6핀 DIP 포토트랜지스터 포토커플러 데이터시트 - 4N2X, 4N3X, H11AX 시리즈 - 절연전압 5000Vrms - 동작온도 -55 ~ +110°C

1. 제품 개요

4N2X, 4N3X 및 H11AX 시리즈는 6핀 듀얼 인라인 패키지(DIP) 포토트랜지스터 포토커플러(옵토커플러 또는 옵토-아이솔레이터라고도 함) 계열입니다. 각 장치는 갈륨 비소 적외선 발광 다이오드(LED)가 실리콘 포토트랜지스터 검출기에 광학적으로 결합된 구조로 구성됩니다. 이 구성은 입력과 출력 회로 사이에 완전한 전기적 절연을 제공하여 전자 시스템에서 안전성, 노이즈 내성 및 전압 레벨 변환을 위한 필수 부품으로 사용됩니다.

핵심 기능은 직접적인 전기적 연결 없이 빛을 통한 신호 전송입니다. 입력 전류는 적외선 LED를 활성화시키며, 이 LED는 전류에 비례하는 빛을 방출합니다. 이 빛은 포토트랜지스터의 베이스 영역에 도달하여 베이스 전류를 생성하고 콜렉터-이미터 전류가 흐르도록 하여, 절연된 출력 측에서 입력 신호를 재현합니다.

1.1 핵심 장점 및 목표 시장

이 포토커플러들은 신뢰할 수 있는 신호 절연이 필요한 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 주요 장점으로는 5000V_rms의 높은 절연 전압이 있으며, 이는 저전압 제어 회로(마이크로프로세서 등)를 고전압 전원 또는 모터 구동 부분으로부터 보호하는 데 중요합니다. >7.62mm의 확장된 크리프 거리는 고전압 환경에서 안전성과 신뢰성을 더욱 향상시킵니다. -55°C ~ +110°C의 동작 온도 범위를 갖추어 산업용, 자동차용 및 가혹한 환경 응용 분야에 적합합니다.

소형 DIP 패키지는 표준형, 와이드 리드 간격(0.4인치)형 및 표면 실장(SMD)형 변종으로 제공되어 스루홀 및 자동화 조립 공정에 유연성을 제공합니다. 이 장치들은 UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, CQC 등 주요 국제 안전 기관의 승인을 받아 엄격한 안전 기준을 준수해야 하는 글로벌 시장 장비에 사용하기 용이합니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

데이터시트는 적절한 회로 설계 및 신뢰성 보장에 중요한 포괄적인 전기 및 광학 사양을 제공합니다.

2.1 절대 최대 정격

이 정격은 영구적인 장치 손상이 발생할 수 있는 응력 한계를 정의합니다. 정상 작동을 위한 것이 아닙니다.

• 입력 (LED) 측:최대 연속 순방향 전류(I_F)는 60mA입니다. 10µs 동안 1A의 짧은 피크 순방향 전류(I_FM)가 허용되며, 이는 과도 억제와 관련이 있습니다. 최대 역전압(V_R)은 6V로 낮은 수준이며, 이는 LED가 높은 역바이어스를 위해 설계되지 않았으며 AC 회로에서 사용 시 보호가 필요함을 나타냅니다.
• 출력 (포토트랜지스터) 측:콜렉터-이미터 및 콜렉터-베이스 항복 전압(V_CEO, V_CBO)은 모두 80V로, 트랜지스터가 꺼진 상태에서 인가할 수 있는 최대 전압을 정의합니다. 이미터-베이스 및 이미터-콜렉터 전압(V_EBO, V_ECO)은 7V로 제한됩니다.
• 전력 및 열:25°C에서 총 장치 전력 소산(P_TOT)은 200mW입니다. 감액 계수가 제공됩니다: 100°C 이상 입력 측은 3.8 mW/°C, 100°C 이상 출력 측은 9.0 mW/°C입니다. 이는 열 폭주를 방지하기 위해 상승된 주변 온도에서 허용 가능한 최대 전력을 계산하는 데 중요합니다.
• 절연:1분 동안 5000V_ISOrms_{의 절연 전압(V})은 핀 1-2-3을 함께 단락시키고 핀 4-5-6을 함께 단락시켜 테스트하는 핵심 안전 파라미터입니다.

