Техническая документация на фотодарлингтоновые оптопары 6-pin DIP - серии TIL113, 4NXX, H11BX - Изоляция 5000 В среднеквадратичных

1. Обзор продукта

Серии TIL113, 4NXX и H11BX представляют собой семейства фотодарлингтоновых оптопар (оптронов). Каждое устройство состоит из инфракрасного светоизлучающего диода (СИД), оптически связанного с детектором на фотодарлингтоновом транзисторе. Такая конфигурация обеспечивает высокий коэффициент передачи тока (КТП), что делает их подходящими для сопряжения низкоточных управляющих сигналов с нагрузками, требующими большего тока. Устройства выпускаются в компактном 6-выводном корпусе DIP (Dual In-line Package) с вариантами для стандартного монтажа в отверстия, с увеличенным расстоянием между выводами и для поверхностного монтажа (SMD). Ключевое преимущество серии — высокая электрическая изоляция (5000 В_{среднеквадратичных}) между входной и выходной цепями, что критически важно для безопасности и помехозащищенности в системах с разными потенциалами земли.

2. Ключевые особенности и сертификаты

Серия предлагает несколько важных особенностей для надежной работы в сложных условиях. Высокое напряжение изоляции 5000 В_{среднеквадратичных}и расстояние утечки более 7,62 мм обеспечивают безопасную работу в высоковольтных средах. Эти устройства рассчитаны на расширенный диапазон рабочих температур до +110°C. Кроме того, серия продуктов соответствует основным международным стандартам безопасности и экологии, включая сертификаты UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC. Устройства также соответствуют регламенту ЕС REACH и доступны в версиях, соответствующих директиве RoHS.

3. Области применения

Эти оптопары предназначены для широкого спектра применений, где требуется электрическая изоляция и передача сигнала. Типичные области использования включают:

• Сопряжение маломощных логических схем и преобразование уровней.
• Оборудование телекоммуникаций для изоляции сигналов.
• Портативная и питаемая от батарей электроника.
• Системы сопряжения и связи, работающие при разных электрических потенциалах и импедансах, например, в промышленных системах управления, источниках питания и измерительном оборудовании.

4. Распиновка и принципиальная схема

Устройства используют стандартную 6-выводную конфигурацию DIP. Распиновка следующая:

• Вывод 1: Анод входного СИД.
• Вывод 2: Катод входного СИД.
• Вывод 3: Не подключен (NC).
• Вывод 4: Эмиттер выходного фотодарлингтонового транзистора.
• Вывод 5: Коллектор выходного фотодарлингтонового транзистора.
• Вывод 6: База выходного фотодарлингтонового транзистора (обычно оставляется свободной или подключается для схем ускорения).

Внутренняя принципиальная схема показывает инфракрасный СИД, подключенный между выводами 1 и 2, и фотодарлингтоновый транзистор, подключенный между выводами 4 (Эмиттер), 5 (Коллектор) и 6 (База).

5. Абсолютные максимальные параметры

Превышение этих пределов может привести к необратимому повреждению устройства. Все параметры указаны при температуре окружающей среды (T_a) 25°C, если не указано иное.

• Вход (СИД):Прямой ток (I_F): 60 мА; Пиковый прямой ток (I_FP, импульс 1 мкс): 1 А; Обратное напряжение (V_R): 6 В; Рассеиваемая мощность (P_D): 120 мВт (требуется снижение номинала выше T_a= 100°C на 3,8 мВт/°C).
• Выход (Транзистор):Рассеиваемая мощность (P_C): 150 мВт (требуется снижение номинала выше T_a= 80°C на 6,5 мВт/°C); Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO): 55 В; Напряжение коллектор-база (V_CBO): 55 В; Напряжение эмиттер-коллектор (V_ECO): 7 В; Напряжение эмиттер-база (V_EBO): 7 В.
• Устройство в целом:Суммарная рассеиваемая мощность (P_TOT): 200 мВт; Напряжение изоляции (V_ISO): 5000 В_{среднеквадратичных}(переменный ток в течение 1 минуты, влажность 40-60%).
• Температура:Рабочая температура (T_OPR): от -55°C до +100°C; Температура хранения (T_STG): от -55°C до +125°C; Температура пайки (T_SOL): 260°C (в течение 10 секунд).

