Техническая документация на высокоскоростные транзисторные оптопары ELW135, ELW136, ELW4503 в корпусе 8-DIP (широкий) с пропускной способностью 1 Мбит/с

1. Обзор продукта

ELW135, ELW136 и ELW4503 — это высокоскоростные транзисторные оптопары (оптоизоляторы), предназначенные для применений, требующих быстрой гальванической развязки сигналов. Каждое устройство содержит инфракрасный светодиод, оптически связанный с высокоскоростным фототранзистором. Ключевая конструктивная особенность — наличие отдельного вывода для подачи смещения на фотодиод и коллектора выходного транзистора. Такая конструкция значительно повышает скорость переключения за счет уменьшения ёмкости база-коллектор входного транзистора, обеспечивая производительность на несколько порядков выше, чем у обычных оптопар на фототранзисторах. Устройства выпускаются в 8-выводном широком корпусе DIP (Dual In-line Package), доступны как для монтажа в отверстия (с увеличенным шагом выводов), так и в SMD-исполнении.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Основное преимущество данного семейства продуктов — сочетание высокой скорости (скорость передачи данных 1 Мбит/с) и надёжной гальванической развязки (5000 В_{ср. кв.}). Это делает их подходящими для замены более медленных оптопар на фототранзисторах в современных цифровых системах. Они рассчитаны на стабильную работу в широком диапазоне температур от -55°C до +100°C, с гарантированными характеристиками в диапазоне от 0°C до 70°C. Ключевые области применения: приёмники линий в интерфейсах связи, развязка для силовых транзисторов в схемах управления двигателями, цепи обратной связи в импульсных источниках питания (SMPS), высокоскоростная гальваническая развязка логических цепей, телекоммуникационное оборудование и различная бытовая техника. Устройства соответствуют директивам по отсутствию свинца (Pb-free) и RoHS, а также имеют сертификаты ведущих международных агентств по безопасности, включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO и FIMKO.

2. Подробный анализ технических параметров

В данном разделе представлен объективный анализ электрических и эксплуатационных параметров, указанных в техническом описании.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Абсолютные максимальные параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Это не рабочие условия.

• Вход (светодиод):Номинальный постоянный прямой ток (I_F) составляет 25 мА. В импульсном режиме допускается пиковый прямой ток (I_FP) 50 мА при скважности 50% и длительности импульса 1 мс. Очень высокий пиковый переходный ток (I_Ftrans) в 1 А допустим для очень коротких импульсов (≤1 мкс) при низкой частоте повторения (300 Гц), что полезно для испытаний на устойчивость к перенапряжениям. Максимальное обратное напряжение (V_R) на светодиоде составляет 5 В.
• Выход (фототранзистор):Для ELW135/136 обратное напряжение эмиттер-база (V_EBR) равно 5 В, а ток базы (I_B) ограничен 5 мА — это важно, если вывод базы используется внешне. Средний выходной ток (I_O(AVG)) составляет 8 мА, пиковый (I_O(PK)) — 16 мА. Выходное напряжение (V_O) может изменяться от -0,5 В до +20 В относительно земли выходной стороны.
• Система:Напряжение питания (V_CC) выходной стороны может находиться в диапазоне от -0,5 В до +30 В. Напряжение изоляции (V_ISO) составляет 5000 В_{ср. кв.}, прикладываемое в течение одной минуты между входной и выходной сторонами (выводы 1-4 соединены вместе против выводов 5-8). Устройство можно паять при температуре 260°C до 10 секунд.

2.2 Электрические и передаточные характеристики

Эти параметры гарантируются в рабочем диапазоне температур (от 0°C до 70°C), если не указано иное, типовые значения приведены при 25°C.

