Техническая документация на высокоскоростные транзисторные оптопары серии EL045X/EL050X (1 Мбит/с, корпус SO-8, напряжение 5В/15В/30В)

1. Обзор продукта

Серии EL045X и EL050X представляют собой высокоскоростные оптопары (оптроны) с транзисторным выходом, предназначенные для гальванической развязки сигналов в требовательных электронных схемах. Каждое устройство объединяет инфракрасный светодиод (LED), оптически связанный с высокоскоростным фотодетектором-транзистором. Ключевой конструктивной особенностью является наличие отдельных выводов для подачи смещения на фотодиод и коллектора выходного транзистора. Такая конструкция значительно повышает скорость переключения за счет уменьшения ёмкости база-коллектор входного транзистора по сравнению с обычными фототранзисторными оптопарами. Устройства выпускаются в компактном 8-выводном корпусе SOP, соответствующем стандартному форм-фактору SO-8, что делает их пригодными для применений с ограниченным пространством.

Основное преимущество серии заключается в сочетании высокой скорости передачи данных (до 1 Мбит/с) и надежной гальванической развязки. Они обладают высокой помехоустойчивостью к синфазным переходным процессам (CMTI), особенно вариант EL0453, для которого гарантируется минимум 15 кВ/мкс, что делает его идеальным для зашумленных сред, таких как приводы двигателей и импульсные источники питания. Серия характеризуется широким диапазоном рабочих температур, соответствием международным стандартам безопасности и экологическим нормам (UL, cUL, VDE, RoHS, Halogen Free, REACH) и доступна в различных градациях коэффициента передачи тока (CTR) для удовлетворения различных потребностей приложений.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельно допустимые параметры

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

• Вход (сторона светодиода):Максимальный постоянный прямой ток (I_F) составляет 25 мА. Он может выдерживать пиковый прямой ток (I_FP) 50 мА в импульсном режиме (скважность 50%, длительность импульса 1 мс). Очень высокий пиковый переходный ток (I_Ftrans) 1 А допускается для очень коротких импульсов (≤ 1 мкс, 300 имп/с). Максимальное обратное напряжение (V_R) равно 5 В.
• Выход (сторона детектора):Средний выходной ток (I_O(AVG)) не должен превышать 8 мА, с пределом пикового выходного тока (I_O(PK)) 16 мА. Выходное напряжение (V_O) может находиться в диапазоне от -0,5 В до +20 В, а напряжение питания (V_CC) — от -0,5 В до +30 В.
• Развязка и тепловые параметры:Устройства обеспечивают высокое напряжение изоляции (V_ISO) 3750 В_{ср. кв.}(испытание в течение 1 минуты). Диапазон рабочих температур (T_OPR) исключительно широк: от -55°C до +100°C. Максимальная температура пайки составляет 260°C в течение 10 секунд.

2.2 Электрические и передаточные характеристики

Эти параметры гарантируются в диапазоне рабочих температур от 0°C до 70°C, если не указано иное.

• Входные характеристики:Типичное прямое напряжение (V_F) светодиода составляет 1,45 В при прямом токе (I_F) 16 мА, максимум — 1,8 В. Прямое напряжение имеет отрицательный температурный коэффициент примерно -1,9 мВ/°C.
• Выходные характеристики:Ключевые параметры включают ток выхода в состоянии логической единицы (I_OH), который очень мал (уровень утечки, обычно 0,001 мкА при V_CC=5,5 В), и токи потребления в состояниях логического нуля (I_CCL, ~140 мкА) и логической единицы (I_CCH, ~0,01 мкА).
• Коэффициент передачи тока (CTR):Это критический параметр, определяющий эффективность оптопары. Серия предлагается в различных градациях CTR:
  • EL0500:CTR мин. 7%, макс. 50% (типовое испытание: I_F=16 мА, V_O=0,4 В).
  • EL0501 / EL0452 / EL0453:CTR мин. 19%, макс. 50% (типовое испытание: I_F=16 мА, V_O=0,4 В).
  Также указан более низкий гарантированный CTR при определенных условиях (например, 5% для EL0500, 15% для других при V_O=0,5 В), что обеспечивает функциональность в менее идеальных условиях.
• Выходное напряжение логического нуля (V_OL):Максимальное напряжение на выходе, когда устройство находится в состоянии "ВКЛ". Оно обычно составляет 0,18 В и гарантированно ниже 0,4 В или 0,5 В в зависимости от тока нагрузки (I_O).