6. Электрооптические характеристики

Эти параметры определяют электрические и оптические характеристики в нормальных рабочих условиях, обычно при T_a=25°C.

6.1 Входные характеристики (СИД)

• Прямое напряжение (V_F): Типично 1,2В, Максимум 1,5В при I_F= 10мА (50мА для H11B3).
• Обратный ток (I_R): Максимум 10 мкА при V_R= 6В.
• Входная емкость (C_вх): Типично 50 пФ при V=0, f=1МГц.

6.2 Выходные характеристики (Фотодарлингтон)

• Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO): Максимум 100 нА при V_CE= 10В.
• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (BV_CEO): Минимум 55 В при I_C=1мА.
• Напряжение пробоя коллектор-база (BV_CBO): Минимум 55 В при I_C=0,1мА.
• Напряжение пробоя эмиттер-коллектор (BV_ECO): Минимум 7 В при I_E=0,1мА.

6.3 Передаточные характеристики

Эти параметры определяют эффективность связи и характеристики переключения.

• Коэффициент передачи тока (КТП):Это отношение выходного тока коллектора к входному прямому току СИД, выраженное в процентах. Он варьируется в зависимости от номера детали:
  • 4N32, 4N33, H11B1: КТП ≥ 500% (при I_F=10мА, V_CE=10В или I_F=1мА, V_CE=5В).
  • 4N29, 4N30: КТП ≥ 100%.
  • 4N31, H11B3, H11B255: КТП ≥ 100%.
  • H11B2: КТП ≥ 200%.
  • TIL113: КТП ≥ 300% (при I_F=10мА, V_CE=1В).
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_КЭ(нас)):Максимум от 1,0В до 1,2В в зависимости от серии, при указанных I_Fи I_C conditions.
• Сопротивление изоляции (R_IO):Минимум 10¹¹Ом при V_IO=500В постоянного тока.
• Входо-выходная емкость (C_IO):Типично 0,8 пФ при V_IO=0, f=1МГц.
• Времена переключения:Время включения (t_вкл) и время выключения (t_выкл) указаны для разных серий при определенных условиях испытаний (V_CC=10В, с указанными I_Fи нагрузочным резистором R_L=100Ом). Например, для серии H11Bx t_вклтипично 25мкс, а t_выклтипично 18мкс. Серии 4Nxx и TIL113 имеют более быстрое включение (макс. 5мкс), но потенциально более медленное выключение (до 100мкс для некоторых вариантов).

7. Графики характеристик и параметры переключения

В техническом описании представлены типичные графики характеристик (хотя в предоставленном тексте они не детализированы). Эти графики обычно иллюстрируют зависимость КТП от температуры, прямого тока или тока коллектора. Они необходимы разработчикам для понимания отклонений характеристик в нестандартных условиях. Определена тестовая схема для измерения времени переключения, показывающая входной импульс, управляющий СИД, и результирующий выходной импульс на коллекторе. Ключевые временные параметры, такие как время нарастания (t_r), время спада (t_f), задержка включения (t_вкл) и задержка выключения (t_выкл), измеряются между уровнями 10% и 90% соответствующих импульсов.

8. Механические данные и информация о корпусе

Устройства предлагаются в нескольких вариантах корпусов для различных процессов сборки.

• Стандартный тип DIP:Классический корпус для монтажа в отверстия.
• Тип M (вариант):Имеет широкий изгиб выводов, обеспечивая расстояние между выводами 0,4 дюйма (примерно 10,16 мм) для применений, требующих большего расстояния утечки или более удобной ручной установки.
• Тип S (вариант):Форма выводов для поверхностного монтажа под пайку оплавлением.
• Тип S1 (вариант):Низкопрофильный вариант формы выводов для поверхностного монтажа.

