Техническая документация на оптопары EL20X/EL21X серии в корпусе SO-8 с фототранзистором - напряжение изоляции 3750В

1. Обзор продукта

Серии EL20X и EL21X представляют собой семейства фототранзисторных оптопар (оптронов), выполненных в стандартном 8-выводном корпусе SOP. Эти устройства обеспечивают гальваническую развязку между двумя цепями, используя инфракрасный светодиод для передачи сигнала на фотодетектор. Основная функция — передача электрических сигналов через барьер изоляции без прямого электрического соединения, что предотвращает распространение высокого напряжения или помех из одной цепи в другую.

Ключевое преимущество серии заключается в сочетании компактного, стандартного корпуса SO-8 с высокой надежностью изоляции. Основные особенности включают высокое напряжение изоляции 3750 В_{среднеквадратичное}, широкий рабочий температурный диапазон от -55°C до +110°C и высокое напряжение пробоя коллектор-эмиттер (BVкэ) 80В. Устройства предлагаются с различными градациями коэффициента передачи тока (КТП), что позволяет разработчикам выбрать компонент, оптимизированный под требования усиления их конкретного приложения. Соответствие экологическим и стандартам безопасности, таким как отсутствие галогенов, свинца, соответствие RoHS и наличие сертификатов UL/cUL, делает их пригодными для широкого спектра коммерческих и промышленных применений._CEO) of 80V. The devices are offered in multiple current transfer ratio (CTR) grades, allowing designers to select a part optimized for their specific application's gain requirements. Compliance with environmental and safety standards, such as being halogen-free, Pb-free, RoHS compliant, and having UL/cUL approval, makes them suitable for a wide range of commercial and industrial applications.

1.1 Целевые области применения

Эти оптопары предназначены для задач общей изоляции и коммутации в электронных системах. Типичные области применения включают:

• Цепи обратной связи:Изоляция сигналов обратной связи в импульсных источниках питания для поддержания стабилизации и защиты управляющей микросхемы.
• Сопряжение систем:Связь цифровых или аналоговых сигналов между цепями с разными потенциалами земли или уровнями напряжения, например, при сопряжении микроконтроллера с драйверами двигателей или промышленными модулями ввода-вывода.
• Общая коммутация:Замена механических реле для бесшумной, полупроводниковой коммутации сигналов.
• Цепи мониторинга и обнаружения:Использование в системах безопасности, обнаружения неисправностей или контроля линий, где критически важна изоляция.

2. Подробный анализ технических параметров

В этом разделе представлена детальная, объективная интерпретация ключевых электрических и оптических параметров, указанных в техническом описании.

2.1 Предельно допустимые параметры

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

• Прямой ток светодиода (Iпр):_F):60 мА (постоянный). Пиковый прямой ток (Iпр.пик) составляет 1 А для очень короткого импульса (10 мкс), что актуально для условий броска тока при включении._FM) is 1 A for a very short pulse (10 µs), which is relevant for surge conditions during turn-on.
• Обратное напряжение светодиода (Vобр):_R):6 В. Входной светодиод имеет относительно низкое напряжение обратного пробоя; при проектировании схемы необходимо избегать подачи обратного смещения.
• Напряжение коллектор-эмиттер (Vкэ):_CEO):80 В. Это максимальное напряжение, которое может выдерживаться между коллектором и эмиттером фототранзистора при разомкнутой базе (без светового воздействия).
• Суммарная рассеиваемая мощность (Pсум):_TOT):240 мВт. Это максимальная суммарная мощность, которая может рассеиваться входным светодиодом и выходным транзистором. Индивидуальные пределы составляют 90 мВт для входа (Pвх) и 150 мВт для выхода (Pвых)._D) and 150 mW for the output (P_C).
• Напряжение изоляции (Vизол):_ISO):3750 В_{среднеквадратичное}в течение 1 минуты. Это критически важный параметр безопасности, проверяемый путем подачи этого переменного напряжения между всеми замкнутыми входными выводами (1-4) и всеми замкнутыми выходными выводами (5-8). Он подтверждает диэлектрическую прочность внутренней изоляции.
• Рабочая и температура хранения:-55°C до +110°C (рабочая), -55°C до +125°C (хранения). Широкий диапазон обеспечивает надежность в суровых условиях.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измеряются в стандартных условиях испытаний (Ta=25°C, если не указано иное) и определяют производительность устройства.

