EL3H7U-G 포토커플러 데이터시트 - 4핀 SSOP 패키지 - 프로파일 2.0mm - 절연 내압 3750Vrms - CTR 100-560% - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

EL3H7U-G 시리즈는 현대 전자 회로에서 신뢰할 수 있는 신호 절연을 위해 설계된 컴팩트한 표면 실장형 포토트랜지스터 포토커플러(광커플러) 제품군입니다. 이 소자는 빛을 사용하여 두 개의 절연된 회로 사이에서 전기 신호를 전달함으로써, 한 회로의 고전압이나 접지 루프가 다른 회로에 영향을 미치거나 손상시키는 것을 방지하는 중요한 기능을 제공합니다.

핵심 구조는 갈륨 비소 적외선 발광 다이오드(IrED)가 실리콘 NPN 포토트랜지스터에 광학적으로 결합된 형태로 구성됩니다. 둘 다 녹색의 할로겐 프리 화합물로 캡슐화되어 있으며, 낮은 프로파일(2.0mm)의 4핀 소형 아웃라인 패키지(SSOP)에 장착되어 있습니다. 이 패키지는 인쇄 회로 기판(PCB) 상의 공간이 제한된 애플리케이션에 이상적입니다.

1.1 핵심 장점 및 타겟 시장

EL3H7U-G 시리즈의 주요 장점은 높은 절연 능력, 컴팩트한 폼 팩터, 그리고 국제 안전 및 환경 규정 준수입니다. 3750 Vrms의 절연 내압(Viso)은 민감한 회로에 대한 강력한 보호를 제공합니다. 할로겐 프리 소재 구성은 RoHS 및 REACH와 같은 환경 규정에 부합합니다. 이 소자는 UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, CQC를 포함한 주요 국제 안전 기관의 승인을 받아, 인증된 부품이 필요한 글로벌 시장에 적합합니다.

타겟 애플리케이션은 다양하며, 전기적 절연과 노이즈 내성이 가장 중요한 분야에 초점을 맞춥니다. 주요 시장으로는 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS), 특히 DC-DC 컨버터, 산업용 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 통신 장비, 그리고 서로 다른 접지 전위나 임피던스 레벨을 가진 회로 간의 범용 신호 전송이 포함됩니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

절대 최대 정격과 전기적 특성을 이해하는 것은 신뢰할 수 있는 회로 설계와 포토커플러의 장기적 신뢰성을 보장하는 데 필수적입니다.

2.1 절대 최대 정격

이 정격은 소자에 영구적인 손상이 발생할 수 있는 한계를 정의합니다. 정상 작동을 위한 값이 아닙니다.

• 입력 (LED 측):순방향 전류(I_F)는 20 mA를 초과해서는 안 됩니다. 역방향 전압(V_R)은 5 V로 제한되며, 입력이 역바이어스에 노출될 수 있는 경우 적절한 극성 보호가 필요함을 강조합니다.
• 출력 (포토트랜지스터 측):컬렉터 전류(I_C) 정격은 30 mA입니다. 컬렉터-이미터 전압(V_CEO)은 최대 60 V까지 견딜 수 있으며, 이미터-컬렉터 전압(V_ECO)은 5 V로 훨씬 낮아, 포토트랜지스터의 항복 특성이 비대칭임을 나타냅니다.
• 열 및 절연:소자의 총 소비 전력(P_TOT)은 200 mW입니다. 3750 Vrms의 절연 내압(V_ISO)은 제어된 습도(40-60% RH) 조건에서 핀 1-2와 3-4를 함께 단락시킨 상태로 1분간 테스트됩니다. 작동 온도 범위는 -40°C에서 +125°C로 지정되어 있습니다.

2.2 전기-광학적 특성

이 파라미터들은 일반적으로 25°C에서 측정되며, 정상 작동 조건에서의 소자 성능을 정의합니다.

