Dokumen Teknikal Fotokopel Fototransistor 6-Pin DIP - Siri 4N2X, 4N3X, H11AX - Voltan Pengasingan 5000Vrms - Suhu Operasi -55 hingga +110°C

1. Gambaran Keseluruhan Produk

Siri 4N2X, 4N3X, dan H11AX ialah keluarga fotokopel fototransistor (juga dikenali sebagai optokopel atau pengasing optik) dalam pakej Dual In-line (DIP) 6-pin. Setiap peranti terdiri daripada diod pemancar cahaya inframerah arsenida galium (LED) yang digandingkan secara optik dengan pengesan fototransistor silikon. Konfigurasi ini menyediakan pengasingan elektrik lengkap antara litar input dan output, menjadikannya komponen penting untuk keselamatan, kekebalan hingar, dan pertukaran aras voltan dalam sistem elektronik.

Fungsi terasnya ialah penghantaran isyarat melalui cahaya, menghapuskan sambungan elektrik langsung. Arus input menggerakkan LED inframerah, yang memancarkan cahaya berkadar dengan arus. Cahaya ini jatuh pada kawasan tapak fototransistor, menghasilkan arus tapak dan membenarkan arus pemungut-pemancar mengalir, seterusnya menyalin semula isyarat input pada bahagian output yang terpencil.

1.1 Kelebihan Teras dan Pasaran Sasaran

Fotokopel ini direka untuk aplikasi yang memerlukan pengasingan isyarat yang boleh dipercayai. Kelebihan utama mereka termasuk voltan pengasingan tinggi 5000V_rms, yang amat penting untuk melindungi litar kawalan voltan rendah (seperti mikropemproses) daripada bahagian utama voltan tinggi atau pemacu motor. Jarak rengangan lanjutan >7.62mm meningkatkan lagi keselamatan dan kebolehpercayaan dalam persekitaran voltan tinggi. Dengan julat suhu operasi -55°C hingga +110°C, ia sesuai untuk aplikasi industri, automotif, dan persekitaran yang keras.

Pakej DIP padat ini boleh didapati dalam variasi standard, jarak kaki lebar (0.4 inci), dan permukaan-pasang (SMD), menawarkan fleksibiliti untuk proses pemasangan lubang tembus dan automatik. Peranti ini mempunyai kelulusan daripada agensi keselamatan antarabangsa utama termasuk UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, dan CQC, memudahkan penggunaannya dalam peralatan yang dipasarkan secara global yang mesti mematuhi piawaian keselamatan yang ketat.

2. Analisis Parameter Teknikal Mendalam

Dokumen data ini menyediakan spesifikasi elektrik dan optik yang komprehensif, yang amat penting untuk reka bentuk litar yang betul dan jaminan kebolehpercayaan.

2.1 Penarafan Maksimum Mutlak

Penarafan ini menentukan had tekanan di mana kerosakan kekal peranti mungkin berlaku. Ia tidak bertujuan untuk operasi biasa.

• Bahagian Input (LED):Arus hadapan berterusan maksimum (I_F) ialah 60mA. Arus hadapan puncak ringkas (I_FM) 1A untuk 10µs dibenarkan, yang berkaitan dengan penindasan sementara. Voltan songsang maksimum (V_R) adalah sederhana 6V, menunjukkan LED tidak direka untuk pincang songsang tinggi dan memerlukan perlindungan jika digunakan dalam litar AC.
• Bahagian Output (Fototransistor):Voltan pecahan pemungut-pemancar dan pemungut-tapak (V_CEO, V_CBO) kedua-duanya 80V, menentukan voltan maksimum yang boleh dikenakan merentasi transistor dalam keadaan mati. Voltan pemancar-tapak dan pemancar-pemungut (V_EBO, V_ECO) adalah terhad kepada 7V.
• Kuasa dan Terma:Jumlah penyebaran kuasa peranti (P_TOT) ialah 200mW pada 25°C. Faktor penurunan nilai disediakan: 3.8 mW/°C untuk bahagian input melebihi 100°C dan 9.0 mW/°C untuk bahagian output melebihi 100°C. Ini adalah kritikal untuk mengira kuasa maksimum yang dibenarkan pada suhu ambien tinggi untuk mengelakkan pelarian haba.
• Pengasingan:Voltan pengasingan (V_ISO) 5000V_rms selama 1 minit ialah parameter keselamatan utama, diuji dengan pin 1-2-3 dipintaskan bersama dan pin 4-5-6 dipintaskan bersama.