2.2.1 Характеристики входа (светодиода)

• Прямое напряжение (Vпр):_F):Обычно 1.3В, максимум 1.5В при Iпр = 10 мА. Используется для расчета необходимого токоограничивающего резистора в цепи управления светодиодом._F= 10 mA. This is used to calculate the required current-limiting resistor for the LED driver circuit.
• Обратный ток (Iобр):_R):Максимум 100 мкА при Vобр = 6В, что указывает на ток утечки светодиода в выключенном состоянии._R= 6V, indicating the LED's leakage in the off state.

2.2.2 Характеристики выхода (фототранзистора)

• Темновой ток коллектор-эмиттер (Iкэо):_CEO):Максимум 50 нА при Vкэ = 10В, Iпр = 0мА. Это ток утечки фототранзистора при отсутствии светового воздействия, важный для определения уровня сигнала в "выключенном" состоянии._CE= 10V, I_F= 0mA. This is the leakage current of the phototransistor when no light is incident, important for determining the "off" state signal level.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Vкэ(нас)):_CE(sat)):Максимум 0.4В при Iк = 10мА, Iпр = 2мА. Низкое напряжение насыщения желательно, когда устройство используется в качестве ключа, для минимизации падения напряжения и потерь мощности._F= 10mA, I_C= 2mA. A low saturation voltage is desirable when the device is used as a switch to minimize voltage drop and power loss.

2.2.3 Передаточные характеристики

Наиболее критичным параметром для оптопары является Коэффициент Передачи Тока (КТП).

• Определение:КТП = (Iк / Iпр) * 100%, где Iк — коллекторный ток фототранзистора, а Iпр — прямой ток светодиода. Он представляет эффективность преобразования входного тока в выходной._C/ I_F) * 100%, where I_Cis the phototransistor's collector current and I_Fis the LED's forward current. It represents the efficiency of converting an input current to an output current.
• Система градации:Серия разделена на конкретные диапазоны КТП, что обеспечивает согласованность проектирования.
  • Серия EL20X (Стандартный КТП при Iпр=10мА):_FEL205 (40-80%), EL206 (63-125%), EL207 (100-200%), EL208 (160-320%).EL205 (40-80%), EL206 (63-125%), EL207 (100-200%), EL208 (160-320%).
  • Серия EL21X (Минимальный КТП при Iпр=10мА):_FEL211 (>20%), EL212 (>50%), EL213 (>100%).EL211 (>20%), EL212 (>50%), EL213 (>100%).
  • КТП при малом токе (при Iпр=1мА):_FРазные номера деталей (EL215, EL216, EL217) предназначены для работы при более низких токах светодиода, показывая, что КТП зависит от Iпр.Different part numbers (EL215, EL216, EL217) are specified for operation at lower LED currents, showing that CTR is dependent on I_F.
• Скорость переключения:Типичное время включения (tвкл) и время выключения (tвыкл) составляют по 3.0 мкс каждая, с временем нарастания (tн) 1.6 мкс и временем спада (tс) 2.2 мкс при указанных условиях испытаний (Vкэ=10В, Iк=2мА, Rк=100Ом). Эти параметры ограничивают максимальную частоту передаваемого сигнала._on) and turn-off time (t_off) are 3.0 µs each, with rise time (t_r) of 1.6 µs and fall time (t_f) of 2.2 µs under specified test conditions (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω). These parameters limit the maximum frequency of the signal that can be transmitted.
• Параметры изоляции:Сопротивление изоляции (Rизол) обычно составляет 10^12 Ом, а входно-выходная емкость (Cвх-вых) обычно 0.5 пФ. Низкая емкость критически важна для поддержания высокой помехоустойчивости по синфазной помехе (CMTI) в зашумленных средах._IO) is typically 10¹¹Ω, and input-output capacitance (C_IO) is typically 0.5 pF. Low capacitance is crucial for maintaining high common-mode transient immunity (CMTI) in noisy environments.

3. Анализ характеристических кривых

Хотя в предоставленном отрывке PDF упоминаются типичные характеристические кривые, но они не отображены, их общее назначение и влияние на проектирование объяснены ниже.

3.1 Коэффициент передачи тока (КТП) в зависимости от прямого тока (Iпр)_F)

Типичная кривая показывает, что КТП не является постоянным. Обычно он достигает пика при определенном Iпр (часто в диапазоне 1-10 мА для таких устройств) и уменьшается как при более низких, так и при более высоких токах. Разработчики должны обращаться к этой кривой для выбора оптимальной рабочей точки, обеспечивающей достаточное усиление и линейность для их приложения._F(often in the range of 1-10 mA for such devices) and decreases at both lower and higher currents. Designers must consult this curve to select an optimal operating point that provides sufficient gain and linearity for their application.