• 입력 특성:순방향 전압(V_F)은 순방향 전류(I_F) 1 mA에서 일반적으로 1.3V이며, 구동 회로 설계에 중요합니다. 입력 커패시턴스(C_in)은 최대 250 pF로, 고주파 스위칭 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 출력 특성:컬렉터-이미터 암전류(I_CEO)는 매우 낮으며(V_CE=20V에서 최대 100 nA), LED가 꺼져 있을 때의 누설 전류를 나타냅니다. 컬렉터-이미터 포화 전압(V_CE(sat))은 지정된 테스트 조건(I_F=3mA, I_C=1.6mA)에서 최대 0.4V로, 트랜지스터가 완전히 켜졌을 때의 낮은 전압 강하를 나타냅니다.
• 절연 파라미터:절연 저항(R_IO)은 최소 5 x 10¹⁰Ω이며, 절연 커패시턴스(C_IO)은 최대 1.0 pF입니다. 이 값들은 공통 모드 제거비와 절연 장벽을 가로지르는 고주파 노이즈 결합을 결정하는 데 중요합니다.

2.3 전달 특성 및 등급 시스템

전류 전달율(CTR)은 포토커플러의 가장 중요한 파라미터로, 출력 컬렉터 전류(I_C)와 입력 LED 순방향 전류(I_F)의 비율로 정의되며 백분율로 표시됩니다: CTR = (I_CF) * 100%.

EL3H7U-G 시리즈는 CTR 등급 시스템을 사용하여 설계자에게 일관된 성능 범위를 제공합니다:

• EL3H7U (표준):I_F= 0.5 mA, V_CE= 5V에서 CTR 범위 50% ~ 600%.
• EL3H7UA:CTR 범위 100% ~ 200%.
• EL3H7UB:CTR 범위 150% ~ 300%.
• EL3H7UC:CTR 범위 200% ~ 400%.

이 등급화는 특히 전원 공급 장치의 피드백 루프와 같이 이득 일관성이 중요한 회로에서 보다 정밀한 설계를 가능하게 합니다. 표준 부품은 가장 넓은 범위를 제공하여 정확한 CTR이 덜 중요한 범용 애플리케이션에 적합합니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 주요 성능 추세를 보여주는 여러 그래프를 제공합니다. 이 곡선들은 전형적인 동작을 나타내며 생산 테스트로 보장되는 값이 아님을 유의하는 것이 중요합니다.

3.1 순방향 전류 대 순방향 전압 (그림 1)

이 그래프는 주변 온도(-40°C, 25°C, 125°C)에 따른 입력 IrED의 I-V 특성을 보여줍니다. 순방향 전압(V_F)은 음의 온도 계수를 가지며, 이는 주어진 전류에서 온도가 증가함에 따라 감소한다는 의미입니다. 이는 다이오드의 전형적인 동작이며, 열 관리 및 정전류 구동 설계 시 고려해야 합니다.

3.2 컬렉터 전류 대 순방향 전류 (그림 2) 및 CTR 대 순방향 전류 (그림 3)

그림 2는 두 가지 다른 컬렉터-이미터 전압(V_C=0.4V 및 5V)에 대해 출력 컬렉터 전류(I_F)를 입력 LED 전류(I_CE)에 대해 도시합니다. 이 관계는 낮은 전류에서 선형이지만, 특히 낮은 V_F에서 높은 I_CE 레벨에서 포화를 보입니다. 그림 3은 정규화된 CTR이 I_F가 증가함에 따라 감소함을 보여줍니다. 이는 소자가 일반적으로 0.5 mA의 테스트 조건 주변에서 낮은 구동 전류에서 가장 효율적(가장 높은 CTR)임을 나타냅니다.

3.3 온도 의존성 (그림 6 & 7)

그림 6은 고정된 I_C에 대한 컬렉터 전류(I_F)가 온도가 증가함에 따라 증가함을 보여줍니다. 그림 7은 정규화된 CTR이 실온 주변에서 최고점을 이루고 더 높거나 낮은 온도에서 감소함을 보여줍니다. CTR의 이 온도 의존성은 중요한 설계 요소입니다. 회로는 이득 변화를 고려하여 전체 지정 온도 범위에서 올바르게 작동하도록 설계되어야 합니다.

