Техническая документация на высокоскоростные транзисторные оптопары серий 6N135, 6N136, EL450x (DIP-8, 1 Мбит/с, изоляция 5000 В)

1. Обзор продукта

6N135, 6N136, EL4502 и EL4503 — это семейство высокоскоростных транзисторных оптопар (оптоизоляторов), предназначенных для применения в системах, требующих быстрой гальванической развязки цифровых сигналов. Каждое устройство содержит инфракрасный светодиод (LED), оптически связанный с высокоскоростным фотодетектором-транзистором. Ключевое преимущество серии заключается в специальной распиновке, которая разделяет выводы для смещения фотодиода и коллектора выходного транзистора. Такое архитектурное решение значительно снижает ёмкость база-коллектор входного транзистора, что позволяет достичь скорости переключения до 1 мегабита в секунду (1 Мбит/с), что на порядки быстрее, чем у традиционных оптопар на фототранзисторах.

Устройства выпускаются в стандартном 8-выводном корпусе DIP (Dual In-line Package) и доступны в вариантах с увеличенным шагом выводов и для поверхностного монтажа. Они характеризуются работой в широком диапазоне температур и соответствуют основным международным стандартам безопасности, что делает их пригодными для применения в промышленной автоматике, телекоммуникациях и силовой электронике.

2. Детальный анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Абсолютные максимальные параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Не рекомендуется непрерывная работа на этих пределах или вблизи них. Ключевые параметры включают:

• Прямой ток светодиода (I_F): 25 мА, постоянный. Пиковый прямой ток (I_FP) составляет 50 мА для импульсов со скважностью 50% и длительностью 1 мс.
• Обратное напряжение (V_R): максимум 5 В на входном светодиоде.
• Выходное напряжение (V_O): диапазон от -0.5 В до +20 В на выходном выводе.
• Напряжение питания (V_CC): диапазон от -0.5 В до +30 В для источника питания выходной стороны.
• Напряжение изоляции (V_ISO): 5000 В_{среднеквадратичное}в течение 1 минуты. Это критически важный параметр безопасности, проверяемый при закороченных вместе выводах входной стороны (1-4) и выводах выходной стороны (5-8).
• Рабочая температура (T_OPR): от -55°C до +100°C. Такой широкий диапазон обеспечивает надёжную работу в жёстких условиях.
• Суммарная рассеиваемая мощность (P_TOT): 200 мВт, суммарный предел для входной и выходной сторон.

2.2 Электрические и передаточные характеристики

Эти параметры гарантируются в диапазоне рабочих температур от 0°C до 70°C, если не указано иное. Они определяют производительность устройства в нормальных условиях эксплуатации.

• Прямое напряжение (V_F): обычно 1.45 В при I_F= 16 мА. Это важно для расчёта цепи ограничения тока на входной стороне.
• Коэффициент передачи тока (CTR): это отношение коллекторного тока выходного транзистора к прямому току входного светодиода, выраженное в процентах. У 6N135 минимальный CTR составляет 7% (тип.), в то время как у 6N136, EL4502 и EL4503 — минимум 19%. Этот параметр напрямую влияет на требуемый ток управления для заданного выходного тока.
• Выходное напряжение логического нуля (V_OL): напряжение на выходном выводе, когда устройство находится в состоянии "ВКЛ". Для 6N135 гарантируется значение ниже 0.4 В (макс.) при I_F=16 мА и I_O=1.1 мА. Для 6N136/EL450x — ниже 0.4 В при I_O=3 мА. Низкое значение V_OLкритически важно для получения чистого сигнала логического нуля.
• Токи потребления (I_CCL, I_CCH): I_CCL— это ток, потребляемый от V_CCкогда выход находится в низком уровне (светодиод включён), обычно 140 мкА. I_CCH— ток, когда выход находится в высоком уровне (светодиод выключен), обычно 0.01 мкА, что указывает на очень низкое энергопотребление в режиме простоя.

3. Коммутационные характеристики

Эти параметры количественно определяют скорость устройства, что является его основным отличием. Испытания проводятся при I_F=16 мА и V_CC=5 В.