2.2 Ciri-ciri Elektro-Optik

Parameter ini diukur di bawah keadaan biasa (T_a=25°C) dan menentukan prestasi peranti.

• Ciri-ciri LED Input:Voltan hadapan (V_F) biasanya 1.2V pada I_F=10mA, dengan maksimum 1.5V. Ini digunakan untuk mengira perintang pembatas arus yang diperlukan. Arus songsang (I_R) adalah sangat rendah (<10µA pada V_R=6V). Kapasitans input (C_in) biasanya 30pF.
• Ciri-ciri Fototransistor Output:Arus gelap (I_CBO, I_CEO) berada dalam julat nanoampere, menunjukkan kebocoran yang sangat rendah apabila LED dimatikan. Voltan pecahan (BV_CEO, BV_CBO, dll.) mengesahkan had 80V dan 7V daripada penarafan mutlak.

2.3 Ciri-ciri Pemindahan

Parameter ini menerangkan kecekapan gandingan dan prestasi pensuisan antara input dan output.

• Nisbah Pemindahan Arus (CTR):Ini ialah parameter paling kritikal, ditakrifkan sebagai (I_C/ I_F) * 100%. Ia berbeza dengan ketara mengikut nombor bahagian, mencipta sistem penggredan prestasi:
  • CTR Tinggi (>100%):4N35, 4N36, 4N37.
  • CTR Sederhana-Tinggi (50%): H11A1.
  • CTR Sederhana (30%): H11A5.
  • CTR Standard (20%):4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • CTR Lebih Rendah (10%):4N27, 4N28, H11A4.
  Penggredan ini membolehkan pereka memilih peranti dengan kepekaan yang diperlukan untuk aplikasi khusus mereka dan aras arus output yang dikehendaki.
• Voltan Tepu (V_CE(sat)):Ini ialah susut voltan merentasi fototransistor apabila ia dihidupkan sepenuhnya. Nilai yang lebih rendah (cth., 0.3V maks untuk siri 4N3X pada I_F=10mA, I_C=0.5mA) menunjukkan prestasi yang lebih baik, meminimumkan kehilangan kuasa dalam peringkat output.
• Kelajuan Suis:Masa hidupkan (t_on) dan matikan (t_off) ditentukan untuk siri berbeza di bawah keadaan ujian khusus (V_CC=10V, R_L=100Ω). Siri 4N2X/H11AX biasanya lebih pantas (3µs tip.) berbanding siri 4N3X (10µs tip. untuk t_on, 9µs tip. untuk t_off). Ini adalah penting untuk penghantaran isyarat digital dan aplikasi PWM.
• Parameter Pengasingan:Rintangan pengasingan (R_IO) adalah sangat tinggi (>10¹¹Ω), dan kapasitans input-output (C_IO) adalah sangat rendah (0.2pF tip.), yang meminimumkan gandingan kapasitif hingar frekuensi tinggi merentasi halangan pengasingan.

3. Analisis Lengkung Prestasi

Walaupun PDF menunjukkan teks pemegang tempat untuk "Lengkung Ciri-ciri Elektro-Optik Biasa," lengkung sedemikian adalah standard untuk fotokopel dan biasanya termasuk:

• Nisbah Pemindahan Arus (CTR) vs. Arus Hadapan (I_F):Menunjukkan bagaimana kecekapan berubah dengan arus pacuan LED, selalunya memuncak pada arus tertentu.
• CTR vs. Suhu:Menggambarkan penurunan CTR pada suhu tinggi, yang merupakan faktor penurunan nilai kritikal untuk operasi suhu tinggi.
• Arus Pemungut (I_C) vs. Voltan Pemungut-Pemancar (V_CE):Lengkung ciri output menunjukkan kelakuan fototransistor dalam kawasan berbeza (tepu, aktif).
• Masa Suis vs. Rintangan Beban (R_L):Menunjukkan bagaimana pilihan perintang tarik atas mempengaruhi masa naik dan turun.

