مشخصات فنی سری EL452-G - اپتوکوپلر فوتودارلینگتون ولتاژ بالا با بسته‌بندی SOP چهار پایه - ابعاد 4.4x7.4x2.0 میلی‌متر - VCEO 350 ولت - CTR 1000% - مستندات فنی فارسی

1. مرور محصول

سری EL452-G یک اپتوکوپلر فوتودارلینگتون ولتاژ بالا است که برای انتقال مطمئن سیگنال بین مدارهای با پتانسیل‌های مختلف طراحی شده است. این قطعه یک دیود مادون قرمز ساطع‌کننده نور را که به صورت نوری به یک فوتوترانزیستور دارلینگتون ولتاژ بالا کوپل شده، در خود جای داده است. قطعه در یک بسته‌بندی کوچک SOP چهار پایه با ارتفاع کم 2.0 میلی‌متر قرار دارد که آن را برای کاربردهای نصب سطحی با محدودیت فضا مناسب می‌سازد. عملکرد اصلی آن، ایجاد ایزولاسیون الکتریکی در حین انتقال سیگنال‌های کنترلی یا داده‌ای، و محافظت از مدارهای حساس در برابر نوسانات ولتاژ بالا و مشکلات حلقه زمین است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای کلیدی این قطعه شامل درجه‌بندی ولتاژ کلکتور-امیتر بالا معادل 350 ولت (V_CEO) است که برای اتصال به مدارهای تغذیه‌شده از برق شهر یا درایوهای موتور ضروری می‌باشد. این قطعه نسبت انتقال جریان (CTR) بسیار بالایی ارائه می‌دهد که در شرایط آزمایش استاندارد حداقل 1000% است و سطح سیگنال خروجی قوی را از یک جریان ورودی متوسط تضمین می‌کند. این قطعه از ولتاژ ایزولاسیون بالای 3750 ولت_RMSبین سمت ورودی و خروجی خود برخوردار است که استانداردهای ایمنی سختگیرانه را برآورده می‌سازد. همچنین این قطعه بدون هالوژن و مطابق با دستورالعمل‌های RoHS و بدون سرب است. این ویژگی‌ها آن را برای کاربردهای تجهیزات مخابراتی (تلفن‌ها، مراکز تلفن)، کنترلرهای ترتیبی صنعتی، لوازم سیستم، ابزارهای اندازه‌گیری و هر سناریویی که نیاز به انتقال ایمن سیگنال در دامنه‌های ولتاژ مختلف دارد، ایده‌آل می‌سازد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی از مشخصات الکتریکی، نوری و حرارتی قطعه را همان‌طور که در محدوده‌های حداکثر مطلق و مشخصات الکترواپتیکی آن تعریف شده است، ارائه می‌دهد.

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

محدوده‌های حداکثر مطلق، حدود تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. جریان مستقیم ورودی (I_F) در حالت پیوسته 60 میلی‌آمپر درجه‌بندی شده است، با جریان مستقیم پیک کوتاه‌مدت (I_FM) معادل 1 آمپر برای 10 میکروثانیه. تلفات توان کل (P_TOT) نباید از 170 میلی‌وات تجاوز کند. پارامتر خروجی بحرانی، ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO) معادل 350 ولت است که حداکثر ولتاژی است که ترانزیستور خروجی می‌تواند هنگامی که LED ورودی خاموش است، مسدود کند. ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO) معادل 3750 ولت_RMSبرای یک دقیقه، استحکام دی‌الکتریک سد عایق داخلی را مشخص می‌کند. قطعه در محدوده دمایی 55- درجه سلسیوس تا 110+ درجه سلسیوس کار می‌کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

مشخصات الکترواپتیکی، عملکرد قطعه را در شرایط کاری عادی در دمای 25 درجه سلسیوس تعریف می‌کنند.

2.2.1 مشخصات ورودی (سمت LED)

ولتاژ مستقیم (V_F) LED مادون قرمز به طور معمول 1.2 ولت و حداکثر 1.4 ولت در جریان مستقیم 10 میلی‌آمپر است. این V_Fپایین به مصرف توان کمتر در سمت ورودی کمک می‌کند. جریان نشتی معکوس (I_R) حداکثر 10 میکروآمپر در بایاس معکوس 4 ولت است.

2.2.2 مشخصات خروجی (سمت فوتوترانزیستور)

جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO) که جریان نشتی هنگامی است که LED خاموش است، حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=200 ولت مشخص شده است. ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (BV_CEO) حداقل 350 ولت است که قابلیت ولتاژ بالا را تأیید می‌کند. ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(sat)) به طور معمول 1.2 ولت (حداکثر 1.5 ولت) هنگامی است که قطعه کاملاً روشن است (I_F=20mA, I_C=100mA)، که نشان‌دهنده افت ولتاژ در خروجی در حالت هدایت است.

