دیتاشیت کوپلر نوری فوتوترانزیستور ولتاژ بالا EL851 با پکیج DIP 4 پین - ابعاد 6.35x4.57x3.3mm - VCEO 350V - CTR 50-600% - سند فنی

1. مرور کلی محصول

سری EL851 نمایان‌گر دسته‌ای از کوپلرهای نوری ترانزیستور فوتویی ولتاژ بالا است که برای ایزولاسیون الکتریکی مستحکم در کاربردهای سخت طراحی شده‌اند. این قطعات یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز را ادغام می‌کنند که با یک آشکارساز ترانزیستور فوتویی سیلیکونی به صورت نوری کوپل شده و در یک بسته‌بندی فشرده دو ردیفه 4 پایه (DIP) قرار گرفته‌اند. عملکرد اصلی آن‌ها انتقال سیگنال‌های الکتریکی بین دو مدار ایزوله با استفاده از نور است و از انتشار ولتاژ بالا یا نویز از سمت خروجی به سمت ورودی و بالعکس جلوگیری می‌کند. این سری با داشتن ریت ولتاژ کلکتور-امیتر بالا مشخص می‌شود که آن را برای واسط شدن با مدارهای منبع تغذیه و سایر سیستم‌های ولتاژ بالا مناسب می‌سازد.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

سری EL851 چندین مزیت کلیدی ارائه می‌دهد که جایگاه آن را در بازار تثبیت می‌کند. بارزترین ویژگی آن ریتV_CEO350V است که به آن امکان می‌دهد اختلاف ولتاژ قابل توجهی بین سمت ورودی و خروجی را تحمل کند. این امر باV_ISO5000 V_rmsولتاژ ایزولاسیون بالا (rms)، یک مانع امنیتی قابل اعتماد را در تجهیزات صنعتی و مخابراتی تضمین می‌کند. این قطعات با استانداردهای اصلی ایمنی بین‌المللی از جمله UL، cUL، VDE و همچنین گواهینامه‌های منطقه‌ای مختلف (SEMKO، NEMKO، DEMKO، FIMKO، CQC) مطابقت دارند که ورود به بازارهای جهانی را تسهیل می‌کند. علاوه بر این، این سری به صورت بدون هالوژن (برای نسخه‌های با فریم سربی مسی) طراحی شده و با مقررات RoHS و REACH اتحادیه اروپا مطابقت دارد که الزامات زیست‌محیطی و قانونی مدرن را برآورده می‌سازد. کاربردهای هدف شامل رابط خط تلفن، رابط مدار منبع تغذیه، رله‌های حالت جامد (SSR) و کنترل‌کننده‌های موتور DC، و همچنین کنترل‌کننده‌های قابل برنامه‌ریزی که جداسازی سیگنال و قابلیت ایمنی در برابر نویز در آنها حیاتی است، می‌باشد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک کامل ویژگی‌های الکتریکی و نوری قطعه برای طراحی صحیح مدار و عملکرد قابل اعتماد ضروری است.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

مقادیر حداکثر مطلق محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که می‌توانند منجر به آسیب دائمی قطعه شوند. این مقادیر برای شرایط کار عادی در نظر گرفته نشده‌اند. مقادیر کلیدی EL851 شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم ورودی (I_F)): 60 mA (پیوسته).
• جریان مستقیم اوج (I_FM)): 1 A (برای پالس 1 میکروثانیه)، مناسب برای شرایط گذرای موج.
• ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO)): 350 V، این حداکثر ولتاژی است که می‌توان در حالت بیس باز به دو سر ترانزیستور خروجی اعمال کرد.
• جریان کلکتور (I_C)): 50 mA.
• اتلاف توان کل (P_TOT)): 200 mW، ترکیبی از محدودیت‌های توان ورودی و خروجی.
• ولتاژ ایزوله (V_ISO)): 5000 V_rms(برای 1 دقیقه در رطوبت نسبی 40-60%). این آزمایش با اتصال کوتاه پایه‌های 1 و 2 و پایه‌های 3 و 4 انجام می‌شود.
• دمای کاری (T_OPR)): -55°C تا +100°C.
• دمای لحیم‌کاری (T_SOL)): 260°C برای 10 ثانیه، مناسب برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا بازجوشی.

