Техническая документация на оптопару EL2514-G - Корпус DIP 4-выводной - Изоляция 5000 Вэфф - КТП 50-200%

1. Обзор изделия

Серия EL2514-G представляет собой семейство высокопроизводительных фототранзисторных оптопар в 4-выводном корпусе DIP (Dual In-line Package). Эти устройства предназначены для обеспечения надежной гальванической развязки и передачи сигнала между двумя цепями. Основным компонентом является инфракрасный светоизлучающий диод, оптически связанный с кремниевым фототранзистором. Ключевой конструктивной особенностью EL2514-G является оптимизация для относительно высоких скоростей переключения, достижимых даже при нагрузочных резисторах в килоомах. Это делает её подходящей для применений, требующих как развязки, так и умеренной полосы пропускания.

Серия характеризуется соответствием строгим экологическим и стандартам безопасности. Она производится как беcгалогенное изделие, соответствующее специфическим ограничениям по содержанию брома (Br) и хлора (Cl). Кроме того, она имеет одобрения основных международных сертификационных агентств, включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC, что гарантирует её пригодность для мировых рынков и регулируемых применений.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельно допустимые режимы эксплуатации

Устройство предназначено для надежной работы в заданных пределах. Превышение этих предельно допустимых режимов может привести к необратимому повреждению. Ключевые параметры включают: постоянный прямой ток (I_F) 50 мА для входного светодиода, импульсный прямой ток (I_FP) 0.5 А для импульса длительностью 1 мкс и обратное напряжение (V_R) 6 В. На выходной стороне ток коллектора (I_C) составляет 20 мА, напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO) - 40 В. Суммарная рассеиваемая мощность (P_TOT) устройства равна 200 мВт. Критический параметр безопасности - напряжение изоляции (V_ISO) 5000 В_эфф, испытанное в течение 1 минуты в определенных условиях влажности (40-60% RH) при закороченных отдельно входных и выходных выводах. Диапазон рабочих температур широкий: от -55°C до +110°C.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры определяют производительность устройства в нормальных рабочих условиях при 25°C.

2.2.1 Входные характеристики (сторона светодиода)

• Прямое напряжение (V_F):Типично 1.2 В, максимум 1.4 В при токе I_F= 20 мА. Это критически важно для проектирования источника питания цепи управления.
• Обратный ток (I_R):Максимум 10 мкА при V_R= 4В, что указывает на хорошие диодные характеристики.
• Входная емкость (C_in):Диапазон от типичных 30 пФ до максимум 250 пФ. Эта емкость может влиять на способность работы на высоких частотах.

2.2.2 Выходные характеристики (сторона фототранзистора)

• Ток коллектор-эмиттер в темноте (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE= 10В и выключенном светодиоде. Этот низкий ток утечки необходим для достижения хорошего состояния "выключено".
• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (BV_CEO):Минимум 40 В, измерено при I_C= 0.1 мА.
• Напряжение пробоя эмиттер-коллектор (BV_ECO):Минимум 0.45 В, что относительно низко и указывает на асимметрию фототранзистора.

2.2.3 Передаточные характеристики

• Коэффициент передачи тока (КТП):Это ключевой параметр производительности, определяемый как (I_C/ I_F) * 100%. Для EL2514-G КТП варьируется от 50% до 200% при стандартных условиях испытаний I_F= 5 мА и V_CE= 5В. Такой широкий диапазон требует правильного проектирования схемы для учета разброса параметров между экземплярами.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat)):Максимум 0.35 В при I_F= 5 мА и I_C= 0.4 мА. Низкое напряжение насыщения желательно для достижения сильного низкого логического уровня на выходе.
• Сопротивление изоляции (R_IO):Минимум 5 x 10¹⁰Ом при 500 В_DC, что обеспечивает отличную гальваническую развязку по постоянному току.
• Паразитная емкость (C_IO):Типично 0.6 пФ, максимум 1.0 пФ. Эта низкая емкость способствует высокой помехоустойчивости по синфазной помехе.
• Времена переключения:Как время включения (t_on), так и время выключения (t_off) имеют максимальное значение 25 мкс при условиях испытаний V_CC= 5В, I_F= 5 мА и R_L= 5 кОм. Это определяет скорость устройства для передачи цифровых сигналов.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типичные электрооптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не детализированы в предоставленном тексте, такие кривые обычно иллюстрируют взаимосвязь ключевых параметров. Конструкторам следует ожидать кривые, отображающие:

