دیتاشیت کوپلر نوری ELD3H7 ELQ3H7 - بسته‌بندی SSOP با 8/16 پایه - ولتاژ ایزوله 3750 ولت RMS - نسبت انتقال جریان 50-600% - مستند فنی

1. مرور کلی محصول

ELD3H7 و ELQ3H7 کوپلرهای نوری مبتنی بر فوتوترانزیستور هستند که به طور خاص برای ایزوله‌سازی سیگنال‌های الکتریکی طراحی شده‌اند. آن‌ها از یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز و یک فوتوترانزیستور سیلیکونی تشکیل شده‌اند که از طریق کوپلینگ نوری به هم متصل شده و همگی در یک بسته‌بندی فشرده سطح‌نشین (SMD) قرار گرفته‌اند. عملکرد اصلی آن‌ها انتقال سیگنال‌های الکتریکی بین دو مدار، در حالی که ایزولاسیون الکتریکی بالا را حفظ می‌کنند، برای جلوگیری از انتشار نویز، حلقه‌های زمینی و اسپایک‌های ولتاژ است.

ELD3H7 دو کانال ایزوله مستقل را در یک بسته‌بندی 8 پین SSOP (بسته‌بندی کوچک با پروفایل جمع‌شده) ادغام می‌کند. ELQ3H7 چهار کانال مستقل را در یک بسته‌بندی 16 پین SSOP ادغام می‌کند. هر دو مدل دارای پروفایل فوق‌العاده نازک 2.0 میلی‌متری هستند که برای کاربردهای با محدودیت فضا بسیار مناسب است. دستگاه‌ها از ترکیب قالب‌گیری سبز و بدون هالوژن استفاده می‌کنند و با دستورالعمل‌های بدون سرب و RoHS مطابقت دارند.

2. ویژگی‌های کلیدی و مزایای اصلی

• ولتاژ ایزوله بالا:مقدار نامی 3750 ولت_rms(برای مدت یک دقیقه)، حفاظت و ایمنی قابل اعتماد را در محیط‌های با ولتاژ بالا تضمین می‌کند.
• نسبت انتقال جریان گسترده:در I_F= 5mA، V_CEدر شرایط 5 ولت، محدوده از 50% تا 600% را پوشش می‌دهد و انعطاف‌پذیری طراحی را برای نیازهای مختلف تقویت سیگنال فراهم می‌کند.
• ابعاد فشرده:بسته‌بندی SSOP با ارتفاع 2.0 میلی‌متر، انتخاب ایده‌آلی برای طراحی‌های PCB با چگالی بالا است.
• گواهی‌های ایمنی جامع:دارای گواهینامه‌های UL (E214129)، VDE (40028116)، SEMKO، NEMKO، DEMKO، FIMKO و CQC برای استفاده آسان در تجهیزات تحت نظارت در سراسر جهان.
• ویژگی‌های کلیدزنی سریع:زمان افزایش معمولی (t_r) 5 µs است، زمان افت (t_f) 3 µs است و برای انتقال سیگنال‌های دیجیتال مناسب می‌باشد.

3. بازار هدف و کاربردها

این کوپلرهای نوری به‌طور خاص برای کاربردهایی طراحی شده‌اند که نیاز به ایزولاسیون سیگنال مطمئن و مقاومت در برابر نویز دارند.

• مبدل DC-DC:ارائه جداسازی حلقه فیدبک در منابع تغذیه سوئیچینگ.
• کنترلرهای منطقی قابل برنامه‌ریزی و اتوماسیون صنعتی:جداسازی سیگنال‌های دیجیتال I/O بین کنترلر و تجهیزات میدانی.
• تجهیزات مخابراتی:جداسازی خطوط سیگنال در مودم‌ها، رابط‌ها و سخت‌افزار شبکه.
• جداسازی مدار عمومی:انتقال سیگنال بین مدارهایی با پتانسیل‌های زمین یا سطوح امپدانس متفاوت.

4. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

4.1 مقادیر حداکثر مطلق

اینها محدودیت‌های تنشی هستند که تحت هیچ شرایطی نباید از آنها تجاوز کرد تا از آسیب دائمی دستگاه جلوگیری شود.

• ورودی (سمت LED):جریان مستقیم (I_F) 60 میلی‌آمپر؛ جریان مستقیم پیک (I_FP) 1 A (پالس 1 میکروثانیه‌ای)؛ ولتاژ معکوس (V_R) 6 V؛ توان مصرفی (P_D) 70 mW.
• خروجی (سمت ترانزیستور):جریان کلکتور (I_C) 50 میلی‌آمپر؛ ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO) 80 ولت؛ ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO) 7 V; مصرف توان (P_C) 150 mW.
• دستگاه به طور کلی:کل مصرف توان (P_TOT) 200 mW; ولتاژ ایزوله (V_ISO)3750 V_rms.
• دما:محدوده کاری از ۵۵- درجه سلسیوس تا ۱۱۰+ درجه سلسیوس؛ محدوده ذخیرهسازی از ۵۵- درجه سلسیوس تا ۱۲۵+ درجه سلسیوس؛ دمای لحیمکاری ۲۶۰ درجه سلسیوس (به مدت ۱۰ ثانیه).

4.2 ویژگی‌های الکتریکی و اپتوالکترونیکی

پارامترهای عملکردی معمول اندازهگیریشده در دمای ۲۵ درجه سلسیوس.

4.2.1 ویژگی‌های ورودی (مادون قرمز LED)

• ولتاژ مستقیم (V_F):مقدار معمول 1.2V، در I_Fحداکثر 1.4 ولت در =20mA. این پارامتر برای طراحی مدار درایو LED حیاتی است.
• جریان معکوس (I_R):در V_Rحداکثر 10 µA در =4V، که نشان‌دهنده ویژگی مسدودسازی معکوس خوب دیود است.
• ظرفیت خازنی ورودی (C_در):مقدار معمول 30 pF، که بر عملکرد سوئیچینگ فرکانس بالا تأثیر می‌گذارد.

4.2.2 ویژگی‌های خروجی (فتوترانزیستور)

• جریان تاریک (I_CEO):در V_CE=20V، I_F=0mA حداکثر 100 nA. این جریان نشتی هنگام خاموش بودن LED است و بر یکپارچگی سیگنال در حالت قطع تأثیر می‌گذارد.
• ولتاژ شکست: BV_CEO≥ 80V، BV_ECO≥ 7V، حداکثر ولتاژ مجاز بین دو پایانه ترانزیستور را تعریف می‌کند.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(sat)):مقدار معمول 0.1V، در I_F=10mA، I_C=1mA حداکثر 0.2V. برای خروجی سطح منطقی، V پایین‌تر_CE(sat)ایده‌آل است.

4.2.3 ویژگی‌های انتقال

• نسبت انتقال جریان:به صورت (I_C/ I_F) * 100% تعریف می‌شود. در I_F=5mA، V_CEدر شرایط =5V، محدوده تعیین شده از 50% تا 600% است. این دسته‌بندی گسترده امکان انتخاب بر اساس بهره مورد نیاز را فراهم می‌کند.
• مقاومت ایزوله (R_IO):حداقل 5×10 در 500V DC¹⁰Ω، تضمین کننده عایق‌بندی DC عالی.
• خازن عایق (C_IO):مقدار معمولی 0.3 pF، حداکثر مقدار 1.0 pF. ظرفیت کم، کوپلینگ خازنی نویز فرکانس بالا از طریق مانع عایق را به حداقل می‌رساند.
• زمان سوئیچینگ:تحت شرایط آزمایش (V_r=2V، I_f=2mA، R_CE=100Ω)، زمان صعود (t_C) مقدار معمول 5 µs، زمان فرود (t_L) مقدار معمول 3 µs. این مقادیر حداکثر نرخ داده قابل استفاده را تعیین می‌کنند.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد و شکل‌بندی پکیج

قطعه در پکیج SSOP ارائه می‌شود. ELD3H7 (2 کاناله) از SSOP با 8 پایه و ELQ3H7 (4 کاناله) از SSOP با 16 پایه استفاده می‌کند. هر دو ارتفاع پروفیل پایین مشترک 2.0 میلی‌متری دارند. یک نمودار ابعادی دقیق شامل تمام ابعاد کلیدی (ابعاد بدنه، فاصله پایه‌ها، ارتفاع از برد) برای طراحی پد PCB در دیتاشیت ارائه شده است.