3.2 КТП в зависимости от температуры

КТП имеет отрицательный температурный коэффициент; он уменьшается с ростом температуры окружающей среды. Эта характеристика критически важна для проектов, работающих в полном диапазоне от -55°C до +110°C. Схема должна быть спроектирована так, чтобы обеспечить правильную работу (например, достаточный выходной размах или способность переключения) при максимальной ожидаемой температуре, где КТП минимален.

3.3 Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер

Этот набор кривых, параметризованных различными значениями Iпр, показывает выходные характеристики фототранзистора. Он иллюстрирует область насыщения (где Vкэ низкое, а Iк в основном управляется Iпр) и активную/линейную область. Это необходимо для проектирования линейных изолирующих усилителей или для обеспечения полного насыщения устройства при использовании в качестве ключа._Fvalues, shows the output characteristics of the phototransistor. It illustrates the saturation region (where V_CEis low and I_Cis primarily controlled by I_F) and the active/linear region. This is essential for designing linear isolation amplifiers or for ensuring the device is fully saturated when used as a switch.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Распиновка выводов

8-выводной корпус SOP имеет следующую распиновку:Вывод 1:Анод,Вывод 2:Катод,Выводы 3, 4, 8:Не подключены (NC),Вывод 5:Эмиттер,Вывод 6:Коллектор,Вывод 7:База. Вывод базы выведен наружу, что обеспечивает гибкость проектирования. Его можно оставить неподключенным для максимальной чувствительности, подключить к эмиттеру через резистор для уменьшения чувствительности и улучшения скорости переключения или использовать для обратной связи в специальных конфигурациях.

4.2 Габаритные размеры и разводка печатной платы

Устройство соответствует стандартному посадочному месту SO-8. Техническое описание включает подробные механические чертежи с размерами в миллиметрах. Также предоставляется рекомендуемая конфигурация контактных площадок для поверхностного монтажа. Следование этому шаблону контактных площадок критически важно для получения надежных паяных соединений и предотвращения таких проблем, как "эффект надгробия" во время оплавления. Конструкция корпуса обеспечивает совместимость с автоматическим оборудованием для установки компонентов.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Предельно допустимая температура пайки составляет 260°C в течение 10 секунд. Это типичный параметр для процессов бессвинцовой пайки оплавлением. Следует соблюдать стандартные рекомендации IPC/JEDEC J-STD-020 по уровням чувствительности к влаге (MSL) и профилям оплавления. Устройства должны храниться в оригинальных влагозащитных пакетах до использования. Если они подвергались воздействию окружающей влажности сверх их рейтинга MSL, перед пайкой требуется прогрев для предотвращения повреждения "вспучиванием" во время оплавления.

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Правила формирования номера модели

Номер детали следует формату:EL2XX(Y)-V

• XX:Номер детали (05, 06, 07, 08, 11, 12, 13, 15, 16, 17). Определяет градацию КТП.
• Y:Опция упаковки в ленту и на катушку (TA, TB, или отсутствует для упаковки в трубку).
• V:Необязательный суффикс, указывающий на наличие сертификата безопасности VDE.

6.2 Варианты упаковки

• Трубка:100 штук в трубке. Подходит для прототипирования или мелкосерийной ручной сборки.
• Лента и катушка:2000 штук на катушке. Предназначена для крупносерийных автоматизированных линий сборки. Техническое описание включает подробные спецификации ленты и катушки (размеры ячеек, ширина ленты, диаметр катушки).

6.3 Маркировка устройства

На верхней части корпуса нанесена маркировка "EL" (код производителя), номер детали (например, 207), однозначный код года (Y) и двузначный код недели (WW). На версиях, одобренных VDE, может присутствовать необязательная буква "V". Эта маркировка позволяет отслеживать и проверять компонент.

7. Рекомендации по проектированию приложений

7.1 Управление входным светодиодом

Светодиод должен управляться через токоограничивающий резистор. Его значение рассчитывается как Rогр = (Vупр - Vпр) / Iпр. Используйте максимальное значение Vпр из технического описания, чтобы гарантировать достижение минимально необходимого Iпр при любых условиях. Для цифровой коммутации убедитесь, что схема управления может обеспечить необходимый Iпр для достижения желаемого выходного состояния в требуемое время, учитывая скорость переключения устройства._LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Use the maximum V_Ffrom the datasheet to ensure the minimum required I_Fis achieved under all conditions. For digital switching, ensure the drive circuit can provide the necessary I_Fto achieve the desired output state within the required time, considering the device's switching speed.

