Техническая документация на 6-выводные DIP фототранзисторные оптопары серий 4N2X, 4N3X, H11AX - Напряжение изоляции 5000В среднекв. - Диапазон температур -55...+110°C

1. Обзор продукта

Серии 4N2X, 4N3X и H11AX представляют собой семейства 6-выводных фототранзисторных оптопар (также известных как оптроны или оптоизоляторы) в корпусе DIP (Dual In-line Package). Каждое устройство состоит из инфракрасного светодиода на арсениде галлия, оптически связанного с кремниевым фототранзисторным детектором. Такая конфигурация обеспечивает полную электрическую изоляцию между входной и выходной цепями, что делает эти компоненты незаменимыми для обеспечения безопасности, помехозащищенности и преобразования уровней напряжения в электронных системах.

Основная функция — передача сигнала посредством света, что исключает прямое электрическое соединение. Входной ток питает инфракрасный светодиод, который излучает свет, пропорциональный току. Этот свет падает на базовую область фототранзистора, генерируя базовый ток и позволяя току течь от коллектора к эмиттеру, тем самым воспроизводя входной сигнал на изолированной выходной стороне.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Эти оптопары предназначены для применений, требующих надежной гальванической развязки сигналов. Их ключевые преимущества включают высокое напряжение изоляции 5000В_{среднекв.}, что критически важно для защиты низковольтных цепей управления (например, микропроцессоров) от высоковольтных сетевых цепей или секций драйверов двигателей. Увеличенное расстояние утечки >7.62 мм дополнительно повышает безопасность и надежность в высоковольтных средах. Благодаря рабочему диапазону температур от -55°C до +110°C они подходят для промышленных, автомобильных применений и работы в жестких условиях.

Компактный корпус DIP доступен в стандартном исполнении, с увеличенным шагом выводов (0.4 дюйма) и в вариантах для поверхностного монтажа (SMD), что обеспечивает гибкость для монтажа в отверстия и автоматизированной сборки. Устройства имеют сертификаты основных международных органов по безопасности, включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC, что облегчает их использование в оборудовании для мирового рынка, которое должно соответствовать строгим стандартам безопасности.

2. Подробный анализ технических параметров

В технической документации представлены полные электрические и оптические спецификации, которые имеют решающее значение для правильного проектирования схем и обеспечения надежности.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

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

• Входная сторона (светодиод):Максимальный постоянный прямой ток (I_F) составляет 60мА. Допускается кратковременный пиковый прямой ток (I_FM) 1А в течение 10мкс, что важно для подавления переходных процессов. Максимальное обратное напряжение (V_R) невелико и составляет 6В, что указывает на то, что светодиод не рассчитан на высокое обратное смещение и требует защиты при использовании в цепях переменного тока.
• Выходная сторона (фототранзистор):Напряжения пробоя коллектор-эмиттер и коллектор-база (V_CEO, V_CBO) составляют 80В, определяя максимальное напряжение, которое может быть приложено к транзистору в закрытом состоянии. Напряжения эмиттер-база и эмиттер-коллектор (V_EBO, V_ECO) ограничены 7В.
• Мощность и тепловой режим:Суммарная рассеиваемая мощность устройства (P_TOT) составляет 200мВт при 25°C. Приведены коэффициенты снижения мощности: 3.8 мВт/°C для входной стороны выше 100°C и 9.0 мВт/°C для выходной стороны выше 100°C. Эти данные критически важны для расчета максимально допустимой мощности при повышенных температурах окружающей среды, чтобы предотвратить тепловой пробой.
• Изоляция:Напряжение изоляции (V_ISO) 5000В_{среднекв.}в течение 1 минуты — ключевой параметр безопасности, проверяемый при закороченных выводах 1-2-3 вместе и выводах 4-5-6 вместе.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измеряются в типичных условиях (T_a=25°C) и определяют производительность устройства.

• Характеристики входного светодиода:Прямое напряжение (V_F) обычно составляет 1.2В при I_F=10мА, максимум 1.5В. Это используется для расчета необходимого токоограничивающего резистора. Обратный ток (I_R) очень мал (<10мкА при V_R=6В). Входная емкость (C_вх) обычно составляет 30пФ.
• Характеристики выходного фототранзистора:Темновые токи (I_CBO, I_CEO) находятся в диапазоне наноампер, что указывает на очень низкую утечку при выключенном светодиоде. Напряжения пробоя (BV_CEO, BV_CBO и т.д.) подтверждают пределы 80В и 7В из абсолютных параметров.

