CNY17-X CNY17F-X Оптопара - Техническая документация - Корпус DIP 6 выводов - Изоляция 5000 В - Коэффициент передачи 40-320%

1. Обзор продукта

Серии CNY17-X и CNY17F-X представляют собой семейства оптопар (также известных как оптроны или оптоизоляторы) в 6-выводном корпусе DIP (Dual In-line Package). Каждое устройство состоит из инфракрасного светодиода на арсениде галлия, оптически связанного с кремниевым NPN фототранзистором. Основная функция — обеспечение гальванической развязки между двумя цепями при передаче сигнала посредством света. Ключевое различие между сериями заключается в наличии внешнего вывода базы (вывод 6) в CNY17-X, который отсутствует (No Connection) в серии CNY17F-X, что обеспечивает последней пониженную чувствительность к помехам.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Эти устройства предназначены для применений, требующих надежной развязки сигналов. Их основные преимущества включают высокое напряжение изоляции 5000 В_{среднеквадратичное}, компактный корпус DIP для монтажа в отверстия и сгруппированные значения коэффициента передачи тока (CTR) для согласованности в производстве. Они одобрены ведущими международными органами по стандартам безопасности (UL, cUL, VDE, SEMKO и др.), что делает их пригодными для широкого спектра промышленных, потребительских и силовых применений, где критически важны безопасность и помехоустойчивость.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Предельные эксплуатационные параметры определяют границы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Это не рекомендуемые рабочие условия.

• Вход (сторона светодиода):Максимальный постоянный прямой ток (I_F) составляет 60 мА. Допустимый кратковременный (10 мкс) пиковый прямой ток (I_FM) — 1 А. Максимальное обратное напряжение (V_R) на светодиоде — 6 В. Рассеиваемая мощность на входе (P_D) — 100 мВт при 25°C, с понижением на 3.8 мВт/°C выше 100°C.
• Выход (сторона фототранзистора):Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO) и напряжение коллектор-база (V_CBO, только для CNY17-X) имеют номинал 80 В. Напряжения эмиттер-коллектор (V_ECO) и эмиттер-база (V_EBO) составляют 7 В. Рассеиваемая мощность на выходе (P_C) — 150 мВт при 25°C, с понижением на 9.0 мВт/°C выше 100°C.
• Устройство в целом:Суммарная рассеиваемая мощность устройства (P_TOT) не должна превышать 200 мВт.
• Изоляция и окружающая среда:Напряжение изоляции (V_ISO) составляет 5000 В_{среднеквадратичное}(переменный ток в течение 1 минуты). Рабочий диапазон температур (T_OPR) от -55°C до +110°C. Максимальная температура пайки — 260°C в течение 10 секунд.

2.2 Электрооптические характеристики

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

2.2.1 Входные характеристики (инфракрасный светодиод)

• Прямое напряжение (V_F):Максимум 1.65 В при I_F= 60 мА. Это падение напряжения на светодиоде при протекании тока.
• Обратный ток (I_R):Максимум 10 мкА при V_R= 6 В. Это ток утечки при обратном смещении светодиода.
• Входная емкость (C_вх):Типичное значение 18 пФ. Влияет на высокочастотные переключательные характеристики на входной стороне.

2.2.2 Выходные характеристики (фототранзистор)

• Темновые токи:При выключенном светодиоде (I_F=0) существуют токи утечки. I_CEO(коллектор-эмиттер) типично 50 нА при V_CE=10В. I_CBO(коллектор-база, только CNY17-X) максимум 20 нА при V_CB=10В.
• Напряжения пробоя: BV_CEOи BV_CBOмин. 80 В. BV_ECOмин. 7 В.
• Выходная емкость (C_CE):Типичное значение 8 пФ. Влияет на скорость переключения на выходе.

2.3 Передаточные характеристики

Это наиболее критичные параметры для применений по передаче сигналов.

