Техническая документация на оптопары серии EL121N - Корпус SOP 4-вывода - Высота 2.0 мм - Изоляция 3750 Вэфф - КТП 50-400%

1. Обзор изделия

Серия EL121N представляет собой семейство инфракрасных оптоэлектронных компонентов, предназначенных для гальванической развязки и передачи сигналов. В основе устройства лежит инфракрасный светодиод (IRED) на арсениде галлия, оптически связанный с кремниевым NPN фототранзистором, размещенные в компактном корпусе для поверхностного монтажа SOP с 4 выводами. Основная функция — передача электрических сигналов между двумя цепями при обеспечении высокой гальванической развязки, что предотвращает распространение помех, контурных токов и скачков напряжения с одной стороны на другую.

Устройство разработано для применений, требующих надежной изоляции в условиях ограниченного пространства. Его малая высота 2.0 мм делает его подходящим для современных высокоплотных печатных плат (PCB). Ключевой принцип проектирования серии — соответствие глобальным экологическим и стандартам безопасности, включая отсутствие галогенов, свинца (Pb-free) и соответствие директивам RoHS и EU REACH. Кроме того, устройство имеет важные международные сертификаты безопасности, включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO и FIMKO, что подчеркивает его надежность и пригодность для использования в коммерческом и промышленном оборудовании по всему миру.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Эти характеристики определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа на этих пределах или за их пределами не гарантируется.

• Вход (сторона светодиода):Прямой ток (I_F) составляет 50 мА в непрерывном режиме. Допускается кратковременный пиковый прямой ток (I_FP) 1 А в течение 1 микросекунды, что актуально для импульсного режима работы. Максимальное обратное напряжение (V_R) составляет 6 В, что подчеркивает необходимость правильной защиты от обратной полярности.
• Выход (сторона транзистора):Ток коллектора (I_C) составляет 50 мА. Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO) равно 80 В, в то время как напряжение эмиттер-коллектор (V_ECO) составляет всего 7 В, что подчеркивает асимметричный характер характеристик пробоя фототранзистора.
• Мощность и тепловой режим:Суммарная рассеиваемая мощность устройства (P_TOT) составляет 200 мВт. Предоставлены отдельные коэффициенты снижения мощности: 2.9 мВт/°C для входа (светодиод) при температуре окружающей среды выше 100°C и 3.7 мВт/°C для выхода (транзистор) при температуре выше 70°C. Это критически важно для теплового управления в высокотемпературных условиях.
• Изоляция и окружающая среда:Напряжение изоляции (V_ISO) составляет 3750 В_эффв течение 1 минуты, тестируется при закороченных выводах 1-2 и 3-4. Диапазон рабочих температур от -55°C до +110°C, диапазон хранения от -55°C до +125°C.

2.2 Электрооптические характеристики

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

• Входные характеристики:Прямое напряжение (V_F) обычно составляет 1.2 В при испытательном токе 20 мА, максимум 1.4 В. Это низкое напряжение полезно для низковольтных логических интерфейсных схем. Обратный ток утечки (I_R) составляет максимум 10 мкА при 4 В.
• Выходные характеристики:Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO), который является током утечки при выключенном светодиоде, составляет максимум 100 нА при V_CE=20 В. Напряжения пробоя (BV_CEO=80 В,BV_ECO=7 В) подтверждают предельные значения.
• Передаточные характеристики:Это основа спецификации устройства.
  • Коэффициент передачи тока (КТП):Это отношение выходного тока коллектора к входному прямому току светодиода, выраженное в процентах. Серия EL121N предлагаетсистему градации/сортировки:
    • EL121N (Стандартный):Диапазон КТП от 50% до 400% при I_F=5 мА, V_CE=5 В.
    • EL121N B:Более узкий диапазон от 130% до 260%.
    • EL121N C:Диапазон с более высокой производительностью от 200% до 400%.
    • EL121N BC:Широкий диапазон от 130% до 400%.
    Эта сортировка позволяет разработчикам выбирать компоненты на основе требуемого усиления и стабильности, оптимизируя производительность схемы и стоимость.
  • Напряжение насыщения (V_CE(sat)):Обычно 0.1 В (макс. 0.2 В) при управлении током I_F=20 мА и нагрузке I_C=1 мА. Это низкое значение отлично подходит для цифровых переключающих приложений, минимизируя потери напряжения.
  • Сопротивление изоляции (R_IO):Минимум 5 x 10¹⁰Ом, что указывает на чрезвычайно высокое сопротивление изоляции постоянному току.
  • Скорость переключения:Время нарастания (t_r) обычно составляет 6 мкс (макс. 18 мкс), а время спада (t_f) обычно составляет 8 мкс (макс. 18 мкс) при заданных условиях испытаний (V_CE=2 В, I_C=2 мА, R_L=100 Ом). Это определяет способность устройства к передаче цифровых сигналов средней скорости.