2.2.3 مشخصات انتقال

نسبت انتقال جریان (CTR) مهم‌ترین پارامتر است که به عنوان نسبت جریان کلکتور خروجی به جریان مستقیم ورودی تعریف شده و به صورت درصد بیان می‌شود. برای EL452-G، CTR حداقل 1000% و به طور معمول 2000% در I_F=1mA و V_CE=2V است. این CTR فوق‌العاده بالا مشخصه پیکربندی دارلینگتون است که بهره جریان بالایی ارائه می‌دهد و اجازه می‌دهد جریان‌های ورودی کوچک، جریان‌های خروجی بزرگ‌تر را به طور مؤثر کنترل کنند. سرعت سوئیچینگ با زمان صعود (t_r) به طور معمول 80 میکروثانیه (حداکثر 250 میکروثانیه) و زمان سقوط (t_f) به طور معمول 10 میکروثانیه (حداکثر 100 میکروثانیه) مشخص می‌شود. این زمان‌ها به دلیل ساختار دارلینگتون و ذخیره ذاتی بار در فوتوترانزیستورها نسبتاً کند هستند و قطعه را برای کاربردهای سوئیچینگ فرکانس پایین تا متوسط و کاربردهای آنالوگ خطی مناسب می‌سازند، اما برای ایزولاسیون دیجیتال پرسرعت مناسب نیست. فرکانس قطع (f_c) به طور معمول 7 کیلوهرتز است. مقاومت ایزولاسیون (R_IO) حداقل 5×10¹⁰Ω است که نشان‌دهنده ایزولاسیون DC عالی است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

در حالی که PDF نشان‌دهنده وجود منحنی‌های مشخصه الکترواپتیکی معمول است، نمودارهای خاص (مانند CTR در مقابل جریان مستقیم، CTR در مقابل دما، جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر) در محتوای متنی ارائه نشده‌اند. در یک دیتاشیت کامل، این منحنی‌ها برای طراحی حیاتی هستند. آن‌ها معمولاً نشان می‌دهند که CTR چگونه با افزایش دما کاهش می‌یابد، جریان خروجی چگونه در جریان‌های ورودی بالا یا ولتاژهای کلکتور-امیتر پایین به اشباع می‌رسد، و رابطه بین ولتاژ مستقیم و جریان برای LED چگونه است. طراحان باید برای درک رفتار قطعه در کل محدوده کاری، نه فقط در نقطه معمول 25 درجه سلسیوس، به این نمودارها مراجعه کنند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی و پیکربندی پایه‌ها

قطعه از بسته‌بندی SOP چهار پایه استفاده می‌کند. ابعاد بدنه بسته تقریباً 4.4 میلی‌متر طول و 7.4 میلی‌متر عرض، با ارتفاع 2.0 میلی‌متر است. پیکربندی پایه‌ها برای چنین اپتوکوپلرهایی استاندارد است: پایه 1 آند LED، پایه 2 کاتد LED، پایه 3 امیتر فوتوترانزیستور و پایه 4 کلکتور فوتوترانزیستور است. یک طرح پد توصیه‌شده برای نصب سطحی ارائه شده است تا لحیم‌کاری مطمئن و پایداری مکانیکی تضمین شود.

4.2 نشانه‌گذاری قطعه

قطعه بر روی سطح بالایی با یک کد نشانه‌گذاری شده است. نشانه‌گذاری شامل "EL" (کد سازنده)، "452" (شماره قطعه)، یک رقم کد سال، دو رقم کد هفته و یک "V" اختیاری برای نشان‌دادن تأییدیه VDE است. این نشانه‌گذاری امکان ردیابی تاریخ تولید و انطباق را فراهم می‌کند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 شرایط لحیم‌کاری ریفلو

دیتاشیت مشخصات پروفایل لحیم‌کاری ریفلو را به طور دقیق ارائه می‌دهد تا از آسیب حرارتی جلوگیری شود. پروفایل مطابق با IPC/JEDEC J-STD-020D است. پارامترهای کلیدی شامل: مرحله پیش‌گرم از 150 درجه سلسیوس تا 200 درجه سلسیوس در طول 60-120 ثانیه، حداکثر دمای بدنه (T_p) که از 260 درجه سلسیوس تجاوز نمی‌کند، و زمان بالای نقطه ذوب (217 درجه سلسیوس) بین 60-100 ثانیه است. قطعه می‌تواند حداکثر سه چرخه ریفلو را تحمل کند. رعایت این پروفایل برای حفظ یکپارچگی کپسوله‌سازی اپوکسی داخلی و اتصالات سیمی حیاتی است.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 سیستم شماره قطعه سفارش

شماره قطعه از فرمت زیر پیروی می‌کند: EL452(Y)-VG. موقعیت "Y" گزینه نوار و قرقره را نشان می‌دهد (TA, TB، یا بدون آن برای بسته‌بندی تیوب). "V" نشان می‌دهد که واحد تأییدیه ایمنی VDE را دارد. پسوند "G" نشان می‌دهد که محصول بدون هالوژن است. به عنوان مثال، EL452TA-VG به قطعه‌ای اشاره دارد که بر روی نوار و قرقره با جهت TA عرضه می‌شود، دارای تأییدیه VDE است و بدون هالوژن می‌باشد.