• Коэффициент передачи тока (CTR):Это отношение выходного тока коллектора (I_C) к входному прямому току светодиода (I_F), выраженное в процентах. Устройства сгруппированы в четыре диапазона CTR:
  • CNY17-1 / CNY17F-1:CTR = от 40% до 80% (при I_F=10мА, V_CE=5В)
  • CNY17-2 / CNY17F-2:CTR = от 63% до 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3:CTR = от 100% до 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4:CTR = от 160% до 320%
• CTR при малом токе:При I_F= 1мА, указано минимальное значение CTR (например, 13% для класса -1, 56% для класса -4), что важно для маломощных или аналоговых применений.
• Напряжение насыщения (V_КЭ(нас)):Максимум 0.3 В при I_F=10мА, I_C=2.5мА. Это напряжение на транзисторе, когда он полностью "открыт".
• Сопротивление изоляции (R_IO):Минимум 10¹¹Ом. Указывает на чрезвычайно высокое сопротивление постоянному току между входной и выходной сторонами.
• Входо-выходная емкость (C_IO):Типичное значение 0.5 пФ. Эта малая емкость является ключевой для достижения высокой устойчивости к синфазным переходным помехам (CMTI).

2.4 Переключательные характеристики

Динамические характеристики определяются временем включения/выключения и нарастания/спада, которые зависят от условий тестирования.

• Условие 1 (V_CC=10В, I_C=2мА, R_L=100Ом):
  • Время включения (t_вкл): Типично 10 мкс, Макс. 12 мкс.
  • Время выключения (t_выкл): Типично 9 мкс, Макс. 12 мкс.
  • Время нарастания (t_r): Типично 6 мкс, Макс. 10 мкс.
  • Время спада (t_f): Типично 8 мкс, Макс. 10 мкс.
• Условие 2 (V_CC=5В, I_F=10мА, R_L=75Ом):
  • Время нарастания (t_r): Типично 2 мкс, Макс. 10 мкс.
  • Время спада (t_f): Типично 3 мкс, Макс. 10 мкс.

3. Объяснение системы градации

Основная градация для этих оптопар основана наКоэффициенте передачи тока (CTR). Четыре класса (1, 2, 3, 4) предлагают прогрессивно более высокие минимальные и максимальные значения CTR. Это позволяет разработчикам выбрать устройство, соответствующее требуемому усилению сигнала, и обеспечивает согласованность в производственных партиях. Например, цифровая входная схема, требующая сильного, четко определенного сигнала, может использовать класс -3 или -4, в то время как схема, чувствительная к вариациям, может потребовать более узкий, низкоусилительный класс -1.

4. Анализ характеристических кривых

В документации приведены ссылки на "Типичные электрооптические характеристические кривые". Хотя конкретные графики не детализированы в предоставленном тексте, типичные кривые для таких устройств включают:

• CTR в зависимости от прямого тока (I_F):Показывает, как коэффициент передачи изменяется с током светодиода, обычно достигая пика при определенном токе.
• CTR в зависимости от температуры:Иллюстрирует снижение CTR при увеличении температуры окружающей среды, что критично для работы при высоких температурах.
• Ток коллектора (I_C) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V_CE):Выходные характеристики фототранзистора, показывающие область насыщения и активную область.
• Прямое напряжение (V_F) в зависимости от прямого тока (I_F):Вольт-амперная характеристика инфракрасного светодиода.

Эти кривые необходимы для понимания поведения устройства в нестандартных условиях и для оптимизации схемотехнического решения.

5. Механическая информация и информация о корпусе

Устройства предлагаются в стандартном 6-выводном корпусе DIP с несколькими вариантами формы выводов.

5.1 Размеры корпуса и варианты

• Стандартный DIP:Корпус для монтажа в отверстия по умолчанию.
• Опция M:Имеет "широкий изгиб выводов", обеспечивающий расстояние между выводами 0.4 дюйма (приблизительно 10.16 мм) для совместимости с более широкими посадочными местами на печатной плате.
• Опция S:Форма выводов для поверхностного монтажа. Предназначена для процессов пайки оплавлением.
• Опция S1:Форма выводов для поверхностного монтажа с "низким профилем" для применений с ограничениями по высоте.

Для каждого варианта предоставлены подробные размерные чертежи (в мм), определяющие размер корпуса, длину выводов, расстояние между выводами и плоскость установки.

5.2 Распиновка и полярность

Четкая идентификация выводов имеет решающее значение для правильной установки.

