Серия оптопар EL3H4-G - Техническая документация - Корпус SSOP 4 вывода - Вход переменного тока - Изоляция 3750 Вэфф

1. Обзор продукта

Серия EL3H4-G представляет собой семейство фототранзисторных оптопар с входом переменного тока, предназначенных для применений, требующих гальванической развязки и передачи сигналов от источников переменного тока или постоянного тока неизвестной полярности. Устройство выполнено в компактном корпусе для поверхностного монтажа SSOP (Small Outline Package) с 4 выводами, что делает его подходящим для печатных плат с ограниченным пространством.

Основной компонент состоит из двух инфракрасных светодиодов (LED), соединенных встречно-параллельно. Такая конфигурация позволяет входу принимать сигналы переменного тока (AC), так как один диод проводит ток в течение каждого полупериода входного сигнала. Излучаемый инфракрасный свет оптически связан с кремниевым фототранзистором, который обеспечивает изолированный выходной сигнал. Вся сборка залита зеленым компаундом, не содержащим галогенов.

1.1 Ключевые преимущества

• Возможность работы с переменным током:Встречно-параллельная конфигурация светодиодов позволяет напрямую подключаться к источникам сигналов переменного тока без необходимости во внешней схеме выпрямления.
• Высокое напряжение изоляции:Обеспечивает номинальную изоляцию для обеспечения безопасности в 3750 В_эффмежду входной и выходной сторонами, что крайне важно для защиты чувствительных цепей от высоковольтных переходных процессов.
• Компактный форм-фактор:Корпус SSOP имеет малую занимаемую площадь, что идеально для современных электронных сборок высокой плотности.
• Соответствие экологическим нормам:Устройство не содержит галогенов и соответствует соответствующим экологическим директивам, таким как RoHS и REACH.
• Сертификаты безопасности:Продукт имеет сертификаты основных международных агентств по безопасности, включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC.

1.2 Целевые области применения

Данная оптопара предназначена для использования в различных промышленных и коммуникационных приложениях, где требуется надежная изоляция и детектирование сигналов переменного тока.

• Мониторинг сетевого напряжения:Обнаружение наличия или отсутствия сетевого напряжения переменного тока в источниках питания, бытовых приборах и промышленном оборудовании.
• Программируемые логические контроллеры (ПЛК):Обеспечение изолированных цифровых входных каналов для считывания сигналов переменного тока от датчиков и переключателей.
• Интерфейс телефонной линии:Изоляция цепей детектирования вызова или снятия трубки в телекоммуникационном оборудовании.
• Детектирование постоянного тока неизвестной полярности:Подключение к сигналам постоянного тока, полярность которых не фиксирована или заранее неизвестна.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Предельные эксплуатационные параметры определяют границы нагрузок, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для нормальных рабочих условий.

• Прямой ток на входе (I_F):±50 мА (постоянный). Знак ± указывает на возможность работы с переменным/двунаправленным током.
• Пиковый прямой ток (I_FM):1 А в течение короткого импульса длительностью 10 мкс. Этот параметр важен для выдерживания кратковременных бросков тока.
• Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO):80 В. Это максимальное напряжение, которое может быть приложено к выходному фототранзистору.
• Суммарная рассеиваемая мощность (P_TOT):200 мВт. Это максимальная совокупная мощность, которую устройство может рассеивать как со стороны входа, так и со стороны выхода.
• Напряжение изоляции (V_ISO):3750 В_эффв течение 1 минуты. Этот параметр стойкости к высокому напряжению является ключевым для безопасности.
• Рабочая температура (T_OPR):от -55°C до +100°C. Широкий диапазон обеспечивает надежную работу в суровых условиях.
• Температура пайки (T_SOL):260°C в течение 10 секунд, что соответствует типовым профилям бессвинцовой пайки оплавлением.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры определяют электрические и оптические характеристики устройства в заданных условиях испытаний (обычно при T_a= 25°C).

