Техническая документация на высокоскоростные оптопары с логическим выходом серии ELW137 в корпусе 8-pin DIP Wide Body

1. Обзор продукта

Серии ELW137, ELW2601 и ELW2611 представляют собой высокоскоростные оптопары (оптоизоляторы) с логическим выходом, предназначенные для применений, требующих быстрой гальванической развязки цифровых сигналов. Основным компонентом является инфракрасный светодиод, оптически связанный с высокоскоростным интегрированным фотоприёмником, имеющим логический выход. Устройство выпускается в стандартном для отрасли 8-выводном корпусе DIP (Dual In-line Package) увеличенной ширины, также доступны варианты для поверхностного монтажа (SMD). Основная функция — обеспечение электрической изоляции между входной и выходной цепями при передаче цифровых логических сигналов со скоростью до 10 мегабит в секунду (Мбит/с).

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Ключевые преимущества данной серии включают высокую скорость работы, что делает её подходящей для современных интерфейсов цифровой связи. Устройство обеспечивает высокое напряжение изоляции 5000 В_{среднеквадратичное}, повышая безопасность системы и помехоустойчивость. Конструкция гарантирует стабильную работу в широком промышленном температурном диапазоне от -40°C до +85°C. Устройство имеет основные международные сертификаты безопасности (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) и соответствует директивам ЕС REACH и RoHS. Целевые рынки включают промышленную автоматизацию, телекоммуникации, компьютерную периферию, медицинское оборудование и импульсные источники питания, где надёжная развязка сигналов имеет критическое значение.

2. Подробный анализ технических параметров

В данном разделе представлена объективная интерпретация ключевых электрических и эксплуатационных параметров, приведённых в техническом описании.

2.1 Предельно допустимые режимы эксплуатации

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для нормальных рабочих условий.

• Прямой ток на входе (I_F): 50 мА. Превышение этого значения может разрушить входной светодиод.
• Обратное напряжение (V_R): 5 В. Входной диод имеет ограниченную стойкость к обратному напряжению.
• Напряжение питания (V_CC) и выходное напряжение (V_O): 7.0 В. Это определяет максимальное напряжение, которое может быть приложено к выводам питания и сигнала на выходной стороне.
• Напряжение изоляции (V_ISO): 5000 В_{среднеквадратичное}в течение 1 минуты. Это ключевой параметр безопасности, указывающий на диэлектрическую прочность между входной и выходной сторонами.
• Рабочая температура (T_OPR): от -40°C до +85°C. Устройство рассчитано на промышленные условия эксплуатации.
• Температура пайки (T_SOL): 260°C в течение 10 секунд. Этот параметр важен для процессов сборки печатных плат.

2.2 Электрические характеристики

Это гарантированные параметры при указанных условиях испытаний в пределах рабочего температурного диапазона.

2.2.1 Входные характеристики

• Прямое напряжение (V_F): Типично 1.4В, максимум 1.8В при I_F=10мА. Используется для расчёта цепи ограничения входного тока.
• Входная ёмкость (C_IN): Типично 70 пФ. Влияет на высокочастотные характеристики входного каскада.

2.2.2 Выходные и передаточные характеристики

• Токи потребления (I_CCH, I_CCL): Выходная ИС потребляет 6.5-10мА (высокий уровень на выходе) и 8-13мА (низкий уровень на выходе). Это определяет требования к питанию на выходной стороне.
• Выходное напряжение низкого уровня (V_OL): Максимум 0.6В при токе стока 13мА. Это обеспечивает совместимость с входами логики TTL и низковольтной CMOS.
• Пороговый ток на входе (I_FT): от 3.0 до 5.0 мА. Это минимальный ток входного светодиода, необходимый для гарантированного получения валидного логического нуля на выходе в наихудших условиях. При проектировании следует использовать ток выше максимального значения.

2.3 Переключательные характеристики

Эти параметры определяют временные характеристики, критичные для высокоскоростной передачи данных.

• Задержки распространения (t_PHL, t_PLH): Максимум 100 нс каждая. Это ограничивает максимальную скорость передачи данных. В техническом описании указана возможность работы на скорости 10 Мбит/с.
• Искажение длительности импульса |t_PHL- t_PLH|: Максимум 40 нс. Эта асимметрия может влиять на скважность передаваемых сигналов.
• Время нарастания/спада (t_r, t_f): t_rтипично 40 нс, t_fтипично 10 нс. Более быстрое время спада характерно для таких устройств.
• Помехоустойчивость по синфазной помехе (CMH, CML): Это критический параметр помехоустойчивости. Модель ELW2611 обеспечивает наивысшую производительность (10 000 - 20 000 В/мкс), что означает способность подавлять очень быстрые скачки напряжения между "землями" входа и выхода без возникновения ошибок на выходе. Для ELW137 параметр CMTI не указан, в то время как ELW2601 обеспечивает 5 000 В/мкс.

