Техническая документация на оптопары серии EL847 - 16-выводный корпус DIP - Изоляция 5000 Вэфф - КПТ 50-600%

1. Обзор продукта

Серия EL847 представляет собой семейство четырёхканальных фототранзисторных оптопар в стандартном 16-выводном корпусе DIP (Dual In-line Package). Каждый канал объединяет инфракрасный светодиод, оптически связанный с детектором на фототранзисторе, обеспечивая надёжную гальваническую развязку между входными и выходными цепями. Устройство разработано для надёжной передачи сигналов в условиях, где критически важны разность потенциалов и помехоустойчивость.

Основная функция — передача электрических сигналов с помощью света, что обеспечивает гальваническую развязку. Это предотвращает контурные токи, подавляет помехи и защищает чувствительные схемы от высоковольтных переходных процессов. Серия доступна как в стандартном исполнении для монтажа в отверстия (DIP), так и в варианте для поверхностного монтажа (SMD), что обеспечивает гибкость для различных процессов сборки печатных плат.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Прямой ток на входе (I_F)): 60 мА (постоянный). Это максимальный постоянный ток, который можно подать на входной светодиод.
• Пиковый прямой ток (I_FP)): 1 А в течение 1 мкс. Позволяет подавать кратковременные импульсы высокого тока для управления или тестирования.
• Обратное напряжение (V_R)): 6 В. Максимальное обратное напряжение, которое может выдержать входной светодиод.
• Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO)): 80 В. Максимальное напряжение, которое выходной фототранзистор может блокировать в закрытом состоянии.
• Ток коллектора (I_C)): 50 мА. Максимальный постоянный ток, который выходной транзистор может пропускать.
• Напряжение изоляции (V_ISO)): 5000 В_эффв течение 1 минуты. Ключевой параметр безопасности, указывающий на диэлектрическую прочность между входной и выходной сторонами.
• Рабочая температура (T_OPR)): от -55°C до +110°C. Определяет диапазон температуры окружающей среды для надёжной работы.
• Температура пайки (T_SOL)): 260°C в течение 10 секунд. Определяет допустимый профиль пайки оплавлением.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры определяют производительность устройства в нормальных рабочих условиях (T_A= 25°C, если не указано иное).

2.2.1 Входные характеристики (сторона светодиода)

• Прямое напряжение (V_F)): Типично 1.2В, максимум 1.4В при I_F= 20 мА. Используется для расчёта необходимого токоограничивающего резистора.
• Обратный ток (I_R)): Максимум 10 мкА при V_R= 4В. Указывает на очень низкую утечку при обратном смещении светодиода.
• Входная ёмкость (C_вх)): Типично 30 пФ, максимум 250 пФ. Влияет на способность переключения на высоких частотах со стороны входа.

2.2.2 Выходные характеристики (сторона фототранзистора)

• Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO)): Максимум 100 нА при V_CE= 20В, I_F= 0мА. Ток утечки, когда светодиод выключен; меньшее значение лучше для помехоустойчивости.
• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (BV_CEO)): Минимум 80В при I_C= 0.1мА. Подтверждает способность блокировки высокого напряжения.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(нас))): Типично 0.1В, максимум 0.2В при I_F= 20мА, I_C= 1мА. Падение напряжения на транзисторе, когда он полностью открыт (в насыщении). Желательно низкое значение для минимизации потерь мощности.

2.2.3 Передаточные характеристики

• Коэффициент передачи по току (КПТ, CTR)): от 50% до 600% при I_F= 5мА, V_CE= 5В. Это наиболее критичный параметр, определяемый как (I_C/ I_F) * 100%. Он представляет эффективность преобразования входного тока в выходной. Широкий диапазон указывает на то, что устройство доступно с разными уровнями усиления.
• Сопротивление изоляции (R_IO)): Минимум 5 x 10¹⁰Ом при V_IO= 500В постоянного тока. Чрезвычайно высокое сопротивление между изолированными сторонами, обеспечивающее минимальную утечку.
• Паразитная ёмкость (C_IO)): Типично 0.6 пФ, максимум 1.0 пФ. Паразитная ёмкость через барьер изоляции, которая влияет на устойчивость к синфазным переходным помехам и высокочастотную связь по помехам.
• Граничная частота (f_c)): Типично 80 кГц при V_CE= 5В, I_C= 2мА, R_L= 100Ом. Полоса пропускания по уровню -3дБ, указывающая на максимальную полезную частоту цифрового сигнала.
• Время нарастания (t_r) и время спада (t_f)): Типично 6 мкс и 8 мкс соответственно (максимум по 18 мкс каждый) при указанных условиях тестирования. Эти параметры скорости переключения имеют решающее значение для определения максимальной скорости передачи данных в цифровых приложениях.