2.2.1 Входные характеристики

• Прямое напряжение (V_F):Обычно 1.2 В, максимум 1.4 В при прямом токе ±20 мА. Такое низкое падение напряжения полезно для маломощных схем.
• Входная емкость (C_вх):Обычно 50 пФ, максимум 250 пФ. Этот параметр влияет на высокочастотную характеристику входной стороны.

2.2.2 Выходные характеристики

• Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO):Максимум 100 нА при V_CE=20 В и I_F=0. Это ток утечки фототранзистора при отсутствии света.
• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (BV_CEO):Минимум 80 В. Это гарантирует, что выход может работать с типичными уровнями логики или среднего напряжения.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(нас)):Обычно 0.1 В, максимум 0.2 В при I_F=±20 мА и I_C=1 мА. Низкое напряжение насыщения желательно для выходных каскадов, управляющих логическими входами.

2.2.3 Передаточные характеристики

Эти параметры определяют эффективность и качество передачи сигнала со входа на выход.

• Коэффициент передачи тока (КТП):Это отношение выходного тока коллектора (I_C) к входному прямому току (I_F), выраженное в процентах. Это ключевой параметр для усиления. Серия EL3H4-G предлагается с разными градациями КТП:
  • EL3H4:КТП мин. 20% до макс. 300% при I_F= ±1 мА, V_CE= 5 В.
  • EL3H4A:КТП мин. 50% до макс. 150%.
  • EL3H4B:КТП мин. 100% до макс. 300%.
  Такой выбор позволяет разработчикам выбрать подходящее усиление для своего приложения, балансируя между чувствительностью и возможным насыщением.
• Симметрия КТП:Отношение КТП, измеренного при положительном I_F, к КТП, измеренному при отрицательном I_F. Указывается в диапазоне от 0.5 до 2.0. Значение, близкое к 1.0, указывает на хорошую симметрию в реакции на переменный ток двух входных светодиодов.
• Сопротивление изоляции (R_IO):Минимум 5×10¹⁰Ом, типично 10¹¹Ом при 500 В постоянного тока. Это чрезвычайно высокое сопротивление критически важно для поддержания целостности изоляции.
• Паразитная емкость (C_IO):Обычно 0.6 пФ, максимум 1.0 пФ. Такая низкая емкость минимизирует емкостную связь через барьер изоляции, что важно для подавления высокочастотной синфазной помехи.
• Времена переключения:Как время нарастания (t_r), так и время спада (t_f) имеют максимальное значение 18 мкс при заданных условиях испытаний (V_CE=2 В, I_C=2 мА, R_L=100 Ом). Эти времена определяют быстродействие устройства и его пригодность для сигналов различной частоты.

3. Объяснение системы градации

Серия EL3H4-G использует систему градации, основанную в первую очередь на коэффициенте передачи тока (КТП).

• Стандартная градация (без суффикса):Предлагает самый широкий диапазон КТП (20-300%), подходит для универсальных применений, где точное усиление не критично.
• Градация A (суффикс 'A'):Обеспечивает более узкий, средний диапазон КТП (50-150%), предлагая более предсказуемые характеристики.
• Градация B (суффикс 'B'):Обеспечивает узкий, высокий диапазон КТП (100-300%), идеально подходит для применений, требующих высокой чувствительности и усиления, например, для обнаружения слабых сигналов.

Такое разделение на группы позволяет производителям оптимизировать свои конструкции для обеспечения стабильности или выбирать компоненты под конкретные требования по чувствительности.

4. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типичные электрооптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не детализированы в предоставленном тексте, они обычно включают следующие, которые имеют решающее значение для проектирования:

• КТП в зависимости от прямого тока (I_F):Показывает, как коэффициент передачи изменяется с уровнем входного тока. КТП часто уменьшается при очень высоких значениях I_Fиз-за снижения эффективности светодиода.
• КТП в зависимости от температуры:Иллюстрирует температурную зависимость чувствительности устройства. КТП обычно уменьшается с ростом температуры.
• Прямое напряжение (V_F) в зависимости от прямого тока (I_F):Вольт-амперная характеристика диода.
• Выходной ток коллектора (I_C) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V_CE):Выходные характеристики фототранзистора для различных уровней входного света (I_F).
• Время переключения в зависимости от сопротивления нагрузки (R_L):Показывает, как на время нарастания и спада влияет выбранный нагрузочный резистор на выходе.

Разработчикам следует обращаться к этим кривым, чтобы понять поведение устройства в нестандартных условиях и оптимизировать такие параметры, как входной ток и сопротивление нагрузки, для достижения желаемой скорости и размаха выходного сигнала.

5. Механическая информация и информация о корпусе

5.1 Распиновка

Корпус SSOP с 4 выводами имеет следующую распиновку:

1. Вывод 1:Анод одного светодиода / Катод другого (из-за встречно-параллельного соединения).
2. Вывод 2:Катод первого светодиода / Анод второго.
3. Вывод 3:Эмиттер фототранзистора.
4. Вывод 4:Коллектор фототранзистора.

Такая конфигурация означает, что вход переменного тока подается между выводами 1 и 2, а выход снимается с выводов 3 и 4 (обычно с выводом 3 в качестве общего/земли).

5.2 Габаритные размеры корпуса и разводка печатной платы

Техническое описание включает подробные механические чертежи корпуса SSOP. Ключевые размеры включают размер корпуса, шаг выводов и высоту установки. Также предоставлена рекомендуемая контактная площадка для поверхностного монтажа, с примечанием, что она приведена для справки и должна быть изменена в зависимости от конкретных процессов изготовления печатных плат и тепловых требований. Правильная конструкция контактных площадок необходима для надежной пайки и механической прочности.

6. Рекомендации по пайке и сборке

6.1 Профиль пайки оплавлением

Устройство совместимо с процессами бессвинцовой пайки оплавлением. Рекомендуемый максимальный температурный профиль корпуса основан на IPC/JEDEC J-STD-020D:

• Предварительный нагрев:от 150°C до 200°C в течение 60-120 секунд.
• Время выше температуры ликвидуса (T_L=217°C):60-100 секунд.
• Пиковая температура (T_P):максимум 260°C.
• Время в пределах 5°C от пика:максимум 30 секунд.
• Максимальное количество циклов оплавления: 3.

Соблюдение этого профиля предотвращает тепловое повреждение пластикового корпуса и внутренних проводных соединений.

6.2 Меры предосторожности

• Избегайте воздействия на устройство температур, превышающих предельные эксплуатационные параметры, во время обращения и пайки.
• Убедитесь, что барьер изоляции не нарушен загрязнениями (например, флюсом, частицами) между входной и выходной сторонами корпуса.
• Соблюдайте стандартные меры предосторожности от электростатического разряда (ЭСР) при обращении, так как внутренние светодиоды и транзисторы чувствительны к статическому электричеству.

7. Упаковка и информация для заказа

7.1 Правила формирования номера модели

Номер детали следует формату:EL3H4(Y)(Z)-VG

• EL3H4:Базовый номер детали.
• Y:Градация КТП (A, B или пусто для стандартной).
• Z:Опция упаковки в ленту и на катушку (TA, TB, EA, EB или пусто для трубки). Катушки TA/TB содержат 5000 единиц; катушки EA/EB содержат 1000 единиц. Разница между опциями A и B обычно связана с шириной ленты или направлением подачи.
• V:Дополнительный суффикс, обозначающий, что деталь имеет сертификат VDE.
• G:Обозначает материал, не содержащий галогенов.

Пример: EL3H4A-TA-VG - это деталь градации 'A', поставляемая на катушке TA на 5000 единиц, с сертификатом VDE и не содержащая галогенов.

