دیتاشیت اپتوکوپلر 6N138 و 6N139 - بسته‌بندی 8 پین DIP - دارلینگتون اسپلیت با گین بالا - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

6N138 و 6N139 اپتوکوپلرهای با عملکرد بالا و جریان ورودی پایین هستند که دارای مرحله خروجی ترانزیستور نوری دارلینگتون اسپلیت می‌باشند. این قطعات برای ارائه نسبت انتقال جریان (CTR) بسیار بالا طراحی شده‌اند که امکان انتقال سیگنال قابل اطمینان با حداقل جریان درایو ورودی را فراهم می‌کنند. آن‌ها در یک بسته استاندارد 8 پین Dual In-line Package (DIP) قرار دارند، با گزینه‌هایی برای فاصله پایه‌های عریض و پیکربندی‌های نصب سطحی. عملکرد اصلی، ایجاد ایزولیشن الکتریکی بین مدارهای ورودی و خروجی، محافظت از منطق حساس در برابر اسپایک‌های ولتاژ و لوپ‌های زمین است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزیت کلیدی این اپتوکوپلرها، CTR معمولی استثنایی 2000% آن‌هاست که امکان اتصال مستقیم با سیگنال‌های منطقی جریان پایین را بدون نیاز به تقویت اضافی فراهم می‌کند. آن‌ها توسط آژانس‌های ایمنی بین‌المللی اصلی (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) تأیید شده‌اند و ولتاژ ایزولیشن بالای 5000 Vrms را ارائه می‌دهند. این ویژگی‌ها آن‌ها را برای کاربردهای صنعتی، مخابراتی و محاسباتی که در آن‌ها ایمنی در برابر نویز، ایزولیشن ایمنی و یکپارچگی سیگنال حیاتی است، ایده‌آل می‌سازد. بازارهای هدف شامل اتوماسیون صنعتی، لوپ‌های فیدبک منبع تغذیه، ایزولیشن اینترفیس دیجیتال و گیرنده‌های خط ارتباطی می‌شود.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیری عینی از پارامترهای کلیدی الکتریکی و نوری مشخص شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد.

2.1 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

این ریتینگ‌ها محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. LED مادون قرمز ورودی دارای حداکثر جریان پیوسته فوروارد (IF) 20 میلی‌آمپر است و می‌تواند یک جریان پیک گذرای 1 آمپر را برای پالس‌های بسیار کوتاه (<1 میکروثانیه) تحمل کند. حداکثر جریان کلکتور ترانزیستور خروجی (IO) 60 میلی‌آمپر است و اتلاف توان آن (PO) به 100 میلی‌وات محدود می‌شود. دستگاه می‌تواند در محدوده دمای محیطی از 40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس کار کند. ولتاژ ایزولیشن 5000 Vrms یک پارامتر ایمنی کلیدی است که با اتصال کوتاه تمام پایه‌های ورودی به یکدیگر و تمام پایه‌های خروجی به یکدیگر تست می‌شود.

2.2 مشخصات الکتریکی

مشخصات الکتریکی در محدوده دمای تجاری 0 تا 70 درجه سلسیوس تضمین شده‌اند. برای LED ورودی، ولتاژ فوروارد معمولی (VF) در IF = 1.6 میلی‌آمپر، 1.3 ولت است. پارامترهای بخش خروجی بین 6N138 و 6N139 کمی متفاوت است. 6N139 معمولاً جریان نشتی خروجی منطقی HIGH (IOH) کمتری در حدود 0.01 میکروآمپر نسبت به 100 میکروآمپر 6N138 در شرایط یکسان (IF=0mA, VCC=18V) ارائه می‌دهد. جریان تغذیه در حالت منطقی LOW (ICCL) برای هر دو، زمانی که LED با 1.6 میلی‌آمپر درایو می‌شود، معمولاً 0.6 میلی‌آمپر است.

2.3 مشخصات انتقال

نسبت انتقال جریان (CTR) حیاتی‌ترین پارامتر است که به صورت (IC / IF) * 100% تعریف می‌شود. 6N139 دارای حداقل CTR 400% در IF=0.5mA و 500% در IF=1.6mA است. 6N138 دارای حداقل CTR 300% در IF=1.6mA است. مقدار معمولی برای هر دو 2000-2500% است که نشان‌دهنده حساسیت بالا است. ولتاژ خروجی منطقی LOW (VOL) تحت شرایط بار مختلف مشخص شده است، با حداکثر 0.4 ولت، که تضمین‌کننده سازگاری با سطوح منطقی استاندارد TTL و CMOS است.