Pereka harus merujuk lengkung ini daripada dokumen data penuh untuk mengoptimumkan parameter seperti arus LED, perintang beban, dan suhu operasi untuk keperluan kelajuan dan output khusus mereka.

4. Maklumat Mekanikal dan Pakej

Peranti ini ditawarkan dalam beberapa variasi pakej DIP 6-pin untuk memenuhi keperluan pemasangan yang berbeza.

4.1 Dimensi dan Variasi Pakej

Dokumen data ini termasuk lukisan mekanikal terperinci untuk setiap pilihan. Dimensi utama termasuk panjang keseluruhan, lebar, jarak pin, dan dimensi kaki.

• Jenis DIP Standard:Pakej lubang tembus klasik dengan jarak baris 0.1 inci (2.54mm).
• Jenis Pilihan M:Mempunyai "lengkungan kaki lebar" yang menyediakan jarak kaki 0.4 inci (10.16mm). Ini meningkatkan jarak rengangan dan jarak antara pin input dan output, meningkatkan kebolehpercayaan pengasingan untuk aplikasi voltan tinggi.
• Jenis Pilihan S & S1:Versi peranti permukaan-pasang (SMD). Pilihan S1 ialah variasi "profil rendah," yang mempunyai ketinggian pakej yang dikurangkan berbanding pilihan S standard, bermanfaat untuk aplikasi yang terhad ruang.

Semua pakej mempunyai badan acuan yang menyediakan penebat yang diperlukan. Konfigurasi pin adalah piawai: Pin 1 (Anod), Pin 2 (Katod), Pin 3 (NC), Pin 4 (Pemancar), Pin 5 (Pemungut), Pin 6 (Tapak). Pin tapak (6) selalunya dibiarkan tidak bersambung tetapi boleh digunakan untuk penambahbaikan lebar jalur atau kawalan pincang dalam beberapa litar.

5. Garis Panduan Pateri dan Pemasangan

Penarafan maksimum mutlak menentukan suhu pateri (T_SOL) 260°C selama 10 saat. Ini adalah nilai biasa untuk proses pateri gelombang atau alir balik. Untuk pilihan SMD (S, S1), profil alir balik inframerah atau perolakan standard dengan suhu puncak sekitar 260°C boleh digunakan. Adalah penting untuk mengelakkan melebihi had masa-suhu ini untuk mengelakkan kerosakan pada pakej plastik dan ikatan wayar dalaman. Peranti harus disimpan dalam keadaan dalam julat suhu penyimpanan (-55°C hingga +125°C) dan dalam pembungkusan sensitif lembapan jika dinyatakan untuk bahagian SMD untuk mengelakkan "popcorning" semasa alir balik.

6. Maklumat Pembungkusan dan Pesanan

Sistem penomboran bahagian ditakrifkan dengan jelas:4NXXY(Z)-VatauH11AXY(Z)-V.

• XX / X:Nombor bahagian khusus (cth., 25, 35, 1, 5).
• Y (Bentuk Kaki):
  • Tiada: DIP standard (65 unit/tube).
  • M: Lengkungan kaki lebar (65 unit/tube).
  • S: Bentuk kaki permukaan-pasang.
  • S1: Bentuk kaki permukaan-pasang profil rendah.
• Z (Pita & Gegelung):Hanya terpakai untuk pilihan SMD.
  • TA atau TB: Spesifikasi pita dan gegelung berbeza (1000 unit/gegelung).
• V:Akhiran pilihan yang menunjukkan kelulusan keselamatan VDE.

Sistem fleksibel ini membolehkan perolehan variasi mekanikal tepat yang diperlukan untuk pengeluaran.

7. Cadangan Aplikasi

7.1 Litar Aplikasi Biasa

Seperti yang disenaraikan dalam dokumen data, aplikasi utama termasuk:

• Pengawal Bekalan Kuasa:Menyediakan pengasingan maklum balas dalam bekalan kuasa mod suis (SMPS) antara bahagian sekunder (output) dan pengawal bahagian primer. Ini adalah penting untuk keselamatan dan penolakan hingar.
• Input Logik Digital / Input Mikropemproses:Mengasingkan isyarat sensor industri yang bising (cth., daripada suis had, pengekod) atau domain bumi yang berbeza sebelum ia memasuki pin logik digital atau mikropengawal sensitif.
• Pengasingan Isyarat Tujuan Umum:Mana-mana litar di mana dua subsistem mesti berkomunikasi tanpa berkongsi bumi sepunya, untuk memecahkan gelung bumi, menghapuskan hingar mod sepunya, atau menyediakan terjemahan aras voltan.