5.2 پیکربندی و قطبیت پایه‌ها

برای ELD3H7 (8 پین):

• پین‌های 1 و 3: به ترتیب آند LED کانال 1 و کانال 2.
• پایه‌های 2 و 4: به ترتیب کاتد LED کانال 1 و کانال 2 هستند.
• پایه‌های 5 و 7: به ترتیب امیتر فتوترانزیستور کانال 1 و کانال 2 هستند.
• پایه‌های 6 و 8: به ترتیب کلکتور فتوترانزیستور کانال 1 و کانال 2 هستند.

برای ELQ3H7 (16 پایه):

• پایه‌های 1، 3، 5، 7: آند LEDهای کانال 1 تا 4.
• پایه‌های 2، 4، 6، 8: کاتد LEDهای کانال 1 تا 4.
• پایه‌های 9، 11، 13، 15: امیتر فوتوترانزیستورهای کانال 1 تا 4.
• پایه‌های 10، 12، 14، 16: کلکتور فوتوترانزیستورهای کانال 1 تا 4.

5.3 طرح‌بندی پیشنهادی پد PCB

دیتاشیت شامل طرح‌های پد گرافیکی پیشنهادی برای پکیج‌های SSOP 8 پایه و 16 پایه است. رعایت این توصیه‌ها اطمینان از تشکیل اتصالات لحیم قابل اعتماد در فرآیند لحیم‌کاری ریفلو و دستیابی به پایداری مکانیکی مناسب را تضمین می‌کند.

5.4 شناسه قطعه

قطعه در سطح بالایی شناسه‌گذاری می‌شود. شناسه شامل موارد زیر است:

• "EL": شناسه سازنده.
• "D3H7" یا "Q3H7": مدل دستگاه‌های ۲ کاناله یا ۴ کاناله.
• "Y": کد یک‌رقمی سال.
• "WW": کد دو رقمی هفته.
• "V": شناسه اختیاری، نشان‌دهنده گواهی VDE.

6. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعات برای مونتاژ سطحی با استفاده از فناوری لحیم‌کاری بازجوشی مناسب هستند.

• لحیم‌کاری بازجوشی:حداکثر دمای مجاز لحیم‌کاری اندازه‌گیری شده در بدنه بسته‌بندی 260 درجه سلسیوس است که مدت زمان آن نباید از 10 ثانیه تجاوز کند. منحنی استاندارد لحیم‌کاری بازجوشی بدون سرب (IPC/JEDEC J-STD-020) اعمال می‌شود.
• عملیات:باید اقدامات احتیاطی استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) رعایت شود، زیرا دستگاه شامل نیمه‌هادی‌های حساس به الکتریسیته ساکن است.
• تمیزکاری:از روش‌های استاندارد تمیز کردن PCB که با ترکیب قالب‌گیری اپوکسی سبز سازگار هستند، پیروی کنید.
• ذخیره‌سازی:در محیط خشک با دمای بین ۵۵- درجه سلسیوس تا ۱۲۵+ درجه سلسیوس نگهداری شود. برای دستیابی به بهترین قابلیت لحیم‌کاری، استفاده در طول ۱۲ ماه پس از تاریخ کد توصیه می‌شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 قوانین نام‌گذاری مدل

شماره قطعه از فرمت زیر پیروی می‌کند:EL[D3H7/Q3H7](Z)-V

• EL:پیشوند سری.
• D3H7 / Q3H7:نشان‌دهنده دستگاه‌های 2 کاناله یا 4 کاناله.
• (Z):گزینه بسته‌بندی نوار رول. "TA" نشان‌دهنده بسته‌بندی نوار رول است و در صورت عدم وجود این شناسه، بسته‌بندی به صورت لوله‌ای است.
• V:پسوند اختیاری، نشان‌دهنده گواهی VDE.