3. Анализ характеристических кривых

Техническое описание включает типичные характеристические кривые (хотя в предоставленном тексте они не детализированы). Обычно они иллюстрируют взаимосвязь ключевых параметров, предоставляя разработчикам более глубокое понимание поведения устройства, выходящее за рамки табличных значений мин./тип./макс.

• КПТ в зависимости от прямого тока (I_F)): Показывает, как эффективность изменяется с током управления, часто достигая пика при определённом I_F.
• КПТ в зависимости от температуры): Иллюстрирует отрицательный температурный коэффициент КПТ, который обычно уменьшается с ростом температуры. Это критически важно для проектирования стабильных схем во всём диапазоне температур.
• Выходной ток (I_C) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V_CE)): Семейство кривых, показывающих выходные характеристики фототранзистора для разных входных токов, аналогично выходным кривым биполярного транзистора.
• Напряжение насыщения (V_CE(нас)) в зависимости от тока коллектора (I_C)): Показывает, как падение напряжения в открытом состоянии увеличивается с током нагрузки.

4. Механическая информация и информация о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство предлагается в двух основных вариантах выводов:

1. Стандартный тип DIP: Корпус для монтажа в отверстия с 16 выводами с шагом 2.54 мм (100 мил). Подробные чертежи размеров определяют длину, ширину, высоту корпуса, длину и расстояние между выводами.
2. Вариант S (для поверхностного монтажа): Выводы типа "крыло чайки" для SMD-монтажа. Размеры включают рекомендации по посадочному месту для проектирования контактных площадок на печатной плате.

Ключевой механической особенностью, связанной с безопасностью, являетсяпуть утечкиболее 7.62 мм между входной и выходной сторонами корпуса. Это кратчайшее расстояние по поверхности изолирующего корпуса между токопроводящими частями, что необходимо для соответствия стандартам безопасности для высокого напряжения изоляции.

4.2 Распиновка и схема

Конфигурация выводов проста и одинакова для всех каналов:

• Выводы 1, 3, 5, 7: Аноды для каналов 1-4 соответственно.
• Выводы 2, 4, 6, 8: Катоды для каналов 1-4 соответственно.
• Выводы 9, 11, 13, 15: Эмиттеры для каналов 1-4 соответственно.
• Выводы 10, 12, 14, 16: Коллекторы для каналов 1-4 соответственно.

Такое расположение группирует все входы с одной стороны (выводы 1-8), а все выходы — с противоположной (выводы 9-16), физически усиливая барьер изоляции.

4.3 Маркировка устройства

Устройства маркируются на верхней стороне как \"EL847\" (номер устройства), за которым следует однозначный код года (Y), двузначный код недели (WW) и необязательный суффикс \"V\", обозначающий наличие сертификата VDE для данного экземпляра.

5. Рекомендации по пайке и сборке

5.1 Профиль пайки оплавлением

Техническое описание предоставляет подробный профиль пайки оплавлением, соответствующий IPC/JEDEC J-STD-020D для бессвинцовой пайки:

• Предварительный нагрев: от 150°C до 200°C за 60-120 секунд.
• Время выше температуры ликвидуса (T_L=217°C): 60-100 секунд.
• Пиковая температура (T_P)): максимум 260°C.
• Время в пределах 5°C от пика: максимум 30 секунд.
• Максимальная скорость нагрева: 3°C/сек от T_smaxдо T_p.
• Максимальная скорость охлаждения: 6°C/сек.
• Общее время цикла: максимум 8 минут от 25°C до пика.
• Количество циклов оплавления: Устройство может выдержать до 3 циклов оплавления.

Соблюдение этого профиля критически важно для предотвращения растрескивания корпуса, расслоения или повреждения кристалла и проводных соединений из-за термического напряжения.

6. Упаковка и информация для заказа

Серия EL847 заказывается с использованием формата номера детали:EL847X-V.

• X: Вариант выводов. \"S\" для поверхностного монтажа, пусто (нет) для стандартного DIP.
• V: Необязательный суффикс, указывающий на наличие сертификата безопасности VDE для данного конкретного устройства.