2.2 مشخصات نوری-الکتریکی

این پارامترها معمولاً در دمای 25°C مشخص می‌شوند و عملکرد دستگاه را در شرایط کاری عادی توصیف می‌کنند.

2.2.1 ویژگی‌های ورودی (سمت LED)

• ولتاژ مستقیم (V_F)): مقدار معمول 1.2V، حداکثر 1.4V در I_F= 10 mA. این برای محاسبه مقاومت محدودکننده جریان مورد نیاز در سمت ورودی استفاده می‌شود.
• جریان معکوس (I_R)): در V_Rحداکثر 10 میکروآمپر در V = 5V، که نشان‌دهنده جریان نشتی بسیار کم در هنگام بایاس معکوس LED است.
• ظرفیت ورودی (C_in)): مقدار معمول 30 پیکوفاراد، حداکثر 250 پیکوفاراد. این ممکن است بر عملکرد سوئیچینگ فرکانس بالا در سمت ورودی تأثیر بگذارد.

2.2.2 ویژگی‌های خروجی (سمت فوتوترانزیستور)

• جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO)): در V_CEحداکثر 100 نانوآمپر در V = 200V. این جریان نشتی زمانی است که LED خاموش است (بدون نور) و برای تعیین یکپارچگی سیگنال در حالت "خاموش" حیاتی است.
• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (BV_CEO)): در I_C= 0.1mA حداقل 350V است که توانایی ولتاژ بالا را تأیید می‌کند.
• خازن کلکتور-امیتر (C_CE)): در V_CE= 0V) به طور معمول 10 pF است.

2.2.3 ویژگی‌های انتقال

• نسبت انتقال جریان (CTR)): در I_F= 5mA و V_CE= 5V، در محدوده 50% تا 600% است. CTR به صورت (I_C/ I_F) * 100%. CTR بالاتر امکان استفاده از جریان ورودی کمتر برای راه‌اندازی جریان خروجی مشخص را فراهم می‌کند که منجر به بهبود بازده می‌شود. محدوده وسیع نشان‌دهنده وجود سیستم درجه‌بندی است؛ طراحان باید حداقل CTR را در مدار برای اطمینان از عملکرد صحیح در نظر بگیرند.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(sat))): در I_F= 20mA و I_C= 1mA حداکثر 0.4V است. این ولتاژ اشباع پایین زمانی که ترانزیستور نوری به عنوان یک سوئیچ در حالت "روشن" استفاده می‌شود بسیار مهم است، زیرا باعث حداقل شدن افت ولتاژ و تلفات توان می‌گردد.
• مقاومت ایزوله (R_IO)): در V¹¹= 500V DC حداقل 10_IOΩ، نشان‌دهنده عایق‌بندی DC عالی بین ورودی و خروجی.
• ظرفیت ورودی-خروجی (C_IO)): مقدار معمول 0.6 pF، بسیار پایین، به حداقل‌سازی کوپلاژ خازنی نویز فرکانس بالا از طریق مانع عایق کمک می‌کند.
• زمان صعود (t_r) و زمان نزول (t_f)): مقادیر معمول به ترتیب 4 µs و 5 µs، حداکثر 18 µs برای هر یک در شرایط تست (V_CE=2V، I_C=2mA، R_L=100Ω). این پارامترها سرعت سوئیچینگ کوپلر نوری را تعریف می‌کنند که برای انتقال سیگنال دیجیتال یا کاربردهای PWM حیاتی است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

اگرچه داده‌های گرافیکی خاص در PDF ارجاع داده شده‌اند (منحنی‌های مشخصه نوری-الکتریکی معمول، شکل 9)، اما تفسیر کلیدی بر اساس داده‌های جدول ارائه‌شده و مدار تست است.