2.3 Коммутационные характеристики

Измеренные в стандартных условиях (I_F=16 мА, V_CC=5 В, T_A=0 до 70°C), эти параметры определяют скорость устройства.

• Время задержки распространения:
  • EL0500:Время задержки распространения до логического нуля (t_PHL) и до логической единицы (t_PLH) составляет максимум 2,0 мкс с нагрузочным резистором (R_L) 4,1 кОм.
  • EL0501 / EL0452 / EL0453:Более быстрое переключение с t_PHLи t_PLHмаксимум 1,0 мкс при использовании нагрузочного резистора 1,9 кОм.
• Помехоустойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI):Этот параметр измеряет способность устройства подавлять быстрые переходные напряжения между землями входа и выхода. Это важнейший параметр для помехоустойчивости в изолированных системах.
  • EL0453:Обеспечивает превосходные характеристики сгарантированным минимумомCMTI 15 000 В/мкс при синфазном напряжении (V_CM) 1500 В от пика до пика.
  • EL0500 / EL0501 / EL0452:Имеюттипичноезначение CMTI 1 000 В/мкс при V_CM=10 В пик-пик.
  CMTI указывается отдельно для состояния выхода, удерживаемого на логической единице (CM_H) и логическом нуле (CM_L).

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены ссылки на типичные электрооптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не предоставлены в тексте, стандартные кривые для таких устройств обычно включают:

• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока (I_F):Показывает, как эффективность изменяется с током светодиода, обычно достигая пика при определенном I_F.
• CTR в зависимости от температуры окружающей среды (T_A):Иллюстрирует температурную зависимость эффективности связи, которая обычно снижается с повышением температуры.
• Время задержки распространения в зависимости от нагрузочного сопротивления (R_L):Демонстрирует, как на скорость переключения влияет выходная нагрузка.
• Прямое напряжение (V_F) в зависимости от прямого тока (I_F):Стандартная ВАХ входного светодиода.
• Напряжение насыщения на выходе в зависимости от выходного тока:Показывает зависимость напряжения коллектор-эмиттер от тока, когда фототранзистор находится в насыщении.

Эти кривые необходимы разработчикам для оптимизации работы схемы, выбора подходящих рабочих точек и понимания поведения устройства в нестандартных условиях.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Распиновка и назначение выводов

Устройство использует 8-выводный корпус SOP. Существует две основные конфигурации распиновки, соответствующие разным номерам деталей:

• Для EL0500 / EL0501:
  1. Не подключен
  2. Анод (LED +)
  3. Катод (LED -)4. Не подключен5. Земля (GND)6. Выход (V_OUT)7. Напряжение смещения (V_B) — Этот вывод является ключевым для повышения скорости.8. Напряжение питания (V_CC)
• Для EL0452 / EL0453:
  1. Не подключен
  2. Анод (LED +)
  3. Катод (LED -)4. Не подключен5. Земля (GND)6. Выход (V_OUT)7. Не подключен8. Напряжение питания (V_CC)

Наличие вывода V_B(вывод 7) в EL0500/01 позволяет осуществлять внешнее смещение фотодиода, что является механизмом достижения более высокой скорости. В вариантах EL0452/43 эта цепь смещения, вероятно, сконфигурирована внутри.

5. Рекомендации по применению

5.1 Типовые схемы включения

Техническое описание включает справочные испытательные схемы для измерения времени переключения и помехоустойчивости к синфазным переходным процессам (Рисунки 8 и 9). Эти схемы служат руководством для реализации:

• Схема испытания времени переключения:Обычно включает в себя управление входным светодиодом от генератора импульсов через токоограничивающий резистор. Выход подключен к V_CCчерез подтягивающий резистор (R_L= 4,1 кОм или 1,9 кОм, как указано) и контролируется осциллографом. Время задержки распространения измеряется между точками 50% входного и выходного сигналов.
• Схема испытания на помехоустойчивость:Предполагает подачу высоковольтного, быстро нарастающего синфазного импульса (V_CM) между замкнутыми входными выводами (1-4) и замкнутыми выходными выводами (5-8). Состояние выхода контролируется, чтобы убедиться, что оно не переключается ложно из-за переходного процесса.

