Техническая документация на оптопары серии H11AAX с AC входом - корпус DIP-6 - напряжение изоляции 5000Vrms

1. Обзор продукта

Серия H11AAX представляет собой семейство оптопар с AC входом, также известных как оптроны или оптоизоляторы. Эти устройства специально разработаны для обеспечения гальванической развязки между входной цепью переменного тока или постоянного тока неизвестной полярности и выходной управляющей цепью. Основная функция — передача электрических сигналов с помощью света, что устраняет электрические соединения и предотвращает распространение контурных токов, скачков напряжения и помех между цепями.

Серия включает четыре основных варианта: H11AA1, H11AA2, H11AA3 и H11AA4. Основным дифференцирующим фактором между ними является коэффициент передачи тока (CTR), который определяет эффективность передачи сигнала с входа на выход. Эти устройства выполнены 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).

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Серия H11AAX предлагает несколько ключевых преимуществ, которые делают её подходящей для требовательных промышленных и потребительских применений. Её наиболее выдающейся особенностью является высокое напряжение изоляции 5000Vrms, что критически важно для безопасности и надежности оборудования, подключенного к сети. Расстояние утечки более 7,62 мм дополнительно повышает этот показатель безопасности. Устройства получили одобрение основных международных сертификационных органов, включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC, что делает их приемлемыми для глобального использования в продуктах, требующих соответствия нормативным требованиям.

Интегрированная конфигурация встречно-параллельных инфракрасных светодиодов на входной стороне является определяющей характеристикой. Такая конструкция позволяет управлять устройством непосредственно напряжением переменного тока или постоянного тока неизвестной полярности, упрощая схему за счет отсутствия необходимости во внешней выпрямительной цепи. Выходом является кремниевый NPN фототранзистор.

Целевые рынки и области применения разнообразны, в основном сосредоточены на областях, где первостепенное значение имеют гальваническая развязка и детектирование сигналов переменного тока. Типичные применения включают мониторинг линии переменного тока для обнаружения наличия или отсутствия сетевого напряжения, цепи интерфейса телефонной линии и датчики для обнаружения сигналов постоянного тока неизвестной полярности в системах промышленной автоматики.

2. Подробный анализ технических параметров

В этом разделе представлен детальный, объективный анализ электрических, оптических и тепловых характеристик, указанных в техническом описании. Понимание этих параметров имеет решающее значение для надежного проектирования схем.

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Входной прямой ток (IF):60 мА (постоянный). Это максимальный постоянный ток, который можно подать на входные светодиоды.
• Пиковый прямой ток (IFM):1 А в течение очень короткого импульса длительностью 10 мкс. Этот параметр важен для устойчивости к переходным всплескам.
• Рассеиваемая мощность на входе (PD):120 мВт при температуре окружающей среды 25°C, с понижением на 3,8 мВт/°C выше 90°C. Это ограничивает произведение VF * IF.
• Напряжение коллектор-эмиттер на выходе (VCEO):80 В. Максимальное напряжение, которое может выдерживаться между коллектором и эмиттером фототранзистора при разомкнутой базе.
• Суммарная рассеиваемая мощность устройства (PTOT):200 мВт. Сумма входной и выходной мощности не должна превышать это значение.
• Напряжение изоляции (VISO):5000 В среднеквадратичных в течение 1 минуты при относительной влажности 40-60%. Это ключевой параметр безопасности, проверяемый при закороченных отдельно входных и выходных выводах.
• Рабочая температура (TOPR):от -55°C до +100°C. Устройство функционирует в этом полном промышленном температурном диапазоне.
• Температура пайки (TSOL):260°C в течение 10 секунд, что актуально для волновой пайки или пайки оплавлением.

2.2 Электрооптические характеристики

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

2.2.1 Входные характеристики

• Прямое напряжение (VF):Обычно 1,2 В, максимум 1,5 В при прямом токе (IF) ±10 мА. Симметричное значение указывает на поведение пары встречно-параллельных светодиодов.
• Входная емкость (Cin):Обычно 80 пФ. Это может влиять на высокочастотные характеристики управляющей цепи.