• CNY17-X (с выводом базы):
  1. Анод (светодиод +)
  2. Катод (светодиод -)
  3. Не подключен
  4. Эмиттер (фототранзистор)
  5. Коллектор (фототранзистор)
  6. База (фототранзистор, внешнее подключение)
• CNY17F-X (без вывода базы):
  1. Анод (светодиод +)
  2. Катод (светодиод -)
  3. Не подключен
  4. Эмиттер (фототранзистор)
  5. Коллектор (фототранзистор)
  6. Не подключен

6. Рекомендации по пайке и сборке

В документации указана максимальная температура пайки 260°C в течение 10 секунд. Это обычно относится к волновой или ручной пайке выводов для монтажа в отверстия. Для вариантов поверхностного монтажа (S, S1) следует использовать стандартные профили оплавления (инфракрасные или конвекционные) с пиковой температурой, не превышающей 260°C. Следует принимать меры предосторожности, чтобы избежать чрезмерных механических нагрузок на корпус во время обработки. Хранение должно осуществляться в сухой, антистатической среде в указанном температурном диапазоне от -55°C до +125°C.

7. Упаковка и информация для заказа

7.1 Правила формирования номера модели

Номер детали следует формату:CNY17-XY(Z)-VилиCNY17F-XY(Z)-V

• X:Номер детали / класс CTR (1, 2, 3 или 4).
• Y:Вариант формы выводов (S, S1, M или отсутствует для стандартного DIP).
• Z:Вариант упаковки в ленту и на катушку (TA, TB или отсутствует). Применяется только к опциям S и S1.
• V:Опциональная маркировка одобрения VDE.

7.2 Спецификации упаковки

• Упаковка в трубки:Стандартный DIP и опция M поставляются в трубках по 65 штук в каждой.
• Лента и катушка:Опции S и S1 доступны на ленте и катушке. Оба варианта TA и TB содержат 1000 штук на катушке.

8. Рекомендации по применению

8.1 Типовые схемы применения

В документации перечислены типичные применения: Стабилизаторы источников питания (для развязки обратной связи), цифровые логические входы (для сдвига уровня и изоляции от помех) и входы микропроцессоров (для сопряжения с зашумленными внешними сигналами). Показана конкретная тестовая схема для измерения времени переключения (Рисунок 11), которая включает входной токоограничивающий резистор (R_IN), опциональный резистор база-эмиттер для CNY17-X (R_BE), и нагрузочный резистор коллектора (R_L).

8.2 Соображения при проектировании

• Ограничение тока светодиода:Всегда используйте последовательный резистор для ограничения I_Fдо желаемого значения, обычно между 1 мА и 20 мА для баланса скорости, CTR и мощности.
• Нагрузочный резистор (R_L):Значение R_Lна коллекторе влияет на скорость переключения, размах выходного напряжения и потребляемую мощность. Меньшее значение R_Lдает более быстрое время спада, но уменьшает размах выходного напряжения.
• Помехоустойчивость (CNY17F-X):Серия CNY17F-X, не имеющая внешнего подключения базы, менее подвержена наводкам в базу фототранзистора, что делает ее предпочтительной в условиях сильных электрических помех.
• Компромисс между скоростью и током:Более высокий I_Fобычно улучшает скорость переключения, но увеличивает рассеиваемую мощность. См. спецификации времени переключения при различных условиях тестирования.
• Деградация CTR:CTR может уменьшаться в течение срока службы устройства, особенно при высоких рабочих температурах и токах. Соответственно снижайте расчетные параметры для обеспечения долгосрочной надежности.

9. Техническое сравнение

Ключевое различие внутри этого семейства — наличие (CNY17-X) или отсутствие (CNY17F-X) внешнего вывода базы. CNY17-X предлагает большую гибкость проектирования; вывод базы можно оставить неподключенным, подключить к эмиттеру через резистор (для улучшения скорости за счет удаления накопленного заряда) или использовать в специальных схемах смещения. CNY17F-X предлагает превосходную помехоустойчивость, так как база фототранзистора полностью внутренняя и недоступна, что является значительным преимуществом в условиях сильных промышленных помех. Обе серии имеют идентичные характеристики по изоляции, напряжению и CTR.

10. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: В чем основное различие между классами -1, -2, -3 и -4?

О: Различие заключается в гарантированном диапазоне Коэффициента передачи тока (CTR). Класс -4 имеет наибольшее усиление (160-320%), а класс -1 — наименьшее (40-80%). Выбирайте исходя из требуемого усиления сигнала в вашей схеме.