2.2 전기-광학 특성

이 파라미터들은 일반적인 조건(T_a=25°C)에서 측정되며 장치의 성능을 정의합니다.

• 입력 LED 특성:순방향 전압(V_F)은 I_F=10mA에서 일반적으로 1.2V이며, 최대 1.5V입니다. 이는 필요한 전류 제한 저항을 계산하는 데 사용됩니다. 역전류(I_R)는 매우 낮습니다(V_R=6V에서 <10µA). 입력 커패시턴스(C_in)는 일반적으로 30pF입니다.
• 출력 포토트랜지스터 특성:암전류(I_CBO, I_CEO)는 나노암페어 범위로, LED가 꺼졌을 때 매우 낮은 누설 전류를 나타냅니다. 항복 전압(BV_CEO, BV_CBO 등)은 절대 정격의 80V 및 7V 한계를 확인시켜 줍니다.

2.3 전달 특성

이 파라미터들은 입력과 출력 사이의 결합 효율 및 스위칭 성능을 설명합니다.

• 전류 전달율 (CTR):이는 가장 중요한 파라미터로, (I_C/ I_F) * 100%로 정의됩니다. 파트 번호에 따라 크게 달라져 성능 등급 시스템을 형성합니다:
  • 높은 CTR (>100%):4N35, 4N36, 4N37.
  • 중간-높은 CTR (50%): H11A1.
  • 중간 CTR (30%): H11A5.
  • 표준 CTR (20%):4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • 낮은 CTR (10%):4N27, 4N28, H11A4.
  이 등급화를 통해 설계자는 특정 응용 분야와 원하는 출력 전류 레벨에 필요한 감도를 가진 장치를 선택할 수 있습니다.
• 포화 전압 (V_CE(sat)):이는 포토트랜지스터가 완전히 켜졌을 때 포토트랜지스터 양단의 전압 강하입니다. 낮은 값(예: I_F=10mA, I_C=0.5mA에서 4N3X 시리즈 최대 0.3V)은 출력 단에서 전력 손실을 최소화하는 더 나은 성능을 나타냅니다.
• 스위칭 속도:턴온(t_on) 및 턴오프(t_off) 시간은 특정 테스트 조건(V_CC=10V, R_L=100Ω)에서 다른 시리즈에 대해 명시됩니다. 4N2X/H11AX 시리즈는 일반적으로 4N3X 시리즈(t_on 일반 10µs, t_off 일반 9µs)에 비해 더 빠릅니다(일반 3µs). 이는 디지털 신호 전송 및 PWM 응용 분야에 매우 중요합니다.
• 절연 파라미터:절연 저항(R_IO)은 극히 높으며(>10¹¹Ω), 입력-출력 커패시턴스(C_IO)는 매우 낮아(일반 0.2pF), 절연 장벽을 가로지르는 고주파 노이즈의 용량성 결합을 최소화합니다.

3. 성능 곡선 분석

PDF에 "대표적인 전기-광학 특성 곡선"에 대한 자리 표시자 텍스트가 표시되지만, 이러한 곡선은 포토커플러의 표준이며 일반적으로 다음을 포함합니다:

• 전류 전달율 (CTR) 대 순방향 전류 (I_F):LED 구동 전류에 따라 효율이 어떻게 변하는지 보여주며, 종종 특정 전류에서 최고점에 도달합니다.
• CTR 대 온도:고온에서 CTR의 저하를 보여주며, 이는 고온 동작을 위한 중요한 감액 계수입니다.
• 콜렉터 전류 (I_C) 대 콜렉터-이미터 전압 (V_CE):포토트랜지스터의 동작을 다른 영역(포화, 활성)에서 보여주는 출력 특성 곡선입니다.
• 스위칭 시간 대 부하 저항 (R_L):풀업 저항 선택이 상승 및 하강 시간에 어떻게 영향을 미치는지 보여줍니다.