• КТП в зависимости от прямого тока (I_F):Показывает, как коэффициент передачи тока изменяется при разных токах управления светодиодом.
• КТП в зависимости от температуры окружающей среды (T_A):Иллюстрирует температурную зависимость КТП, который обычно уменьшается с ростом температуры.
• Ток коллектора (I_C) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V_CE):Семейство кривых для разных токов светодиода, показывающее выходные характеристики фототранзистора.
• Формы сигналов переключения:Предоставлена испытательная схема и соответствующие формы сигналов (Рисунок 7) для определения условий измерения t_onи t_off. Обычно это включает генератор импульсов, управляющий светодиодом, и осциллограф, контролирующий выход фототранзистора на нагрузочном резисторе.

Анализ этих кривых необходим для оптимизации работы схемы в предполагаемом диапазоне рабочих температур и токов.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Варианты корпусов и габаритные размеры

EL2514-G предлагается в нескольких вариантах 4-выводного корпуса DIP для различных процессов сборки:

• Стандартный DIP:Классический корпус для монтажа в отверстия.
• Опция M:Имеет "широкий изгиб выводов", обеспечивающий расстояние между выводами 0.4 дюйма (примерно 10.16 мм), что может быть полезно для специфических компоновок печатных плат или требований к пути утечки.
• Опция S1:Поверхностный монтаж (SMD) с низким профилем. Предлагается с двумя вариантами упаковки в ленту и на катушку (TU, TD), по 1500 штук на катушке.
• Опция S2:Еще один вариант для поверхностного монтажа с низким профилем, также с упаковкой в ленту и на катушку по 2000 штук на катушке.

Для каждого типа корпуса предоставлены подробные чертежи с размерами, включая критические измерения, такие как размер корпуса, длина выводов, расстояние между выводами и высота установки. Путь утечки между входной и выходной сторонами указан более 7.62 мм, что способствует высокому классу изоляции.

4.2 Распиновка и полярность выводов

Устройство использует стандартную распиновку 4-выводного DIP:

1. Анод (входного светодиода)
2. Катод (входного светодиода)
3. Эмиттер (выходного фототранзистора)
4. Коллектор (выходного фототранзистора)

Правильная ориентация критически важна. Маркировка устройства включает код "EL2514GYWWV", где EL обозначает производителя, 2514 - номер устройства, G означает беcгалогенную конструкцию, Y - однозначный код года, WW - двузначный код недели, а V указывает на опциональное одобрение VDE.

4.3 Рекомендуемая конфигурация контактных площадок на печатной плате

Для вариантов поверхностного монтажа (S1 и S2) в техническом описании приведены рекомендуемые конфигурации контактных площадок. Это справочные конструкции, предназначенные для обеспечения надежной пайки и механической стабильности. В документации явно указано, что эти размеры должны быть изменены в зависимости от индивидуальных производственных процессов и требований, таких как объем паяльной пасты и соображения теплового режима.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Устройство рассчитано на температуру пайки (T_SOL) 260°C в течение максимум 10 секунд. Это соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением. Для волновой пайки корпусов для монтажа в отверстия следует соблюдать стандартные отраслевые практики, следя за тем, чтобы не превысить максимальную температуру корпуса. Диапазон температур хранения составляет от -55°C до +125°C. Рекомендуется хранить устройства в влагозащитной упаковке, если они предназначены для SMD-монтажа, и следовать соответствующим процедурам сушки, если уровень воздействия влаги превышен.

6. Упаковка и информация для заказа

Код заказа следует шаблону: EL2514X(Y)-VG.

• X:Вариант формы выводов (S1, S2, M или отсутствует для стандартного DIP).
• Y:Вариант упаковки в ленту и на катушку (TU, TD или отсутствует для упаковки в трубку).
• V:Обозначает одобрение безопасности VDE (опционально).
• G:Указывает на беcгалогенную конструкцию.