2.2.2 Выходные характеристики

• Темновой ток коллектор-эмиттер (ICEO):Максимум 50 нА при VCE=10 В и IF=0 мА. Это ток утечки фототранзистора при отсутствии падающего света, важный для утечки в закрытом состоянии.
• Напряжения пробоя (BVCEO, BVCBO, BVECO):Минимум 80 В, 80 В и 7 В соответственно. Они определяют способность выдерживать напряжение при различных конфигурациях выводов.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (VCE(sat)):Максимум 0,4 В при IF=±10 мА и IC=0,5 мА. Это падение напряжения на выходном транзисторе, когда он полностью открыт.

2.2.3 Передаточные характеристики

Эти параметры определяют эффективность и скорость передачи сигнала.

• Коэффициент передачи тока (CTR):Это основной параметр градации для серии, определяемый как (IC / IF) * 100% при заданных условиях (IF=±10 мА, VCE=10 В).
  • H11AA1: CTR ≥ 20%
  • H11AA2: CTR ≥ 10%
  • H11AA3: CTR ≥ 50%
  • H11AA4: CTR ≥ 100%
  Устройства с более высоким CTR требуют меньшего входного тока для достижения заданного выходного тока, повышая эффективность.
• Симметрия CTR:Отношение CTR для одной полярности светодиода к другой, заданное в диапазоне от 0,5 до 2,0. Это указывает на то, насколько сбалансированы два встречно-параллельных светодиода.
• Сопротивление изоляции (RIO):Минимум 10^11 Ом при 500 В постоянного тока. Это сопротивление постоянному току между входом и выходом, влияющее на качество изоляции.
• Входно-выходная емкость (CIO):Обычно 0,7 пФ. Эта очень низкая емкость имеет решающее значение для подавления высокочастотной синфазной помехи через барьер изоляции.
• Времена переключения (Ton, Toff, Tr, Tf):Все имеют максимальное значение 10 мкс при условиях испытаний (VCC=10 В, IC=10 мА, RL=100 Ом). Эти времена определяют, насколько быстро выход может реагировать на изменения входного сигнала, ограничивая максимальную частоту переменного тока или скорость передачи данных.

3. Объяснение системы градации

Серия H11AAX использует простую систему градации, основанную исключительно на коэффициенте передачи тока (CTR).

Градация по CTR (X в H11AAX):Цифровой суффикс (1, 2, 3, 4) напрямую соответствует минимальному гарантированному проценту CTR, указанному в разделе 2.2.3. Градация по длине волны, прямому напряжению или другим параметрам отсутствует. Конструкторы должны выбирать подходящий класс на основе требуемой выходной токовой способности и доступного входного тока. Например, H11AA4 (мин. CTR 100%) является наиболее чувствительным и выбирается для применений, где управляющая способность входа очень низкая, в то время как H11AA2 может быть достаточным и более экономичным в схемах с более высоким доступным управляющим током.

4. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типичные электрооптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не воспроизводятся в предоставленном тексте, их назначение и передаваемая информация являются стандартными для таких компонентов.

Типичные кривые включают:

• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока (IF):Эта кривая показывает, как CTR изменяется с управляющим током. Обычно CTR максимален при умеренном IF и может уменьшаться при очень низких или очень высоких токах.
• CTR в зависимости от температуры окружающей среды (Ta):CTR оптопары обычно имеет отрицательный температурный коэффициент, то есть уменьшается с ростом температуры. Этот график критически важен для проектирования схем, работающих во всем температурном диапазоне.
• Коллекторный ток (IC) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (VCE):Это семейство выходных характеристических кривых, аналогичное биполярному транзистору, с током входного светодиода (IF) в качестве параметра. Оно показывает область насыщения и активную область.
• Прямое напряжение (VF) в зависимости от прямого тока (IF):Вольт-амперная характеристика пары входных светодиодов.
• Время переключения в зависимости от сопротивления нагрузки (RL):Показывает, как на время нарастания, спада, включения и выключения влияет выходная нагрузка.

Конструкторам следует обращаться к этим кривым в полном техническом описании, чтобы понять нелинейное поведение и факторы снижения номинальных значений, не отраженные в таблице минимальных/типичных/максимальных значений.