5.2 Особенности проектирования

• Ограничение тока светодиода:Внешний резистор должен быть использован последовательно со входным светодиодом для установки прямого тока (I_F). Его значение рассчитывается на основе напряжения питания, прямого напряжения светодиода (V_F) и желаемого I_F(часто 16 мА для оптимальной скорости/CTR).
• Нагрузочный резистор на выходе (R_L):Выбор подтягивающего резистора влияет на скорость переключения, потребляемую мощность и логические уровни. Меньшее значение R_Lобеспечивает более быстрые времена нарастания, но увеличивает рассеиваемую мощность, когда выход находится в низком состоянии. В техническом описании указаны условия испытаний с R_L=4,1 кОм для EL0500 и 1,9 кОм для других.
• Помехоустойчивость:Для применений в условиях сильных электрических помех (приводы двигателей, промышленные системы управления) критически важно выбирать вариант EL0453 из-за его высокого гарантированного CMTI. Также важна правильная разводка печатной платы с короткими дорожками и блокировочными конденсаторами вблизи выводов устройства.
• Деградация CTR:Как и у всех оптопар, CTR этих устройств со временем постепенно уменьшается, особенно при работе при высоких температурах и высоких токах светодиода. Проектирование должно включать достаточный запас, чтобы обеспечить функциональность схемы в течение предполагаемого срока службы изделия.

6. Техническое сравнение и руководство по выбору

Серия EL045X/EL050X предлагает ряд вариантов, адаптированных для различных потребностей:

• EL0500 против EL0501 / EL0452 / EL0453:Основное различие заключается в коэффициенте передачи тока (CTR). EL0500 имеет более низкий минимальный CTR (7% против 19%), что делает его подходящим для применений, где входной ток управления может быть выше. Другие предлагают более высокую чувствительность.
• EL0453 против других:EL0453 выделяется благодаря своемугарантированному минимумупомехоустойчивости к синфазным переходным процессам 15 кВ/мкс. Это делает его предпочтительным выбором для применений с высоким уровнем помех, таких как цепи обратной связи импульсных источников питания или драйверы затворов инверторов приводов двигателей, где обычны скачки напряжения. Другие варианты имеют типичное значение CMTI 1000 В/мкс.
• Распиновка:EL0500/01 имеют активный вывод V_B(7), тогда как у EL0452/43 он обозначен как NC. Это отражает внутренние архитектурные различия для оптимизации скорости.

Итог по выбору:Выбирайте EL0453 для наивысшей помехоустойчивости. Выбирайте EL0501/EL0452 для более высокой чувствительности и стандартной скорости. Выбирайте EL0500 для экономически чувствительных применений, где допустим более низкий CTR, а ток управления не является ограничением.

7. Информация о упаковке и заказе

Устройства доступны в различных вариантах упаковки для удовлетворения производственных потребностей.

• Стандартная упаковка:100 штук в тубе.
• Варианты на ленте и в катушке:Доступны в типах катушек TA или TB, содержащих 2000 штук на катушке. Это подходит для автоматизированного поверхностного монтажа.
• Опция VDE:Детали могут быть заказаны с сертификацией VDE (обозначается суффиксом "-V").
• Система нумерации деталей:Номер детали следует формату: EL050X(Z)-V или EL045X(Z)-V, где:
  • X = Номер устройства (0,1 для EL050x; 2,3 для EL045x).
  • Z = Опция ленты и катушки (TA, TB или пусто для тубы).
  • -V = Опциональная сертификация VDE.
  Пример: EL0453(TA)-V обозначает устройство EL0453 в упаковке на ленте и в катушке TA с одобрением VDE.