3.4 스위칭 특성 (그림 9)

스위칭 시간 대 부하 저항(R_L) 그래프는 부하 저항이 감소함에 따라 상승 시간(t_r)과 하강 시간(t_f) 모두 감소함을 보여줍니다. 더 빠른 스위칭은 더 작은 부하 저항으로 달성되지만, 이는 출력 단에서 더 높은 전력 소비를 수반합니다. 테스트 회로(그림 13)는 t_r를 출력 펄스의 10%에서 90%까지의 시간으로, t_f를 90%에서 10%까지의 시간으로 정의합니다.

4. 기계적, 패키징 및 조립 정보

4.1 핀 구성 및 극성

이 소자는 표준 4핀 SSOP 풋프린트를 사용합니다. 핀아웃은 다음과 같습니다: 핀 1: IrED 애노드, 핀 2: IrED 캐소드, 핀 3: 포토트랜지스터 이미터, 핀 4: 포토트랜지스터 컬렉터. PCB 레이아웃 및 조립 시 손상을 방지하기 위해 올바른 극성을 준수해야 합니다.

4.2 솔더링 및 취급 지침

솔더링 온도(T_SOL)의 절대 최대 정격은 10초 동안 260°C입니다. 이는 일반적인 무연 리플로우 솔더링 프로파일과 일치합니다. 습기에 민감한 소자에 대한 표준 IPC/JEDEC J-STD-020 지침을 따라야 합니다. 소자는 제어된 조건에서 건제와 함께 원래의 방습 포장지에 보관해야 하며, 포장지가 개봉되었거나 노출 시간 제한을 초과한 경우 솔더링 전에 베이킹해야 합니다.

5. 주문 정보 및 패키징

부품 번호는 다음 구조를 따릅니다: EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X:CTR 등급 (A, B, C 또는 표준 등급의 경우 공백).
• Y:테이프 및 릴 옵션 (TA, TB 또는 공백). TA와 TB는 서로 다른 릴 크기나 패키징 방향을 가리키며, 둘 다 릴당 5000개를 포함합니다.
• V:선택적 VDE 승인 마킹.
• G:할로겐 프리 소재를 나타냅니다.

예시: EL3H7UB-TA-VG는 B등급 CTR 소자로, TA 테이프 및 릴에 패키징되어 있으며, VDE 승인과 할로겐 프리 소재를 갖춘 제품입니다.

6. 애플리케이션 지침 및 설계 고려사항

6.1 전형적인 애플리케이션 회로

주요 애플리케이션은 신호 절연입니다. 전형적인 회로는 디지털 신호 소스(예: 마이크로컨트롤러 GPIO)로부터 전류 제한 저항을 통해 입력 LED를 구동하는 것을 포함합니다. 출력 포토트랜지스터는 반전된 출력 신호를 생성하기 위해 공통 이미터 구성(컬렉터가 풀업 저항에 연결되고 이미터가 접지됨)으로 사용하거나, 비반전 신호를 위해 이미터 폴로워 구성으로 사용할 수 있습니다.

6.2 주요 설계 고려사항

• LED 구동 전류:필요한 스위칭 속도와 CTR을 기반으로 I_F를 선택하십시오. 낮은 I_F는 더 높은 CTR을 제공하지만 스위칭이 느립니다. 직렬 저항은 R = (V_source- V_F) / I_F.
• 를 사용하여 계산해야 합니다. 출력 부하 저항(R_L):이 저항은 출력 전압 스윙, 스위칭 속도 및 전력 소비를 설정합니다. 더 작은 R_L는 더 빠른 스위칭을 제공하지만 더 낮은 출력 전압 스윙과 더 높은 I_C.
• 를 가집니다. CTR 열화:포토커플러의 CTR은 시간이 지남에 따라 열화될 수 있으며, 특히 고온 및 높은 LED 전류에서 작동할 때 그렇습니다. 장수명 설계를 위해서는 작동 I_F를 감액하고 적절한 열 관리를 보장하십시오.
• 노이즈 내성:노이즈가 많은 환경에서는 소자 근처의 입력 핀에 작은 바이패스 커패시터(예: 0.1 μF)를 병렬로 연결하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 출력 측에서는 고속 신호를 위해 기생 커패시턴스를 최소화하는 신중한 PCB 레이아웃이 중요합니다.

