Техническая документация на оптопару серии EL354N-G - Корпус SOP на 4 вывода - Переменный вход - Изоляция 3750 Вэфф

1. Обзор продукта

Серия EL354N-G представляет собой семейство компактных высокопроизводительных фототранзисторных оптопар, специально разработанных для применения с переменным входным сигналом. Эти устройства предназначены для обеспечения надежной гальванической развязки и передачи сигналов в условиях, когда полярность входного сигнала может быть неизвестна или переменна. Основу устройства составляют два инфракрасных светодиода, соединенных встречно-параллельно и оптически связанных с кремниевым фототранзистором. Эта уникальная конфигурация позволяет устройству реагировать на протекание тока в любом направлении через входные светодиоды, что делает его по своей природе подходящим для мониторинга переменного сигнала и применений, где полярность постоянного тока не фиксирована.

Упакованные в компактный 4-выводной корпус SOP, эти оптопары идеально подходят для современных конструкций печатных плат с высокой плотностью монтажа. Ключевой принцип проектирования этой серии — соответствие глобальным экологическим и стандартам безопасности. Устройства являются безгалогенными, соответствуя строгим ограничениям по содержанию брома (Br<900 ppm), хлора (Cl<900 ppm) и их общей сумме (Br+Cl<1500 ppm). Кроме того, они соответствуют директиве RoHS и регламенту ЕС REACH, что гарантирует их соответствие современным экологическим требованиям для электронных компонентов.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Основное преимущество серии EL354N-G заключается в сочетании возможности работы с переменным входом, высокой степени изоляции и компактного форм-фактора. Высокое напряжение изоляции 3750 В_эффмежду входом и выходом обеспечивает надежный защитный барьер, оберегая чувствительные низковольтные цепи управления от высоковольтной сети или зашумленных промышленных линий. Это делает их незаменимыми в приложениях, требующих гальванической развязки.

Целевые рынки для этого компонента разнообразны: промышленная автоматизация, телекоммуникации и управление питанием. Ключевые области применения включают мониторинг сетевого напряжения в блоках питания и бытовой технике, обеспечение входной изоляции в программируемых логических контроллерах (ПЛК), сопряжение в телефонных линиях, а также использование в качестве датчиков для сигналов постоянного тока неизвестной полярности. Сертификаты устройства от ведущих международных агентств по безопасности — включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC — упрощают его использование в конечной продукции для глобальных рынков, облегчая процесс сертификации для производителей оборудования.

2. Подробный анализ технических параметров

Тщательное понимание предельных значений и рабочих характеристик устройства имеет решающее значение для надежного проектирования схемы. Эти параметры определяют рабочий диапазон и гарантируют использование компонента в пределах его безопасной рабочей области.

2.1 Абсолютные максимальные допустимые значения

Абсолютные максимальные допустимые значения определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Это не рабочие условия.

• Входной прямой ток (I_F): ±50 мА (постоянный ток). Это значение применяется к току в любом направлении через входные диоды.
• Пиковый прямой ток (I_FP): 1 А для импульса длительностью 1 мкс. Это позволяет устройству выдерживать кратковременные броски тока.
• Рассеиваемая мощность: Общая рассеиваемая мощность устройства (P_TOT) не должна превышать 200 мВт. Входная сторона (P_D) рассчитана на 70 мВт с коэффициентом снижения мощности 3,7 мВт/°C при температуре окружающей среды (T_a) выше 90°C. Выходная сторона (P_C) рассчитана на 150 мВт с снижением мощности выше 70°C T_a.
• Напряжения: Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO) составляет 80 В, а напряжение эмиттер-коллектор (V_ECO) — 6 В. Асимметрия обусловлена структурой фототранзистора.
• Напряжение изоляции (V_ISO): 3750 В_эффв течение 1 минуты при относительной влажности 40-60%. Это критически важный параметр безопасности.
• Температурный диапазон: Рабочая температура (T_OPR) составляет от -55°C до +100°C. Температура хранения (T_STG) — от -55°C до +125°C.
• Температура пайки: Устройство может выдерживать пиковую температуру пайки (T_SOL) 260°C в течение 10 секунд, что совместимо с бессвинцовыми процессами оплавления.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры определяют производительность устройства в нормальных рабочих условиях при 25°C, если не указано иное.