Для каждого типа корпуса предоставляются подробные чертежи с размерами, включая длину, ширину, высоту корпуса, шаг выводов и их размеры. Также включена рекомендуемая контактная площадка для вариантов поверхностного монтажа, чтобы обеспечить надежное формирование паяного соединения при сборке печатной платы.

9. Рекомендации по пайке и монтажу

Абсолютный максимальный параметр указывает температуру пайки 260°C в течение 10 секунд. Это критический параметр для процессов пайки оплавлением или волной. Разработчики должны убедиться, что тепловой профиль во время сборки не превышает этот предел, чтобы предотвратить повреждение внутреннего кристалла полупроводника или пластикового корпуса. Для вариантов поверхностного монтажа следование рекомендуемой конфигурации контактных площадок крайне важно для предотвращения "эффекта надгробия" или некачественных паяных соединений. Перед использованием необходимо соблюдать надлежащие условия хранения в соответствии с номинальной температурой хранения (от -55°C до +125°C) для сохранения целостности устройства.

10. Упаковка и информация для заказа

Система нумерации деталей структурирована для указания серии, конкретного номера детали, варианта формы выводов, варианта упаковки в ленту и на катушку, а также опционального сертификата безопасности.

Формат номера детали:[Серия][НомерДетали][ФормаВыводов][ЛентаКатушка]-[Безопасность]

• Серия: 4NXX, H11BX или TIL113.
• НомерДетали: Для 4NXX: 29,30,31,32,33. Для H11BX: 1,2,3,255.
• ФормаВыводов (Y): S (SMD), S1 (Низкопрофильный SMD), M (Широкие выводы) или отсутствует (Стандартный DIP).
• ЛентаКатушка (Z): TA, TB (для вариантов SMD) или отсутствует.
• Безопасность (V): Опциональный сертификат VDE.

Количества упаковки:

• Стандартный DIP и вариант M: 65 штук в трубке.
• Варианты S и S1 с TA/TB: 1000 штук на катушке.

11. Рекомендации по проектированию

При проектировании с использованием этих фотодарлингтоновых оптопар необходимо учитывать несколько факторов. Высокий КТП позволяет переводить выходной транзистор в насыщение при относительно низком токе СИД, что полезно для сопряжения с микроконтроллерами. Однако структура фотодарлингтона по своей природе имеет более низкую скорость переключения по сравнению с фототранзисторными или фото-ИС оптопарами, что делает их более подходящими для низкочастотных применений (обычно до десятков кГц в зависимости от условий нагрузки). Вывод базы (вывод 6) можно использовать для подключения внешнего резистора, чтобы шунтировать часть фототока базы на землю, что может значительно улучшить время выключения за счет снижения КТП. Разработчик должен убедиться, что номинальные напряжения выходного транзистора (V_CEO, V_CBO) не превышаются нагрузочной цепью. Последовательно со входным СИД всегда требуется токоограничивающий резистор. Его значение рассчитывается на основе напряжения питания, желаемого I_Fи V_F.

СИД.

12. Техническое сравнение и руководство по выбору

Основное различие внутри этой серии — Коэффициент Передачи Тока (КТП). Детали, такие как 4N32/33 и H11B1, предлагают очень высокую чувствительность (КТП ≥ 500%), что делает их идеальными для применений, где управляющий сигнал очень слабый. 4N29/30 и H11B2 предлагают среднюю чувствительность. 4N31, H11B3 и H11B255 обеспечивают стандартный КТП 100%. TIL113 предлагает хороший баланс на уровне 300%. Выбор между корпусами DIP и SMD зависит от производственного процесса. Вариант с широкими выводами (M) полезен для высоковольтных применений, требующих увеличенного расстояния утечки на печатной плате. По сравнению с более простыми фототранзисторными оптопарами, фотодарлингтоны обеспечивают гораздо большее усиление, но медленнее. Для очень высокоскоростной цифровой изоляции более подходящими будут другие технологии, такие как цифровые изоляторы (на основе емкостной или магнитной связи) или более быстрые оптопары с логическими выходами.