7.2 Проектирование выходной цепи

Нагрузочный резистор (Rн), подключенный между коллектором и Vпит, определяет размах выходного напряжения и скорость переключения. Меньший Rн обеспечивает более быстрое переключение (из-за меньшей постоянной времени RC), но приводит к меньшему размаху выходного напряжения и большему рассеиванию мощности. Больший Rн дает больший размах, но меньшую скорость. Выбранные Iпр и КТП должны гарантировать, что фототранзистор может потреблять достаточный ток, чтобы опустить выходное напряжение ниже порога логического нуля принимающей схемы во включенном состоянии._L) connected between the collector and V_CCdetermines the output voltage swing and switching speed. A smaller R_Lprovides faster switching (due to smaller RC time constant) but results in a smaller output voltage swing and higher power dissipation. A larger R_Lgives a larger swing but slower speed. The chosen I_Fand CTR must guarantee that the phototransistor can sink enough current to pull the output voltage below the logic-low threshold of the receiving circuit when on.

7.3 Использование вывода базы

Оставление вывода базы (вывод 7) неподключенным обеспечивает наивысший КТП и чувствительность. Подключение резистора (обычно в диапазоне от 100 кОм до 1 МОм) между базой и эмиттером (вывод 5) шунтирует часть фотоиндуцированного базового тока, уменьшая эффективное усиление (КТП), но значительно улучшая скорость переключения, особенно время выключения (tвыкл). Это типичный компромисс в приложениях высокоскоростной цифровой изоляции._off). This is a common trade-off in high-speed digital isolation applications.

7.4 Обеспечение надежной изоляции

Для сохранения номинального напряжения изоляции критически важна правильная разводка печатной платы. Соблюдайте достаточные расстояния утечки и воздушные зазоры на печатной плате между проводниками входной и выходной сторон, как указано в соответствующих стандартах безопасности (например, IEC 60950, IEC 60601). Изоляционный барьер внутри самого компонента сертифицирован, но разводка печатной платы не должна его нарушать.

8. Техническое сравнение и руководство по выбору

Серия EL20X/EL21X отличается высоким напряжением изоляции 3750 В_{среднеквадратичное}в стандартном корпусе SO-8, что выше, чем у многих базовых 4-выводных оптопар. По сравнению с более продвинутыми цифровыми изоляторами (использующими КМОП-технологию), фототранзисторные оптопары, подобные этим, обычно медленнее, имеют более низкий КТП, и КТП со временем ухудшается. Однако они предлагают отличное подавление синфазных помех, простоту и надежность для изоляции постоянных и низкочастотных переменных сигналов. Ключевыми критериями выбора являются: требуемое напряжение изоляции, необходимый КТП при рабочем Iпр, допустимая скорость переключения и рабочий температурный диапазон._F, acceptable switching speed, and operating temperature range.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

9.1 В чем разница между сериями EL20X и EL21X?

Серия EL20X (EL205-EL208) определяет КТП с минимальным и максимальным значением ("диапазонный" подбор), предлагая более жесткий контроль параметров. Серия EL21X (EL211-EL213) определяет только минимальное значение КТП, что может привести к более широкому разбросу фактических значений, но потенциально по более низкой цене.

9.2 Как температура влияет на производительность?

КТП уменьшается с ростом температуры. Для надежной работы во всем температурном диапазоне расчеты проектирования должны использовать минимально ожидаемый КТП при максимальной рабочей температуре. Техническое описание обычно предоставляет кривые снижения номинальных параметров или температурный коэффициент для этой цели.

9.3 Можно ли использовать это устройство для изоляции аналоговых сигналов?

Да, но с ограничениями. Отклик фототранзистора нелинеен, и КТП зависит от Iпр и температуры. Для линейной аналоговой изоляции требуется дополнительная внешняя схема (операционные усилители, обратная связь) для линеаризации отклика, или следует рассмотреть специализированную линейную оптопару._Fand temperature. For linear analog isolation, additional external circuitry (operational amplifiers, feedback) is required to linearize the response, or a dedicated linear optocoupler should be considered.

9.4 Для чего предназначен суффикс "V" в номере детали?

Суффикс "-V" указывает на то, что конкретное устройство было протестировано и сертифицировано на соответствие стандарту безопасности VDE для усиленной изоляции. Это часто является требованием для продукции, продаваемой на европейском рынке.

10. Практический пример проектирования

Сценарий:Изоляция вывода GPIO микроконтроллера 3.3В для управления катушкой реле 12В в отдельной цепи. Для срабатывания катушки реле требуется 50мА.