2.3 Характеристики передачи

Эти параметры описывают эффективность связи и коммутационные характеристики между входом и выходом.

• Коэффициент передачи тока (КТП, CTR):Это наиболее критичный параметр, определяемый как (I_C/ I_F) * 100%. Он значительно варьируется в зависимости от номера детали, создавая систему градации производительности:
  • Высокий КТП (>100%):4N35, 4N36, 4N37.
  • Средне-высокий КТП (50%): H11A1.
  • Средний КТП (30%): H11A5.
  • Стандартный КТП (20%):4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • Низкий КТП (10%):4N27, 4N28, H11A4.
  Такая градация позволяет разработчикам выбрать устройство с требуемой чувствительностью для конкретного применения и желаемого уровня выходного тока.
• Напряжение насыщения (V_КЭ(нас)):Это падение напряжения на фототранзисторе, когда он полностью открыт. Более низкие значения (например, макс. 0.3В для серии 4N3X при I_F=10мА, I_C=0.5мА) указывают на лучшую производительность, минимизируя потери мощности в выходном каскаде.
• Скорость переключения:Время включения (t_вкл) и выключения (t_выкл) указаны для разных серий в определенных условиях испытаний (V_CC=10В, R_L=100Ом). Серии 4N2X/H11AX обычно быстрее (тип. 3мкс) по сравнению с серией 4N3X (тип. 10мкс для t_вкл, тип. 9мкс для t_выкл). Это жизненно важно для передачи цифровых сигналов и применений с ШИМ.
• Параметры изоляции:Сопротивление изоляции (R_IO) чрезвычайно велико (>10¹¹Ом), а входно-выходная емкость (C_IO) очень мала (тип. 0.2пФ), что минимизирует емкостную связь высокочастотных помех через барьер изоляции.

3. Анализ графиков характеристик

Хотя в PDF-файле показан текст-заполнитель для "Типичных графиков электрооптических характеристик", такие графики стандартны для оптопар и обычно включают:

• Коэффициент передачи тока (КТП) в зависимости от прямого тока (I_F):Показывает, как эффективность изменяется с током светодиода, часто достигая пика при определенном токе.
• КТП в зависимости от температуры:Иллюстрирует снижение КТП при высоких температурах, что является критическим фактором снижения мощности для работы при повышенных температурах.
• Коллекторный ток (I_C) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V_CE):Выходные характеристики, показывающие поведение фототранзистора в разных областях (насыщение, активная).
• Время переключения в зависимости от сопротивления нагрузки (R_L):Демонстрирует, как выбор нагрузочного резистора влияет на время нарастания и спада.

Разработчикам следует обращаться к этим графикам из полной технической документации, чтобы оптимизировать параметры, такие как ток светодиода, нагрузочный резистор и рабочая температура, для конкретных требований по скорости и выходным характеристикам.

4. Механическая информация и данные о корпусе

Устройства предлагаются в нескольких вариантах 6-выводного корпуса DIP для удовлетворения различных потребностей сборки.

4.1 Габариты корпуса и варианты исполнения

Техническая документация включает подробные механические чертежи для каждого варианта. Ключевые размеры включают общую длину, ширину, шаг выводов и размеры выводов.

• Стандартный тип DIP:Классический корпус для монтажа в отверстия с расстоянием между рядами 0.1 дюйма (2.54мм).
• Тип M (исполнение M):Имеет "широкий изгиб выводов", обеспечивающий расстояние между выводами 0.4 дюйма (10.16мм). Это увеличивает расстояние утечки и воздушный зазор между входными и выходными выводами, повышая надежность изоляции в высоковольтных применениях.
• Типы S и S1 (исполнения S и S1):Версии для поверхностного монтажа (SMD). Исполнение S1 является "низкопрофильным" вариантом с уменьшенной высотой корпуса по сравнению со стандартным S, что полезно для применений с ограниченным пространством.

Все корпуса имеют литой корпус, обеспечивающий необходимую изоляцию. Конфигурация выводов стандартизирована: Вывод 1 (Анод), Вывод 2 (Катод), Вывод 3 (НЗ, не задействован), Вывод 4 (Эмиттер), Вывод 5 (Коллектор), Вывод 6 (База). Базовый вывод (6) часто оставляют неподключенным, но в некоторых схемах его можно использовать для улучшения полосы пропускания или управления смещением.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Абсолютные максимальные параметры указывают температуру пайки (T_SOL) 260°C в течение 10 секунд. Это типичное значение для волновой пайки или пайки оплавлением. Для SMD-вариантов (S, S1) применимы стандартные профили инфракрасной или конвекционной пайки оплавлением с пиковой температурой около 260°C. Крайне важно не превышать этот предел по времени и температуре, чтобы предотвратить повреждение пластикового корпуса и внутренних проводных соединений. Устройства должны храниться в условиях, соответствующих диапазону температур хранения (-55°C...+125°C), а для SMD-компонентов — в упаковке, защищающей от влаги (если указано), чтобы предотвратить "вспучивание" (popcorning) во время пайки оплавлением.