7.2 مشخصات بسته‌بندی

• ELD3H7 (Tube):80 عدد در هر لوله.
• ELD3H7 (Reel):هر رول 1000 عدد.
• ELQ3H7 (بسته‌بندی تیوبی):هر تیوب 40 عدد.
• ELQ3H7 (بسته‌بندی رولی):هر رول 1000 عدد.

مشخصات ریلی، شامل عرض نوار حامل، اندازه‌ی پاکت و قطر قرقره، به‌طور دقیق توضیح داده شده‌اند تا تنظیم ماشین‌های مونتاژ خودکار تسهیل شود.

8. ملاحظات طراحی کاربرد

8.1 مدار کاربردی معمول

متداول‌ترین کاربرد، جداسازی سیگنال دیجیتال است. یک مقاومت محدودکننده جریان باید به صورت سری با آند LED قرار گیرد تا جریان مستقیم مورد نظر (I_F) تنظیم شود. فرمول محاسبه مقدار مقاومت به این صورت است: R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_Fدر سمت خروجی، یک مقاومت کششی (R_L) بین کلکتور و ولتاژ تغذیه سمت خروجی (V_{CC_output}) برای تعریف سطح منطقی خروجی و محدود کردن جریان کلکتور فوتوترانزیستور استفاده می‌شود.

8.2 نکات کلیدی طراحی و بهترین روش‌ها

• انتخاب نسبت انتقال جریان:با توجه به جریان محرک شما و جریان خروجی مورد نیاز، سطح مناسب نسبت انتقال جریان را انتخاب کنید. نسبت انتقال جریان بالاتر امکان استفاده از I پایین‌تر را با همان خروجی فراهم می‌کند._Fو در نتیجه مصرف توان ورودی را کاهش می‌دهد.
• مصالحه سرعت و جریان:سرعت سوئیچینگ (t_r، t_f) معمولاً با افزایش I_Fو کاهش R_Lبهبود می‌یابد، اما این امر مصرف توان را افزایش می‌دهد. مدار تست (I_Fپالس، V_CE=2V، I_C=2mA، R_L=100Ω) مرجعی برای عملکرد مورد انتظار فراهم می‌کند.
• مقاومت در برابر نویز:مقاومت ایزولاسیون بالا (R_IO) و ظرفیت ایزولاسیون پایین (C_IO) کلید سرکوب نویز مد مشترک هستند. اطمینان از چیدمان صحیح PCB و اجتناب از مسیرهای نشتی و فاصله‌های الکتریکی برای جلوگیری از تأثیر بر ولتاژ ایزولاسیون نامی ضروری است.
• ملاحظات حرارتی:نباید از کل توان مصرفی دستگاه (P_TOT= 200 mW) تجاوز کند. کل توان مصرفی، مجموع توان مصرفی LED ورودی (I_F*V_F) و توان مصرفی ترانزیستور خروجی (I_C*V_CEمجموع‌ها.

9. مقایسه فنی و تمایزها

در مقایسه با کوپلرهای نوری استاندارد DIP-4 یا DIP-6، سری‌های ELD3H7/ELQ3H7 دارای مزایای قابل توجهی هستند:

• کاهش اندازه:برای دستگاه‌های 2 کاناله، بسته‌بندی SSOP کمتر از 25٪ از مساحت برد مدار استاندارد DIP-8 را اشغال می‌کند و باعث کوچک‌سازی می‌شود.
• یکپارچه‌سازی چند کاناله:ارائه گزینه‌های 2 کاناله و 4 کاناله در یک بسته‌بندی واحد، تعداد قطعات و فضای اشغالی برد را در کاربردهای چندگانه ایزوله کاهش می‌دهد.
• ارتفاع کلی:ارتفاع 2.0 میلی‌متری برای طراحی‌های فوق باریک حیاتی است.
• عملکرد:با وجود اندازه کوچک، همچنان ولتاژ ایزوله بالا و محدوده نسبت انتقال جریان گسترده حفظ شده است که این یک تفاوت کلیدی با بسیاری از جایگزین‌های مینیاتوری است.