6.2 مشخصات نوار و قرقره

قطعه در نوار حامل برجسته استاندارد برای مونتاژ خودکار موجود است. دو جهت تغذیه موجود است: گزینه TA و گزینه TB. عرض نوار (W) 16.0 میلی‌متر، فاصله جیب‌ها (P₀) 4.0 میلی‌متر است و قرقره معمولاً 3000 واحد را در خود جای می‌دهد. ابعاد دقیق نوار (A, B, D₀و غیره) برای تنظیم فیدر ارائه شده است.

7. توصیه‌های کاربردی

7.1 مدارهای کاربردی متداول

EL452-G به دلیل V_CEOبالای خود، برای راه‌اندازی تریاک‌ها، تریستورها یا MOSFET‌ها در مدارهای کنترل برق AC (مانند رله‌های حالت جامد) بسیار مناسب است. می‌توان از آن برای تغییر سطح ولتاژ در رابط‌های میکروکنترلر، ایجاد ایزولاسیون برای سیگنال‌های سنسور آنالوگ و ایجاد حلقه‌های فیدبک ایزوله در منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده کرد. CTR بالای آن اجازه می‌دهد تا مستقیماً از پایه‌های GPIO میکروکنترلر (با یک مقاومت محدودکننده جریان مناسب) راه‌اندازی شود بدون اینکه نیاز به ترانزیستور درایور اضافی برای LED باشد.

7.2 ملاحظات و احتیاط‌های طراحی

سمت ورودی:همیشه باید از یک مقاومت سری با LED استفاده شود تا جریان مستقیم به یک مقدار ایمن محدود شود، معمولاً بین 1 میلی‌آمپر تا 20 میلی‌آمپر بسته به CTR و سرعت مورد نیاز. LED به ولتاژ معکوس حساس است؛ اگر مدار درایو می‌تواند بایاس معکوس اعمال کند، استفاده از یک دیود محافظ موازی با LED توصیه می‌شود.
سمت خروجی:فوتودارلینگتون می‌تواند جریان قابل توجهی (تا 150 میلی‌آمپر) را تخلیه کند. یک مقاومت بار باید بین کلکتور و ریل تغذیه مثبت متصل شود تا نوسان ولتاژ خروجی را تنظیم و تلفات توان را محدود کند. به دلیل پیکربندی دارلینگتون، ولتاژ اشباع (V_CE(sat)) از یک ترانزیستور تک‌قطبی بالاتر است که نوسان ولتاژ خروجی را در کاربردهای سوئیچینگ کاهش می‌دهد. طراحان باید کاهش CTR بر اثر دما و طول عمر را در نظر بگیرند؛ حاشیه طراحی 20-50% توصیه می‌شود. سرعت سوئیچینگ نسبتاً کند، استفاده از آن را در PWM فرکانس بالا یا ارتباط داده‌ای بالای چند کیلوهرتز منع می‌کند.

8. مقایسه و تمایز فنی

EL452-G خود را در بازار از طریق ترکیب ولتاژ بالا (350 ولت)، CTR بسیار بالا (حداقل 1000%) و بسته‌بندی SOP فشرده متمایز می‌سازد. در مقایسه با کوپلرهای فوتوترانزیستور استاندارد (که ممکن است CTR بین 50-600% داشته باشند)، پیکربندی دارلینگتون حساسیت بسیار بالاتری ارائه می‌دهد. در مقایسه با برخی دیگر از فوتودارلینگتون‌ها، درجه‌بندی ایزولاسیون 3750 ولت RMS و تأییدیه‌های ایمنی بین‌المللی متعدد آن (UL, CUL, VDE, SEMKO و غیره) آن را به انتخابی مستحکم برای کاربردهای ایمنی‌حساس و صنعتی تبدیل می‌کند. انطباق بدون هالوژن و RoHS با مقررات زیست‌محیطی مدرن همسو است.

9. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: آیا می‌توانم LED را مستقیماً از یک خروجی منطقی 5 ولت راه‌اندازی کنم؟
ج: بله، اما باید مقاومت سری را محاسبه کنید. به عنوان مثال، با V_Fمعمول 1.2 ولت و I_Fمورد نظر 5 میلی‌آمپر از منبع 5 ولت: R = (5V - 1.2V) / 0.005A = 760Ω. از یک مقاومت استاندارد 750Ω استفاده کنید.