7. 기술 비교 및 FAQ

7.1 다른 포토커플러와의 차별점

EL3H7U-G 시리즈는 컴팩트한 SSOP 패키지, 높은 3750 Vrms 절연 등급, 넓은 -40°C ~ +125°C 작동 온도, 그리고 포괄적인 국제 안전 인증의 조합을 통해 차별화됩니다. 많은 경쟁 소자들은 유사한 CTR이나 속도를 제공할 수 있지만, 완전한 승인 제품군이나 고온 내성이 부족할 수 있습니다.

7.2 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 표준 등급과 A/B/C 등급의 차이점은 무엇입니까?

A: 표준 등급은 매우 넓은 CTR 범위(50-600%)를 가집니다. A, B, C 등급은 더 좁고 보장된 CTR 범위(예: C등급의 경우 200-400%)로 구분됩니다. 예측 가능한 이득이 필요한 설계에는 등급화된 부품을 사용하십시오.

Q: AC 입력 신호 절연에 이것을 사용할 수 있습니까?

A: 직접적으로는 아닙니다. 입력은 IrED로, 다이오드이며 한 방향으로만 전도합니다. AC 신호를 절연하려면 먼저 정류하거나 전용 AC 입력 포토커플러를 사용해야 합니다.

Q: 최대 데이터 속도는 어떻게 계산합니까?

A: 최대 데이터 속도는 상승 시간과 하강 시간의 합(t_r+ t_f)에 의해 제한됩니다. 디지털 신호에 대한 대략적인 추정치는 대역폭 ≈ 0.35 / (t_r)입니다. 일반적인 t_r가 8 μs인 경우, 대역폭은 약 44 kHz입니다. 신뢰할 수 있는 디지털 통신을 위해서는 실제 데이터 속도는 이보다 낮을 것입니다.

Q: 절연 커패시턴스가 왜 중요합니까?

A: 낮은 절연 커패시턴스(C_IO)는 고주파 공통 모드 노이즈를 제거하는 데 중요합니다. 절연 장벽을 가로질러 빠른 전압 변동이 있는 애플리케이션(모터 드라이브와 같은)에서 높은 C_IO는 1차 측에서 2차 측으로 노이즈를 결합시켜 오작동을 일으킬 수 있습니다.

8. 작동 원리 및 기술 동향

8.1 기본 작동 원리

포토커플러는 전기-광-전기 변환 원리로 작동합니다. 입력 측에 가해진 전기 신호는 IrED가 전류에 비례하는 적외선을 방출하게 합니다. 이 빛은 패키지 내부의 투명한 절연 장벽을 통과합니다. 출력 측에서 포토트랜지스터는 이 빛을 감지하여 베이스 전류를 생성하고, 이는 훨씬 더 큰 컬렉터 전류를 제어합니다. 두 회로는 전기적으로 절연되어 있으며, 그 사이에는 광학적 결합만 존재합니다.

8.2 산업 동향

포토커플러 기술의 동향은 더 높은 속도, 더 낮은 전력 소비, 더 높은 집적도, 그리고 더 작은 패키지 쪽으로 나아가고 있습니다. EL3H7U-G와 같은 기존의 포토트랜지스터 기반 소자들은 DC 및 저주파 절연에 탁월하지만, 디지털 절연기(CMOS 및 RF 또는 정전 용량 결합 사용)와 같은 새로운 기술들은 상당히 더 높은 데이터 속도, 더 낮은 전력, 그리고 더 나은 타이밍 특성을 제공합니다. 그러나 포토커플러는 높은 공통 모드 과도 내성(CMTI), 단순성, 그리고 고전압 절연을 위한 확립된 안전 인증에서 장점을 유지하여 전력 변환 및 산업 제어 애플리케이션에서 계속해서 관련성을 보장합니다.