10. پرسش‌های متداول

10.1 حداکثر نرخ داده‌ای که این اپتوکوپلرها می‌توانند به آن دست یابند چقدر است؟

بر اساس زمان‌های افزایش/کاهش معمولی 5 میکروثانیه و 3 میکروثانیه، برای یک سیگنال دیجیتال تمیز، حداکثر نرخ داده عملی تقریباً 1/(t_r+t_f) ≈ 125 کیلوهرتز است. برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد، هدف طراحی محافظه‌کارانه‌ای در محدوده 50 تا 100 کیلوهرتز توصیه می‌شود.

10.2 چگونه می‌توانم سطح صحیح نسبت انتقال جریان را برای کاربرد خود انتخاب کنم؟

اگر طراحی شما نیازمند تضمین حداقل جریان خروجی (I_C) در جریان ورودی خاصی (I_F) است، لطفاً حداقل نسبت انتقال جریان مورد نیاز را محاسبه کنید: CTR_{min_req}= (I_C/ I_F) * 100%. دستگاهی را انتخاب کنید که حداقل ضریب انتقال جریان تضمینی آن (مثلاً 50%) به این مقدار برسد یا از آن فراتر رود. استفاده از رتبه‌بندی ضریب انتقال جریان بالاتر، حاشیه طراحی بیشتری فراهم می‌کند.

10.3 آیا این قطعات را می‌توان برای جداسازی سیگنال‌های آنالوگ استفاده کرد؟

اگرچه عمدتاً برای جداسازی دیجیتال طراحی شده‌اند، اما می‌توانند در کاربردهای آنالوگ کم‌دقت و فرکانس پایین (مانند فیدبک در منابع تغذیه ایزوله) نیز استفاده شوند. با این حال، نسبت انتقال جریان وابستگی شدیدی به دما دارد و با I_Fرابطه‌ای غیرخطی دارد که باعث می‌شود بدون کالیبراسیون گسترده یا مدارهای جبران‌ساز، برای انتقال سیگنال‌های آنالوگ دقیق مناسب نباشند. اپتوکوپلرهای خطی اختصاصی برای جداسازی آنالوگ مناسب‌ترند.

10.4 هدف از رتبه‌بندی ولتاژ ایزوله چیست و چگونه آزمایش می‌شود؟

3750 V_rmsمقدار نامی (برای مدت یک دقیقه) یک مشخصه ایمنی است که استحکام دی‌الکتریک عایق بین سمت ورودی و خروجی را نشان می‌دهد. در طول آزمایش، تمام پایه‌های سمت LED به یکدیگر اتصال کوتاه می‌شوند و تمام پایه‌های سمت ترانزیستور نیز به یکدیگر اتصال کوتاه می‌شوند. یک ولتاژ AC بالا بین این دو گروه اعمال می‌شود. این مقدار نامی، محافظت در برابر گذرای‌های ولتاژ بالا که ممکن است در تجهیزات صنعتی یا متصل به برق شهری رخ دهد را تضمین می‌کند.

11. نمونه طراحی عملی

صحنه:ایزوله کردن سیگنال دیجیتال 3.3V میکروکنترلر به سیستم 5V.