• Время задержки распространения (t_PHL, t_PLH): это временная задержка между фронтом входного сигнала и соответствующим откликом на выходе.
  • 6N135: t_PHL(переход в Низкий уровень) обычно 0.35 мкс (макс. 2.0 мкс); t_PLH(переход в Высокий уровень) обычно 0.5 мкс (макс. 2.0 мкс) при R_L=4.1 кОм.
  • 6N136/EL450x: t_PHLобычно 0.35 мкс (макс. 1.0 мкс); t_PLHобычно 0.3 мкс (макс. 1.0 мкс) при R_L=1.9 кОм.
  Такие малые времена задержки обеспечивают надёжную передачу данных на скорости 1 Мбит/с.
• Помехоустойчивость по синфазному сигналу (CM_H, CM_L): Этот параметр измеряет способность устройства подавлять быстрые переходные процессы напряжения (помехи), которые появляются одновременно на входной и выходной сторонах барьера изоляции. Указывается в вольтах на микросекунду (В/мкс).
  • 6N135/6N136/EL4502: Минимум 1000 В/мкс для состояний высокого и низкого уровня.
  • EL4503: Значительно выше, с типичным значением 20 000 В/мкс и минимальным 15 000 В/мкс, что делает его идеальным для очень зашумлённых сред, таких как приводы двигателей.

4. Механические данные и информация о корпусе

4.1 Распиновка

Устройства используют 8-выводный корпус DIP. Распиновка незначительно отличается между 6N135/6N136 и EL4502/EL4503, в основном по функции вывода 7.

Для 6N135 / 6N136:

1. Не подключен (NC)
2. Анод (Анод входного светодиода)
3. Катод (Катод входного светодиода)
4. Не подключен (NC)
5. Земля (Земля выходной стороны, GND)
6. Выходное напряжение (V_OUT)
7. Напряжение смещения (V_B) — Этот вывод обеспечивает отдельное подключение для смещения внутреннего фотодиода, что является ключом к достижению высокой скорости.
8. Напряжение питания (V_CC)

Для EL4502 / EL4503:

1. Не подключен (NC)
2. Анод (Анод входного светодиода)
3. Катод (Катод входного светодиода)
4. Не подключен (NC)
5. Земля (Земля выходной стороны, GND)
6. Выходное напряжение (V_OUT)
7. Не подключен (NC) — Примечание: вывод 7 не подключен в этих вариантах.
8. Напряжение питания (V_CC)

5. Рекомендации по применению

5.1 Типовые сценарии применения

• Линейные приёмники и телекоммуникационное оборудование: Гальваническая развязка цифровых линий данных (например, RS-232, RS-485) для предотвращения контурных токов и защиты чувствительных схем от перенапряжений.
• Развязка силовых транзисторов в приводах двигателей и импульсных источниках питания (SMPS): Подача управляющих сигналов на затворы высоковольтных MOSFET/IGBT при сохранении гальванической развязки. Высокая помехоустойчивость по синфазному сигналу (особенно у EL4503) здесь критически важна.
• Высокоскоростная развязка "земель" логических схем: Разрыв контуров заземления между цифровыми подсистемами, работающими на разных потенциалах, для предотвращения связи по помехам.
• Замена низкоскоростных оптопар на фототранзисторах: Модернизация существующих конструкций для более высоких скоростей передачи данных без существенных изменений схемы.
• Бытовая техника и промышленные системы управления: Развязка микроконтроллеров пользовательского интерфейса от силовых каскадов.

5.2 Особенности проектирования

• Ограничение входного тока: Внешний резистор должен быть включён последовательно со входным светодиодом для ограничения прямого тока (I_F) до желаемого значения, обычно около 16 мА для оптимальной скорости и CTR. Номинал резистора рассчитывается как (Напряжение питания - V_F) / I_F.
• Подтягивающий резистор на выходе: Подтягивающий резистор (R_L) необходим между V_OUT(вывод 6) и V_CC(вывод 8). Его номинал влияет как на скорость переключения, так и на нагрузочную способность выхода. В техническом описании указаны условия испытаний с R_L=4.1 кОм для 6N135 и 1.9 кОм для 6N136/EL450x. Меньшие значения увеличивают скорость, но также увеличивают рассеиваемую мощность.
• Блокировочные конденсаторы: Разместите керамический конденсатор 0.1 мкФ как можно ближе к выводам V_CCи GND на выходной стороне для подавления высокочастотных помех.
• Топология для высокого CMR: Для поддержания высокого коэффициента подавления синфазного сигнала минимизируйте паразитную ёмкость между входной и выходной сторонами на печатной плате. Держите дорожки по разные стороны барьера изоляции хорошо разделёнными.

6. Техническое сравнение и руководство по выбору

Основные различия внутри этой серии заключаются в коэффициенте передачи тока (CTR) и подавлении синфазного сигнала (CMR).