س: حداکثر فرکانس سوئیچینگ چقدر است؟
ج: فرکانس سوئیچینگ عملی توسط زمان‌های صعود و سقوط محدود می‌شود. یک تخمین محافظه‌کارانه برای موج مربعی 1/(t_r+t_f) ≈ 1/(250µs+100µs) ≈ 2.9kHz است. برای عملکرد مطمئن، برای فرکانس‌های زیر 1kHz طراحی کنید.

س: دما چگونه بر عملکرد تأثیر می‌گذارد؟
ج: CTR معمولاً با افزایش دما کاهش می‌یابد. جریان تاریک (I_CEO) با دما افزایش می‌یابد. ولتاژ مستقیم LED با دما کاهش می‌یابد. این اثرات باید برای عملکرد پایدار در کل محدوده دمایی در نظر گرفته شوند.

س: آیا اتصال بیس خارجی برای افزایش سرعت در دسترس است؟
ج: خیر. این یک فوتودارلینگتون استاندارد بدون پایه بیس خارجی است. سرعت سوئیچینگ را نمی‌توان با قطعات خارجی بهبود بخشید.

10. مطالعه موردی طراحی عملی

سناریو:ایزوله کردن سیگنال میکروکنترلر 3.3 ولت برای کنترل سیم پیچ رله DC 24 ولت.
پیاده‌سازی:پایه GPIO میکروکنترلر (3.3 ولت) LED را از طریق یک مقاومت 470Ω راه‌اندازی می‌کند و I_F≈ (3.3V - 1.2V)/470Ω ≈ 4.5mA را تنظیم می‌کند. سیم پیچ رله (24 ولت، سیم پیچ 50Ω ≈ 480mA) بین منبع تغذیه 24 ولت و کلکتور EL452-G متصل می‌شود. امیتر به زمین متصل می‌شود. یک دیود فلای‌بک باید در دو سر سیم پیچ رله قرار داده شود تا از ولتاژهای پیک هنگام خاموش شدن فوتودارلینگتون جلوگیری کند. در ورودی 4.5 میلی‌آمپر، CTR خروجی اشباع‌شده‌ای را تضمین می‌کند که قادر به تخلیه جریان رله است، با V_CE(sat)که باعث افت ولتاژ کمی می‌شود. V_CEO350 ولت حاشیه کافی در برابر منبع 24 ولت و هرگونه پیک القایی فراهم می‌کند.

11. اصل عملکرد

قطعه بر اساس اصل کوپلینگ نوری عمل می‌کند. هنگامی که جریان از دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (LED) ورودی عبور می‌کند، فوتون‌ها را ساطع می‌کند. این فوتون‌ها از یک شکاف عایق شفاف عبور کرده و به ناحیه بیس جفت فوتوترانزیستور دارلینگتون خروجی برخورد می‌کنند. فوتون‌های جذب‌شده جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند که یک جریان بیس تولید کرده و جفت ترانزیستور دارلینگتون را روشن می‌کند. این امر اجازه می‌دهد جریان بسیار بزرگ‌تری متناسب با جریان LED (تعریف شده توسط CTR) از کلکتور به امیتر جریان یابد. نکته کلیدی این است که سیگنال توسط نور منتقل می‌شود و ایزولاسیون گالوانیکی کامل بین مدارهای ورودی و خروجی را فراهم می‌کند، زیرا هیچ اتصال الکتریکی وجود ندارد - فقط یک مسیر نوری از طریق یک ماده عایق.

12. روندها و تحولات صنعت

بازار اپتوکوپلر همچنان در حال تکامل است. روندها شامل توسعه ایزولاتورهای دیجیتال پرسرعت مبتنی بر فناوری CMOS و RF است که در مقایسه با اپتوکوپلرهای سنتی، سرعت، مصرف توان و مصونیت در برابر نویز برتری ارائه می‌دهند. با این حال، اپتوکوپلرهای فوتودارلینگتون و فوتوترانزیستور مانند EL452-G موقعیت قوی خود را در کاربردهایی که نیاز به قابلیت ولتاژ بالا، خروجی جریان بالا، سادگی، استحکام و مقرون‌به‌صرفه بودن برای ایزولاسیون فرکانس پایین تا متوسط دارند، حفظ می‌کنند. همچنین فشار مداومی برای کوچک‌سازی، یکپارچه‌سازی بالاتر (مانند ترکیب چند کانال)، بهبود قابلیت اطمینان و افزایش گواهی‌های ایمنی برای برآورده ساختن استانداردهای جهانی در حال تحول وجود دارد. حرکت به سمت مواد بدون هالوژن و سازگار با محیط زیست، همان‌طور که در EL452-G مشاهده می‌شود، یک نیاز استاندارد صنعتی است.