• سمت ورودی: V_{CC_input}= 3.3V. جریان هدف_F= 5 mA، برای دستیابی به نسبت سرعت و انتقال جریان مناسب. با فرض V_F≈ 1.2V، سپس R_limit= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω. از مقاومت استاندارد 430Ω استفاده کنید.
• سمت خروجی: V_{CC_output}= 5V. انتخاب R_Lبا محدودیت I_Cو سطح منطقی را تنظیم کنید. برای I_Fدر حالتی که نسبت انتقال جریان 100% در =5mA باشد، I_C≈ 5mA. هنگامی که ترانزیستور روشن (اشباع) می‌شود، V_CE≈ 0.1V، بنابراین خروجی در سطح پایین (حدود 0.1V) است. هنگام قطع، خروجی به سطح بالای 5V کشیده می‌شود. در حالت روشن، R_Lمصرف توان روی آن (5V - 0.1V) * 5mA ≈ 24.5 mW است که کاملاً در محدوده مقادیر نامی قرار دارد. یک مقاومت استاندارد 1 کیلو اهمی جریان I را خواهد داد._C≈ (5V - 0.1V)/1kΩ = 4.9mA که قابل قبول نیز هست.
• چیدمان:قطعه را در نزدیکی مانع ایزوله روی PCB قرار دهید. فاصله خزشی و فاصله الکتریکی پیشنهادی را بین مسیرهای مسی ورودی و خروجی حفظ کنید (رجوع به استانداردهای ایمنی مانند IEC 60950-1)، به ویژه برای مقادیر نامی ولتاژ ایزوله بالا.

12. اصل کار

اپتوکوپلر با تبدیل سیگنال الکتریکی به نور، انتقال آن از طریق شکاف عایق الکتریکی و سپس تبدیل مجدد نور به سیگنال الکتریکی کار می‌کند. در ELD3H7/ELQ3H7:

1. جریان (I_F) از LED مادون قرمز عبور می‌کند و باعث گسیل فوتون‌ها می‌شود.
2. این فوتون‌ها از طریق محیط عایق شفاف (ترکیب قالب‌گیری) عبور کرده و به ناحیه بیس ترانزیستور فوتونی سیلیکونی برخورد می‌کنند.
3. انرژی فوتون در ناحیه بیس، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کند که به طور مؤثری جریان بیس را تولید کرده و ترانزیستور را روشن می‌کند.
4. ترانزیستور جریان کلکتور (I_Cاین جریان با شدت نور دریافتی و در نتیجه با ورودی I متناسب است._Fمتناسب است. ثابت تناسب نسبت انتقال جریان است.

نکته کلیدی این است که تنها اتصال بین ورودی و خروجی نوری است، که در نتیجه ایزولاسیون الکتریکی را فراهم می‌کند.

13. روندها و تحولات صنعت

روندهای توسعه فناوری کوپلرهای نوری-الکترونیکی تحت تأثیر نیاز به سرعت بالاتر، ابعاد کوچکتر، مصرف توان کمتر و یکپارچهسازی عملکردهای بیشتر هدایت میشوند. در حالی که کوپلرهای نوری-ترانزیستوری سنتی مانند ELD3H7/ELQ3H7 از نظر مقرونبهصرفه بودن، استحکام و ولتاژ ایزوله بالا عملکرد برجستهای دارند، فناوریهای جدید به طور مداوم در حال ظهور هستند:

• کوپلرهای دیجیتال پرسرعت:با استفاده از فناوری CMOS و LED یکپارچه، نرخهای دادهای در حد دهها یا صدها مگابیت بر ثانیه محقق میشوند که فراتر از قابلیت دستگاههای مبتنی بر فتوترانزیستور است.
• یکپارچهسازی عملکرد ایزوله:دستگاه‌هایی که ایزولاسیون را با عملکردهایی مانند درایور گیت ایزوله، ADC ایزوله یا منبع تغذیه ایزوله ترکیب می‌کنند.
• افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان:تمرکز مستمر بر توسعه، بهبود دوام مواد ایزوله، مقاومت در برابر موج‌های گذرا و دستیابی به ولتاژ کاری بالاتر در بسته‌بندی‌های کوچک‌تر برای برآورده ساختن استانداردهای ایمنی بین‌المللی در حال تکامل است.

کوپلرهای فوتوترانزیستوری همچنان راه‌حلی اساسی و پرکاربرد برای کاربردهای ایزوله عمومی و حساس به هزینه هستند که در آنها سرعت متوسط و قابلیت اطمینان بالا حیاتی است.