Техническая документация на фотодарлингтоновый оптопара EL815 серии - корпус DIP-4 - изоляция 5000Вэфф - КПТ 600-7500% - рабочий диапазон температур от -55 до +110°C

1. Обзор изделия

Серия EL815 представляет собой семейство высокопроизводительных фотодарлингтоновых оптопар (оптронов), выполненных в компактном 4-выводном корпусе DIP (Dual In-line Package). Основная функция данного устройства — обеспечение гальванической развязки и передачи сигнала между двумя цепями с разными потенциалами или импедансами. Это достигается за счет использования инфракрасного светодиода (LED) на входной стороне, который оптически связан с фотодарлингтоновым транзистором на выходной стороне. Такая конструкция гарантирует полную гальваническую развязку, предотвращая образование контуров заземления и защищая чувствительные схемы от скачков напряжения или помех, возникающих в другой цепи.

Конфигурация фотодарлингтона обеспечивает очень высокий коэффициент передачи тока (КПТ), что делает устройство высокочувствительным и подходящим для применений, где малый входной ток должен управлять большим выходным током. Ключевым преимуществом данной серии является её соответствие различным международным стандартам безопасности и экологическим требованиям, включая бесгалогенные требования, RoHS и EU REACH, что делает её пригодной для глобальных рынков и экологически ориентированных проектов.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Эти характеристики определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для нормальной работы.

• Прямой ток светодиода (I_F): 60 мА (постоянный ток). Это максимальный непрерывный ток, который можно пропускать через входной инфракрасный светодиод.
• Пиковый прямой ток (I_FP): 1 А в течение 1 мкс импульса. Светодиод может выдерживать короткие импульсы высокого тока, что полезно для некоторых коммутационных или переходных условий.
• Обратное напряжение светодиода (V_R): 6 В. Максимальное обратное напряжение, которое может быть приложено к входному светодиоду.
• Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO): 35 В. Максимальное напряжение, которое может выдерживаться между коллектором и эмиттером выходного фотодарлингтонового транзистора при разомкнутой базе.
• Коллекторный ток (I_C): 80 мА. Максимальный непрерывный ток, который может пропускать выходной транзистор.
• Суммарная рассеиваемая мощность (P_TOT): 200 mW. The maximum combined power that can be dissipated by the input and output sections of the device.
• Напряжение изоляции (V_ISO): 5000 В_эффв течение 1 минуты. Этот критически важный параметр определяет способность к высоковольтной изоляции между входной и выходной сторонами, тестируется при закороченных выводах 1-2 и выводах 3-4.
• Рабочая температура (T_OPR): от -55°C до +110°C. Диапазон температуры окружающей среды, в котором гарантируется работа устройства.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измеряются в указанных условиях испытаний (обычно T_a= 25°C) и определяют производительность устройства.

2.2.1 Входные характеристики

• Прямое напряжение (V_F): Типично 1.2В, максимум 1.4В при I_F= 20 мА. Это падение напряжения на инфракрасном светодиоде при его включении.
• Обратный ток (I_R): Максимум 10 мкА при V_R= 4В. Небольшой ток утечки при обратном смещении светодиода.

2.2.2 Выходные характеристики

• Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO): Максимум 1 мкА при V_CE= 10В, I_F= 0мА. Ток утечки выходного транзистора, когда входной светодиод выключен.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat)): Типично 0.8В, максимум 1.0В при I_F= 20мА, I_C= 5мА. Напряжение на выходном транзисторе, когда он полностью открыт (в насыщении). Более низкое значение желательно для минимизации потерь мощности.

2.2.3 Передаточные характеристики

• Коэффициент передачи тока (КПТ): от 600% (мин.) до 7500% (макс.) при I_F= 1мА, V_CE= 2В. Это самый важный параметр для оптопары, определяемый как (I_C/ I_F) * 100%. Чрезвычайно широкий диапазон указывает на то, что устройство доступно в нескольких градациях чувствительности. Высокий КПТ позволяет эффективно передавать сигнал при минимальном входном токе управления.
• Сопротивление изоляции (R_IO): Минимум 5 x 10¹⁰Ω при V_IO= 500В постоянного тока. Это указывает на чрезвычайно высокое сопротивление постоянному току между изолированными сторонами.
• Время нарастания (t_r): Типично 60 мкс, максимум 300 мкс. Время спада (t_f): Типично 53 мкс, максимум 250 мкс. Эти параметры, наряду с граничной частотой (f_c) типично 6 кГц, определяют скорость переключения устройства. Структура фотодарлингтона по своей природе имеет более медленное время переключения по сравнению с фототранзисторами или фото-ИС оптопарами, что делает её более подходящей для применений с постоянным и низкочастотным переменным током, а не для высокоскоростной цифровой развязки.

