دیتاشیت فنی ELW135، ELW136 و ELW4503 - فوتوکوپلر ترانزیستوری پرسرعت 1 مگابیت بر ثانیه با پکیج 8 پایه DIP

1. مرور کلی محصول

ELW135، ELW136 و ELW4503 فوتوکوپلرهای (ایزولاتورهای نوری) خروجی ترانزیستوری پرسرعتی هستند که برای کاربردهای نیازمند ایزولاسیون سریع سیگنال طراحی شده‌اند. هر قطعه یک دیود مادون قرمز ساطع‌کننده نور را که به صورت نوری به یک ترانزیستور فوتودتکتور پرسرعت کوپل شده، در خود ادغام کرده است. یک ویژگی کلیدی معماری، اتصال جداگانه ارائه شده برای بایاس فوتودیود و کلکتور ترانزیستور خروجی است. این طراحی با کاهش ظرفیت بیس-کلکتور ترانزیستور ورودی، سرعت سوئیچینگ را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و عملکردی چندین مرتبه‌ی بزرگی بهتر از فوتوکوپلرهای ترانزیستوری نوری متداول ارائه می‌دهد. قطعات در یک پکیج دو خطی 8 پایه (DIP) با بدنه عریض قرار گرفته‌اند و در گزینه‌های نصب از طریق سوراخ (فاصله پایه عریض) و نصب سطحی (SMD) موجود هستند.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزیت اصلی این خانواده محصول، ترکیب سرعت بالا (نرخ داده 1 مگابیت بر ثانیه) و ایزولاسیون قوی (5000 ولت_rms) است. این امر آن‌ها را برای جایگزینی فوتوکوپلرهای ترانزیستوری نوری کندتر در سیستم‌های دیجیتال مدرن مناسب می‌سازد. آن‌ها برای کارکرد قابل اطمینان در محدوده دمایی وسیع از 55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس طراحی شده‌اند، با عملکرد تضمین‌شده از 0 تا 70 درجه سلسیوس. کاربردهای کلیدی هدف شامل گیرنده‌های خطی در رابط‌های ارتباطی، ایزولاسیون برای ترانزیستورهای قدرت در مدارهای درایو موتور، حلقه‌های فیدبک در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، ایزولاسیون زمین منطقی پرسرعت، تجهیزات مخابراتی و لوازم خانگی مختلف است. قطعات مطابق با دستورالعمل‌های بدون سرب و RoHS هستند و تأییدیه‌های آژانس‌های ایمنی بین‌المللی اصلی از جمله UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO و FIMKO را دارا می‌باشند.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

این بخش یک تحلیل عینی از پارامترهای الکتریکی و عملکردی مشخص‌شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد.

2.1 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

ریتینگ‌های حداکثر مطلق، محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این‌ها شرایط کاری نیستند.

• ورودی (LED):جریان مستقیم پیوسته (I_F) در 25 میلی‌آمپر ریت شده است. برای کار پالسی، یک جریان مستقیم پیک (I_FP) معادل 50 میلی‌آمپر در سیکل وظیفه 50% و عرض پالس 1 میلی‌ثانیه مجاز است. یک جریان گذرای پیک بسیار بالا (I_Ftrans) معادل 1 آمپر برای پالس‌های بسیار کوتاه (≤1 میکروثانیه) در نرخ تکرار پایین (300 پالس بر ثانیه) مجاز است که برای تست تحمل سرج مفید است. حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) روی LED برابر 5 ولت است.
• خروجی (فوتوترانزیستور):برای ELW135/136، ولتاژ معکوس امیتر-بیس (V_EBR) 5 ولت است و جریان بیس (I_B) به 5 میلی‌آمپر محدود شده است - در صورتی که پایه بیس به صورت خارجی استفاده شود مرتبط است. جریان خروجی متوسط (I_O(AVG)) 8 میلی‌آمپر است، با مقدار پیک (I_O(PK)) معادل 16 میلی‌آمپر. ولتاژ خروجی (V_O) می‌تواند از 0.5- ولت تا 20+ ولت نسبت به زمین خروجی نوسان کند.
• سیستم:ولتاژ تغذیه (V_CC) برای سمت خروجی می‌تواند از 0.5- ولت تا 30+ ولت متغیر باشد. ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO) 5000 ولت_rmsاست که به مدت یک دقیقه بین سمت ورودی و خروجی اعمال می‌شود (پایه‌های 1-4 اتصال کوتاه شده در مقابل پایه‌های 5-8 اتصال کوتاه شده). قطعه می‌تواند در دمای 260 درجه سلسیوس به مدت حداکثر 10 ثانیه لحیم‌کاری شود.