• 6N135 против 6N136/EL4502: 6N135 имеет более низкий минимальный CTR (7% против 19%). Это означает, что для достижения того же размаха выходного тока ему может потребоваться немного больший входной ток. 6N136/EL4502 обеспечивает лучший запас.
• EL4503 против остальных: EL4503 выделяется исключительно высокой помехоустойчивостью по синфазному сигналу (мин. 15 000 В/мкс). Это делает его предпочтительным выбором для применений с чрезвычайно высоким уровнем электрических помех, таких как частотно-регулируемые приводы (ЧРП) или промышленные контроллеры двигателей, где обычны быстрые скачки напряжения (dV/dt).
• Итог по выбору:
  • Для универсальной высокоскоростной развязки с хорошим CTR: Выбирайте 6N136 или EL4502.
  • Если стоимость является основным фактором, а более низкий CTR допустим: Может быть достаточно 6N135.
  • Для самых требовательных сред силовой электроники с высоким уровнем помех: EL4503 специально разработан для этой роли.

7. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Какое основное преимущество этой оптопары по сравнению со стандартной 4N35?

А: Скорость. Архитектура с отдельным выводом смещения (V_Bна 6N135/136) снижает внутреннюю ёмкость, позволяя работать на скорости 1 Мбит/с, тогда как стандартная оптопара на фототранзисторе, такая как 4N35, обычно ограничена скоростью ниже 100 кбит/с.

В: Могу ли я использовать один источник питания 5 В для обеих сторон?

А: Электрически — да, но это сводит на нет цель изоляции. Для истинной гальванической развязки входная сторона (светодиод) и выходная сторона (детектор, V_CC, GND) должны питаться от отдельных, не связанных между собой источников питания или от изолированного DC-DC преобразователя.

В: Почему рекомендуются два разных значения подтягивающего резистора (4.1 кОм против 1.9 кОм)?

А: Разные спецификации CTR устройств приводят к разным оптимальным рабочим точкам. 6N135, с более низким CTR, использует резистор большего номинала для ограничения выходного тока при заданном напряжении логического нуля, при этом достигая целевой скорости. 6N136/EL450x, с более высоким CTR, могут использовать резистор меньшего номинала, что может дополнительно улучшить скорость переключения.

В: Что означает "не содержит свинца и соответствует RoHS" для моего процесса сборки?

А: Это означает, что устройство изготовлено без свинца (Pb) и соответствует директиве об ограничении использования опасных веществ. Это позволяет использовать его в продуктах, продаваемых в регионах с такими экологическими нормами. Температурный режим пайки (260°C в течение 10 секунд) указан для бессвинцовых процессов.

8. Принцип работы

Транзисторная оптопара работает по принципу оптической развязки. Электрический ток, подаваемый на входную сторону, заставляет инфракрасный светодиод (LED) излучать свет. Этот свет проходит через небольшой зазор внутри корпуса и попадает в базовую область фототранзистора на выходной стороне. Падающие фотоны генерируют электрон-дырочные пары в базе, эффективно действуя как базовый ток. Этот "оптический базовый ток" открывает транзистор, позволяя значительно большему коллекторному току течь от V_CCк выходному выводу, который через транзистор подтягивается к низкому уровню. Когда входной ток равен нулю, светодиод выключен, свет не попадает на транзистор, и он остаётся в закрытом состоянии, позволяя внешнему резистору подтянуть выходной вывод к высокому уровню. Ключом к высокой скорости в этой серии является отдельное подключение внутреннего фотодиода, питающего базу транзистора, что минимизирует ёмкость Миллера, которая обычно замедляет фототранзисторы.

9. Упаковка и информация для заказа

Устройства следуют определённой системе нумерации:6N13XY(Z)-VилиEL450XY(Z)-V.

• X: Идентификатор номера детали (5 или 6 для серии 6N; 2 или 3 для серии EL450).
• Y: Вариант формы выводов.
  • Отсутствует: Стандартный DIP-8 (шаг между рядами 0.3"), упакован в трубки по 45 штук.
  • M: Широкая изгиб выводов (шаг 0.4"), упакован в трубки по 45 штук.
  • S: Форма выводов для поверхностного монтажа.
• Z: Вариант упаковки в ленту и на катушку (например, TA). Используется с опцией 'S' для SMD-компонентов, обычно 1000 штук на катушке.
• V: Необязательный суффикс, указывающий на наличие сертификата VDE.