В: Когда следует использовать CNY17F-X вместо CNY17-X?

О: Используйте CNY17F-X при работе в условиях значительных электрических помех (например, приводы двигателей, промышленные системы управления). Отсутствие внешнего подключения базы делает его по своей природе менее восприимчивым к наводкам электромагнитных помех (EMI) в чувствительную область базы.

В: Как рассчитать входной последовательный резистор для светодиода?

О: Используйте закон Ома: R_IN= (V_{ПИТ_ВХ}- V_F) / I_F. Примите V_F≈ 1.2В типично (макс. 1.65В). Например, при питании 5В и желаемом I_F10мА: R_IN= (5В - 1.2В) / 0.01А = 380Ом. Используйте стандартный резистор 390Ом.

В: Можно ли использовать это для развязки переменного сигнала?

О: Да, но с ограничениями. Выход фототранзистора является однонаправленным (постоянный ток). Для передачи переменных сигналов обычно требуется две оптопары (по одной на каждый полупериод) или дополнительная схема для смещения выхода в линейную область для аналоговой передачи, хотя линейность не является заданным параметром для этого устройства.

11. Практический пример проектирования

Сценарий:Развязка вывода GPIO микроконтроллера на 3.3В от сигнала промышленного датчика на 24В.

1. Выбор устройства:Выберите CNY17F-3 для хорошего усиления (CTR 100-200%) и высокой помехоустойчивости.
2. Входная сторона (микроконтроллер):Вывод GPIO управляет светодиодом через токоограничивающий резистор. При V_{GPIO_ВЫС}≈ 3.3В и целевой I_F= 5мА: R_IN= (3.3В - 1.2В) / 0.005А = 420Ом. Используйте 430Ом.
3. Выходная сторона (интерфейс датчика):Подключите коллектор фототранзистора к источнику 24В через подтягивающий резистор (R_L). Эмиттер подключается к земле. Выберите R_Lтак, чтобы выход насыщался при включении и обеспечивал корректный логический уровень "высокий" при выключении. При I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5мА = 7.5мА (типично) и желаемом выходном логическом "высоком" уровне ~20В при выключении: R_L≤ (24В - 20В) / (I_CEO). При I_CEOмакс. ~50нА, практически любое значение подходит для утечки. Для скорости переключения резистор 10 кОм является обычной отправной точкой. Выход (узел коллектора) теперь обеспечивает развязанную, инвертированную копию входного сигнала.

12. Принцип работы

Оптопара работает путем преобразования электрического сигнала в свет, передачи его через электрически изолирующий барьер и последующего преобразования света обратно в электрический сигнал. В сериях CNY17-X/F-X электрический ток (I_F) протекает через инфракрасный светодиод, заставляя его излучать фотоны. Эти фотоны проходят через прозрачный изолирующий компаунд и попадают в область базы кремниевого фототранзистора. Энергия фотонов генерирует электрон-дырочные пары в базе, создавая базовый ток, который открывает транзистор, позволяя току коллектора (I_C) течь. Отношение I_C/I_Fявляется CTR. Между входом и выходом нет электрического соединения, что обеспечивает гальваническую развязку, определяемую диэлектрической прочностью компаунда и внутренним расстоянием между выводами (путь утечки >7.6 мм).

13. Технологические тренды

Технология оптопар продолжает развиваться. В то время как традиционные оптопары на основе фототранзистора, такие как серия CNY17, остаются популярными для экономичной, универсальной развязки, тренды смещаются в сторону:

Более высокой скорости:Разработка более быстрых оптопар с использованием фотодиода и интегрального усилителя (например, цифровых изоляторов) для передачи данных на скорости в несколько Мбит/с.

Более высокой интеграции:Объединение нескольких каналов изоляции или интеграция изоляции с другими функциями, такими как драйверы затворов или интерфейсы АЦП, в одном корпусе.

Улучшенной надежности и срока службы:Фокус на материалах и конструкциях, минимизирующих деградацию CTR со временем и температурой.

Миниатюризации:Переход на корпуса для поверхностного монтажа меньшего размера (SOIC, SSOP) с такими же или лучшими характеристиками изоляции. Опции S и S1 серии CNY17 отражают этот тренд в сторону поверхностного монтажа.