설계자는 특정 속도 및 출력 요구 사항에 대해 LED 전류, 부하 저항 및 동작 온도와 같은 파라미터를 최적화하기 위해 전체 데이터시트에서 이러한 곡선을 참조해야 합니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

이 장치들은 다양한 조립 요구 사항에 맞도록 여러 6핀 DIP 패키지 변종으로 제공됩니다.

4.1 패키지 치수 및 변종

데이터시트에는 각 옵션에 대한 상세한 기계 도면이 포함되어 있습니다. 주요 치수에는 전체 길이, 너비, 핀 간격 및 리드 치수가 포함됩니다.

• 표준 DIP 타입:0.1인치(2.54mm) 행 간격을 가진 클래식 스루홀 패키지입니다.
• 옵션 M 타입:0.4인치(10.16mm) 리드 간격을 제공하는 "와이드 리드 벤드" 기능을 갖추고 있습니다. 이는 입력과 출력 핀 사이의 크리프 및 클리어런스 거리를 증가시켜 고전압 응용 분야에서 절연 신뢰성을 향상시킵니다.
• 옵션 S & S1 타입:표면 실장 장치(SMD) 버전입니다. 옵션 S1은 "로우 프로파일" 변종으로, 표준 S 옵션에 비해 패키지 높이가 줄어들어 공간이 제한된 응용 분야에 유리합니다.

모든 패키지는 필요한 절연을 제공하는 성형 본체를 특징으로 합니다. 핀 구성은 표준화되어 있습니다: 핀 1(애노드), 핀 2(캐소드), 핀 3(NC), 핀 4(이미터), 핀 5(콜렉터), 핀 6(베이스). 베이스 핀(6)은 종종 연결하지 않고 사용하지만, 일부 회로에서 대역폭 개선 또는 바이어스 제어에 사용될 수 있습니다.

5. 납땜 및 조립 지침

절대 최대 정격은 10초 동안 260°C의 납땜 온도(T_SOL)를 명시합니다. 이는 웨이브 또는 리플로우 납땜 공정에 대한 일반적인 값입니다. SMD 옵션(S, S1)의 경우 피크 온도 약 260°C의 표준 적외선 또는 대류 리플로우 프로파일이 적용 가능합니다. 플라스틱 패키지 및 내부 와이어 본드 손상을 방지하기 위해 이 시간-온도 한계를 초과하지 않도록 하는 것이 중요합니다. 장치는 저장 온도 범위(-55°C ~ +125°C) 내 조건에서 보관해야 하며, SMD 부품의 경우 리플로우 중 "팝콘 현상"을 방지하기 위해 수분 민감 포장에 보관해야 합니다.

6. 포장 및 주문 정보

파트 번호 체계는 명확하게 정의되어 있습니다:4NXXY(Z)-V또는H11AXY(Z)-V.

• XX / X:특정 파트 번호 (예: 25, 35, 1, 5).
• Y (리드 형태):
  • 없음: 표준 DIP (튜브당 65개).
  • M: 와이드 리드 벤드 (튜브당 65개).
  • S: 표면 실장 리드 형태.
  • S1: 로우 프로파일 표면 실장 리드 형태.
• Z (테이프 & 릴):SMD 옵션에만 적용됩니다.
  • TA 또는 TB: 다른 테이프 및 릴 사양 (릴당 1000개).
• V:VDE 안전 승인을 나타내는 선택적 접미사.

이 유연한 시스템을 통해 생산에 필요한 정확한 기계적 변종을 조달할 수 있습니다.

7. 응용 제안

7.1 대표적인 응용 회로

데이터시트에 나열된 대로, 주요 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 전원 공급 장치 레귤레이터:스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)에서 2차(출력) 측과 1차 측 컨트롤러 사이에 피드백 절연을 제공합니다. 이는 안전성 및 노이즈 제거에 필수적입니다.
• 디지털 논리 입력 / 마이크로프로세서 입력:시끄러운 산업용 센서 신호(예: 리미트 스위치, 인코더) 또는 다른 접지 영역이 민감한 디지털 논리 또는 마이크로컨트롤러 핀에 들어가기 전에 절연합니다.
• 범용 신호 절연:두 하위 시스템이 공통 접지를 공유하지 않고 통신해야 하는 모든 회로로, 접지 루프를 차단하고 공통 모드 노이즈를 제거하거나 전압 레벨 변환을 제공합니다.