3. Анализ характеристических кривых

Техническая документация включает типичные характеристические кривые, которые необходимы для понимания поведения устройства в нестандартных условиях. Хотя конкретные графики не воспроизводятся в тексте, их значение критически важно для проектирования.

• КПТ в зависимости от прямого тока (I_F): Как правило, КПТ уменьшается с увеличением прямого тока. Конструкторы должны обращаться к этой кривой для выбора оптимальной рабочей точки для требуемого выходного тока и эффективности передачи.
• КПТ в зависимости от температуры окружающей среды (T_a): КПТ зависит от температуры, обычно уменьшаясь при экстремальных температурах. Эта кривая жизненно важна для обеспечения надежной работы в указанном диапазоне от -55°C до +110°C. Конструкции для суровых условий должны снижать номинальные характеристики на основе этих данных.
• Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (I_C-V_CE): Эти выходные кривые, параметризованные разными входными токами (I_F), показывают рабочие области (насыщение, активная) фотодарлингтона. Они используются для определения нагрузочной прямой и обеспечения работы устройства в безопасных и функциональных пределах.
• Формы сигналов времени переключения: Испытательная схема и диаграмма формы сигнала иллюстрируют, как измеряются время нарастания (t_r), время спада (t_f), время задержки включения (t_on) и время задержки выключения (t_off). Понимание этого помогает при проектировании схем синхронизации и прогнозировании целостности сигнала.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

EL815 предлагается в трех основных вариантах формы выводов, каждый с подробными механическими чертежами, указывающими все критические размеры в миллиметрах.

• Стандартный тип DIP: Классический корпус для сквозного монтажа со стандартным шагом выводов.
• Тип M (опция): Имеет широкий изгиб выводов, обеспечивая шаг выводов 0.4 дюйма (приблизительно 10.16 мм), что может быть полезно для требований к пути утечки и зазору на печатных платах.
• Тип S1 (опция): Форма выводов для поверхностного монтажа (SMD) с низким профилем. Это SMD вариант корпуса.

Все корпуса обеспечивают путь утечки более 7.62 мм, что способствует высокому номинальному напряжению изоляции.

4.2 Идентификация полярности и маркировка

Распиновка стандартна для 4-выводной DIP оптопары:

1. Анод (плюс входного светодиода)
2. Катод (минус входного светодиода)
3. Эмиттер (эмиттер выходного транзистора)
4. Коллектор (коллектор выходного транзистора)

Устройство маркируется сверху как "EL" (обозначение серии), "815" (номер устройства), за которым следует однозначный код года (Y), двузначный код недели (WW) и опциональная буква "V" для версий, одобренных VDE.

4.3 Рекомендуемая контактная площадка для SMD монтажа

Для опции S1 (поверхностный монтаж) в технической документации представлена рекомендуемая схема контактной площадки. Размеры даны в качестве справочных, и примечание явно указывает, что конструкторы должны изменять размеры площадок в зависимости от конкретного технологического процесса изготовления печатных плат и требований к надежности.

5. Рекомендации по пайке и сборке

В предельных эксплуатационных характеристиках указана температура пайки (T_SOL) 260°C в течение 10 секунд. Это критический параметр для процессов пайки оплавлением.

• Пайка оплавлением: Для сборки SMD (опция S1) следует использовать стандартный профиль бессвинцовой пайки оплавлением с пиковой температурой, не превышающей 260°C в течение указанного времени. Профиль должен контролироваться, чтобы избежать теплового удара.
• Волновая/ручная пайка: Для корпусов для сквозного монтажа (стандартный и опция M) можно использовать стандартные методы волновой или ручной пайки, но следует соблюдать осторожность, чтобы ограничить время воздействия высокой температуры на корпус устройства.
• Условия хранения: Диапазон температур хранения указан как от -55°C до +125°C. Устройства должны храниться в сухой, антистатической среде. Для SMD компонентов, поставляемых на ленте и катушке, катушка должна храниться в оригинальном влагозащитном пакете с осушителем, если устройства чувствительны к влаге (хотя в данной документации явно не указан уровень чувствительности к влаге MSL).

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Структура кода заказа

Номер детали следует формату:EL815X(Z)-V

• X: Вариант формы выводов.
  • Нет: Стандартный DIP-4 (100 шт./трубка).
  • M: Широкий изгиб выводов, шаг 0.4" (100 шт./трубка).
  • S1: Форма выводов для поверхностного монтажа, низкий профиль.
• Z: Опция ленты и катушки (применимо только с S1).
  • TA, TB, TU, TD: Различные спецификации ленты и катушки, влияющие на количество упаковки и направление подачи.
• V: Опциональный суффикс, обозначающий одобрение безопасности VDE.