2.4 مشخصات سوئیچینگ

سرعت سوئیچینگ به جریان درایو ورودی و مقاومت بار بستگی دارد. زمان‌های تاخیر انتشار (tPLH, tPHL) برای شرایط تست خاص ارائه شده‌اند. به عنوان مثال، 6N139 با IF=0.5mA و RL=4.7kΩ دارای tPHL معمولی 5 میکروثانیه و tPLH معمولی 16 میکروثانیه است. افزایش IF به 12mA با RL=270Ω سرعت را به ترتیب به طور چشمگیری به 0.2 میکروثانیه و 1.7 میکروثانیه بهبود می‌بخشد. 6N138 عموماً تحت شرایط تست مشخص شده خود (IF=1.6mA, RL=2.2kΩ) کندتر است. ایمنی گذرای حالت مشترک (CMTI) برای هر دو حالت منطقی HIGH و LOW حداقل 1000 V/µs مشخص شده است که نشان‌دهنده حذف نویز خوب در برابر گذرای ولتاژ سریع در سراسر موانع ایزولیشن است.

3. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

قطعات در یک بسته استاندارد 8 پین DIP ارائه می‌شوند. پیکربندی پایه‌ها به شرح زیر است: پایه 1: بدون اتصال، پایه 2: آند، پایه 3: کاتد، پایه 4: بدون اتصال، پایه 5: زمین (Gnd)، پایه 6: خروجی (Vout)، پایه 7: بیس (VB)، پایه 8: ولتاژ تغذیه (VCC). پایه بیس (7) دسترسی به بیس ترانزیستور نوری را فراهم می‌کند که می‌توان از آن برای اتصال یک مقاومت یا خازن افزایش سرعت برای معاوضه پهنای باند با پایداری استفاده کرد. گزینه‌های بسته شامل DIP استاندارد، خم پایه عریض (فاصله 0.4 اینچ) و فرم‌های پایه نصب سطحی (S و S1 با پروفایل پایین) می‌شود.

4. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

ریتینگ حداکثر مطلق برای دمای لحیم‌کاری 260 درجه سلسیوس به مدت 10 ثانیه است. این مقدار برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو معمول است. باید احتیاط‌های استاندارد برای دست‌کاری قطعات حساس به تخلیه الکترواستاتیک (ESD) رعایت شود. قطعات باید در شرایطی در محدوده دمای ذخیره‌سازی مشخص شده 55- تا 125+ درجه سلسیوس نگهداری شوند.

5. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

شماره قطعه از فرمت زیر پیروی می‌کند: 6N13XY(Z)-V. 'X' شماره قطعه است (8 برای 6N138، 9 برای 6N139). 'Y' گزینه فرم پایه را نشان می‌دهد: هیچ‌کدام برای DIP استاندارد (45 عدد در تیوب)، 'M' برای خم پایه عریض (45 عدد در تیوب)، 'S' برای نصب سطحی، 'S1' برای نصب سطحی با پروفایل پایین. 'Z' گزینه نوار و قرقره را برای قطعات SMD مشخص می‌کند: 'TA' یا 'TB' (1000 عدد در قرقره). 'V' یک پسوند اختیاری برای تأییدیه VDE است. کاربران باید بر اساس نیازهای مونتاژ، ترکیب صحیح را انتخاب کنند.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 سناریوهای کاربردی معمول

دیتاشیت چندین کاربرد کلیدی را فهرست می‌کند: ایزولیشن زمین منطق دیجیتال، گیرنده‌های خط RS-232C، گیرنده‌های خط با جریان ورودی پایین، ایزولیشن باس میکروپروسسور و گیرنده‌های لوپ جریان. CTR بالای آن‌ها، آن‌ها را برای اتصال مستقیم پین‌های GPIO میکروکنترلر، ایزوله کردن سیگنال‌های سنسور در محیط‌های پرنویز، یا ارائه ایزولیشن گالوانیک در خطوط ارتباط سریال مانند RS-232 یا RS-485 عالی می‌سازد.