2.2 مشخصات الکتریکی و انتقال

این پارامترها در محدوده دمای کاری (0 تا 70 درجه سلسیوس) تضمین شده‌اند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد، با مقادیر معمولی در 25 درجه سلسیوس ارائه شده است.

• LED ورودی:ولتاژ مستقیم (V_F) معمولاً در I_F=16mA برابر 1.45 ولت است، با حداکثر 1.8 ولت. دارای ضریب دمایی منفی تقریباً 1.9- میلی‌ولت بر درجه سلسیوس است.
• جریان تاریکی خروجی:جریان خروجی منطقی یک (I_OH)، که اساساً جریان نشتی یا "تاریکی" فوتوترانزیستور است، بسیار پایین است (حداکثر 1 میکروآمپر در V_CC=15V، 25°C)، که ایزولاسیون خوب در حالت خاموش را تضمین می‌کند.
• جریان تغذیه:جریان تغذیه منطقی صفر (I_CCL) معمولاً 110 میکروآمپر است وقتی LED روشن است (I_F=16mA)، در حالی که جریان تغذیه منطقی یک (I_CCH) معمولاً 0.01 میکروآمپر است وقتی LED خاموش است.
• نسبت انتقال جریان (CTR):این یک پارامتر حیاتی است که بازدهی فوتوکوپلر را تعریف می‌کند. ELW135 دارای محدوده CTR از 7% تا 50% (حداقل تا حداکثر) است، در حالی که ELW136 و ELW4503 محدوده‌ای از 19% تا 50% دارند. شرایط تست I_F=16mA، V_O=0.4V، V_CC=4.5V در 25 درجه سلسیوس است. دیتاشیت همچنین مقادیر حداقل CTR را در 5% برای ELW135 و 15% برای ELW136/ELW4503 تحت شرایط کمی متفاوت (V_O=0.5V) مشخص می‌کند که برای حاشیه طراحی مهم است.
• ولتاژ خروجی منطقی صفر (V_OL):این، ولتاژ اشباع ترانزیستور خروجی را مشخص می‌کند. برای ELW135 با I_O=1.1mA، V_OLمعمولاً 0.18 ولت (حداکثر 0.4 ولت) است. برای ELW136/ELW4503 با I_O=3mA، V_OLمعمولاً 0.25 ولت (حداکثر 0.4 ولت) است. این مقادیر پایین برای دستیابی به حاشیه نویز خوب در رابط‌های منطقی دیجیتال حیاتی هستند.

2.3 مشخصات سوئیچینگ

عملکرد سوئیچینگ با I_F=16mA و V_CC=5V اندازه‌گیری می‌شود. مقدار مقاومت بار (R_L) بین مدل‌ها متفاوت است تا با CTR و قابلیت درایو خروجی آن‌ها مطابقت داشته باشد.

• تأخیر انتشار:
  • ELW135:زمان تأخیر انتشار به منطقی صفر (t_PHL) معمولاً 0.36 میکروثانیه (حداکثر 2.0 میکروثانیه) با R_L=4.1 کیلواهم است. زمان تأخیر انتشار به منطقی یک (t_PLH) معمولاً 0.45 میکروثانیه (حداکثر 2.0 میکروثانیه) است.
  • ELW136 / ELW4503:این واریانت‌های سریع‌تر دارای t_PHLمعمولاً 0.32 میکروثانیه (حداکثر 1.0 میکروثانیه) و t_PLHمعمولاً 0.25 میکروثانیه (حداکثر 1.0 میکروثانیه) با R_L=1.9 کیلواهم هستند.
• ایمنی در برابر نویز حالت مشترک (CMTI):این، قابلیت قطعه در رد نویزهای ولتاژ سریع بین زمین‌های ورودی و خروجی را اندازه‌گیری می‌کند. واحد آن ولت بر میکروثانیه مشخص شده است.
  • ELW135/136:هر دو دارای حداقل CMTI معادل 1000 ولت بر میکروثانیه برای هر دو حالت خروجی یک و صفر هستند، که با یک پالس حالت مشترک 10 ولت_p-pتست شده‌اند.
  • ELW4503:این مدل ایمنی نویز برتری ارائه می‌دهد با حداقل CMTI معادل 15000 ولت بر میکروثانیه، که با یک پالس بسیار بزرگ‌تر 1500 ولت_p-pتست شده است. این امر آن را به ویژه برای محیط‌های پرنویز مانند درایوهای موتور مناسب می‌سازد.