مدار تست زمان سوئیچینگ یک پیکربندی استاندارد را نشان می‌دهد که در آن یک جریان پالسی LED ورودی را راه‌اندازی می‌کند و پاسخ فوتوترانزیستور خروجی روی مقاومت بار (R_L) اندازه‌گیری می‌شود. زمان صعود (t_r) مدت زمانی است که هنگام روشن شدن LED، جریان خروجی از 10% به 90% مقدار نهایی خود می‌رسد. زمان نزول (t_f) مدت زمانی است که هنگام خاموش شدن LED، از 90% به 10% کاهش می‌یابد. مقادیر معمول در محدوده 4-5 میکروثانیه نشان می‌دهد که این قطعه برای کاربردهای سوئیچینگ با سرعت متوسط، مانند راه‌اندازی رله یا ایزولاسیون خطوط داده با فرکانس پایین مناسب است، اما ممکن است برای ارتباطات دیجیتال بسیار پرسرعت مناسب نباشد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد و گزینه‌های بسته‌بندی

EL851 سه گزینه اصلی فرم پایه ارائه می‌دهد که هر کدام ابعاد و کاربرد خاص خود را دارند.

• نوع استاندارد DIP: بسته‌بندی سوراخ‌گذاری شده پیش‌فرض.
• گزینه نوع M: دارای خم پین عریض با فاصله پین 0.4 اینچ (تقریباً 10.16 میلی‌متر)، مناسب برای بردهای مدار چاپی که نیاز به فاصله پین گسترده‌تری دارند.
• گزینه نوع S1: یک فرم پین نصب سطحی (SMD) با پروفیل کوتاه. این نوع SMD این قطعه است.

اگرچه ابعاد عددی دقیق در نقشه PDF ارائه شده است، اما ابعاد کلی بسته‌بندی نوع استاندارد DIP تقریباً 6.35 میلی‌متر طول، 4.57 میلی‌متر عرض و 3.3 میلی‌متر ارتفاع است که آن را به یک قطعه فشرده تبدیل می‌کند.

4.2 شناسایی و نشانه‌گذاری قطبیت

پیکربندی پایه‌ها استاندارد است:

1. آند (مثبت LED ورودی)
2. کاتد (منفی LED ورودی)
3. امیتر (امیتر فتوترانزیستور، معمولاً به زمین/مشترک سمت خروجی متصل می‌شود)
4. کلکتور (کلکتور فتوترانزیستور، پایه خروجی)

روی بدنه دستگاه علامت‌های "EL" (نشان‌دهنده سازنده)، "851" (شماره قطعه)، سپس یک کد سال (Y)، کد دو رقمی هفته (WW) و در صورت وجود حرف "V" برای نشان‌دادن نسخه دارای گواهی VDE حک شده است. شناسایی صحیح پایه 1 (که معمولاً روی بدنه با یک نقطه، فرورفتگی یا لبه مورب مشخص می‌شود) برای جهت‌دهی صحیح در هنگام مونتاژ حیاتی است.

4.3 طرح‌بندی پد لحیم‌کاری توصیه‌شده

برای گزینه S1 (نصب سطحی)، طرح‌بندی پد پیشنهادی ارائه شده است. ابعاد پیشنهادی صرفاً جهت راهنمایی هستند و توصیه می‌شود طراحان با توجه به فرآیند ساخت PCB خاص خود، روش اعمال خمیر لحیم و الزامات مدیریت حرارتی، آن‌ها را اصلاح کنند تا اتصالات لحیم قابل اطمینانی حاصل شود.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعه می‌تواند دمای لحیم‌کاری تا ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد را برای حداکثر ۱۰ ثانیه تحمل کند. این با فرآیند استاندارد لحیم‌کاری موجی برای بسته‌بندی‌های نصب‌سوراخی و پروفیل‌های ریفلو بدون سرب برای گزینه SMD سازگار است. رعایت دقیق این محدودیت زمانی-دمایی برای جلوگیری از آسیب به تراشه داخلی، سیم‌های اتصال یا مواد بدنه پلاستیکی ضروری است. در حین جابجایی و مونتاژ باید اقدامات احتیاطی استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) رعایت شود. محدوده دمای نگهداری ۵۵- تا ۱۲۵+ درجه سانتی‌گراد است.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 قوانین شماره‌گذاری مدل

شماره قطعه از فرمت زیر پیروی می‌کند:EL851X(Z)-V.