13. Часто задаваемые вопросы (ЧЗВ)

В: Какое основное преимущество фотодарлингтона перед стандартным фототранзистором?

О: Основное преимущество — значительно более высокий коэффициент передачи тока (КТП), часто в 10-100 раз. Это означает, что очень маленький входной ток СИД может управлять гораздо большим выходным током, упрощая схемы управления.

В: Почему времена переключения у фотодарлингтонов медленнее?

О: Конфигурация пары Дарлингтона имеет дополнительный транзисторный каскад, что увеличивает накопление заряда и снижает скорость переключения, особенно при выключении.

В: Как я могу улучшить время выключения фотодарлингтона?

О: Подключение внешнего резистора (обычно в диапазоне от 10 кОм до 100 кОм) между выводом базы (6) и выводом эмиттера (4) обеспечит путь для стекания накопленного заряда, значительно сокращая время выключения._{В: Что означает рейтинг изоляции 5000 В}среднеквадратичных

для моего проекта?

О: Этот рейтинг подтверждает, что устройство может выдерживать разность потенциалов 5000 В переменного тока между входной и выходной сторонами в течение одной минуты без пробоя. Он определяет барьер безопасности для вашей системы, защищая пользователей и низковольтные цепи от высоковольтных неисправностей.

В: Могу ли я использовать их для сигналов переменного тока на входе?

О: Вход — это СИД, который является диодом. Он будет проводить только во время положительного полупериода сигнала переменного тока. Для истинного восприятия переменного тока на входе требуется мостовой выпрямитель или специальная оптопара с входом переменного тока.

14. Примеры проектирования и использованияПример 1: Драйвер реле для микроконтроллера:_FРаспространенное применение — изолировать микроконтроллер на 3,3В или 5В от катушки реле на 12В или 24В. Выход GPIO микроконтроллера через токоограничивающий резистор (например, 220 Ом для питания 5В и I

~10мА) управляет стороной СИД. Коллектор фотодарлингтона подключен к катушке реле, а эмиттер — к земле. На катушку реле необходимо установить обратный диод. Высокий КТП гарантирует полное срабатывание реле, даже если вывод микроконтроллера может выдавать лишь умеренный ток.Пример 2: Детектор перехода через ноль сетевого напряжения:

Хотя не для прямого подключения к сети, эти оптопары могут использоваться в изолированной цепи обратной связи импульсного источника питания или в схеме детектирования перехода через ноль, где необходимо передать изолированный сигнал более высокого напряжения на низковольтную логическую схему. Здесь критически важно высокое напряжение изоляции.Пример 3: Промышленный модуль цифрового ввода:

Во входном модуле ПЛК эти оптопары могут изолировать сигналы полевых датчиков (например, бесконтактных выключателей на 24В постоянного тока) от внутренней логической схемы, обеспечивая помехозащищенность и защищая центральный контроллер от скачков напряжения на стороне поля.

15. Принцип работы_FОсновной принцип — электрооптическое преобразование. Когда прямой ток (I_C) подается на входной инфракрасный СИД, он излучает фотоны (свет). Этот свет проходит через прозрачный изолирующий зазор внутри корпуса и попадает в базовую область выходного кремниевого фотодарлингтонового транзистора. Поглощенные фотоны генерируют электрон-дырочные пары, создавая фототок, который действует как ток базы для первого транзистора пары Дарлингтона. Этот небольшой фототок усиливается высоким коэффициентом усиления двух транзисторов, что приводит к гораздо большему току коллектора (I

), способному переключать внешнюю нагрузку. Ключевой момент заключается в том, что единственной связью между входом и выходом является луч света, обеспечивающий электрическую изоляцию.

16. Тенденции развития технологии