5. Механическая информация и информация о корпусе

Устройство предлагается в нескольких вариантах корпусов для различных процессов сборки.

5.1 Типы и размеры корпусов

• Стандартный тип DIP:Корпус для монтажа в отверстия по умолчанию.
• Тип M (опция):Имеет "широкий изгиб выводов", обеспечивающий расстояние между выводами 0,4 дюйма (примерно 10,16 мм) вместо стандартных 0,3 дюйма (7,62 мм), что полезно для плат, требующих большего расстояния утечки.
• Тип S (опция):Форма выводов для поверхностного монтажа под пайку оплавлением.
• Тип S1 (опция):Поверхностно-монтируемая версия "низкого профиля", вероятно, с меньшей высотой установки над платой.

Для каждого типа предоставлены подробные размерные чертежи, включая размер корпуса, длину выводов, расстояние между выводами и спецификации по плоскостности. Это необходимо для проектирования посадочного места на печатной плате.

5.2 Расположение контактных площадок и идентификация полярности

Предоставлена рекомендуемая конфигурация контактных площадок для вариантов поверхностного монтажа (S и S1). В техническом описании отмечается, что это рекомендация, и конструкторы должны изменять её в соответствии со своим конкретным процессом изготовления печатных плат и тепловыми требованиями.

Маркировка устройства:На верхней части корпуса нанесено:

- "EL" (код производителя)

- Полный номер детали (например, H11AA1)

- Однозначный код года (Y)

- Двузначный код недели (WW)

- Необязательный суффикс "V", если для данного устройства указано одобрение безопасности VDE.

Конфигурация выводов (6-выводной DIP):

1. Анод / Катод (Анод LED1, Катод LED2)

2. Катод / Анод (Катод LED1, Анод LED2)

3. Нет соединения (NC)

4. Эмиттер (фототранзистора)

5. Коллектор (фототранзистора)

6. База (фототранзистора). Вывод базы обычно оставляют неподключенным или соединяют с эмиттером через резистор для регулировки чувствительности или улучшения скорости.

6. Рекомендации по пайке и сборке

Ключевая рекомендация из предельных эксплуатационных параметров — температура пайки: 260°C не более 10 секунд. Это совместимо со стандартными профилями оплавления для бессвинцовой пайки (SnAgCu).

Важные соображения:

• Чувствительность к влаге:Хотя в предоставленном тексте это явно не указано, оптопары в пластиковом корпусе для поверхностного монтажа часто имеют уровень чувствительности к влаге (MSL). Для деталей поверхностного монтажа (опции S, S1) критически важно следовать инструкциям производителя по сушке и времени хранения перед пайкой, чтобы предотвратить "вспучивание" (popcorning) во время оплавления.
• Очистка:Убедитесь, что чистящие растворители совместимы с пластиковым материалом устройства.
• Условия хранения:Согласно техническому описанию, диапазон температур хранения составляет от -55°C до +125°C. Устройства должны храниться в сухой, антистатической среде.

7. Упаковка и информация для заказа

Код заказа следует шаблону:H11AAXY(Z)-V

• X:Ранг CTR (1, 2, 3, 4).
• Y:Опция формы выводов.
  • Нет: Стандартный DIP-6 (65 шт./трубка).
  • M: Широкий изгиб выводов (65 шт./трубка).
  • S: Форма выводов для поверхностного монтажа.
  • S1: Форма выводов для поверхностного монтажа низкого профиля.
• Z:Опция на ленте и катушке (только для S/S1).
  • TA: Конкретный тип ленты и катушки.
  • TB: Альтернативный тип ленты и катушки.
  • И TA, и TB упаковывают по 1000 шт. на катушку.
• V:Необязательная маркировка об одобрении безопасности VDE.

Спецификации ленты и катушки:Предоставлены подробные размеры для несущей ленты (размер кармана A, B), покровной ленты и катушки для автоматической сборки методом pick-and-place.

8. Рекомендации по применению

8.1 Типовые схемы применения

Монитор линии переменного тока:Вход подключается непосредственно к линии переменного тока (с токоограничивающим резистором). Выходной транзистор переключается синхронно с переходами через ноль переменного тока, обеспечивая цифровую последовательность импульсов или выпрямленный сигнал для микроконтроллера для обнаружения наличия питания.