2.2.1 Входные характеристики

• Прямое напряжение (V_F): Обычно 1,2 В, максимум 1,4 В при прямом токе (I_F) ±20 мА. Такое низкое падение напряжения полезно для маломощных схем.
• Входная емкость (C_вх): Составляет от 50 пФ (тип.) до 250 пФ (макс.) на частоте 1 кГц. Этот параметр влияет на высокочастотную характеристику и потенциальные шумы связи.

2.2.2 Выходные характеристики

• Ток утечки (I_CEO): Ток утечки от коллектора к эмиттеру, когда входной светодиод выключен (I_F=0) и V_CE=20В, составляет максимум 100 нА. Низкий ток утечки необходим для хорошего отношения сигнал/шум в выключенном состоянии.
• Напряжения пробоя: BV_CEOне менее 80 В, а BV_ECOне менее 7 В. Они определяют максимально допустимые обратные напряжения.

2.2.3 Передаточные характеристики

Эти параметры описывают эффективность связи и скорость между входом и выходом.

• Коэффициент передачи тока (КТП): Это отношение выходного тока коллектора (I_C) к входному прямому току (I_F), выраженное в процентах. Это ключевой параметр усиления. Стандартный EL354N имеет диапазон КТП от 20% до 300% при I_F= ±1мА, V_CE= 5В. Вариант EL354NA предлагает более узкий и высокий диапазон с КТП от 50% до 150% при тех же условиях. Такое сортирование позволяет разработчикам выбирать устройства для более стабильного усиления в производстве.
• Напряжение насыщения (V_КЭ(нас)): Обычно 0,1 В, максимум 0,2 В при I_F=±20мА и I_C=1мА. Низкое напряжение насыщения минимизирует потери мощности, когда выходной транзистор полностью открыт.
• Сопротивление изоляции (R_IO): Минимум 5×10¹⁰Ом, обычно 10¹¹Ом при 500 В постоянного тока. Это чрезвычайно высокое сопротивление является основой функции изоляции.
• Граничная частота (f_c): Обычно 80 кГц (точка -3дБ) при заданных условиях испытаний. Это определяет максимальную полезную частоту сигнала.
• Паразитная емкость (C_IO): Обычно 0,6 пФ, максимум 1,0 пФ на частоте 1 МГц. Это паразитная емкость через барьер изоляции, которая может передавать высокочастотные помехи.
• Скорость переключения: Время нарастания (t_r) и время спада (t_f) указаны как максимум 18 мкс. Эта относительно умеренная скорость подходит для мониторинга сетевой частоты (50/60 Гц) и многих сигналов промышленного управления, но не для высокоскоростной цифровой связи.

3. Анализ характеристических кривых

Хотя в спецификации упоминаются типичные электрооптические характеристические кривые, их конкретные графики (например, КТП в зависимости от температуры, КТП в зависимости от прямого тока) необходимы для детального проектирования. Эти кривые обычно показывают, что КТП уменьшается с ростом температуры окружающей среды и может иметь нелинейную зависимость от прямого тока. Разработчики должны обращаться к этим графикам, чтобы правильно снижать номинальные характеристики для конкретных условий эксплуатации, обеспечивая достаточное усиление схемы во всем целевом температурном диапазоне. Зависимость между выходным током и прямым током также критически важна для определения необходимого тока управления для достижения желаемого выходного состояния, особенно при работе вблизи пределов спецификации КТП.

4. Механическая информация, корпус и монтаж

4.1 Габариты корпуса и полярность

Устройство выполнено в 4-выводном корпусе SOP. Конфигурация выводов следующая: Вывод 1 — Анод/Катод, Вывод 2 — Катод/Анод (для встречно-параллельной пары светодиодов), Вывод 3 — Эмиттер фототранзистора, Вывод 4 — Коллектор. Эта распиновка имеет решающее значение для правильной разводки печатной платы. Чертеж корпуса предоставляет точные механические размеры, включая длину, ширину, высоту корпуса, шаг и размеры выводов, которым необходимо следовать для точного проектирования посадочного места на плате.

4.2 Рекомендуемая конфигурация контактных площадок на плате

Предоставлена рекомендуемая конфигурация контактных площадок для поверхностного монтажа. Подчеркивается, что это справочный проект, и его следует модифицировать в зависимости от конкретных производственных процессов, материала платы и тепловых требований. Цель проектирования площадок — обеспечить надежное формирование паяных соединений во время оплавления при управлении термическими нагрузками на компонент.