• X: گزینه‌های فرم پایه.
  • بدون: استاندارد DIP-4 (100 عدد در لوله).
  • M: خم پایه عریض، فاصله 0.4 اینچ (100 عدد در لوله).
  • S1: فرم پایه نصب سطحی (پروفیل کوتاه).
• Z: گزینه بسته‌بندی نوار رولی (فقط برای S1).
  • TA, TB, TU, TD: مشخصات مختلف نوار ریلی که بر تعداد بسته‌بندی (1000 یا 1500 عدد در رول) تأثیر می‌گذارد.
• V: پسوند اختیاری که نشان‌دهنده گواهینامه ایمنی VDE است.

6.2 مشخصات نوار رولی

ابعاد دقیق نوار ریلی (A, B, D0, D1, E, F, P0, P1, P2, t, W, K) برای گزینه S1 ارائه شده است. این ابعاد برای برداشت و قرارگیری صحیح قطعه از روی نوار توسط ماشین‌آلات مونتاژ PCB حیاتی هستند. عرض نوار (W) 16.0mm ±0.3mm و فاصله حفره‌ها (P0) 4.0mm ±0.1mm است.

7. راهنمای کاربری و ملاحظات طراحی

7.1 مدار کاربردی معمول

EL851 برای چندین کاربرد کلیدی زیر بسیار مناسب است:

• رابط خط تلفن: جداسازی مدارهای منطقی حساس مودم یا سیستم تلفن از سیگنال‌های ولتاژ بالای زنگ و اضافه ولتاژهای احتمالی روی خط تلفن.
• حلقه فیدبک منبع تغذیه: ارائه فیدبک ایزوله شده از ولتاژ خروجی در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، برای دستیابی به تنظیم ولتاژ در حالی که ایزولاسیون ایمن بین سمت اولیه (ولتاژ بالا) و ثانویه (ولتاژ پایین) حفظ می‌شود.
• کنترل SSR و موتور DC: درایو گیت یا ورودی رله‌های حالت جامد، یا به عنوان رابط ایزوله بین میکروکنترلر و پل اچ درایور موتور، برای محافظت از کنترلر منطقی در برابر نویز و اسپایک‌های ولتاژ ناشی از موتور.
• ماژول‌های I/O کنترلرهای قابل برنامه‌ریزی (PLC)جداسازی کانال‌های ورودی/خروجی دیجیتال برای محافظت از واحد پردازش مرکزی در برابر خطاهای سیم‌کشی میدانی، نویز و پتانسیل‌های زمین متفاوت.