Упаковка: Оба варианта поставляются в тубах по 20 штук в каждой.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые схемы применения

EL847 универсален и может использоваться в различных конфигурациях:

1. Гальваническая развязка цифровых сигналов: Подключите входной светодиод последовательно с токоограничивающим резистором к выводу GPIO микроконтроллера. Выходной коллектор можно подтянуть к напряжению логики изолированной стороны через резистор. Эмиттер обычно заземлён. Это обеспечивает помехозащищённую передачу сигналов ВКЛ/ВЫКЛ, например, в модулях ввода/вывода ПЛК.
2. Гальваническая развязка аналоговых сигналов (линейный режим): Работая с фототранзистором в его линейной области (не в насыщении), можно сделать выходной ток примерно пропорциональным току входного светодиода. Это требует тщательного выбора режима смещения и подвержено вариациям КПТ и температурному дрейфу. Часто используется для низкочастотной, низкоточной аналоговой развязки.
3. Управление маломощными нагрузками: Выход может напрямую управлять небольшими нагрузками, такими как реле, светодиоды или драйверы оптосимисторов, при условии, что не превышены номиналы тока коллектора и напряжения.

7.2 Соображения по проектированию и лучшие практики

• Выбор КПТ и проектирование схемы: Широкий диапазон КПТ (50-600%) требует тщательного проектирования. Для цифрового переключения выберите группу КПТ, которая гарантирует насыщение выходного транзистора при минимальном указанном КПТ с выбранным вами I_Fи нагрузочным резистором (R_L). Условие I_C= КПТ_мин* I_Fдолжно быть больше, чем V_CC/R_Lдля обеспечения насыщения.
• Компромисс между скоростью и током: Более высокий I_Fобычно улучшает скорость переключения (уменьшает t_r/t_f), но со временем снижает КПТ из-за старения светодиода. В проекте следует использовать наименьший I_F, который удовлетворяет требованиям по скорости и помехоустойчивости.
• Помехоустойчивость и блокировочные конденсаторы: Для улучшения устойчивости к синфазным переходным помехам (CMTI) используйте блокировочный конденсатор (например, 0.1 мкФ) между питанием и землёй как на входной, так и на выходной стороне, размещая его как можно ближе к выводам устройства. Это помогает противодействовать влиянию внутренней паразитной ёмкости (C_IO).
• Рассеивание тепла: Соблюдайте ограничения по общей рассеиваемой мощности (P_TOT= 200 мВт). Мощность рассчитывается как (I_F* V_F) на входной стороне плюс (I_C* V_CE) на выходной стороне.

8. Техническое сравнение и ключевые преимущества

EL847 выделяется на рынке благодаря нескольким ключевым особенностям:

• Высокое напряжение изоляции (5000 В_эфф)): Превышает требования многих приложений промышленного управления и источников питания, обеспечивая значительный запас по безопасности.
• Широкий диапазон рабочих температур (от -55°C до +110°C): Подходит для суровых промышленных и автомобильных сред, где обычны экстремальные температуры.
• Комплексные сертификаты безопасности: Сертификаты UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC упрощают процесс внедрения устройства в конечные продукты, требующие сертификации для различных мировых рынков.
• Четыре канала в одном корпусе: Обеспечивает экономию места на плате и эффективность по стоимости по сравнению с использованием четырёх одноканальных оптопар для задач развязки нескольких сигналов.
• Два варианта корпуса: Наличие как в исполнении для монтажа в отверстия (DIP), так и для поверхностного монтажа (SMD) обеспечивает гибкость как для прототипирования, так и для крупносерийной автоматизированной сборки.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В1: Как выбрать правильный токоограничивающий резистор для входного светодиода?

О1: Используйте формулу: R_огр= (V_пит- V_F) / I_F. Используйте максимальное V_Fиз технического описания (1.4В) для наихудшего случая при проектировании, чтобы гарантировать, что I_Fне будет превышен. Выберите I_Fисходя из требуемого КПТ и скорости; типично 5-20 мА.

В2: Моя схема не переключается полностью. Выходное напряжение не опускается достаточно низко. В чём проблема?

О2: Вероятно, фототранзистор не входит в насыщение. Обычно это проблема с КПТ. Убедитесь, что в ваших расчётах используется минимальный КПТ (50%). Увеличьте I_Fили увеличьте значение подтягивающего резистора R_Lна коллекторе, чтобы уменьшить требуемый I_Cдля насыщения (I_C(нас)≈ V_CC/R_L).

В3: Можно ли использовать это для развязки аналоговых сигналов, например, выходов датчиков?

О3: Возможно, но сложно. Линейность фототранзистора плохая, а КПТ значительно меняется в зависимости от температуры и от устройства к устройству. Для точной аналоговой развязки настоятельно рекомендуются специализированные изолирующие усилители или линейные оптопары (которые включают обратную связь для компенсации нелинейностей).

В4: Каково значение пути утечки >7.62 мм?