3. Анализ характеристических кривых

В технической документации приведены типичные электрооптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не воспроизводятся в тексте, они обычно включают следующие зависимости, которые имеют решающее значение для проектирования:

• КТП в зависимости от прямого тока (I_F):КТП не является постоянной величиной; обычно он уменьшается с увеличением I_F. Разработчики должны обращаться к этой кривой, чтобы выбрать рабочую точку, обеспечивающую желаемое усиление без перегрузки светодиода.
• КТП в зависимости от температуры окружающей среды (T_a):КТП оптопар имеет отрицательный температурный коэффициент; он уменьшается с повышением температуры. Эта кривая жизненно важна для обеспечения стабильности схемы в предполагаемом диапазоне рабочих температур.
• Ток коллектора в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (I_C-V_CE):Эти выходные характеристические кривые показывают работу фототранзистора в линейной (активной) и насыщенной областях, аналогично стандартному биполярному транзистору, но с I_Fв качестве управляющего параметра вместо тока базы.
• Прямое напряжение в зависимости от прямого тока (V_F-I_F):Эта характеристика светодиода важна для проектирования схемы драйвера с ограничением тока.

Рисунок 10 в технической документации предоставляет стандартную испытательную схему и определения форм сигналов для измерения времени переключения (t_on, t_off, t_r, t_f), с использованием резистивной нагрузки (R_L) и определенного входного импульса.

4. Механическая информация, корпус и монтаж

4.1 Распиновка и габаритные размеры корпуса

Корпус SOP с 4 выводами имеет четкую распиновку:

1. Анод (A) инфракрасного светодиода
2. Катод (K) инфракрасного светодиода
3. Эмиттер (E) фототранзистора
4. Коллектор (C) фототранзистора

Чертеж корпуса предоставляет точные размеры, включая размер корпуса, расстояние между выводами и общую высоту, подтверждая профиль 2.0 мм. Также предоставляется рекомендуемый посадочный рисунок на печатной плате (расположение контактных площадок) для обеспечения надежной пайки и механической стабильности при поверхностном монтаже.

4.2 Рекомендации по пайке и монтажу

Для устройства установлена максимальная температура пайки (T_SOL) 260°C в течение 10 секунд. Кроме того, предоставлен подробный профиль пайки оплавлением, соответствующий IPC/JEDEC J-STD-020D. Ключевые параметры этого профиля включают:

• Предварительный нагрев:от 150°C до 200°C в течение 60-120 секунд.
• Время выше температуры ликвидуса (217°C):60-100 секунд.
• Пиковая температура:максимум 260°C.
• Время в пределах 5°C от пика:максимум 30 секунд.
• Максимальное количество циклов оплавления:3 раза.

Соблюдение этого профиля необходимо для предотвращения растрескивания корпуса, расслоения или повреждения внутреннего кристалла и проводных соединений.

5. Заказ, упаковка и маркировка

5.1 Система обозначений

Обозначение изделия следует формату:EL121N(X)(Y)-V

• EL121N:Базовый номер изделия.
• X:Градация КТП (B, C, BC или пусто для стандартного класса).
• Y:Вариант ленты и катушки (TA или TB, различаются направлением подачи).
• -V:Опциональный суффикс, обозначающий наличие сертификата VDE.

Примеры: EL121NBC-TA, EL121NC-TB-V.

5.2 Спецификация упаковки

Устройства поставляются на ленте в катушках для автоматизированной сборки. Подробно указаны размеры ленты (ширина, размер кармана, шаг) и спецификации катушки. Оба варианта TA и TB содержат по 3000 штук на катушке.

5.3 Маркировка изделия

Каждое устройство маркируется на верхней стороне лазерным или чернильным кодом:EL 121N RYWWV

• EL:Код производителя.
• 121N:Номер изделия.
• R:Код градации КТП (например, B или C).
• Y:Однозначный код года.
• WW:Двузначный код недели.
• V:Наличие знака сертификации VDE.

Эта маркировка позволяет отслеживать и проверять тип устройства.

6. Примечания по применению и рекомендации по проектированию

6.1 Типовые применения

Серия EL121N подходит для широкого спектра задач по развязке и интерфейсам:

• Импульсные источники питания (SMPS):Обеспечение гальванической развязки обратной связи в DC-DC преобразователях, что критически важно для регулирования выходного напряжения при сохранении изоляции безопасности от первичной стороны.
• Промышленные системы управления:Интерфейс между низковольтными логическими контроллерами (ПЛК) и промышленными исполнительными механизмами или датчиками с более высоким напряжением/током, предотвращение помех от контурных токов.
• Телекоммуникационное оборудование:Развязка сигнальных линий или обеспечение гальванической развязки в интерфейсах модемов, маршрутизаторов или линейных карт.
• Общая развязка цепей:Любое применение, требующее передачи сигналов между цепями с разными потенциалами земли или импедансами.