6.2 Спецификации на ленту и катушку

Предоставлены подробные размерные чертежи и таблицы для ленты (несущая лента, покровная лента) и катушки. Ключевые размеры включают размер гнезда (A, B), диаметр отверстия (D0), расстояние между компонентами (P0), ширину ленты (W) и размеры ступицы катушки. Опции TA и TB отличаются направлением подачи с катушки, что должно быть правильно настроено в автоматическом оборудовании для установки компонентов.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые схемы включения

В технической документации перечислены несколько областей применения: телефонные аппараты/АТС, контроллеры последовательностей, системные приборы, измерительные приборы и передача сигналов между цепями с разными потенциалами/импедансами. Высокий КПТ и напряжение изоляции делают его особенно подходящим для:

• Развязка ввода-вывода микроконтроллера: Защита низковольтного микроконтроллера от сигналов промышленного управления с более высоким напряжением или помехами.
• Детектирование сети переменного тока: Использование оптопары для обеспечения изолированной обратной связи от симистора или реле, управляющего нагрузкой переменного тока.
• Устранение контуров заземления: Разрыв контуров заземления в аналоговых цепях передачи сигналов между датчиками и системами сбора данных.
• Преобразование логических уровней с изоляцией: Сопряжение логических схем, работающих на разных уровнях напряжения, с сохранением изоляции.

7.2 Особенности проектирования

• Ограничение входного тока: Последовательный резистор всегда должен использоваться со входным светодиодом для ограничения прямого тока (I_F) до желаемого значения, рассчитываемого как (Напряжение питания - V_F) / I_F.
• Выходная нагрузка: Выходной фотодарлингтон действует как сток тока. Подтягивающий резистор обычно подключается от коллектора к положительному напряжению питания (V_CC). Значение этого резистора и нагрузки будет определять размах выходного напряжения и скорость переключения.
• Компромисс между скоростью и чувствительностью: Высокий КПТ достигается ценой более медленной скорости переключения. Это устройство не подходит для высокочастотной связи (например, цифровые изоляторы для USB, SPI > 10 кГц). Оно идеально подходит для определения состояния, медленных управляющих сигналов и синхронизации с сетью переменного тока (50/60 Гц).
• Тепловые соображения:** Хотя рассеиваемая мощность мала, работа при максимальной температуре перехода (выводимой из T_OPRдо 110°C) может потребовать снижения максимально допустимых токов или рассеиваемой мощности.

8. Техническое сравнение и отличия

Серия EL815, как фотодарлингтоновая оптопара, занимает определенную нишу по сравнению с другими типами оптопар:

• По сравнению со стандартными фототранзисторными оптопарами: Фотодарлингтоновые оптопары предлагают гораздо более высокий КПТ (часто в 10-100 раз выше), но значительно медленнее. Выбирайте фототранзисторную оптопару для умеренной скорости (десятки кГц) и фотодарлингтоновую для максимальной чувствительности при низком входном токе на низких частотах.
• По сравнению с фото-ИС оптопарами (логический выход): Фото-ИС оптопары имеют цифровой выход (чистое переключение) и могут быть очень быстрыми (диапазон Мбит/с), но они имеют фиксированную, часто более низкую, передаточную функцию по току и требуют определенного напряжения питания на выходной стороне. EL815 обеспечивает аналоговый выходной ток и может работать в широком диапазоне выходных напряжений (до V_CEO).
• По сравнению с другими фотодарлингтонами: Ключевыми отличительными особенностями EL815 являются его высокая изоляция 5000В_эфф, широкий рабочий диапазон температур (от -55°C до +110°C) и соответствие основным международным сертификатам безопасности (UL, VDE, cUL, SEMKO и др.). Широкая градация КПТ (600-7500%) позволяет подбирать компоненты, адаптированные к конкретным потребностям в чувствительности.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Для чего нужно высокое напряжение изоляции (5000Вэфф)?

О: Оно обеспечивает надежную работу и безопасность в применениях, где изолированные цепи имеют большую разность потенциалов, например, в автономных источниках питания, промышленных системах управления двигателями или медицинском оборудовании. Оно защищает от высоковольтных переходных процессов и предотвращает пробой.

В: Моей схеме нужно переключаться на частоте 1 кГц. Подходит ли EL815?

О: Да, безусловно. При типичной граничной частоте (f_c) 6 кГц и времени нарастания/спада в десятки микросекунд, EL815 легко справляется с переключением на частоте 1 кГц. Выходная форма сигнала будет закругленной, не прямоугольной, но для управления включением/выключением на этой частоте она вполне подходит.

В: Как выбрать правильную градацию КПТ?

