Техническая документация на оптопару EL3H7U-G - Корпус SSOP 4-выводной - Высота 2.0 мм - Изоляция 3750 Vrms - CTR 100-560%

1. Обзор изделия

Серия EL3H7U-G представляет собой семейство компактных поверхностно-монтируемых фототранзисторных оптопар (оптронов), предназначенных для надежной гальванической развязки сигналов в современных электронных схемах. Эти устройства выполняют критически важную функцию, передавая электрические сигналы между двумя изолированными цепями с помощью света, предотвращая тем самым влияние или повреждение одной цепи высокими напряжениями или контурными токами другой цепи.

Основная конструкция состоит из инфракрасного светодиода (IRED) на арсениде галлия, оптически связанного с кремниевым NPN фототранзистором. Оба элемента инкапсулированы в зеленое беcгалогенное компаундное покрытие и размещены в 4-выводном малогабаритном корпусе SSOP с низким профилем 2.0 мм. Данный корпус идеально подходит для применений с ограниченным пространством на печатных платах (ПП).

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Основные преимущества серии EL3H7U-G включают высокую изолирующую способность, компактные размеры и соответствие международным стандартам безопасности и экологии. Напряжение изоляции (Viso) 3750 Vrms обеспечивает надежную защиту чувствительных схем. Беcгалогенный состав материалов соответствует экологическим директивам, таким как RoHS и REACH. Устройство одобрено ведущими международными сертификационными агентствами, включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC, что делает его пригодным для глобальных рынков, требующих сертифицированных компонентов.

Области применения разнообразны и сосредоточены в сферах, где первостепенное значение имеют гальваническая развязка и помехоустойчивость. Ключевые рынки включают импульсные источники питания (SMPS), особенно DC-DC преобразователи, промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК), телекоммуникационное оборудование и передачу сигналов общего назначения между цепями с разными потенциалами земли или уровнями импеданса.

2. Подробный анализ технических параметров

Понимание абсолютных максимальных режимов и электрических характеристик необходимо для надежного проектирования схем и обеспечения долговременной работоспособности оптопары.

2.1 Абсолютные максимальные режимы

Эти режимы определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для нормальной работы.

• Вход (сторона светодиода):Прямой ток (I_F) не должен превышать 20 мА. Обратное напряжение (V_R) ограничено 5 В, что подчеркивает необходимость надлежащей защиты от обратной полярности, если на вход может подаваться обратное смещение.
• Выход (сторона фототранзистора):Ток коллектора (I_C) составляет 30 мА. Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO) может выдерживать до 60 В, в то время как напряжение эмиттер-коллектор (V_ECO) значительно ниже и составляет 5 В, что указывает на асимметрию характеристик пробоя фототранзистора.
• Тепловые и изоляционные параметры:Суммарная рассеиваемая мощность устройства (P_TOT) составляет 200 мВт. Напряжение изоляции (V_ISO) 3750 Vrms тестируется в течение 1 минуты при закорачивании выводов 1-2 и 3-4 друг с другом при контролируемой влажности (40-60% RH). Диапазон рабочих температур указан от -40°C до +125°C.

2.2 Электрооптические характеристики

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

• Входные характеристики:Прямое напряжение (V_F) обычно составляет 1.3 В при прямом токе (I_F) 1 мА, что важно для проектирования схемы управления. Входная емкость (C_in) может достигать 250 пФ, что может влиять на работу на высоких частотах.
• Выходные характеристики:Ток коллектор-эмиттер в темноте (I_CEO) очень мал (макс. 100 нА при V_CE=20 В), что представляет собой ток утечки при выключенном светодиоде. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat)) составляет максимум 0.4 В при заданных условиях испытаний (I_F=3 мА, I_C=1.6 мА), что указывает на низкое падение напряжения, когда транзистор полностью открыт.
• Параметры изоляции:Сопротивление изоляции (R_IO) составляет минимум 5 x 10¹⁰Ω, а емкость изоляции (C_IO) - максимум 1.0 пФ. Эти значения критически важны для определения коэффициента подавления синфазной помехи и связи высокочастотных шумов через барьер изоляции.

2.3 Передаточные характеристики и система градации

Коэффициент передачи тока (CTR) является наиболее важным параметром для оптопары, определяемым как отношение выходного тока коллектора (I_C) к входному прямому току светодиода (I_F), выраженное в процентах: CTR = (I_CF) * 100%.

Серия EL3H7U-G использует систему градации CTR, чтобы предоставить разработчикам стабильные диапазоны производительности:

• EL3H7U (Стандартный):Диапазон CTR от 50% до 600% при I_F= 0.5 мА, V_CE= 5 В.
• EL3H7UA:Диапазон CTR от 100% до 200%.
• EL3H7UB:Диапазон CTR от 150% до 300%.
• EL3H7UC:Диапазон CTR от 200% до 400%.