Датчик постоянного тока неизвестной полярности:Встречно-параллельный вход позволяет подключать устройство к источнику постоянного напряжения без учета полярности, что делает его идеальным для детектирования в оборудовании с батарейным питанием или промышленных датчиках, где полярность проводки может быть перепутана.

Интерфейс телефонной линии:Используется для обнаружения вызова или снятия трубки, обеспечивая развязку между телефонной линией и логической схемой.

8.2 Соображения при проектировании

• Ограничение входного тока:Всегда должен использоваться последовательный резистор для ограничения входного тока (IF) до безопасного значения ниже 60 мА, рассчитанного на основе пикового входного напряжения и прямого напряжения светодиода.
• Выходная нагрузка:Нагрузочный резистор (RL) на коллекторе определяет размах выходного напряжения и влияет на скорость переключения. Меньший RL дает более быстрое переключение, но потребляет больше мощности.
• Помехоустойчивость:Низкая входно-выходная емкость (0,7 пФ) обеспечивает отличное подавление высокочастотной синфазной помехи. Для наилучшей производительности держите входные и выходные дорожки физически разделенными на печатной плате.
• Деградация CTR:В течение очень длительных периодов и при высоких температурах CTR оптопар может ухудшаться. Для критически важных применений с длительным сроком службы проектируйте с существенным начальным запасом по CTR.

9. Техническое сравнение и дифференциация

Серия H11AAX отличается в первую очередь своейспособностью работы с AC входомблагодаря встречно-параллельной структуре светодиодов. Большинство стандартных оптопар (например, 4N25, PC817) имеют один входной светодиод, требующий определенного прямого смещения, что необходимость во внешнем мостовом выпрямителе для работы с переменным током. H11AAX интегрирует эту функцию.

По сравнению с другими оптопарами с AC входом, её ключевыми преимуществами являютсявысокий рейтинг изоляции 5000Vrmsикомплексный набор международных сертификатов безопасности(UL, VDE и др.), которые необходимы для продуктов, продаваемых на нескольких глобальных рынках. Наличие нескольких градаций CTR и типов корпусов (для монтажа в отверстия и SMD) обеспечивает гибкость проектирования.

10. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В1: Могу ли я управлять H11AAX напрямую от сети 120VAC или 230VAC?

О: Нет, напрямую нельзя. Вы должны использовать токоограничивающий резистор, включенный последовательно со входом. Значение резистора должно быть рассчитано на основе пикового напряжения сети (например, ~340 В для 230VAC), желаемого прямого тока и VF светодиода. Также необходимо учитывать мощность резистора.

В2: Какую максимальную частоту переменного тока я могу использовать с этой оптопарой?

О: Максимальное время переключения составляет 10 мкс. Теоретически это позволяет использовать частоту прямоугольных импульсов до примерно 50 кГц. Однако для чистого детектирования синусоидального сигнала 50/60 Гц она идеально подходит, так как период (16,7 мс/20 мс) намного больше времени переключения.

В3: Зачем нужен вывод Базы (Вывод 6) и как его использовать?

О: Вывод базы обеспечивает доступ к базе фототранзистора. Оставлять его неподключенным — стандартная практика. Подключение резистора между базой и эмиттером может:

1. Улучшить скорость:Резистор низкого номинала (например, 10 кОм — 100 кОм) шунтирует накопленный заряд, уменьшая время выключения (Toff).

2. Уменьшить чувствительность/Увеличить порог:Резистор обеспечивает путь утечки, немного увеличивая минимальный входной ток, необходимый для включения выхода.

В4: Как выбрать между разными градациями CTR (H11AA1, AA2, AA3, AA4)?

О: Выбирайте на основе вашей управляющей способности входа и требуемого выходного тока. Если ваша схема может обеспечить только небольшой входной ток (например, от высоковольтного резистора), выберите более высокую градацию CTR (AA3 или AA4), чтобы получить достаточный выход. Если входной ток обилен, более низкая градация (AA1 или AA2) может быть более экономичной. Всегда проектируйте с запасом на деградацию CTR со временем и температурой.