4.3 Рекомендации по пайке и оплавлению

Подробно указаны условия пайки оплавлением со ссылкой на IPC/JEDEC J-STD-020D. Профиль критически важен для бессвинцовой сборки:

• Предварительный нагрев: от 150°C до 200°C за 60-120 секунд.
• Повышение температуры: Максимум 3°C/сек от 200°C до пиковой температуры.
• Время выше температуры ликвидуса (217°C): 60-100 секунд.
• Пиковая температура: Максимум 260°C.
• Время в пределах 5°C от пика: Максимум 30 секунд.
• Скорость охлаждения: Максимум 6°C/сек.
• Общее время цикла: от 25°C до пика максимум за 8 минут.
• Количество проходов оплавления: Устройство может выдержать максимум 3 цикла оплавления.

Соблюдение этого профиля предотвращает термическое повреждение пластикового корпуса и внутренних проводных соединений.

5. Заказ, упаковка и маркировка

5.1 Система обозначений и сортировки

Обозначение компонента следует структуре: EL354N(X)(Y)-VG.

• X: Опция ранга КТП. 'A' обозначает диапазон 50-150% (EL354NA). Отсутствие буквы обозначает стандартный диапазон 20-300% (EL354N).
• Y: Опция упаковки в ленту и на катушку. 'TA' или 'TB' указывают тип катушки и ориентацию. Отсутствие обозначения указывает на упаковку в трубку (100 шт.).
• V: Необязательный суффикс, обозначающий наличие сертификата VDE.
• G: Обозначает безгалогенную конструкцию.

Варианты упаковки включают трубки (100 шт.) или ленту на катушке (3000 шт. на катушке для опций TA и TB). Опции 'TA' и 'TB' отличаются ориентацией компонентов на несущей ленте, которая должна соответствовать требованиям питателя монтажной машины.

5.2 Маркировка устройства

Устройства маркируются кодом на верхней поверхности:EL 354N RYWWV.

• EL: Код производителя.
• 354N: Базовый номер устройства.
• R: Ранг КТП (например, 'A' или пусто).
• Y: Однозначный код года.
• WW: Двузначный код недели.
• V: Наличие указывает на сертификат VDE (опционально).

5.3 Спецификации ленты и катушки

Предоставлены подробные размеры профилированной несущей ленты, включая размеры ячейки (A, B, D0, D1), ширину ленты (W), шаг (P0) и размеры уплотнения покровной ленты. Они необходимы для правильной настройки автоматизированного сборочного оборудования.

6. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

6.1 Типовые схемы применения

Основное применение — детектирование сетевого напряжения или обнаружение перехода через ноль. Типичная схема включает подключение входных выводов (1 и 2) последовательно с токоограничивающим резистором к сети переменного тока. Значение резистора должно быть рассчитано так, чтобы ограничить пиковый прямой ток (I_F) до безопасного значения ниже 50 мА, с учетом пикового сетевого напряжения. Выходной транзистор может быть подключен по схеме с общим эмиттером (Эмиттер на землю, Коллектор подтянут через нагрузочный резистор к источнику логики) для обеспечения цифрового сигнала, переключающегося с сетевым циклом. Для детектирования постоянного тока неизвестной полярности устройство может быть размещено непосредственно в линии детектирования, так как оно будет проводить ток независимо от направления.

6.2 Критические факторы проектирования

• Ограничение тока: Самый критический аспект проектирования входной цепи. Резистор должен ограничивать ток в наихудших условиях (максимальное сетевое напряжение, минимальный допуск резистора).
• Деградация КТП: КТП может снижаться со временем, особенно при высоких рабочих температурах и токах. В проекте должен быть запас (например, использовать минимальное значение КТП из спецификации и затем применять дополнительный коэффициент снижения на срок службы).
• Помехоустойчивость: Паразитная емкость (C_IO) может передавать высокочастотные переходные процессы (такие как ЭСР или ЭМП) через барьер изоляции. В зашумленных средах может потребоваться дополнительная фильтрация на выходной стороне или использование более быстрого цифрового фильтра в микроконтроллере.
• Ограничение скорости переключения: Время нарастания/спада 18 мкс ограничивает устройство низкочастотными приложениями. Оно не подходит для изоляции высокоскоростных цифровых линий передачи данных.
• Рассеивание теплаУбедитесь, что общая рассеиваемая мощность (потери на входных светодиодах + потери на выходном транзисторе) не превышает 200 мВт, учитывая снижение номинала с температурой.