6.2 Критически важные аспекты проектирования

• Деградация КТП:КТП оптопар может ухудшаться со временем, особенно при работе на высоких токах светодиода и высоких температурах. Снижение рабочего тока светодиода и выбор компонента с начальным КТП, значительно превышающим минимально требуемый, обеспечивает запас по долговечности.
• Компромисс между скоростью и током:Скорость переключения улучшается с увеличением тока управления светодиодом, но за счет более высокого энергопотребления и потенциального ускоренного старения. Испытательное условие (I_F=10 мА, тип.) дает базовый уровень; для более высоких скоростей может потребоваться более высокий I_F.
• Выбор нагрузочного резистора:Значение нагрузочного резистора (R_Lна коллекторе) влияет как на скорость переключения, так и на размах выходного напряжения. Меньшее значение R_Lулучшает скорость, но снижает усиление и диапазон выходного напряжения.
• Помехоустойчивость:Для цифровых применений ключевым является обеспечение достаточного "запаса по помехоустойчивости" путем проектирования приемной схемы, которая четко различает включенное и выключенное состояния фототранзистора.
• Пути утечки и воздушные зазоры изоляции:При проектировании разводки печатной платы необходимо соблюдать указанные расстояния утечки и воздушные зазоры (подразумеваемые номиналом 3750 В_эфф) между дорожками входной и выходной сторон для сохранения целостности изоляции.

7. Техническое сравнение и позиционирование

На рынке оптопар с фототранзисторным выходом серия EL121N позиционируется благодаря нескольким ключевым атрибутам:

• Корпус:Корпус SOP с 4 выводами предлагает более компактную площадь по сравнению со старыми корпусами DIP с 4 выводами, при этом он проще в обращении и пайке, чем сверхминиатюрные 4-выводные корпуса, находя баланс между размером и технологичностью.
• Сортировка по КТП:Предложение нескольких четко определенных градаций КТП (B, C, BC) обеспечивает гибкость, не всегда доступную в универсальных компонентах, позволяя оптимизировать конструкцию.
• Комплексные сертификаты:Накопление сертификатов UL, cUL, VDE и скандинавских SEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO в одном компоненте упрощает процесс выбора компонентов для продуктов, предназначенных для глобальных рынков со строгими требованиями безопасности.
• Сбалансированная производительность:С КТП до 400%, напряжением насыщения ниже 0.2 В и временем переключения в микросекундном диапазоне, устройство предлагает всестороннюю производительность, подходящую для широкого спектра аналоговых и цифровых задач развязки, от простых сигналов вкл/выкл до ШИМ-обратной связи.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

8.1 В чем разница между вариантами ленты TA и TB?

Основное различие заключается внаправлении подачис катушки. Варианты TA и TB имеют разную ориентацию карманов для компонентов на несущей ленте. Разработчик должен указать правильный вариант в зависимости от ориентации, требуемой системой подачи его конкретного монтажного автомата. Оба содержат 3000 штук.

8.2 Как выбрать между градациями КТП B, C и BC?

Выбирайте на основе требований вашей схемы к усилению и стабильности.

• ИспользуйтеКласс C (200-400%)для применений, требующих высокой чувствительности или когда управляющая схема может обеспечить только низкий ток светодиода.
• ИспользуйтеКласс B (130-260%)для применений, где требуется умеренное, строго контролируемое усиление для предсказуемой работы всех экземпляров.
• ИспользуйтеСтандартный класс (50-400%)иликласс BC (130-400%)для экономически чувствительных применений, где конструкция схемы может допускать более широкий разброс КТП, часто за счет использования обратной связи или менее критичных уровней сигнала.

8.3 Можно ли использовать это устройство для гальванической развязки аналоговых сигналов?

Да, но с важными оговорками. Нелинейность фототранзистора, температурная зависимость КТП и присущее различие между экземплярами делают его менее идеальным для высокоточного аналогового изолирования по сравнению со специализированными линейными оптопарами (которые содержат фотодиод и операционный усилитель). Для аналоговых сигналов с более низкой точностью или в схемах, использующих внешнюю линеаризацию и температурную компенсацию, его можно эффективно использовать.

8.4 Для чего предназначен тест напряжения изоляции (выводы 1-2 замкнуты на 3-4)?

Этот тест проверяет целостность внутреннего изоляционного барьера между входной (светодиод) и выходной (фототранзистор) частями корпуса. Закорачивание выводов на каждой стороне гарантирует, что испытательное напряжение прикладывается ко всей границе изоляции, проверяя наличие любых потенциальных путей пробоя через компаунд или вдоль выводной рамки.