О4: Путь утечки — это кратчайший путь по поверхности изолирующего корпуса между токопроводящими частями (например, входной вывод 1 и выходной вывод 9). Больший путь утечки предотвращает поверхностный пробой (пробой по поверхности из-за загрязнения или влажности) и является обязательным требованием для сертификатов безопасности при высоких напряжениях изоляции, таких как 5000 В_эфф.

10. Практический пример проектирования

Сценарий: Гальваническая развязка четырёх цифровых управляющих сигналов от микроконтроллера к драйверу промышленного исполнительного механиста на 24В.

1. Требования: Частота сигнала < 1 кГц, высокая помехоустойчивость, развязка для безопасности и предотвращения контурных токов.
2. Выбор проектных решений:
   • Устройство: EL847 (стандартный DIP).
   • Входная сторона: Вывод GPIO микроконтроллера (3.3В, способен выдавать 20мА). Выбираем I_F= 10 мА для хорошей скорости и долговечности. R_огр= (3.3В - 1.4В) / 0.01А = 190Ом. Используем стандартный резистор 200Ом.
   • Выходная сторона: Драйвер исполнительного механиста ожидает логическую единицу 24В, притягивание к земле для включения. Подключаем коллектор к источнику 24В через подтягивающий резистор. Выбираем R_Lтак, чтобы обеспечить насыщение при минимальном КПТ. Требуемый I_C(нас)> 24В / R_L. При КПТ_мин=50% и I_F=10мА, I_C>= 5мА. Следовательно, R_Lдолжен быть < 24В / 0.005А = 4.8 кОм. Выбран резистор 3.3 кОм, что даёт I_C(нас)≈ 7.3мА, что хорошо в пределах номинала устройства 50мА и обеспечивает хороший запас.
   • Блокировочные конденсаторы: Добавьте керамический конденсатор 0.1 мкФ между выводом 10 (Коллектор 1) и выводом 9 (Эмиттер 1), и аналогично для других каналов, чтобы улучшить помехоустойчивость.
3. Результат: Надёжный, гальванически развязанный интерфейс, способный надёжно передавать управляющие сигналы в промышленной среде с электрическими помехами.

11. Принцип работы

Работа оптопары основана на электрооптическом преобразовании. Когда прямой ток (I_F) подаётся на входной инфракрасный светодиод (IRED), он излучает фотоны (свет) с длиной волны, обычно около 940 нм. Этот свет проходит через прозрачный изолирующий зазор (часто из формовочной массы или воздуха) внутри корпуса. Свет попадает в базовую область выходного кремниевого фототранзистора. Поглощённые фотоны генерируют электрон-дырочные пары, создавая базовый ток, который открывает транзистор, позволяя току коллектора (I_C) течь. Ключевой момент заключается в том, что единственной связью между входом и выходом является световой луч, обеспечивающий гальваническую развязку. Отношение I_C/I_Fявляется коэффициентом передачи по току (КПТ), который зависит от световой отдачи светодиода, чувствительности фототранзистора и эффективности оптической связи между ними.

12. Тенденции и контекст в отрасли

Оптопары, такие как EL847, остаются фундаментальными компонентами в силовой электронике, промышленной автоматизации и системах возобновляемой энергии, где высоковольтная изоляция является обязательной. Тенденции в этом секторе направлены на:

• Более высокую скорость: Разработка цифровых изоляторов на основе CMOS RF или ёмкостной связи, предлагающих скорости передачи данных в диапазоне от Мбит/с до Гбит/с, что значительно превышает предел ~100 кГц традиционных фототранзисторных оптопар.
• Более высокую степень интеграцииОбъединение изоляции с другими функциями, такими как драйверы затворов, интерфейсы АЦП или изоляторы USB/I2C/SPI, в одном корпусе.
• Улучшенную надёжность и срок службы: Фокус на технологии светодиодов с меньшей деградацией со временем и температурой, что приводит к более стабильному КПТ в течение всего срока службы продукта.
• Миниатюризацию: Переход к более компактным корпусам для поверхностного монтажа, таким как SOIC-8 и даже меньше, при сохранении или улучшении номиналов изоляции.

Несмотря на эти тенденции, фототранзисторные оптопары сохраняют высокую актуальность благодаря своей простоте, надёжности, способности обеспечивать высокое напряжение изоляции, простоте использования и экономической эффективности для приложений, требующих развязки сигналов средней и низкой скорости, таких как программируемые контроллеры, бытовая техника и телекоммуникационное оборудование, перечисленные в техническом описании EL847. Их комплексные сертификаты безопасности делают их проверенным выбором для проектов, требующих нормативного одобрения.