7.2 Спецификации упаковки

Устройство может поставляться в трубках (150 единиц) или на ленте и катушке. Подробные размеры ленты (размер гнезда, шаг, ширина ленты) предоставлены для совместимости с автоматическим оборудованием для установки компонентов.

7.3 Маркировка устройства

Верхняя часть корпуса маркирована кодом:EL 3H4 RYWWV

• EL:Код производителя.
• 3H4:Номер устройства.
• R:Градация КТП (A, B или пусто).
• Y:Однозначный код года.
• WW:Двузначный код недели.
• V:Знак сертификации VDE (если присутствует).

8. Рекомендации по проектированию приложений

8.1 Проектирование входной цепи

Для работы с переменным током последовательно с входными выводами (1 и 2) должен быть установлен токоограничивающий резистор. Его номинал должен быть рассчитан на основе пикового входного напряжения и желаемого прямого тока (I_F), обеспечивая, чтобы I_Fне превышал номинального постоянного тока 50 мА. Например, для управления входом от сети переменного тока 120 В_эфф, резистор должен ограничивать пиковый ток (≈170 В / R). Учитывайте номинальную мощность и устойчивость к напряжению этого резистора.

8.2 Проектирование выходной цепи

Выходной фототранзистор может использоваться в схеме с общим эмиттером (нагрузочный резистор между V_CCи коллектором, эмиттер на землю) или в качестве ключа. Значение нагрузочного резистора (R_L) влияет на:

Размах выходного напряжения:Большее R_Lдает большее падение напряжения при заданном I_C.

Скорость переключения:Большее R_Lувеличивает постоянную времени RC, замедляя время нарастания и спада (как указано в спецификации t_r/t_fпри R_L=100 Ом).

Подтягивающий резистор часто необходим при управлении логическим входом. Убедитесь, что выходное напряжение во включенном состоянии (V_CE(нас)) достаточно низкое, чтобы распознаваться как логический '0'.

8.3 Обеспечение надежной изоляции

Для поддержания заявленной изоляции 3750 В_эффкритически важна разводка печатной платы. Соблюдайте достаточные расстояния утечки и воздушные зазоры на плате между медными дорожками и контактными площадками, связанными со входной стороной (выводы 1,2) и выходной стороной (выводы 3,4). Это часто означает создание физического паза или широкого разделения на печатной плате под корпусом устройства. Избегайте параллельной прокладки входных и выходных дорожек близко друг к другу.

9. Техническое сравнение и дифференциация

Основные отличительные особенности серии EL3H4-G по сравнению со стандартными оптопарами с входом постоянного тока:

• Встроенный вход переменного тока:Устраняет необходимость во внешних мостовых выпрямителях или двойных оптопарах для обработки сигналов переменного тока, экономя место на плате и количество компонентов.
• Симметрия КТП:Заданный параметр, обеспечивающий сбалансированную реакцию на обе полуволны переменного тока, что не является проблемой для устройств с входом постоянного тока.
• Конструкция без галогенов:Соответствует строгим экологическим требованиям, которые могут не выполняться всеми старыми моделями оптопар.

По сравнению с другими оптопарами с входом переменного тока, ее преимущества заключаются в сочетании высокого напряжения изоляции, компактного корпуса SSOP и наличия нескольких градаций КТП.

10. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В1: Могу ли я использовать это для прямого детектирования сетевого напряжения 230 В переменного тока?

О: Да, но вы должны использовать соответствующий внешний токоограничивающий резистор, включенный последовательно со входом, чтобы поддерживать прямой ток в пределах 50 мА. Резистор также должен быть рассчитан на высокое напряжение и рассеиваемую мощность.

В2: В чем разница между стандартной, A и B градациями?