6.2 ملاحظات طراحی

1. محدود کردن جریان ورودی:باید از یک مقاومت سری خارجی برای محدود کردن جریان فوروارد LED (IF) به مقداری در محدوده حداکثر مطلق و محدوده عملیاتی مورد نظر استفاده شود. مقدار مقاومت مورد نیاز (Vdrive - VF) / IF است.بارگذاری خروجی:ترانزیستور خروجی به عنوان یک سینک جریان عمل می‌کند. مقاومت بار (متصل بین VCC و پایه 6) باید طوری انتخاب شود که نوسان ولتاژ خروجی و سرعت سوئیچینگ مورد نظر را تنظیم کند. یک مقاومت کوچک‌تر سرعت را افزایش می‌دهد اما مصرف توان را نیز افزایش می‌دهد.سرعت در مقابل پایداری:اتصال یک مقاومت (معمولاً 10kΩ تا 1MΩ) از پایه بیس (7) به زمین می‌تواند پایداری و ایمنی در برابر نویز را بهبود بخشد اما CTR را کاهش داده و سرعت سوئیچینگ را کند می‌کند. یک خازن می‌تواند به صورت موازی برای فیلتر کردن بیشتر اضافه شود.دکاپلینگ منبع تغذیه:یک عمل خوب، قرار دادن یک خازن سرامیکی 0.1 میکروفاراد نزدیک به پایه VCC (8) به زمین برای سرکوب نویز است.

7. مقایسه و تمایز فنی

تمایز اصلی خانواده 6N138/6N139 در پیکربندی دارلینگتون اسپلیت و CTR بسیار بالای آن نهفته است. در مقایسه با اپتوکوپلرهای استاندارد تک ترانزیستوری (مانند سری 4N25)، این قطعات حساسیت به مراتب بالاتری ارائه می‌دهند که به آن‌ها اجازه می‌دهد مستقیماً توسط منطق CMOS جریان پایین درایو شوند. در مقایسه با ایزولاتورهای دیجیتال جدیدتر، آن‌ها یک راه‌حل آنالوگ ساده‌تر ارائه می‌دهند که برای کاربردهای نیازمند ایزولیشن پایه‌ای بدون نیاز به سرعت فوق‌العاده بالا یا پروتکل‌های پیچیده، بسیار مقرون‌به‌صرفه است. در دسترس بودن پایه بیس، درجه آزادی منحصر به فردی را برای طراحان فراهم می‌کند تا پاسخ فرکانسی و ایمنی در برابر نویز را تنظیم کنند.

8. سوالات متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

سوال 1: تفاوت اصلی بین 6N138 و 6N139 چیست؟

پاسخ 1: تفاوت‌های کلیدی در مشخصات الکتریکی آن‌هاست. 6N139 عموماً عملکرد بهتری ارائه می‌دهد: حداقل CTR بالاتر (500% در مقابل 300% در IF=1.6mA)، جریان نشتی خروجی کمتر در حالت خاموش، و مشخصات سوئیچینگ کمی متفاوت تحت تست. 6N139 واریانت با مشخصات بالاتر است.

سوال 2: چگونه مقدار مقاومت محدودکننده جریان ورودی را انتخاب کنم؟

پاسخ 2: جریان فوروارد مورد نیاز (IF) را از کاربرد خود تعیین کنید (مثلاً 1.6 میلی‌آمپر برای تعادل خوب بین سرعت و CTR). VF معمولی را از دیتاشیت اندازه‌گیری یا استفاده کنید (1.3 ولت). اگر ولتاژ درایو شما 5 ولت است، مقاومت R = (5V - 1.3V) / 0.0016A = 2312.5Ω است. یک مقاومت استاندارد 2.2kΩ انتخاب مناسبی خواهد بود.

سوال 3: چرا اپتوکوپلر من به کندی سوئیچ می‌کند؟

پاسخ 3: سرعت سوئیچینگ به شدت تحت تأثیر IF و مقاومت بار RL است. برای افزایش سرعت، می‌توانید: الف) جریان درایو LED (IF) را افزایش دهید. ب) مقدار مقاومت بار (RL) روی کلکتور خروجی را کاهش دهید. ج) اختیاریاً، از پایه بیس (7) با یک مقاومت کوچک به زمین برای حذف بار ذخیره شده استفاده کنید، اما این کار CTR را کاهش می‌دهد.