• Входной светодиод:Прямое напряжение (V_F) обычно составляет 1,45 В при I_F=16 мА, максимум 1,8 В. Имеет отрицательный температурный коэффициент примерно -1,9 мВ/°C.
• Тёмный ток выхода:Ток выхода в состоянии логической единицы (I_OH), по сути ток утечки или "тёмный" ток фототранзистора, очень мал (макс. 1 мкА при V_CC=15 В, 25°C), что обеспечивает хорошую изоляцию в выключенном состоянии.
• Ток потребления:Ток потребления в состоянии логического нуля (I_CCL) обычно составляет 110 мкА при включённом светодиоде (I_F=16 мА), тогда как ток потребления в состоянии логической единицы (I_CCH) обычно равен 0,01 мкА при выключенном светодиоде.
• Коэффициент передачи тока (КТП, CTR):Это критически важный параметр, определяющий эффективность оптопары. ELW135 имеет диапазон КТП от 7% до 50% (мин. до макс.), в то время как ELW136 и ELW4503 имеют диапазон от 19% до 50%. Условия испытаний: I_F=16 мА, V_O=0,4 В, V_CC=4,5 В при 25°C. В техническом описании также указаны минимальные значения КТП: 5% для ELW135 и 15% для ELW136/ELW4503 при несколько иных условиях (V_O=0,5 В), что важно для запаса по проектированию.
• Выходное напряжение логического нуля (V_OL):Это напряжение насыщения выходного транзистора. Для ELW135 при I_O=1,1 мА, V_OLобычно равно 0,18 В (макс. 0,4 В). Для ELW136/ELW4503 при I_O=3 мА, V_OLобычно равно 0,25 В (макс. 0,4 В). Эти низкие значения крайне важны для достижения хороших помехоустойчивости в цифровых логических интерфейсах.

2.3 Коммутационные характеристики

Коммутационные характеристики измеряются при I_F=16 мА и V_CC=5 В. Значение нагрузочного резистора (R_L) различается между моделями в соответствии с их КТП и выходной нагрузочной способностью.

• Время задержки распространения:
  • ELW135:Время задержки распространения до логического нуля (t_PHL) обычно составляет 0,36 мкс (макс. 2,0 мкс) при R_L=4,1 кОм. Время задержки распространения до логической единицы (t_PLH) обычно составляет 0,45 мкс (макс. 2,0 мкс).
  • ELW136 / ELW4503:Эти более быстрые варианты имеют t_PHLобычно 0,32 мкс (макс. 1,0 мкс) и t_PLHобычно 0,25 мкс (макс. 1,0 мкс) при R_L=1,9 кОм.
• Помехоустойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI):Этот параметр характеризует способность устройства подавлять быстрые переходные напряжения между землями входа и выхода. Указывается в В/мкс.
  • ELW135/136:Оба имеют минимальный CMTI 1000 В/мкс для обоих выходных состояний, испытания проводятся синфазным импульсом 10 В_п-п.
  • ELW4503:Эта модель обладает превосходной помехоустойчивостью с минимальным CMTI 15 000 В/мкс, испытания проводятся гораздо более мощным импульсом 1500 В_п-п. Это делает её особенно подходящей для сред с высоким уровнем помех, таких как приводы двигателей.

3. Распиновка и функциональные различия

8-выводный корпус DIP имеет стандартную распиновку с одним ключевым различием между типами устройств.

• Выводы 1 и 4:Не подключены (NC) на всех моделях.
• Выводы 2 и 3:Анод и катод входного светодиода соответственно.
• Вывод 5:Земля (GND) выходной стороны.
• Вывод 6:Выходное напряжение (V_OUT), коллектор фототранзистора.
• Вывод 7:Этот вывод различается. ДляELW135 и ELW136, это напряжение смещения фотодиода (V_B). Подключение этого вывода необходимо для достижения высокоскоростной работы. ДляELW4503, вывод 7 не подключен (NC). Высокоскоростное смещение, вероятно, реализовано внутри ELW4503.
• Вывод 8:Напряжение питания (V_CC) выходной стороны.