7. Техническое сравнение и дифференциация

Ключевым отличием EL354N-G является его интегрированный встречно-параллельный светодиодный вход, что устраняет необходимость во внешних мостовых выпрямителях или сложных схемах для обработки переменного или постоянного тока неизвестной полярности. По сравнению со стандартными оптопарами с постоянным входом это упрощает спецификацию материалов и экономит место на плате. В сегменте оптопар с переменным входом сочетание изоляции 3750 Вэфф, безгалогенных материалов и комплексных международных сертификатов безопасности (UL, VDE и др.) в компактном корпусе SOP представляет собой убедительное ценностное предложение для глобальных приложений, чувствительных к стоимости, но критичных к безопасности. Наличие более узкого диапазона КТП (EL354NA) дает преимущество для проектов, требующих более стабильного усиления без ручной сортировки или калибровки.

8. Часто задаваемые вопросы (ЧАВО)

В: Могу ли я использовать это устройство для прямого детектирования сетевого напряжения 120В или 230В?

О: Да, но вы должны использовать внешний последовательный токоограничивающий резистор. Рассчитайте его значение на основе пикового сетевого напряжения (например, 230В эфф имеет пик ~325В) и желаемого тока светодиода, обеспечивая, чтобы пиковый ток оставался значительно ниже абсолютного максимального значения 50 мА.

В: В чем разница между EL354N и EL354NA?

О: Разница заключается в сортировке по коэффициенту передачи тока (КТП). EL354N имеет более широкий диапазон (20-300%), в то время как EL354NA имеет более узкий диапазон с более высоким минимальным значением (50-150%). Используйте версию 'NA' для приложений, требующих более стабильного усиления от устройства к устройству.

В: Выход — это фототранзистор. Могу ли я использовать его для прямого управления реле?

О: Не рекомендуется. Токовая нагрузка фототранзистора ограничена (связана с его номинальной рассеиваемой мощностью). Он предназначен для работы с сигнальным уровнем. Для управления реле используйте выход оптопары для управления более мощным транзистором или затвором MOSFET.

В: Как обеспечить надежную изоляцию в моем проекте?

О: Соблюдайте надлежащие расстояния утечки и воздушные зазоры на печатной плате между входными и выходными цепями в соответствии с соответствующим стандартом безопасности (например, IEC 60950-1, IEC 62368-1). Номинальное напряжение изоляции 3750 Вэфф самого компонента должно поддерживаться достаточными расстояниями на плате.

9. Принцип работы

Устройство работает по принципу оптоэлектронного преобразования и изоляции. Когда ток протекает через любой из двух входных инфракрасных светодиодов (в зависимости от полярности), он излучает свет. Этот свет проходит через прозрачный барьер изоляции (обычно литой пластик) и попадает в базовую область кремниевого фототранзистора на выходной стороне. Фотоны генерируют электрон-дырочные пары в базе, эффективно действуя как базовый ток, который включает транзистор, позволяя протекать гораздо большему току коллектора. Ключевым моментом является то, что единственная связь между входом и выходом — оптическая, что обеспечивает гальваническую развязку. Встречно-параллельная конфигурация светодиодов означает, что ток, втекающий в вывод 1 (Анод) и вытекающий из вывода 2 (Катод), зажигает один светодиод, в то время как ток в противоположном направлении зажигает другой светодиод, обеспечивая работу с переменным или двунаправленным постоянным током.

10. Тенденции отрасли

Тенденция в области оптопар и технологий изоляции направлена на более высокую степень интеграции, более высокие скорости и более низкое энергопотребление. В то время как традиционные оптопары на фототранзисторах, такие как EL354N-G, остаются жизненно важными для экономически эффективной изоляции средней скорости в силовой электронике и промышленных системах управления, появляются новые технологии. К ним относятся цифровые изоляторы на основе КМОП-технологии и радиочастотной связи, которые предлагают значительно более высокие скорости передачи данных, более низкое энергопотребление и более высокую надежность. Однако для базового детектирования сетевого напряжения и мониторинга, где простота, высокое напряжение изоляции и проверенная надежность имеют первостепенное значение, фототранзисторные оптопары переменного тока продолжают оставаться предпочтительным и надежным решением. Переход к безгалогенным материалам и усиленному экологическому соответствию, как видно в серии '-G', является прямым ответом на глобальные регуляторные тенденции.