О: Выберите минимальный КПТ, который гарантирует насыщение вашего выходного транзистора (полное включение) при вашем наихудшем (самом низком) планируемом входном токе. Например, если ваша конструкция управляет I_F= 1мА и вам нужно I_C> 5мА для насыщения нагрузки, вам нужен КПТ > 500%. Выбор компонента из более высокой градации КПТ обеспечивает больший запас по проектированию. Всегда обращайтесь к кривой КПТ в зависимости от температуры для ваших рабочих условий.

В: Можно ли использовать это для изоляции аналоговых сигналов?

О: Хотя это возможно, это не идеально. КПТ фотодарлингтонов нелинеен и значительно меняется в зависимости от температуры и прямого тока. Для точной аналоговой изоляции рекомендуются специальные линейные оптопары или изоляционные усилители. EL815 лучше всего подходит для цифровой (включение/выключение) или низкоточный аналоговой изоляции.

10. Практический пример проектирования

Сценарий: Изолированный цифровой вход для модуля ПЛК на 24В.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) должен считывать сигнал датчика постоянного тока 24В, обеспечивая при этом изоляцию 4000В для безопасности и помехозащищенности.

1. Проектирование схемы: Выход датчика 24В подключается последовательно с токоограничивающим резистором и входным светодиодом EL815 (выводы 1-2). Значение резистора рассчитывается для I_F≈ 5-10 мА при 24В. На выходной стороне коллектор (вывод 4) подключен через подтягивающий резистор 10кОм к внутреннему источнику логического питания ПЛК 3.3В. Эмиттер (вывод 3) подключен к внутренней земле ПЛК. Выходной сигнал снимается с коллектора.
2. Выбор компонентов: Выбирается EL815 с градацией КПТ, обеспечивающей насыщение при I_F= 5мА. Изоляция 5000В_эффи сертификаты безопасности (UL, VDE) соответствуют промышленным стандартам. Для сборки печатной платы высокой плотности выбран корпус S1 (SMD).
3. Производительность: Когда датчик 24В активен, светодиод включается, заставляя фотодарлингтон проводить ток, притягивая выходное напряжение коллектора к низкому уровню (до V_CE(sat)≈ 0.8В), что считывается ПЛК как логический '0'. Когда датчик выключен, фотодарлингтон выключен, и подтягивающий резистор подтягивает выход к 3.3В (логическая '1'). Барьер изоляции защищает чувствительную логику ПЛК от любых неисправностей или переходных процессов на линии датчика 24В.

11. Принцип работы

EL815 работает на основе фундаментального принципа оптоэлектронного преобразования. Электрический сигнал, подаваемый на входную сторону, вызывает протекание тока (I_F) через инфракрасный светодиод (LED). Этот светодиод излучает инфракрасный свет с интенсивностью, пропорциональной прямому току. Свет проходит через прозрачный изоляционный зазор внутри корпуса и попадает в базовую область фотодарлингтонового транзистора на выходной стороне.

Фотодарлингтон по сути представляет собой два биполярных транзистора, соединенных по схеме Дарлингтона, где фототок, генерируемый в переходе база-коллектор первого транзистора (действующего как фотодиод), усиливается вторым транзистором. Эта структура обеспечивает очень высокий коэффициент усиления по току (h_FE), что преобразуется в наблюдаемый высокий коэффициент передачи тока (КПТ). Таким образом, выходной коллекторный ток (I_C) управляется интенсивностью входного света, а следовательно, входным электрическим сигналом, без какого-либо электрического соединения между двумя сторонами.

12. Тенденции развития технологии

Технология оптопар продолжает развиваться. В то время как традиционные устройства, такие как EL815, остаются жизненно важными для экономически эффективных применений с высокой изоляцией и высоким КПТ, можно отметить несколько тенденций:

• Интеграция: Более новые устройства интегрируют дополнительные компоненты, такие как резисторы база-эмиттер на выходном транзисторе, для улучшения температурной стабильности и скорости переключения.
• Высокоскоростная цифровая изоляция: Технологии на основе ВЧ-связи, гигантского магнитосопротивления (GMR) или емкостной связи конкурируют с оптопарами в области высокоскоростной изоляции данных (≥1 Мбит/с) благодаря их превосходной скорости, стабильности и долговечности.
• Миниатюризация: Постоянно идет стремление к уменьшению размеров SMD корпусов (например, SO-4, SO-5) с такими же или лучшими характеристиками изоляции, что обусловлено необходимостью повышения плотности печатных плат.
• Повышенная надежность: Акцент на улучшении долгосрочной деградации КПТ, особенно в условиях высокотемпературного и высокотокового стресса, для удовлетворения требований автомобильных и промышленных применений с более длительным сроком службы.

Несмотря на эти тенденции, фундаментальная фотодарлингтоновая оптопара, примером которой является серия EL815, сохраняет прочные позиции на рынке благодаря своей простоте, надежности, высокой способности к изоляции и отличной производительности в предназначенной для неё области низких и средних частот.