Такая градация позволяет проводить более точное проектирование, особенно в схемах, где важна стабильность усиления, например, в цепях обратной связи источников питания. Стандартная версия предлагает самый широкий диапазон и подходит для применений общего назначения, где точное значение CTR менее критично.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлены несколько графиков, иллюстрирующих ключевые тенденции производительности. Важно отметить, что эти кривые представляют типичное поведение и не гарантируются при производственном тестировании.

3.1 Зависимость прямого тока от прямого напряжения (Рисунок 1)

Этот график показывает ВАХ входного IRED при разных температурах окружающей среды (-40°C, 25°C, 125°C). Прямое напряжение (V_F) имеет отрицательный температурный коэффициент, то есть уменьшается с ростом температуры при заданном токе. Это типичное поведение для диодов, которое необходимо учитывать при тепловом расчете и проектировании схемы с постоянным током.

3.2 Зависимость тока коллектора от прямого тока (Рисунок 2) и CTR от прямого тока (Рисунок 3)

На Рисунке 2 показан выходной ток коллектора (I_C) в зависимости от входного тока светодиода (I_F) для двух разных напряжений коллектор-эмиттер (V_CE=0.4 В и 5 В). Зависимость линейна при низких токах, но показывает насыщение при более высоких уровнях I_F, особенно при более низком V_CE. Рисунок 3 показывает, что нормированный CTR уменьшается с ростом I_F. Это указывает на то, что устройство наиболее эффективно (наивысший CTR) при более низких токах управления, обычно около тестового условия 0.5 мА.

3.3 Температурная зависимость (Рисунки 6 и 7)

Рисунок 6 демонстрирует, что ток коллектора (I_C) при фиксированном I_Fувеличивается с температурой. Рисунок 7 показывает, что нормированный CTR достигает пика около комнатной температуры и уменьшается как при более высоких, так и при более низких температурах. Эта температурная зависимость CTR является критическим фактором проектирования. Схемы должны быть спроектированы так, чтобы корректно работать во всем указанном температурном диапазоне с учетом изменения коэффициента усиления.

3.4 Переключательные характеристики (Рисунок 9)

График зависимости времени переключения от сопротивления нагрузки (R_L) показывает, что как время нарастания (t_r), так и время спада (t_f) уменьшаются с уменьшением сопротивления нагрузки. Более быстрое переключение достигается с меньшими нагрузочными резисторами, но это происходит за счет более высокой рассеиваемой мощности в выходном каскаде. Испытательная схема (Рисунок 13) определяет t_rкак время от 10% до 90% выходного импульса, а t_fкак время от 90% до 10%.

4. Механические данные, упаковка и монтажная информация

4.1 Распиновка и полярность

Устройство использует стандартное расположение выводов для 4-выводного корпуса SSOP. Распиновка следующая: Вывод 1: Анод IRED, Вывод 2: Катод IRED, Вывод 3: Эмиттер фототранзистора, Вывод 4: Коллектор фототранзистора. Правильную полярность необходимо соблюдать при разводке печатной платы и монтаже, чтобы предотвратить повреждение.

4.2 Рекомендации по пайке и обращению

Абсолютный максимальный режим для температуры пайки (T_SOL) составляет 260°C в течение 10 секунд. Это соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением. Следует соблюдать стандартные рекомендации IPC/JEDEC J-STD-020 для компонентов, чувствительных к влаге. Устройство должно храниться в оригинальной влагозащищенной упаковке с осушителем в контролируемых условиях и подвергаться сушке перед пайкой, если упаковка была вскрыта или превышено время допустимого воздействия.

5. Информация для заказа и упаковка

Номер детали следует структуре: EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X:Класс CTR (A, B, C или пусто для стандартного класса).
• Y:Вариант упаковки на ленте и в катушке (TA, TB или пусто). TA и TB, вероятно, относятся к разным размерам катушек или ориентации упаковки, обе содержат по 5000 единиц на катушке.
• V:Опциональная маркировка об одобрении VDE.
• G:Обозначает беcгалогенный материал.

Примеры: EL3H7UB-TA-VG будет устройством класса B по CTR, упакованным на ленту TA в катушке, с одобрением VDE и беcгалогенным материалом.