3. Расположение выводов и функциональное описание

Устройство использует 8-выводную конфигурацию DIP. Выводы 1 и 4 не подключены (NC). Входная сторона состоит из вывода 2 (Анод) и вывода 3 (Катод) для светодиода. Выходная сторона включает вывод 5 (Земля), вывод 6 (V_OUT - Выход), вывод 7 (V_E - Разрешение) и вывод 8 (V_CC - Напряжение питания). Вывод разрешения (V_E) управляет выходом. Таблица истинности показывает логику работы: когда сигнал на выводе "Разрешение" высокий, выходной сигнал является инверсией входного (активный низкий уровень). Когда сигнал на выводе "Разрешение" низкий, выход принудительно устанавливается в высокий уровень независимо от входа. Техническое описание требует установки блокировочного конденсатора 0.1мкФ между выводами 8 (V_CC) и 5 (GND) для стабильной работы.

4. Рекомендации по применению

4.1 Типичные сценарии применения

• Устранение контуров заземления и развязка логических уровней: Изоляция цифровых сигналов между подсистемами с разными потенциалами "земли" для предотвращения помех и контуров заземления.
• Передача данных и линейные приёмники: Используются в последовательных каналах связи (интерфейсы RS-232, RS-485) для обеспечения гальванической развязки.
• Импульсные источники питания: Обеспечение развязки цепи обратной связи в обратноходовых или других изолированных топологиях преобразователей.
• Интерфейсы компьютерной периферии: Изоляция сигналов к принтерам, промышленным картам ввода/вывода и от них.
• Замена импульсных трансформаторов: Предоставление твердотельной альтернативы для развязки сигналов с более простой схемой управления.

4.2 Особенности проектирования

• Установка входного тока: Ток входного светодиода должен быть задан с помощью последовательного резистора. Для гарантированного переключения, I_Fдолжен быть установлен выше максимального значения I_FT(5мА). Типичное условие испытаний использует 7.5мА. Значение резистора рассчитывается как (V_{УПРАВЛЕНИЯ}- V_F) / I_F.
• Использование вывода "Разрешение": Вывод "Разрешение" может использоваться для стробирования выхода или быть подключён к фиксированному напряжению, если не требуется. Напряжение на нём не должно превышать V_CCболее чем на 0.5В.
• Выходная нагрузка: Выход может потреблять (сток) до 13мА для обеспечения валидного V_OL. Для управления более высокими токами или ёмкостными нагрузками может потребоваться внешний буфер.
• Помехоустойчивость: Для сред с высоким уровнем помех выбирайте вариант ELW2611 из-за его превосходной помехоустойчивости по синфазной помехе (CMTI). Рекомендуемая схема управления на Рис. 15 для ELW2611 использует транзистор для формирования более крутых фронтов тока светодиода, что дополнительно улучшает параметры CMTI.
• Блокировочный конденсатор: Конденсатор 0.1мкФ на выходной стороне крайне важен для минимизации помех по питанию и обеспечения стабильной высокоскоростной работы.

5. Техническое сравнение и руководство по выбору

Серия включает три основных варианта: ELW137, ELW2601 и ELW2611. Основным отличительным фактором является помехоустойчивость по синфазной помехе (CMTI). ELW137 имеет базовую изоляцию. ELW2601 предлагает средний уровень CMTI (5 000 В/мкс). ELW2611 обеспечивает высокий уровень CMTI (10 000 - 20 000 В/мкс). Выбор должен основываться на уровне электрических помех в приложении. Для приводов двигателей, промышленных ПЛК или источников питания с высоким уровнем помех рекомендуется ELW2611. Для менее требовательных задач цифровой изоляции может быть достаточно ELW2601 или ELW137.

6. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

6.1 Какова максимальная достижимая скорость передачи данных?

Хотя устройство рассчитано на 10 Мбит/с, фактическая максимальная полезная скорость зависит от задержек распространения и времени нарастания/спада. При максимальной задержке распространения 100 нс теоретическая максимальная частота для прямоугольного сигнала ниже. Для надёжной передачи данных следует учитывать общее искажение импульса и временные запасы системы.