Количество в упаковке варьируется: 100 штук в трубке для вариантов для монтажа в отверстия и 1500 или 2000 штук на катушке для SMD-вариантов в ленте. Предоставлены подробные спецификации ленты и катушки, включая размеры ячейки (A0, B0), ширину ленты (W), шаг (P0) и диаметр ступицы катушки для программирования автоматов установки компонентов.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

EL2514-G хорошо подходит для применений, требующих гальванической развязки, помехозащищенности или преобразования уровней. Конкретные упомянутые применения включают:

• Программируемые логические контроллеры (ПЛК):Для изоляции цифровых модулей ввода/вывода от центрального процессора и полевых устройств.
• Системные приборы и измерительные устройства:Изоляция сигналов датчиков или линий связи в промышленном оборудовании.
• Электронные счетчики электроэнергии:Обеспечение изоляции в цепях учета для безопасности и подавления помех.
• Телекоммуникационное оборудование:Изоляция сигналов в линиях данных или цепях обратной связи источников питания.
• Источники питания:Часто используются в цепях обратной связи импульсных источников питания (SMPS) для изоляции сигнала обратной связи со вторичной стороны от контроллера на первичной стороне, повышая безопасность и стабильность.

7.2 Особенности проектирования

• Разброс КТП:Спроектируйте приемную цепь (например, пороги компаратора, значения подтягивающих резисторов) так, чтобы она надежно работала во всем диапазоне КТП 50-200%.
• Скорость vs. Нагрузка:Скорость переключения указана для нагрузки 5 кОм. Использование резистора меньшего номинала обычно улучшит скорость переключения, но уменьшит размах выходного сигнала и увеличит потребляемую мощность. Больший резистор замедлит реакцию, особенно время выключения, из-за времени накопления заряда в фототранзисторе.
• Ограничение тока светодиода:Всегда используйте последовательный резистор для ограничения прямого тока (I_F) до рекомендуемого рабочего диапазона (типично 5-7 мА) или ниже абсолютного максимума. Это обеспечивает долгосрочную надежность и стабильный КТП.
• Помехозащищенность:Хотя оптопары обеспечивают отличное подавление синфазной помехи, обеспечьте правильную компоновку печатной платы, разделяя входные и выходные дорожки и используя блокировочные конденсаторы рядом с выводами устройства для подавления высокочастотных помех.

8. Техническое сравнение и позиционирование

EL2514-G выделяется на рынке благодаря сочетанию ключевых атрибутов. Высокое напряжение изоляции (5000 Вэфф) и большой путь утечки делают её сильным кандидатом для применений со строгими требованиями безопасности. Беcгалогенная конструкция отвечает экологическим нормам и предпочтениям клиентов в отношении "зеленой" электроники. Широкий портфель одобрений (UL, VDE и др.) снижает барьеры для квалификации конечных продуктов, ориентированных на мировые рынки. Хотя её скорость переключения (25 мкс) подходит для многих применений цифровой изоляции и обратной связи в источниках питания, она не позиционируется как сверхскоростная оптопара для передачи данных; для таких применений потребуются устройства со временем переключения в наносекундном диапазоне. Таким образом, EL2514-G лучше всего рассматривать как надежную, универсальную оптопару, оптимизированную для надежности, соответствия стандартам безопасности и умеренной производительности.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Что означает диапазон КТП 50-200% для моей схемы?

О: Это означает, что выходной ток может быть как в два раза меньше входного тока, так и в два раза больше. Ваша схема должна корректно работать на обоих крайних значениях. Для цифрового интерфейса это влияет на выбор подтягивающего резистора и пороговое напряжение следующего логического элемента или микроконтроллера.

В: Могу ли я управлять светодиодом напрямую от источника напряжения?

О: Нет. Светодиод - это прибор, управляемый током. Вы всегда должны использовать токоограничивающий резистор, включенный последовательно со светодиодом, чтобы установить желаемый I_Fи предотвратить повреждение от перегрузки по току, даже если напряжение вашего источника соответствует типичному V_F.

В: Напряжение изоляции составляет 5000 Вэфф. Означает ли это, что я могу непрерывно прикладывать 5000В между входом и выходом?

О: Нет. Это испытательное напряжение, выдерживаемое в течение одной минуты в контролируемых условиях. Рабочее напряжение в приложении должно быть значительно ниже, как определено соответствующими стандартами безопасности для конечного оборудования.

В: В чем разница между опциями S1 и S2?

О: Основное различие заключается в посадочном месте корпуса и размерах ленты. S2 немного шире по ширине корпуса (размер B0) и использует более широкую ленту (24 мм против 16 мм для S1), что позволяет разместить больше единиц на катушке (2000 против 1500). Выбор зависит от ограничений по пространству на печатной плате и совместимости с питателями сборочной линии.