8. Принцип работы

Устройство работает по принципу оптической связи для гальванической развязки. Электрический сигнал, подаваемый на входную сторону, заставляет инфракрасный светодиод излучать свет, пропорциональный току. Этот свет проходит через изолирующий зазор (обычно прозрачный диэлектрик) и попадает на фотодетектор на выходной стороне. В этой серии детектором является фоточувствительный диод, подключенный к базе высокоскоростного транзистора. Отдельный вывод смещения (V_Bв некоторых вариантах) позволяет предварительно смещать фотодиод, что минимизирует его барьерную ёмкость. Когда свет попадает на фотодиод, он генерирует ток, который непосредственно управляет базой транзистора, включая его. Эта конструкция позволяет избежать большой ёмкости Миллера, связанной с переходом база-коллектор стандартного фототранзистора, обеспечивая гораздо более высокие скорости переключения — до 1 Мбит/с. Оптический путь обеспечивает гальваническую развязку, блокируя высокие напряжения (до 3750 В_{ср. кв.}) и подавляя синфазные помехи между входными и выходными цепями.

9. Области применения

• Цепи обратной связи импульсных источников питания (SMPS):Обеспечение изолированной обратной связи по напряжению со вторичной стороны на контроллер первичной стороны, требующее как скорости для стабильности контура, так и высокого CMTI для противостояния коммутационным помехам.
• Гальваническая развязка в инверторах приводов двигателей:Изоляция сигналов управления затворами IGBT или MOSFET в частотно-регулируемых приводах. Высокий CMTI EL0453 здесь необходим для предотвращения ложного срабатывания от переходных процессов с высоким dv/dt.
• Промышленные интерфейсы связи:Использование в качестве линейных приемников для изолированных сетей RS-485, CAN или Profibus, защищая чувствительные логические схемы от контурных токов и перенапряжений.
• Телекоммуникационное оборудование:Обеспечение развязки сигналов в линейных картах или интерфейсных модулях.
• Замена низкоскоростных фототранзисторных оптопар:Модернизация существующих конструкций для достижения более высоких скоростей передачи данных без изменения посадочного места на плате (совместимость с SO-8).
• Управление бытовой техникой:Изоляция микроконтроллеров пользовательского интерфейса от силовых коммутационных секций (например, в стиральных машинах, кондиционерах).

10. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: В чем основное различие между EL0500 и EL0501?

О1: Основное различие заключается в гарантированном минимальном коэффициенте передачи тока (CTR). EL0500 имеет более низкий минимальный CTR (7% при указанных условиях) по сравнению с EL0501 (19%). Это означает, что EL0501 более чувствителен и может работать с немного меньшим входным током светодиода для достижения того же выхода, но EL0500 может быть достаточным и более экономически эффективным в схемах, рассчитанных на более высокие токи управления.

В2: Когда следует специально выбирать вариант EL0453?

О2: Вам следует выбрать EL0453, когда ваше приложение работает в среде с очень высоким уровнем электрических помех и быстрыми переходными напряжениями между изолированными землями. Егогарантированный минимумпомехоустойчивости к синфазным переходным процессам 15 кВ/мкс делает его необходимым для надежной работы в приводах двигателей, мощных импульсных источниках питания или промышленных системах управления, где другие варианты могут испытывать ложные переключения.

В3: Как выбрать значение токоограничивающего резистора для светодиода (R_series)?

О3: Используйте закон Ома: R_series= (V_supply- V_F) / I_F. V_F— прямое напряжение светодиода (используйте 1,8 В макс. для запаса по проектированию). I_F— ваш желаемый рабочий ток (16 мА — типовое испытательное условие для оптимальной производительности). Для питания 5 В: R_series≈ (5В - 1,8В) / 0,016А ≈ 200 Ом. Всегда проверяйте рассеиваемую мощность на резисторе.

В4: Можно ли использовать эти оптопары для развязки аналоговых сигналов?

О4: Хотя это возможно, они в первую очередь предназначены для развязки цифровых (вкл/выкл) сигналов из-за их транзисторного выхода и нелинейных характеристик CTR. Для линейной аналоговой развязки более подходящим выбором будет специализированный линейный оптрон или изолирующий усилитель.

В5: Каково назначение вывода V_Bна EL0500/01?

О5: Вывод V_Bиспользуется для подачи напряжения смещения на внутренний фотодиод. Правильное смещение фотодиода уменьшает его барьерную ёмкость, которая является основным фактором, ограничивающим скорость. Эта внешняя цепь смещения и обеспечивает высокоскоростные характеристики (1 Мбит/с) этих устройств по сравнению с простыми фототранзисторными оптопарами.