6.2 Как рассчитать значение входного резистора?

Используйте формулу: R_IN= (V_{УПРАВЛЕНИЯ}- V_F) / I_F. Примите V_Fравным максимальному значению (1.8В) для расчёта в наихудшем случае. Для напряжения управления 5В и I_F= 10мА, R_IN= (5В - 1.8В) / 0.01А = 320 Ом. Используйте ближайшее стандартное значение (например, 330 Ом).

6.3 Можно ли использовать его с логикой 3.3В?

Выходная сторона V_CCможет питаться от 3.3В. Однако электрические характеристики проверяются при V_CC=5.5В. Параметры, такие как V_OL, I_OHи задержки распространения, могут отличаться при 3.3В. Входная сторона независима; светодиод может управляться от источника 3.3В при условии обеспечения правильного тока I_F.

6.4 Для чего предназначен вывод "Разрешение"?

Вывод "Разрешение" (V_E) обеспечивает управление третьим состоянием. Когда на него подаётся низкий уровень (<0.8В), выход принудительно устанавливается в высокий уровень, фактически отключая путь прохождения сигнала от входа к выходу. Это может использоваться для мультиплексирования выходов нескольких изоляторов на одну шинную линию или для режимов энергосбережения.

7. Практический пример проектирования

Сценарий:Развязка сигнала UART со скоростью 1 Мбит/с между микроконтроллером на 3.3В и приёмопередатчиком RS-485 на 5В в промышленном сенсорном узле.

Шаги проектирования:

1. Выбор варианта:Выберите ELW2611 для высокой помехоустойчивости в промышленных условиях.
2. Входная цепь:Выход GPIO микроконтроллера (3.3В) управляет светодиодом. Рассчитайте резистор: R_IN= (3.3В - 1.8В) / 0.01А = 150 Ом. Используйте резистор 150Ω, включённый последовательно с анодом светодиода (вывод 2). Катод (вывод 3) подключите к GND микроконтроллера.
3. Выходная цепь:Подайте питание 5В на выходную сторону (V_CCвывод 8). Подключите керамический конденсатор 0.1мкФ между выводами 8 и 5 (GND). Подключите выходной вывод 6 непосредственно к входному выводу приёмопередатчика RS-485. Входной импеданс приёмопередатчика выступает в роли нагрузки. Вывод разрешения 7 может быть подключён к V_CC(5В) через резистор 10кОм для постоянной активности или управляться другим GPIO для контроля.
4. Разводка платы:Физически разделяйте дорожки входной и выходной сторон. Разместите блокировочный конденсатор как можно ближе к выводам 8 и 5.

8. Принцип работы

Оптопара работает по принципу оптической связи. Электрический входной сигнал управляет инфракрасным светоизлучающим диодом (LED). Излучаемый свет детектируется фотодиодом или фототранзистором на изолированной выходной стороне. В данной оптопаре с логическим выходом выходная сторона содержит более сложную интегральную схему. Ток фотодетектора усиливается и обрабатывается цифровым логическим элементом (обычно триггером Шмитта) для формирования чистого, чётко определённого цифрового выходного сигнала. Оптический путь обеспечивает барьер электрической изоляции, поскольку свет может пересекать физический зазор (через прозрачный изоляционный материал), где электричество не может, блокируя контуры заземления и высоковольтные переходные процессы.

9. Тенденции отрасли

Тенденции в области изоляции сигналов направлены на повышение скорости, снижение энергопотребления, уменьшение размеров корпусов и интеграцию функций. Хотя традиционные оптопары, подобные этой в корпусе DIP, остаются широко используемыми, новые технологии набирают популярность. Цифровые изоляторы на основе КМОП-технологии с ёмкостной или магнитной связью предлагают значительно более высокие скорости передачи данных (до сотен Мбит/с), меньшие задержки распространения, лучшую симметрию фронтов и более высокую надёжность в зависимости от температуры и времени. Они также интегрируют несколько каналов в крошечных корпусах. Тем не менее, оптопары всё ещё сохраняют преимущества в определённых областях, таких как очень высокое напряжение изоляции, простота и экономическая эффективность для многих приложений со стандартными скоростями. Разработка высокоскоростных оптопар с высоким CMTI (как в ELW2611) является ответом на потребность в надёжной изоляции в условиях сильных помех в силовой электронике и приводах двигателей.