7.2 설계 고려사항 및 모범 사례

• LED 전류 제한:항상 순방향 전류(I_F)를 설정하기 위해 직렬 저항을 사용하십시오. R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F를 계산하십시오. 최적의 CTR 및 수명을 위해 권장 I_F 범위(종종 5-20mA) 내에서 동작하십시오.
• 출력 측 바이어싱:포토트랜지스터는 콜렉터에서 V_LCC_output_{에 연결된 풀업 저항(R})이 필요합니다. 그 값은 절충점입니다: 더 작은 R_L은 더 빠른 스위칭을 제공하지만 더 높은 전력 소비와 더 낮은 출력 전압 스윙을 가집니다; 더 큰 R_L은 더 나은 노이즈 마진을 제공하지만 속도가 느립니다.
• 속도 최적화:더 빠른 스위칭을 위해 더 빠른 시리즈(4N2X/H11AX)의 장치를 사용하고, R_L을 최소화하며, 충분한 I_F 구동을 보장하십시오. 베이스(핀 6)와 이미터 사이에 저항(예: 100kΩ ~ 1MΩ)을 연결하면 저장된 전하를 제거하고 턴오프 시간을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 노이즈 내성:높은 절연 저항과 낮은 커패시턴스는 본질적으로 공통 모드 노이즈를 제거합니다. 전기적으로 시끄러운 환경에서 추가적인 견고성을 위해 입력 및 출력 측 모두에서 장치의 공급 핀 근처에 바이패스 커패시터(예: 0.1µF)를 배치하는 것이 권장됩니다.

8. 기술 비교 및 선택 가이드

세 시리즈(4N2X, 4N3X, H11AX)는 다양한 요구 사항을 충족시키기 위한 성능 범위를 제공합니다:

• 4N3X 시리즈 (4N35-38):일반적으로 가장 높은 CTR 값(4N35-37의 경우 >100%)을 제공하여 높은 출력 전류가 필요하거나 최소 입력 구동 전류를 원하는 응용 분야에 적합합니다. 포화 전압도 매우 낮습니다.
• 4N2X 시리즈 (4N25-28) & H11AX 시리즈 (H11A1-A5):10%에서 50%까지의 등급화된 CTR 범위를 제공합니다. 4N2X 시리즈는 일반적으로 더 빠른 스위칭 시간을 가집니다. 이들은 다목적, 범용 아이솔레이터입니다. H11A5(30% CTR) 및 H11A1(50% CTR)은 특정 성능 포인트를 채웁니다.
• 선택 기준:필요한 CTR(출력 전류 이득), 스위칭 속도, 포화 전압 및 비용을 기준으로 선택하십시오. 예를 들어, 느린 스위치를 읽는 마이크로프로세서 입력은 H11A4와 같은 낮은 CTR의 비용 효율적인 부품을 사용할 수 있습니다. 좋은 선형성과 이득이 필요한 전원 공급 장치의 피드백 루프는 4N35 또는 4N36을 사용할 수 있습니다.

9. 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 베이스 핀(핀 6)의 목적은 무엇입니까?

A: 베이스 핀은 포토트랜지스터의 베이스 영역에 접근할 수 있도록 합니다. 개방(연결하지 않음) 상태로 두는 것이 표준입니다. 베이스에서 이미터로 저항을 연결하면 저장된 전하를 제거하는 경로를 제공하여 스위칭 속도를 개선할 수 있습니다. 일부 설계에서는 사전 바이어싱 또는 스피드업 네트워크 연결에 사용될 수 있습니다.

Q: 장기적인 신뢰성을 어떻게 보장합니까?

A: LED를 절대 최대 정격 내에서, 바람직하게는 감액하여 동작시키십시오. 전력 감액 곡선을 준수하여 접합 온도를 낮게 유지하십시오. 특히 고전압 절연 장벽에 대해 패키지의 7.62mm 능력에 맞거나 초과하는 충분한 크리프/클리어런스 거리를 PCB에 사용하십시오.