О: Разница заключается в гарантированном минимальном и максимальном коэффициенте передачи тока (КТП). Градация B имеет самую высокую минимальную чувствительность (100%), что делает ее подходящей для обнаружения более слабых сигналов. Градация A предлагает более умеренный, предсказуемый диапазон. Стандартная градация имеет самый широкий диапазон, предлагая экономичное универсальное использование.

В3: Насколько быстро это устройство? Можно ли его использовать для связи?

О: При типичных временах нарастания/спада до 18 мкс полоса пропускания ограничена примерно десятками кГц. Оно подходит для детектирования частоты сети (50/60 Гц), медленных цифровых сигналов или определения состояния в ПЛК, но не предназначено для высокоскоростной передачи данных, как цифровые изоляторы.

В4: Почему сопротивление изоляции такое высокое (10^11 Ом)?

О: Это чрезвычайно высокое сопротивление минимизирует ток утечки через барьер изоляции. Это критически важно для безопасности, предотвращая протекание опасных токов между изолированными цепями, а также для целостности сигнала в приложениях точных измерений.

11. Практический пример проектирования

Сценарий: Изолированный детектор наличия сетевого напряжения 120 В переменного тока.

Цель:Подавать на микроконтроллер логический сигнал низкого уровня 3.3 В при наличии напряжения 120 В переменного тока.

Шаги проектирования:

1. Расчет входного резистора:Для 120 В_эфф, пиковое напряжение ~170 В. Чтобы ограничить I_Fбезопасными 10 мА (значительно ниже 50 мА), R_огр= 170 В / 0.01 А = 17 кОм. Используйте стандартный резистор 18 кОм, мощностью 1/2 Вт или выше.

2. Выходная цепь:Подключите коллектор фототранзистора (вывод 4) к питанию 3.3 В микроконтроллера через подтягивающий резистор (например, 10 кОм). Подключите эмиттер (вывод 3) к земле. Узел коллектора подключается к цифровому входному выводу микроконтроллера.

3. Принцип работы:При наличии переменного тока выход оптопары включается в течение каждого полупериода, опуская напряжение коллектора почти до V_CE(нас)(~0.2 В), что считывается как логический '0'. При отсутствии переменного тока фототранзистор выключен, и подтягивающий резистор поднимает напряжение коллектора до 3.3 В (логическая '1'). Программному обеспечению может потребоваться устранение дребезга этого сигнала из-за переходов через ноль на частоте 50/60 Гц.

12. Принцип работы

EL3H4-G работает по принципу оптоэлектронной связи. Электрический сигнал, подаваемый на входную сторону, заставляет инфракрасные светодиоды излучать свет, пропорциональный току. Этот свет проходит через прозрачный барьер изоляции внутри корпуса. На выходной стороне свет попадает в базовую область кремниевого фототранзистора, генерируя электрон-дырочные пары. Этот фототок действует как ток базы, заставляя транзистор проводить гораздо больший ток коллектора, тем самым воспроизводя входной сигнал на изолированной выходной стороне. Встречно-параллельная конфигурация светодиодов позволяет току протекать и свету излучаться в течение обеих полярностей входного сигнала переменного тока.

13. Технологические тренды

Оптопары, такие как EL3H4-G, представляют собой зрелую и надежную технологию изоляции. Текущие тенденции в области изоляции сигналов включают:

Интеграция:Объединение нескольких каналов изоляции или интеграция дополнительных функций (например, драйверов или защиты) в один корпус.

Более высокая скорость:Разработка оптопар с более быстрым временем переключения для приложений цифровой связи, хотя они, как правило, медленнее, чем технологии на основе емкостной или магнитной связи.

Усиленные стандарты безопасности:Постоянное развитие международных стандартов безопасности (UL, VDE, IEC), стимулирующее требования к более высоким рабочим напряжениям, усиленной изоляции и улучшенным показателям надежности.

Материаловедение:Разработка новых компаундов для заливки с лучшей термической стабильностью, влагостойкостью и оптической прозрачностью для повышения производительности и долговечности.