11. Практический пример проектирования

Сценарий: Проектирование детектора наличия сети 230VAC.

Цель:Подавать сигнал логической единицы 3,3В на микроконтроллер при наличии напряжения 230VAC.

Шаги проектирования:

1. Выбор компонента:Выбран H11AA1 (мин. CTR 20%), так как входной ток будет достаточным.

2. Расчет входного резистора:Пиковое напряжение = 230 В * √2 ≈ 325 В. Желаемый IF ≈ 10 мА (для хорошего CTR). VF ≈ 1,2 В. R = (325 В - 1,2 В) / 0,01 А ≈ 32,4 кОм. Используйте стандартный резистор 33 кОм. Рассеиваемая мощность на R: P = (230 В)^2 / 33000 Ом ≈ 1,6 Вт. Требуется резистор мощностью 2 Вт или 3 Вт.

3. Выходная цепь:Подключите коллектор (Вывод 5) к питанию 3,3 В микроконтроллера через подтягивающий резистор (например, 10 кОм). Подключите эмиттер (Вывод 4) к земле. Базу (Вывод 6) оставьте неподключенной.

4. Принцип работы:При наличии переменного тока выходной транзистор включается в течение каждого полупериода, притягивая коллектор (и входной вывод МК) к низкому уровню. МК видит пульсирующий низкий сигнал с частотой 50/60 Гц, который можно обработать программно для индикации "питание включено".

5. Разводка печатной платы:Соблюдайте расстояние утечки >7,62 мм между дорожками входной стороны (выводы 1,2,3, резистор) и выходной стороны (выводы 4,5,6, МК) на печатной плате для сохранения рейтинга изоляции.

12. Принцип работы

H11AAX работает по принципу оптоэлектронной развязки. На входной стороне два арсенид-галлиевых инфракрасных светодиода соединены встречно-параллельно. При подаче переменного напряжения (с последовательным токоограничивающим резистором) один светодиод проводит и излучает свет в течение положительного полупериода, а другой — в течение отрицательного. Таким образом, инфракрасные световые импульсы генерируются с удвоенной частотой входного сигнала переменного тока.

Этот свет проходит через прозрачный барьер изоляции внутри корпуса. На выходной стороне свет падает на базовую область кремниевого NPN фототранзистора. Фотоны генерируют электрон-дырочные пары, создавая базовый ток, который включает транзистор, позволяя протекать коллекторному току (IC). Отношение этого выходного коллекторного тока к входному прямому току является коэффициентом передачи тока (CTR). Напряжение коллектор-эмиттер фототранзистора управляется внешней нагрузочной цепью.

13. Технологические тренды

Технология оптопар продолжает развиваться. Хотя основной принцип остается неизменным, тренды включают:

• Более высокая скорость:Разработка устройств с более быстрым временем переключения (наносекунды) для цифровой связи и управления затворами инверторов, часто с использованием выходов на основе фотодиодов или интегральных схем вместо фототранзисторов.
• Более высокая интеграция:Объединение оптопары с дополнительными функциями, такими как драйверы затворов IGBT, усилители ошибок или цифровые интерфейсы (изоляторы I²C).
• Улучшенная надежность и срок службы:Достижения в материалах светодиодов и упаковке для снижения скорости деградации CTR со временем и температурой.
• Миниатюризация:Продолжающееся уменьшение размеров корпусов, особенно для версий поверхностного монтажа, для экономии места на печатной плате.
• Альтернативные технологии изоляции:Емкостные и магнитные (гигантское магнитосопротивление, GMR) изоляторы конкурируют в некоторых высокоскоростных, высокоплотных применениях, хотя оптопары сохраняют преимущества в высокой устойчивости к синфазным переходным помехам (CMTI) и хорошо зарекомендовавших себя сертификатах безопасности.

Серия H11AAX с её надежной конструкцией и сертификатами безопасности представляет собой зрелое и надежное решение для традиционных задач детектирования переменного тока и базовой развязки, где её интегрированная возможность работы с AC входом дает явное преимущество.