سوال 4: "ایمنی گذرای حالت مشترک" به چه معناست؟

پاسخ 4: این پارامتر توانایی دستگاه برای نادیده گرفتن اسپایک‌های ولتاژ سریعی را اندازه‌گیری می‌کند که به طور یکسان در هر دو سمت ورودی و خروجی مانع ایزولیشن ظاهر می‌شوند. یک CMTI بالا (مانند 1000 V/µs) به این معنی است که خروجی به دلیل چنین نویزی به اشتباه تغییر حالت نمی‌دهد، که در محیط‌های تغذیه پرنویز حیاتی است.

9. مورد عملی طراحی

مورد: ایزوله کردن سیگنال UART میکروکنترلر برای ارتباط RS-232.

خط TX UART میکروکنترلر 3.3 ولتی قبل از اتصال به تراشه مبدل RS-232 روی یک صفحه زمین متفاوت نیاز به ایزولیشن دارد. می‌توان از یک 6N139 استفاده کرد. پین میکروکنترلر از طریق یک مقاومت 1kΩ LED را درایو می‌کند (IF ~ (3.3V-1.3V)/1k = 2mA). کلکتور خروجی (پایه 6) از طریق یک مقاومت pull-up 4.7kΩ به VCC تراشه RS-232 (5V) به پین ورودی تراشه RS-232 متصل می‌شود. پایه بیس (7) باز گذاشته می‌شود یا از طریق یک مقاومت بزرگ (مثلاً 1MΩ) به زمین متصل می‌شود برای پایداری. این مدار ساده، ایزولیشن قوی ارائه می‌دهد، میکروکنترلر را در برابر تغییرات زمین یا موج‌های خط RS-232 محافظت می‌کند و یکپارچگی سیگنال را حفظ می‌کند.

10. اصل عملکرد

دستگاه بر اساس اصل کوپلینگ الکترونوری عمل می‌کند. یک جریان الکتریکی اعمال شده به پایه‌های ورودی (آند و کاتد) باعث می‌شود دیود نورافشان مادون قرمز (LED) نور ساطع کند. این نور از یک شکاف ایزولیشن شفاف عبور کرده و به ناحیه بیس حساس به نور یک جفت ترانزیستور نوری سیلیکونی دارلینگتون اسپلیت برخورد می‌کند. نور فرودی یک جریان بیس تولید می‌کند که توسط دو مرحله ترانزیستور تقویت می‌شود و در نتیجه یک جریان کلکتور بسیار بزرگ‌تر در خروجی ایجاد می‌شود. پیکربندی "اسپلیت" معمولاً به این معنی است که بیس ترانزیستور اول قابل دسترسی است (پایه 7)، که اجازه بایاس خارجی را می‌دهد. ایزولیشن الکتریکی کامل بین LED ورودی و ترانزیستورهای خروجی توسط بسته پلاستیکی قالب‌گیری شده که دارای استحکام دی‌الکتریک بالایی است، فراهم می‌شود.

11. روندها و زمینه صنعت

اپتوکوپلرهایی مانند 6N138/139 نمایانگر یک فناوری ایزولیشن بالغ و قابل اطمینان هستند. روندهای فعلی در ایزولیشن سیگنال شامل رشد ایزولاتورهای دیجیتال مبتنی بر CMOS و کوپلینگ RF یا خازنی است که سرعت، بازده توان و یکپارچگی برتر (چند کانال در یک بسته) ارائه می‌دهند. با این حال، اپتوکوپلرها در برخی حوزه‌ها مزایای قوی خود را حفظ می‌کنند: آن‌ها ایزولیشن ولتاژ کاری بسیار بالا (چند کیلوولت)، ایمنی گذرای حالت مشترک عالی، سادگی و استحکام در برابر تنش‌های dv/dt ولتاژ بالا را ارائه می‌دهند. آن‌ها اغلب در محیط‌های صنعتی پرنویز، لوپ‌های فیدبک منبع تغذیه و کاربردهایی که قابلیت اطمینان اثبات شده و گواهی‌های ایمنی در اولویت هستند، ترجیح داده می‌شوند. توسعه مواد جدید LED و دتکتور همچنان به بهبود سرعت و CTR اپتوکوپلرها ادامه می‌دهد و اطمینان می‌دهد که آن‌ها در کنار فناوری‌های جدیدتر مرتبط باقی می‌مانند.