7.2 عوامل کلیدی طراحی

1. تضعیف CTRCTR کوپلر نوری با گذشت زمان، به ویژه هنگام کار در دماهای بالا و جریان‌های LED بالا، تضعیف می‌شود. برای اطمینان از قابلیت اطمینان بلندمدت، مدار باید به گونه‌ای طراحی شود که حتی پس از در نظر گرفتن حاشیه تضعیف مناسب (معمولاً 50% در طول عمر محصول) همچنان بتواند باحداقلCTR مشخص شده به طور عادی کار کند.
2. محدودیت جریان ورودیهمیشه باید از یک مقاومت خارجی به صورت سری با LED ورودی برای محدود کردن جریان مستقیم (I_F) محدود به مقدار ایمنی، معمولاً بسیار کمتر از حداکثر مطلق 60mA. مقدار مقاومت به صورت R محاسبه می‌شود._حد= (V_عرضه- V_F) / من_F.
3. مقاومت بار خروجیمقاومت بار (R) متصل به کلکتور ترانزیستور نوری_Lمقدار ) بر دامنه ولتاژ خروجی و سرعت سوئیچینگ تأثیر می‌گذارد. مقدار کوچک‌تر R_Lاجازه‌دهنده سرعت‌های بالاتر، اما کاهش دهنده بهره ولتاژ خروجی. R_Lشرایط آزمایشی R=100Ω مرجعی برای زمان‌های سوئیچینگ مشخص‌شده فراهم می‌کند.
4. قابلیت مقاومت در برابر نویز: اگرچه این قطعه عایق‌بندی الکتریکی عالی ارائه می‌دهد، اما ظرفیت ورودی-خروجی بسیار پایین (0.6 pF) به حداقل‌سازی کوپلینگ نویز فرکانس بالا کمک می‌کند. برای محیط‌های به شدت پرنویز، ممکن است همچنان نیاز به افزودن فیلتر اضافی بر روی سیگنال‌های ورودی و خروجی باشد.
5. اتلاف حرارت: اطمینان حاصل کنید که تلفات توان کل (P_TOT= V_F*I_F+ V_CE*I_C) حداکثر 200 میلی‌وات، با در نظر گرفتن حداکثر دمای محیط کاری. ممکن است در دماهای بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد نیاز به کاهش رتبه (دریتینگ) باشد.

8. مقایسه فنی و تمایزها

در مقایسه با کوپلرهای نوری استاندارد ولتاژ پایین (معمولاً با V_CEOریت شده 30-70 ولت)، ریت 350 ولتی EL851 ویژگی تمایز اصلی آن است. این امکان استفاده مستقیم از آن را در مدارهای فیدبک منبع تغذیه آفلاین (که در آن ولتاژ یکسو شده برق شهری ممکن است حدود 300+ ولت باشد) یا رابط‌های کنترل صنعتی فراهم می‌کند، بدون نیاز به اضافه کردن مدارهای محدودکننده ولتاژ یا کاهنده اضافی در سمت خروجی. محدوده CTR گسترده آن، گزینه‌هایی برای نیازهای حساس و استاندارد درایو فراهم می‌کند. همچنین ارائه بسته‌بندی‌های تیپ سوراخ‌دار (DIP، خمیده عریض) و سطح‌نشین (S1) روی نوار (ریل)، آن را هم برای نمونه‌سازی اولیه و هم برای مونتاژ خودکار در حجم بالا مناسب و همه‌کاره می‌سازد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

سوال: باید بر اساس چه مقدار حداقل CTR طراحی کنم؟

پاسخ: همیشه بر اساس جریان کاری مورد انتظار I_Fو ولتاژ V_CEمدار خود را با در نظر گرفتن حداقل CTR 50% تحت شرایط CE طراحی کنید. همچنین افت احتمالی در طول عمر محصول را در نظر بگیرید.

سوال: آیا می‌توانم از این اپتوکوپلر برای کلیدزنی مستقیم بار 120VAC استفاده کنم؟

پاسخ: خیر. V_CEOمقدار نامی آن 350V DC است. ولتاژ پیک 120VAC حدود 170V است که در محدوده مقدار نامی قرار دارد، اما ترانزیستور فتو این اپتوکوپلر برای مدیریت مستقیم جریان بالای بار AC طراحی نشده است. این قطعه برای راه‌اندازی ورودی کنترل یک کلید قدرت مستقل (مانند TRIAC، MOSFET یا SSR) به کار می‌رود.

سوال: V_CEOو ولتاژ V_ISO?

چه تفاوتی با هم دارند؟_CEOپاسخ: V_ISO(350V) حداکثر ولتاژ DC است که می‌توان بین پایه‌های کلکتور و امیتر ترانزیستور خروجی اعمال کرد. V_{(5000 V}rms

) ولتاژ AC تحمل‌پذیری است که بین پایه‌های ورودی اتصال کوتاه شده (1,2) و پایه‌های خروجی اتصال کوتاه شده (3,4) آزمایش می‌شود و نشان‌دهنده استحکام عایق‌بندی داخلی سد پلاستیکی است.