7.2 Pertimbangan Reka Bentuk dan Amalan Terbaik

• Pembatas Arus LED:Sentiasa gunakan perintang siri untuk menetapkan arus hadapan (I_F). Kira R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F. Beroperasi dalam julat I_F yang disyorkan (selalunya 5-20mA) untuk CTR dan jangka hayat yang optimum.
• Pincangan Bahagian Output:Fototransistor memerlukan perintang tarik atas (R_L) disambungkan dari pemungut ke V_{CC_output}. Nilainya adalah pertukaran: R_L yang lebih kecil menyediakan pensuisan lebih pantas tetapi penggunaan kuasa lebih tinggi dan ayunan voltan output lebih rendah; R_L yang lebih besar memberikan margin hingar lebih baik tetapi kelajuan lebih perlahan.
• Pengoptimuman Kelajuan:Untuk pensuisan lebih pantas, gunakan peranti daripada siri lebih pantas (4N2X/H11AX), minimumkan R_L, dan pastikan pacuan I_F yang mencukupi. Menyambungkan perintang (cth., 100kΩ hingga 1MΩ) antara tapak (pin 6) dan pemancar boleh membantu mengalirkan cas tersimpan dan mengurangkan masa matikan.
• Kekebalan Hingar:Rintangan pengasingan tinggi dan kapasitans rendah secara semula jadi menolak hingar mod sepunya. Untuk keteguhan tambahan dalam persekitaran elektrik yang bising, kapasitor pintasan (cth., 0.1µF) yang diletakkan dekat pin bekalan peranti pada kedua-dua bahagian input dan output adalah disyorkan.

8. Perbandingan Teknikal dan Panduan Pemilihan

Tiga siri (4N2X, 4N3X, H11AX) menawarkan pelbagai prestasi untuk memenuhi keperluan berbeza:

• Siri 4N3X (4N35-38):Secara amnya menawarkan nilai CTR tertinggi (>100% untuk 4N35-37), menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang memerlukan arus output tinggi atau di mana arus pacuan input minimum dikehendaki. Voltan tepu mereka juga sangat rendah.
• Siri 4N2X (4N25-28) & Siri H11AX (H11A1-A5):Menyediakan julat CTR bergred dari 10% hingga 50%. Siri 4N2X biasanya mempunyai masa pensuisan lebih pantas. Ini adalah pengasing serba guna, tujuan umum. H11A5 (30% CTR) dan H11A1 (50% CTR) memenuhi titik prestasi khusus.
• Kriteria Pemilihan:Pilih berdasarkan CTR yang diperlukan (gandaan arus output), kelajuan suis, voltan tepu, dan kos. Contohnya, input mikropemproses yang membaca suis perlahan boleh menggunakan bahagian ber-CTR rendah, kos efektif seperti H11A4. Gelung maklum balas dalam bekalan kuasa yang memerlukan kelinearan dan gandaan yang baik mungkin menggunakan 4N35 atau 4N36.

9. Soalan Lazim (FAQ)

S: Apakah tujuan pin tapak (pin 6)?

J: Pin tapak menyediakan akses kepada kawasan tapak fototransistor. Membiarkannya terbuka (tidak bersambung) adalah standard. Menyambungkan perintang dari tapak ke pemancar boleh meningkatkan kelajuan suis dengan menyediakan laluan untuk mengalirkan cas tersimpan. Dalam beberapa reka bentuk, ia boleh digunakan untuk prapincangan atau untuk menyambungkan rangkaian percepatan.

S: Bagaimana saya memastikan kebolehpercayaan jangka panjang?

J: Operasikan LED dalam had penarafan maksimum mutlaknya, sebaiknya dengan penurunan nilai. Pastikan suhu simpang rendah dengan menghormati lengkung penurunan nilai kuasa. Gunakan jarak rengangan/jarak yang mencukupi pada PCB anda, terutamanya untuk halangan pengasingan voltan tinggi, sepadan atau melebihi keupayaan 7.62mm pakej.