Q: AC 신호 절연에 이것을 사용할 수 있습니까?

A: 예, 하지만 입력 LED는 낮은 역전압 정격(6V)을 가집니다. AC 신호를 절연하려면 LED를 역바이어스로부터 보호해야 하며, 일반적으로 LED 입력에 표준 다이오드를 역병렬로 배치하거나 LED 앞에 브리지 정류기 구성을 사용합니다.

Q: 왜 CTR이 최소값으로 명시됩니까?

A> CTR은 LED 효율 및 포토트랜지스터 이득의 제조 공차로 인해 넓은 변동을 가집니다. 데이터시트는 지정된 조건에서 최소 CTR을 보장합니다. 설계는 모든 생산 단위 및 온도에 걸쳐 회로 기능을 보장하기 위해 이 최소값을 기반으로 해야 합니다.

10. 실용 설계 예시

시나리오:PLC 출력의 24V 디지털 신호를 3.3V 마이크로컨트롤러 입력으로 절연합니다.

1. 장치 선택:4N25(최소 CTR 20%)와 같은 범용 부품을 선택합니다. 그 속도는 디지털 I/O에 충분합니다.
2. 입력 회로:PLC 출력은 24V입니다. 목표 I_F= 10mA. V_F≈ 1.2V. R_limit= (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω. 표준 2.2kΩ 저항을 사용합니다. LED 입력에 역방향 보호 다이오드를 추가합니다.
3. 출력 회로:마이크로컨트롤러 V_CC= 3.3V. R_L= 1kΩ을 선택합니다. 포토트랜지스터가 꺼졌을 때 출력은 3.3V(논리 1)로 풀업됩니다. 켜졌을 때, I_C= CTR * I_F= 0.2 * 10mA = 2mA라고 가정하면, 출력 전압은 V_CE(sat)(최대 0.5V)가 되어 확실한 논리 0이 됩니다. 1kΩ 풀업은 이 응용 분야에 대해 속도와 전류 소비의 좋은 균형을 제공합니다.

11. 동작 원리

포토커플러는 전기-광학-전기 변환 원리로 동작합니다. 전기 신호가 입력 측에 인가되어 적외선 LED를 통해 전류가 흐르게 합니다. 이 전류는 방출되는 빛의 강도에 정비례합니다. 빛은 투명한 절연 간격(일반적으로 성형 플라스틱)을 통과하여 광검출기의 반도체 물질(이 경우 NPN 포토트랜지스터의 베이스-콜렉터 접합)에 도달합니다. 광자는 전자-정공 쌍을 생성하여 베이스 전류를 만듭니다. 이렇게 광생성된 베이스 전류는 트랜지스터의 전류 이득(h_FE)에 의해 증폭되어 더 큰 콜렉터 전류가 되어 전기적으로 절연된 출력 회로에서 원래 입력 신호를 재현합니다. 갈바닉 연결이 완전히 없다는 점이 높은 전압 절연 및 노이즈 내성을 제공합니다.

12. 기술 동향

4NXX 시리즈와 같은 포토트랜지스터 기반 포토커플러는 성숙하고 비용 효율적인 절연 기술을 나타냅니다. 옵토커플러 시장의 현재 동향에는 더 높은 속도(SPI, I2C와 같은 디지털 통신 버스 절연을 위해 특별히 설계된 IC), 더 높은 통합도(다중 채널 결합 또는 게이트 드라이버와 같은 추가 기능 포함), 개선된 신뢰성 지표(더 높은 온도 동작, 더 긴 수명)를 가진 장치 개발이 포함됩니다. 또한 용량성 아이솔레이터 및 자이언트 자기저항(GMR) 기반 아이솔레이터와 같은 대체 절연 기술의 성장도 있으며, 이는 특정 응용 분야에서 크기, 속도 및 전력 소비 측면에서 장점을 제공할 수 있습니다. 그러나 포토트랜지스터 커플러는 단순성, 입증된 신뢰성 및 우수한 공통 모드 과도 내성(CMTI)으로 인해 범용, 비용 민감 및 고전압 절연 응용 분야에서 여전히 지배적입니다.