6. Рекомендации по применению и вопросы проектирования

6.1 Типовые схемы применения

Основное применение - гальваническая развязка сигналов. Типичная схема включает управление входным светодиодом через токоограничивающий резистор от цифрового источника сигнала (например, GPIO микроконтроллера). Выходной фототранзистор может использоваться в схеме с общим эмиттером (коллектор подключен к резистору подтяжки, эмиттер на землю) для получения инвертированного выходного сигнала или в схеме эмиттерного повторителя для неинвертированного сигнала.

6.2 Ключевые вопросы проектирования

• Ток управления светодиодом:Выбирайте I_Fисходя из требуемой скорости переключения и CTR. Более низкий I_Fобеспечивает более высокий CTR, но более медленное переключение. Последовательный резистор должен быть рассчитан по формуле R = (V_{источника}- V_F) / I_F.
• Нагрузочный резистор на выходе (R_L):Этот резистор определяет размах выходного напряжения, скорость переключения и рассеиваемую мощность. Меньший R_Lдает более быстрое переключение, но меньший размах выходного напряжения и более высокий I_C.
• Деградация CTR:CTR оптопар может снижаться со временем, особенно при работе при высоких температурах и высоких токах светодиода. Для проектов с длительным сроком службы снижайте рабочий I_Fи обеспечивайте адекватный тепловой режим.
• Помехоустойчивость:Для зашумленных сред может помочь небольшой блокировочный конденсатор (например, 0.1 мкФ) между входными выводами, расположенный близко к устройству. На выходе для высокоскоростных сигналов важна тщательная разводка печатной платы для минимизации паразитной емкости.

7. Техническое сравнение и ЧАВО

7.1 Отличия от других оптопар

Серия EL3H7U-G выделяется сочетанием компактного корпуса SSOP, высокого напряжения изоляции 3750 Vrms, широкого рабочего диапазона температур от -40°C до +125°C и комплексных международных сертификатов безопасности. Многие конкурирующие устройства могут предлагать аналогичный CTR или скорость, но не имеют полного набора одобрений или возможности работы при высоких температурах.

7.2 Часто задаваемые вопросы (ЧАВО)

В: В чем разница между стандартным классом и классами A/B/C?

А: Стандартный класс имеет очень широкий диапазон CTR (50-600%). Классы A, B и C сортируются в более узкие, гарантированные диапазоны CTR (например, 200-400% для класса C). Используйте сортированные детали для проектов, требующих предсказуемого усиления.

В: Можно ли использовать это для развязки сигналов переменного тока?

А: Не напрямую. Вход - это IRED, который является диодом и проводит ток только в одном направлении. Для развязки сигнала переменного тока его необходимо сначала выпрямить или использовать специальную оптопару с входом для переменного тока.

В: Как рассчитать максимальную скорость передачи данных?

А: Максимальная скорость передачи данных ограничена суммой времен нарастания и спада (t_r+ t_f). Грубая оценка для цифрового сигнала: Полоса пропускания ≈ 0.35 / (t_r). При типичном t_r8 мкс полоса пропускания составляет около 44 кГц. Для надежной цифровой связи практическая скорость передачи данных будет ниже.

В: Почему важна емкость изоляции?

А: Низкая емкость изоляции (C_IO) критически важна для подавления высокочастотных синфазных помех. В приложениях с быстрыми переходными процессами напряжения через барьер изоляции (как в драйверах двигателей) высокая C_IOможет передавать помехи с первичной на вторичную сторону, потенциально вызывая сбои.

8. Принцип работы и технологические тренды

8.1 Основной принцип работы

Оптопара работает по принципу электрооптического преобразования. Электрический сигнал, подаваемый на входную сторону, заставляет IRED излучать инфракрасный свет, пропорциональный току. Этот свет проходит через прозрачный изоляционный барьер внутри корпуса. На выходной стороне фототранзистор обнаруживает этот свет, генерируя ток базы, который, в свою очередь, управляет значительно большим током коллектора. Две цепи электрически изолированы, между ними существует только оптическая связь.

8.2 Тренды отрасли

Тренд в технологии оптопар направлен на более высокую скорость, меньшее энергопотребление, более высокую степень интеграции и меньшие корпуса. В то время как традиционные устройства на основе фототранзисторов, такие как EL3H7U-G, отлично подходят для развязки постоянного и низкочастотного тока, новые технологии, такие как цифровые изоляторы (использующие КМОП и радиочастотную или емкостную связь), предлагают значительно более высокие скорости передачи данных, меньшее энергопотребление и лучшие временные характеристики. Однако оптопары сохраняют преимущества в высокой устойчивости к синфазным переходным помехам (CMTI), простоте и хорошо зарекомендовавших себя сертификатах безопасности для высоковольтной изоляции, что обеспечивает их постоянную актуальность в приложениях преобразования энергии и промышленного управления.