Шаги проектирования:

1. Выбор интерфейса:Использовать оптопару в качестве нижнего ключа для реле. Микроконтроллер управляет стороной светодиода. Фототранзистор будет потреблять ток катушки реле.
2. Выбор компонента:Выбрать компонент с достаточным КТП. Требуемый Iк = 50мА. Если целевой Iпр от МК составляет 5мА, минимально требуемый КТП = (50мА / 5мА)*100% = 1000%. Стандартный фототранзистор не может обеспечить это. Следовательно, оптопара должна управлять малым транзистором ("буферным транзистором"), который, в свою очередь, управляет реле. Выбрать EL207 (КТП 100-200%) для хорошего усиления._C= 50mA. If targeting I_F= 5mA from the MCU, minimum required CTR = (50mA / 5mA)*100% = 1000%. A standard phototransistor cannot provide this. Therefore, the photocoupler must drive a small transistor (a "post-transistor") which then drives the relay. Select an EL207 (CTR 100-200%) for good gain.
3. Входная цепь:GPIO МК (3.3В) -> Токоограничивающий резистор R1 -> Выводы 1 (Анод) и 2 (Катод) EL207. R1 = (3.3В - 1.5В) / 0.005А = 360Ом (использовать стандартный 330Ом).
4. Выходная цепь:Источник 12В -> Катушка реле -> Коллектор (вывод 6) EL207. Эмиттер (вывод 5) на землю. Обратный диод должен быть установлен параллельно катушке реле в обратном направлении для защиты фототранзистора от выбросов напряжения при его выключении. Резистор база-эмиттер (например, 1 МОм) можно добавить к выводу 7 для улучшения скорости выключения.
5. Проверка:При Iпр=5мА, минимальный КТП 100% дает Iк = 5мА. Этого достаточно для насыщения маломощного биполярного транзистора (например, 2N3904) с высоким коэффициентом усиления, который затем может коммутировать катушку реле 50мА._F=5mA, minimum CTR of 100% gives I_C= 5mA. This is enough to saturate a small BJT (e.g., 2N3904) with high gain, which can then switch the 50mA relay coil.

11. Принцип работы

Оптопара состоит из двух основных компонентов, размещенных в светонепроницаемом корпусе. На входной стороне инфракрасный светодиод на арсениде галлия (GaAs) преобразует электрический ток в инфракрасный свет. Интенсивность этого света прямо пропорциональна прямому току (Iпр), протекающему через светодиод. Этот свет проходит через прозрачный изоляционный зазор (часто заполненный диэлектрическим гелем) и попадает на кремниевый фототранзистор на выходной стороне. Область базы фототранзистора чувствительна к этой конкретной длине волны света. Падающие фотоны генерируют электрон-дырочные пары в переходе база-коллектор, создавая фототок, который действует как базовый ток. Этот фотоиндуцированный базовый ток затем усиливается коэффициентом усиления транзистора по току (h21э), что приводит к значительно большему коллекторному току (Iк). Отношение Iк/Iпр является Коэффициентом Передачи Тока (КТП). Ключевой момент заключается в том, что сигнал передается посредством света, обеспечивая гальваническую развязку, определяемую физическими свойствами внутреннего изоляционного материала и расстоянием между светодиодом и транзистором._F) flowing through the LED. This light travels across a transparent isolation gap (often filled with a dielectric gel) and strikes the silicon phototransistor on the output side. The phototransistor's base region is designed to be sensitive to this specific wavelength of light. The incident photons generate electron-hole pairs in the base-collector junction, creating a photocurrent that acts as a base current. This photogenerated base current is then amplified by the transistor's current gain (h_FE), resulting in a much larger collector current (I_C). The ratio I_C/I_Fis the Current Transfer Ratio (CTR). The key point is that the signal is transferred by light, providing galvanic isolation determined by the physical properties of the internal insulation material and the distance between the LED and the transistor.

12. Тенденции развития технологий

Фототранзисторные оптопары, такие как EL20X/EL21X, представляют собой зрелую и надежную технологию изоляции. Текущие тенденции в изоляции сигналов включают растущее внедрениецифровых изоляторовна основе КМОП-технологии и радиочастотной или емкостной связи. Они предлагают значительные преимущества в скорости (до сотен Мбит/с), энергопотреблении, размере и долговечности (нет деградации светодиода). Однако традиционные оптопары сохраняют сильные позиции в приложениях, требующих очень высокого напряжения изоляции (>5кВ), отличной помехоустойчивости по синфазной помехе (CMTI), простоты и экономической эффективности для изоляции постоянного тока и низких частот. Также продолжается развитие самой технологии оптопар, такое как интеграция фототранзистора с резистором база-эмиттер для более высокой скорости (как видно по наличию вывода базы) и разработка корпусов с большими расстояниями утечки/воздушными зазорами для требований усиленной изоляции.