3. پیکربندی پایه‌ها و تفاوت‌های عملکردی

پکیج DIP 8 پایه دارای یک پین‌اوت استاندارد با یک تغییر کلیدی بین انواع قطعات است.

• پایه‌های 1 و 4:بدون اتصال (NC) در تمام مدل‌ها.
• پایه‌های 2 و 3:به ترتیب آند و کاتد LED ورودی.
• پایه 5:زمین (GND) برای سمت خروجی.
• پایه 6:ولتاژ خروجی (V_OUT)، کلکتور فوتوترانزیستور.
• پایه 7:این پایه متفاوت است. برایELW135 و ELW136، این ولتاژ بایاس فوتودیود (V_B) است. اتصال این پایه برای دستیابی به عملکرد پرسرعت ضروری است. برایELW4503، پایه 7 بدون اتصال (NC) است. بایاس پرسرعت به احتمال زیاد به صورت داخلی در ELW4503 مدیریت می‌شود.
• پایه 8:ولتاژ تغذیه (V_CC) برای سمت خروجی.

نمودارهای شماتیک اتصال داخلی را نشان می‌دهند: فوتودیود (که بیس ترانزیستور را راه‌اندازی می‌کند) بین پایه 7 (V_B) و پایه 6 (V_OUT/کلکتور) متصل شده است. امیتر فوتوترانزیستور به پایه 5 (GND) متصل است.

4. پیشنهادات کاربردی

4.1 مدارهای کاربردی متداول

این فوتوکوپلرها برای ایزولاسیون سیگنال دیجیتال ایده‌آل هستند. یک مدار متداول شامل اتصال LED ورودی به صورت سری با یک مقاومت محدودکننده جریان به خروجی یک میکروکنترلر یا گیت منطقی است. در سمت خروجی، یک مقاومت pull-up (R_L) بین V_CC(پایه 8) و V_OUT(پایه 6) متصل می‌شود. مقدار R_Lباید بر اساس سرعت سوئیچینگ مورد نظر، جریان خروجی و CTR قطعه انتخاب شود، همانطور که در جداول دیتاشیت مشخص شده است (مثلاً 4.1 کیلواهم برای ELW135، 1.9 کیلواهم برای ELW136/4503 برای تست‌های سوئیچینگ). برای ELW135/136، پایه 7 (V_B) باید متصل شود، اغلب به V_CCاز طریق یک مقاومت یا مستقیماً، بسته به بایاس مورد نظر برای سرعت در مقابل حساسیت.

4.2 ملاحظات و نکات طراحی

• مبادله سرعت در مقابل CTR:اتصال جداگانه بیس (پایه 7) اجازه می‌دهد تا با تنظیم بایاس فوتودیود، مقداری CTR در ازای سرعت بالاتر معامله شود. مشخصات سوئیچینگ دیتاشیت برای یک شرایط خاص ارائه شده است.
• انتخاب مدل:ELW135 را برای کاربردهای عمومی و حساس به هزینه 1 مگابیت بر ثانیه انتخاب کنید. ELW136 حداقل CTR بالاتری برای حاشیه بهتر در طراحی‌های نیازمند درایو جریان خروجی بیشتر ارائه می‌دهد. ELW4503 انتخاب ممتاز برای محیط‌های با نویز الکتریکی بسیار بالا (مانند کنترل‌کننده‌های موتور صنعتی، اینورترهای قدرت) به دلیل CMTI استثنایی 15000+ ولت بر میکروثانیه آن است.
• اتلاف توان:اطمینان حاصل کنید که توان ورودی (I_F* V_F) از 45 میلی‌وات و توان خروجی از 100 میلی‌وات تجاوز نکند، با در نظر گرفتن دمای محیط.
• لایه‌بندی برای ایزولاسیون:برای حفظ ریتینگ ایزولاسیون بالا، اطمینان حاصل کنید که فاصله‌های خزش و فاصله هوایی کافی روی PCB بین ترس‌های سمت ورودی (پایه‌های 1-4) و ترس‌های سمت خروجی (پایه‌های 5-8) وجود دارد. اغلب یک شکاف یا مانع در PCB زیر قطعه توصیه می‌شود.

5. اطلاعات پکیج و سفارش

قطعات در گزینه‌های پکیج مختلف موجود هستند که با یک پسوند در شماره قطعه نشان داده می‌شوند.