6. Упаковка и информация для заказа

Система нумерации деталей четко определена:4NXXY(Z)-VилиH11AXY(Z)-V.

• XX / X:Конкретный номер детали (например, 25, 35, 1, 5).
• Y (Форма выводов):
  • Отсутствует: Стандартный DIP (65 шт./трубка).
  • M: Широкий изгиб выводов (65 шт./трубка).
  • S: Форма выводов для поверхностного монтажа.
  • S1: Низкопрофильная форма выводов для поверхностного монтажа.
• Z (Лента и катушка):Применяется только к SMD-вариантам.
  • TA или TB: Различные спецификации ленты и катушки (1000 шт./катушка).
• V:Необязательный суффикс, указывающий на наличие сертификата безопасности VDE.

Эта гибкая система позволяет закупать именно тот механический вариант, который требуется для производства.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые схемы включения

Как указано в технической документации, основные области применения включают:

• Стабилизаторы источников питания:Обеспечение гальванически развязанной обратной связи в импульсных источниках питания (ИИП) между вторичной (выходной) стороной и контроллером на первичной стороне. Это необходимо для безопасности и подавления помех.
• Цифровые входы логики / входы микропроцессора:Изоляция зашумленных сигналов промышленных датчиков (например, от концевых выключателей, энкодеров) или разных областей заземления перед их подачей на чувствительные входы цифровой логики или выводы микроконтроллера.
• Универсальная развязка сигналов:Любая схема, где две подсистемы должны обмениваться данными без общего заземления, для разрыва контуров заземления, устранения синфазных помех или преобразования уровней напряжения.

7.2 Особенности проектирования и лучшие практики

• Ограничение тока светодиода:Всегда используйте последовательный резистор для установки прямого тока (I_F). Рассчитайте R_огр= (V_{пит_вх}- V_F) / I_F. Работайте в рекомендуемом диапазоне I_F(часто 5-20мА) для оптимального КТП и долговечности.
• Смещение на выходной стороне:Фототранзистор требует нагрузочного резистора (R_L), подключенного от коллектора к V_{пит_вых}. Его значение является компромиссом: меньший R_Lобеспечивает более быстрое переключение, но большее потребление мощности и меньший размах выходного напряжения; больший R_Lдает лучший запас по помехоустойчивости, но меньшую скорость.
• Оптимизация скорости:Для более быстрого переключения используйте устройство из более быстрой серии (4N2X/H11AX), минимизируйте R_L и обеспечьте достаточный ток I_F. Подключение резистора (например, от 100кОм до 1МОм) между базой (вывод 6) и эмиттером может помочь сбросить накопленный заряд и уменьшить время выключения.
• Помехоустойчивость:Высокое сопротивление изоляции и низкая емкость по своей природе подавляют синфазные помехи. Для дополнительной надежности в условиях сильных электрических помех рекомендуется устанавливать блокировочные конденсаторы (например, 0.1мкФ) как можно ближе к выводам питания устройства как со стороны входа, так и со стороны выхода.

8. Техническое сравнение и руководство по выбору

Три серии (4N2X, 4N3X, H11AX) предлагают диапазон производительности для удовлетворения различных потребностей:

• Серия 4N3X (4N35-38):Обычно предлагают самые высокие значения КТП (>100% для 4N35-37), что делает их подходящими для применений, требующих высокого выходного тока или минимального входного тока управления. Их напряжение насыщения также очень низкое.
• Серия 4N2X (4N25-28) и серия H11AX (H11A1-A5):Предоставляют градированный диапазон КТП от 10% до 50%. Серия 4N2X обычно имеет более быстрое время переключения. Это универсальные изоляторы общего назначения. H11A5 (КТП 30%) и H11A1 (КТП 50%) занимают определенные позиции по производительности.
• Критерии выбора:Выбирайте на основе требуемого КТП (усиление выходного тока), скорости переключения, напряжения насыщения и стоимости. Например, для входа микропроцессора, считывающего медленный переключатель, можно использовать экономичную деталь с низким КТП, такую как H11A4. Для цепи обратной связи в источнике питания, требующей хорошей линейности и усиления, может использоваться 4N35 или 4N36.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Для чего нужен базовый вывод (вывод 6)?