S: Bolehkah saya menggunakan ini untuk pengasingan isyarat AC?

J: Ya, tetapi LED input mempunyai penarafan voltan songsang rendah (6V). Untuk mengasingkan isyarat AC, anda mesti melindungi LED daripada pincang songsang, biasanya dengan meletakkan diod standard secara selari songsang merentasi input LED, atau dengan menggunakan konfigurasi penerus jambatan sebelum LED.

S: Mengapa CTR dinyatakan sebagai nilai minimum?

J: CTR mempunyai variasi yang luas disebabkan oleh toleransi pembuatan dalam kecekapan LED dan gandaan fototransistor. Dokumen data menjamin CTR minimum di bawah keadaan yang ditentukan. Reka bentuk mesti berdasarkan nilai minimum ini untuk memastikan fungsi litar merentasi semua unit pengeluaran dan merentasi suhu.

10. Contoh Reka Bentuk Praktikal

Senario:Mengasingkan isyarat digital 24V daripada output PLC kepada input mikropengawal 3.3V.

1. Pemilihan Peranti:Pilih bahagian tujuan umum seperti 4N25 (20% min CTR). Kelajuannya mencukupi untuk I/O digital.
2. Litar Input:Output PLC ialah 24V. Sasaran I_F= 10mA. V_F≈ 1.2V. R_limit= (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω. Gunakan perintang standard 2.2kΩ. Tambah diod perlindungan songsang merentasi input LED.
3. Litar Output:V_CC mikropengawal = 3.3V. Pilih R_L= 1kΩ. Apabila fototransistor dimatikan, output ditarik tinggi ke 3.3V (logik 1). Apabila dihidupkan, andaikan I_C= CTR * I_F= 0.2 * 10mA = 2mA, voltan output akan menjadi V_CE(sat)(maks 0.5V), logik 0 yang kukuh. Perintang tarik atas 1kΩ memberikan keseimbangan yang baik antara kelajuan dan penggunaan arus untuk aplikasi ini.

11. Prinsip Operasi

Fotokopel beroperasi berdasarkan prinsip penukaran elektro-optik-elektrik. Isyarat elektrik dikenakan pada bahagian input, menyebabkan arus mengalir melalui LED inframerah. Arus ini berkadar langsung dengan keamatan cahaya yang dipancarkan. Cahaya merentasi jurang penebat lutsinar (biasanya plastik acuan) dan menghentam bahan semikonduktor pengesan foto—dalam kes ini, simpang tapak-pemungut fototransistor NPN. Foton menjana pasangan elektron-lubang, mencipta arus tapak. Arus tapak terjana foto ini kemudiannya dikuatkan oleh gandaan arus transistor (h_FE), menghasilkan arus pemungut yang lebih besar yang menyalin semula isyarat input asal pada litar output yang terpencil secara elektrik. Ketidakhadiran sambungan galvanik lengkap adalah yang menyediakan pengasingan voltan tinggi dan kekebalan hingar.

12. Trend Teknologi

Fotokopel berasaskan fototransistor seperti siri 4NXX mewakili teknologi pengasingan yang matang dan kos efektif. Trend semasa dalam pasaran optokopel termasuk pembangunan peranti dengan kelajuan lebih tinggi (untuk bas komunikasi digital seperti SPI, I2C yang diasingkan dengan IC yang direka khusus untuk ini), integrasi lebih tinggi (menggabungkan berbilang saluran atau menambah fungsi tambahan seperti pemacu pintu), dan metrik kebolehpercayaan yang dipertingkatkan (operasi suhu lebih tinggi, jangka hayat lebih panjang). Terdapat juga pertumbuhan dalam teknologi pengasingan alternatif seperti pengasing kapasitif dan pengasing berasaskan rintangan magnet gergasi (GMR), yang boleh menawarkan kelebihan dalam saiz, kelajuan, dan penggunaan kuasa untuk aplikasi tertentu. Walau bagaimanapun, kopel fototransistor kekal dominan untuk aplikasi pengasingan tujuan umum, sensitif kos, dan voltan tinggi kerana kesederhanaan, kebolehpercayaan terbukti, dan kekebalan sementara mod sepunya (CMTI) yang cemerlang.