیه 5V برای سمت خروجی استفاده كنم؟

ج: بله، دیتاشیت سازگاری با ولتاژ تغذیه دوگانه (3.3V و 5V) را مشخص می‌كند. جداول مشخصات الكتریكی اغلب شرایط را در V_CC=3.3V فهرست می‌كنند، اما این قطعه برای كار با 5V نیز طراحی شده است. همیشه تمام پارامترها را در ولتاژ تغذیه مورد نظر خود بررسی كنید.

10. موردكاوی طراحی و استفاده عملی

سناریو: رابط ایزوله ترانسیور RS-485/RS-422.در یک گره سنسور صنعتی، یک میكروكنترلر از طریق UART با یک ترانسیور RS-485 ارتباط برقرار می‌كند. برای محافظت از میكروكنترلر حساس در برابر تغییرات زمین و گذراهای ولتاژ بالا روی باس طولانی RS-485، می‌توان از EL260L برای ایزوله كردن خطوط TX و RX یوآرت استفاده كرد. سمت میكروكنترلر (ورودی) با 3.3V كار می‌كند، در حالی كه سمت ترانسیور (خروجی) می‌تواند با 5V كار كند. سرعت بالای 10 مگابیت بر ثانیه به راحتی نرخ‌های Baud سریال استاندارد (مانند 115200 باد، 1 مگاباد) را مدیریت می‌كند. CMTI معادل 10 كیلوولت بر میكروثانیه تضمین می‌كند كه ایزولاسیون حتی در طول رویدادهای نویز الكتریكی شدید روی باس مؤثر باقی بماند. پایه Enable می‌تواند در صورت نیاز به یک GPIO میكروكنترلر متصل شود تا مسیر ارتباطی غیرفعال شود.

11. اصل كاركرد

EL260L بر اساس اصل كوپلینگ نوری كار می‌كند. جریان الكتریكی اعمال شده به سمت ورودی (پایه‌های 2 و 3) باعث می‌شود یک دیود منتشركننده نور مادون قرمز (LED) نور ساطع كند. این نور از یك سد ایزولاسیون شفاف در داخل بسته‌بندی عبور می‌كند. در سمت خروجی، یک آشكارساز نوری مجتمع پرسرعت نور دریافتی را دوباره به جریان الكتریكی تبدیل می‌كند. این جریان توسط یک مدار تقویت‌كننده و گیت منطقی داخلی پردازش شده تا یک سیگنال دیجیتال خروجی تمیز و بافر شده (روی پایه 6) تولید كند كه وضعیت ورودی را منعكس می‌كند اما از نظر الكتریكی از آن ایزوله است. سد ایزولاسیون، كه معمولاً از جنس تركیب قالب یا مواد مشابه ساخته شده است، ایزولاسیون ولتاژ بالا (5000 ولت_rms) را بین دو طرف فراهم می‌كند.

12. روندها و زمینه صنعت

تقاضا برای ایزولاتورهای دیجیتال پرسرعت توسط چندین روند هدایت می‌شود: گسترش اینترنت اشیاء صنعتی و اتوماسیون كه نیازمند ارتباط مستحكم در محیط‌های پرنویز است؛ پذیرش فركانس‌های سوئیچینگ بالاتر در الكترونیك قدرت كه ایزولاسیون فیدبك سریع‌تری را ضروری می‌كند؛ و حركت به سمت یکپارچگی و قابلیت اطمینان بیشتر در سطح سیستم. قطعاتی مانند EL260L نمایانگر فناوری بالغ و مقرون‌به‌صرفه برای ایزولاسیون گالوانیك هستند. صنعت همچنین شاهد رشد فناوری‌های ایزولاسیون جایگزین مانند ایزولاتورهای خازنی و مغناطیسی (مقاومت مغناطیسی غول‌آسا) است كه می‌توانند سرعت حتی بالاتر، مصرف توان كمتر و چگالی یکپارچگی بیشتری ارائه دهند. با این حال، فتوكوپلرها به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان اثبات شده، CMTI بالا و سهولت استفاده در طیف گسترده‌ای از كاربردها همچنان بسیار محبوب هستند. تمركز بر روی فتوكوپلرهای پیشرفته همچنان بر افزایش سرعت، بهبود بازده توان، كاهش اندازه بسته‌بندی و ارتقای متریك‌های قابلیت اطمینان مانند مقاومت عایقی بلندمدت است.