فرمت شماره قطعه:ELW13XY(Z)-Vیا ELW4503Y(Z)-V

• X= شناسه شماره قطعه (5 برای ELW135، 6 برای ELW136).
• Y= گزینه فرم پایه: 'S' برای فرم پایه نصب سطحی، خالی برای DIP استاندارد.
• Z= گزینه نوار و قرقره: 'TA' یا 'TB'، خالی برای بسته‌بندی تیوب.
• V= علامت تأییدیه اختیاری VDE.

تعداد بسته‌بندی:پکیج‌های استاندارد DIP-8 در تیوب‌های حاوی 40 عدد عرضه می‌شوند. گزینه نصب سطحی با نوار و قرقره ('S(TA)') در قرقره‌های حاوی 500 عدد عرضه می‌شود.

6. مقایسه فنی و سوالات متداول

6.1 تمایز بین مدل‌ها

متمایزکننده‌های اصلی، نسبت انتقال جریان (CTR) و ایمنی در برابر نویز حالت مشترک (CMTI) هستند. ELW135 کمترین CTR تضمین‌شده (7-50%) را دارد، ELW136 حداقل CTR بالاتر (19-50%) دارد و ELW4503 با CTR ELW136 مطابقت دارد اما یک ریتینگ CMTI بسیار برتر (>15 کیلوولت بر میکروثانیه در مقابل 1 کیلوولت بر میکروثانیه) اضافه می‌کند. ELW4503 همچنین پایه 7 را به عنوان NC دارد که مدار خارجی را در مقایسه با ELW135/136 که نیاز به اتصال به پایه 7 دارند ساده می‌کند.

6.2 سوالات متداول مبتنی بر پارامترها

• س: حداکثر نرخ داده قابل دستیابی چقدر است؟ج: قطعات بر اساس مشخصات تأخیر انتشار برای کارکرد 1 مگابیت بر ثانیه مشخص شده‌اند. حداکثر نرخ واقعی به طراحی مدار خاص، شامل R_Lو شرایط درایو ورودی بستگی دارد.
• س: آیا می‌توانم از V_CC?ج: مشخصات الکتریکی با V_CC=4.5V و 5V تست شده‌اند. در حالی که ریتینگ حداکثر مطلق اجازه می‌دهد تا 0.5- ولت پایین بیاید، کارکرد در 3.3 ولت ممکن است امکان‌پذیر باشد اما عملکرد (مانند V_OLو زمان‌های سوئیچینگ) باید تحت شرایط V_CCپایین‌تر واقعی تأیید شود، زیرا در دیتاشیت ارائه شده به طور کامل مشخص نشده است.
• س: چرا پایه 7 (V_B) برای ELW135/136 مهم است؟ج: اتصال پایه 7 یک مسیر امپدانس پایین برای تخلیه بار از اتصال فوتودیود/بیس فراهم می‌کند، که اثر ظرفیت میلر را به شدت کاهش می‌دهد و سوئیچینگ پرسرعت را ممکن می‌سازد. رها کردن آن بدون اتصال منجر به عملکردی مشابه یک فوتوکوپلر ترانزیستوری نوری کند متداول می‌شود.
• س: چگونه می‌توانم ایزولاسیون 5000 ولت_rmsرا در طراحی خود تضمین کنم؟ج: خود قطعه برای این مقدار ریت شده است. طراح سیستم باید اطمینان حاصل کند که لایه‌بندی PCB فاصله خزش/فاصله هوایی کافی (مثلاً >8 میلی‌متر برای عایق تقویت‌شده در این سطح ولتاژ طبق استانداردهای ایمنی) بین تمام مدارهای ورودی و خروجی، از جمله زیر بدنه قطعه حفظ می‌کند.

7. اصل عملکرد

اصل اساسی، ایزولاسیون نوری-الکترونیکی است. یک سیگنال الکتریکی اعمال شده به LED ورودی باعث می‌شود که نور مادون قرمز ساطع کند. این نور از یک مانع نوری شفاف اما عایق الکتریکی (معمولاً یک ترکیب قالب یا فاصله هوایی) در داخل پکیج عبور می‌کند. نور توسط یک فوتودیود در سمت خروجی تشخیص داده می‌شود که یک جریان نوری تولید می‌کند. در این قطعات پرسرعت، این جریان نوری مستقیماً بیس یک ترانزیستور دوقطبی مجتمع را مدوله می‌کند. کلید سرعت بالا، دسترسی جداگانه به فوتودیود (پایه 7 روی ELW135/136) است که اجازه می‌دهد ظرفیت فوتودیود به سرعت شارژ/دشارژ شود، زمان ذخیره‌سازی در ترانزیستور را به حداقل برساند و در نتیجه تأخیر انتشار و زمان‌های صعود/سقوط را کاهش دهد.