10. Практический пример проектирования

Сценарий: Изоляция цифрового сигнала от микроконтроллера к высоковольтной секции.

Микроконтроллер (логика 3.3В) должен передавать сигнал ВКЛ/ВЫКЛ в цепь, работающую под другим, зашумленным высоким потенциалом. Для изоляции может быть использована EL2514-G.



Шаги проектирования:

1. Входная сторона:Подключите вывод GPIO микроконтроллера к аноду оптопары через токоограничивающий резистор (R_limit). Рассчитайте R_limit= (V_{CC_MCU}- V_F) / I_F. Для V_{CC_MCU}=3.3В, V_F~1.2В и целевого I_F=5мА, R_limit= (3.3-1.2)/0.005 = 420Ом. Используйте стандартный резистор 470Ом. Подключите катод к земле.
2. Выходная сторона:Подключите коллектор к подтягивающему резистору (R_L) на изолированном высоковольтном источнике питания (например, 12В). Эмиттер подключается к изолированной земле. Значение R_Lвлияет на скорость и ток. Использование условия испытаний из технического описания 5кОм обеспечивает указанное время переключения. Сигнал с узла коллектора затем может управлять затвором MOSFET или другим логическим входом на изолированной стороне.
3. Компоновка:Физически разделите входную и выходную секции на печатной плате. Соблюдайте расстояние утечки >7.62 мм в соответствии с возможностями корпуса. Разместите небольшой блокировочный конденсатор (например, 0.1мкФ) между питанием и землей с обеих сторон оптопары, близко к выводам устройства.

Такая конфигурация предотвращает контурные токи, блокирует помехи и защищает микроконтроллер от перенапряжений на высоковольтной стороне.

11. Принцип работы

Оптопара (опторазвязка) - это устройство, передающее электрический сигнал между двумя изолированными цепями с помощью света. В EL2514-G электрический ток, приложенный к входным выводам (1 и 2), заставляет инфракрасный светоизлучающий диод (LED) испускать фотоны. Эти фотоны проходят через прозрачный изолирующий зазор (обычно из формовочной массы) и попадают в базовую область кремниевого фототранзистора на выходной стороне (выводы 3 и 4). Падающий свет генерирует электрон-дырочные пары в базе, эффективно действуя как базовый ток. Этот фотоиндуцированный базовый ток затем усиливается коэффициентом усиления транзистора, что приводит к току коллектора (I_C), пропорциональному току входного светодиода (I_F). Отношение I_C/I_Fявляется коэффициентом передачи тока (КТП). Ключевой аспект заключается в том, что единственной связью между входом и выходом является световой луч, обеспечивающий гальваническую развязку.

12. Тенденции развития технологии

Рынок оптопар продолжает развиваться. Тенденции, влияющие на устройства типа EL2514-G, включают:

• Повышенная интеграция:Объединение нескольких каналов изоляции или интеграция дополнительных функций, таких как драйверы затворов или усилители ошибок, в один корпус.
• Более высокая скорость:Разработка оптопар с использованием более быстрых детекторов, таких как фотодиоды с интегрированными усилителями, для поддержки цифровых протоколов связи (USB, CAN, RS-485) на скоростях передачи данных в Мбит/с.
• Повышенная надежность и срок службы:Фокус на улучшении долгосрочной стабильности КТП, который может ухудшаться со временем из-за старения светодиода, особенно при высоких температурах и токах.
• Более строгое соответствие экологическим нормам:Помимо RoHS и беcгалогенности, растет внимание к веществам, таким как ПФАС, и более широким показателям устойчивости в цепочке поставок.
• Альтернативные технологии изоляции:Хотя оптопары остаются доминирующими для многих применений, такие технологии, как емкостная изоляция (с использованием барьеров SiO₂) и магнитная изоляция (с использованием трансформаторов), конкурируют в областях, требующих очень высокой скорости, низкого энергопотребления или высокой плотности интеграции. Оптопары сохраняют преимущества в простоте, высокой помехоустойчивости по синфазной помехе (CMTI) и хорошо зарекомендовавших себя сертификатах безопасности.

EL2514-G, с её фокусом на сертификаты безопасности, соответствие экологическим нормам и надежную производительность, отвечает постоянным потребностям промышленных, энергетических и приборных рынков, где эти тенденции имеют критически важное значение.