سوال: چگونه بین بسته‌بندی DIP و SMD انتخاب کنیم؟

پاسخ: برای کاربردهای نمونه‌سازی اولیه، مونتاژ دستی، یا مواردی که نیاز چندانی به فضای برد مدار نیست و استحکام مکانیکی لحیم‌کاری از طریق سوراخ (Through-hole) مد نظر است، از بسته‌بندی DIP نوع Through-hole استفاده کنید. برای مونتاژ خودکار، طراحی PCB با چگالی بالا و نیاز به کاهش ضخامت برد، بسته‌بندی SMD (S1) را انتخاب نمایید.

10. نمونه‌های طراحی کاربردی

سناریو: ورودی دیجیتال ایزوله برای سنسورهای صنعتی 24 ولت.هدف:

اتصال سنسور مجاورت 24 ولت به میکروکنترلر 3.3 ولت و ارائه ایزولاسیون برای محافظت از MCU در برابر تغییرات ولتاژ گذرا روی خط 24 ولت.

1. طراحی مدار:سمت ورودی:_{خروجی سنسور (نوع sinking) بین +24V و آند EL851 (پین 1) متصل می‌شود. یک مقاومت محدودکننده جریان (R}in_{) بین کاتد (پین 2) و زمین قرار می‌گیرد. هنگامی که سنسور فعال است، R}in_Fرا طوری انتخاب کنید که I_Fروی مقدار نامی 5-10 mA تنظیم شود. به عنوان مثال، با فرض V_{~1.2V، آنگاه R}in
2. = (24V - 1.2V) / 0.005A ≈ 4.56kΩ (از مقدار استاندارد 4.7kΩ استفاده کنید).سمت خروجی:_{کلکتور فتوترانزیستور (پین 4) از طریق یک مقاومت pull-up (R}pullup_{) به منبع تغذیه 3.3V MCU متصل می‌شود. امیتر (پین 3) به زمین MCU متصل است. هنگامی که سنسور فعال می‌شود، LED روشن می‌شود، ترانزیستور نوری به اشباع می‌رود و کلکتور (سیگنال خروجی) را پایین می‌کشد (حدود 0.4V). هنگامی که سنسور خاموش است، ترانزیستور نوری قطع می‌شود و R}pullup_{خروجی را به 3.3V بالا می‌کشد. مقدار R}pullup
3. را با توجه به سرعت و مصرف توان مورد نیاز انتخاب کنید؛ مقادیر 1kΩ تا 10kΩ رایج هستند.ایزولاسیون:_{زمین سنسور 24V و زمین MCU 3.3V کاملاً از هم جدا هستند. سد ایزولاسیون 5000V در EL851}rms

این مدار ساده، انتقال قوی سیگنال دیجیتال ایزوله را فراهم می‌کند.

11. اصل کار_FEEL851 بر اساس اصل تبدیل و ایزوله‌سازی نوری کار می‌کند. جریان اعمال شده به سمت ورودی از طریق دیود نورگسیل مادون قرمز (LED) جاری می‌شود و باعث درخشش آن می‌گردد. این نور از شکاف شفاف ایزوله‌کننده درون پکیج پلاستیکی عبور کرده و به ناحیه بیس ترانزیستور فوتوسیلیکون در سمت خروجی می‌تابد. نور فرودی در ناحیه بیس جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کند که به طور مؤثری نقش جریان بیس را ایفا می‌کنند. این جریان بیس نوری توسط بهره جریان ترانزیستور (h_C) تقویت شده و جریان کلکتور بزرگتری (I

). نسبت این جریان کلکتور خروجی به جریان LED ورودی، نسبت انتقال جریان (CTR) نامیده می‌شود. هیچ اتصال الکتریکی بین مدار ورودی و خروجی وجود ندارد؛ تنها نور است که آن‌ها را کوپل می‌کند و در نتیجه ایزولاسیون الکتریکی را فراهم می‌نماید.

12. روندهای فنی