О: Базовый вывод обеспечивает доступ к базовой области фототранзистора. Стандартной практикой является оставлять его неподключенным. Подключение резистора от базы к эмиттеру может улучшить скорость переключения, обеспечивая путь для сброса накопленного заряда. В некоторых схемах его можно использовать для предварительного смещения или подключения ускоряющей цепи.

В: Как обеспечить долгосрочную надежность?

О: Эксплуатируйте светодиод в пределах его абсолютных максимальных параметров, желательно с запасом. Поддерживайте низкую температуру перехода, соблюдая кривые снижения мощности. Используйте достаточные расстояния утечки/воздушного зазора на вашей печатной плате, особенно для высоковольтного барьера изоляции, соответствующие или превышающие возможности корпуса в 7.62 мм.

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

О: Да, но входной светодиод имеет низкое номинальное обратное напряжение (6В). Для развязки сигнала переменного тока необходимо защитить светодиод от обратного смещения, обычно размещая стандартный диод встречно-параллельно входу светодиода или используя мостовую схему выпрямителя перед светодиодом.

В: Почему КТП указан как минимальное значение?

О: КТП имеет широкий разброс из-за производственных допусков эффективности светодиода и усиления фототранзистора. Техническая документация гарантирует минимальное значение КТП в указанных условиях. Проектирование должно основываться на этом минимальном значении, чтобы обеспечить работоспособность схемы для всех экземпляров продукции и в диапазоне температур.

10. Практический пример проектирования

Сценарий:Гальваническая развязка 24В цифрового сигнала от выхода ПЛК на вход микроконтроллера 3.3В.

1. Выбор устройства:Выберите универсальную деталь, такую как 4N25 (мин. КТП 20%). Ее скорости достаточно для цифрового ввода/вывода.
2. Входная цепь:Выход ПЛК — 24В. Целевой I_F= 10мА. V_F≈ 1.2В. R_огр= (24В - 1.2В) / 0.01А = 2280Ом. Используйте стандартный резистор 2.2кОм. Добавьте защитный диод обратной полярности параллельно входу светодиода.
3. Выходная цепь:Напряжение питания микроконтроллера V_CC= 3.3В. Выберите R_L= 1кОм. Когда фототранзистор закрыт, выход подтянут к высокому уровню 3.3В (логическая 1). Когда открыт, предполагая I_C= КТП * I_F= 0.2 * 10мА = 2мА, выходное напряжение будет V_КЭ(нас)(макс. 0.5В), что является надежным логическим 0. Нагрузочный резистор 1кОм обеспечивает хороший баланс скорости и потребления тока для данного применения.

11. Принцип работы

Оптопара работает по принципу электрооптико-электрического преобразования. Электрический сигнал подается на входную сторону, вызывая протекание тока через инфракрасный светодиод. Этот ток прямо пропорционален интенсивности излучаемого света. Свет проходит через прозрачный изолирующий зазор (обычно литую пластмассу) и попадает на полупроводниковый материал фотодетектора — в данном случае, на переход база-коллектор NPN фототранзистора. Фотоны генерируют электрон-дырочные пары, создавая базовый ток. Этот фотоиндуцированный базовый ток затем усиливается коэффициентом усиления тока транзистора (h_FE), что приводит к большему коллекторному току, воспроизводящему исходный входной сигнал в электрически изолированной выходной цепи. Полное отсутствие гальванической связи обеспечивает высокое напряжение изоляции и помехозащищенность.

12. Тенденции развития технологии

Фототранзисторные оптопары, такие как серия 4NXX, представляют собой зрелую и экономичную технологию изоляции. Текущие тенденции на рынке оптронов включают разработку устройств с более высокой скоростью (для цифровых шин связи, таких как SPI, I2C, изолированных с помощью специализированных микросхем), более высокой степенью интеграции (объединение нескольких каналов или добавление дополнительных функций, таких как драйверы затворов) и улучшенными показателями надежности (работа при более высоких температурах, увеличенный срок службы). Также наблюдается рост альтернативных технологий изоляции, таких как емкостные изоляторы и изоляторы на основе гигантского магнитосопротивления (GMR), которые могут предлагать преимущества в размере, скорости и потребляемой мощности для определенных применений. Однако фототранзисторные оптопары остаются доминирующими для универсальных, чувствительных к стоимости и высоковольтных применений благодаря своей простоте, проверенной надежности и отличной устойчивости к синфазным переходным помехам (CMTI).