На принципиальных схемах показано внутреннее соединение: фотодиод (который управляет базой транзистора) подключен между выводом 7 (V_B) и выводом 6 (V_OUT/Коллектор). Эмиттер фототранзистора подключен к выводу 5 (GND).

4. Рекомендации по применению

4.1 Типовые схемы включения

Эти оптопары идеально подходят для гальванической развязки цифровых сигналов. Типовая схема включает подключение входного светодиода последовательно с токоограничивающим резистором к выходу микроконтроллера или логического элемента. На выходной стороне нагрузочный резистор (R_L) подключается между V_CC(вывод 8) и V_OUT(вывод 6). Значение R_Lдолжно быть выбрано на основе требуемой скорости переключения, выходного тока и КТП устройства, как указано в таблицах технического описания (например, 4,1 кОм для ELW135, 1,9 кОм для ELW136/4503 для коммутационных испытаний). Для ELW135/136 вывод 7 (V_B) должен быть подключен, часто к V_CCчерез резистор или напрямую, в зависимости от требуемого смещения для баланса скорости и чувствительности.

4.2 Особенности проектирования и примечания

• Компромисс скорость/КТП:Отдельный вывод базы (вывод 7) позволяет пожертвовать частью КТП для увеличения скорости за счёт регулировки смещения фотодиода. Коммутационные характеристики в описании приведены для конкретных условий.
• Выбор модели:Выбирайте ELW135 для универсальных, чувствительных к стоимости применений на 1 Мбит/с. ELW136 предлагает более высокий минимальный КТП для большего запаса в проектах, требующих большей выходной токовой нагрузки. ELW4503 — премиальный выбор для сред с чрезвычайно высоким уровнем электрических помех (например, промышленное управление двигателями, инверторы) благодаря исключительному CMTI >15 кВ/мкс.
• Рассеиваемая мощность:Убедитесь, что входная мощность (I_F* V_F) не превышает 45 мВт, а выходная мощность — 100 мВт, с учётом температуры окружающей среды.
• Разводка для изоляции:Для сохранения высокого номинального напряжения изоляции обеспечьте достаточные расстояния утечки и воздушные зазоры на печатной плате между дорожками входной стороны (выводы 1-4) и выходной стороны (выводы 5-8). Часто рекомендуется делать прорезь или барьер на плате под корпусом устройства.

5. Корпус и информация для заказа

Устройства доступны в различных вариантах корпусов, обозначаемых суффиксом в номере детали.

Формат номера детали:ELW13XY(Z)-Vили ELW4503Y(Z)-V

• X= Идентификатор номера детали (5 для ELW135, 6 для ELW136).
• Y= Вариант выводов: 'S' для выводов под поверхностный монтаж, без обозначения — стандартный DIP.
• Z= Вариант упаковки в ленту и на катушку: 'TA' или 'TB', без обозначения — упаковка в трубку.
• V= Опциональная маркировка одобрения VDE.

Количество в упаковке:Стандартные корпуса DIP-8 поставляются в трубках по 40 штук. Вариант для поверхностного монтажа в ленте на катушке ('S(TA)') поставляется на катушках по 500 штук.

6. Техническое сравнение и ЧАВО

6.1 Различия между моделями

Основные различия — коэффициент передачи тока (КТП) и помехоустойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI). ELW135 имеет самый низкий гарантированный КТП (7-50%), ELW136 — более высокий минимальный КТП (19-50%), а ELW4503 соответствует КТП ELW136, но обладает значительно превосходящим рейтингом CMTI (>15 кВ/мкс против 1 кВ/мкс). У ELW4503 также вывод 7 является NC, что упрощает внешнюю схему по сравнению с ELW135/136, требующими подключения вывода 7.

6.2 Часто задаваемые вопросы по параметрам

• В: Какова максимальная достижимая скорость передачи данных?О: Устройства характеризуются для работы на скорости 1 Мбит/с на основе спецификаций времени задержки распространения. Фактическая максимальная скорость зависит от конкретной схемотехники, включая R_Lи условия входного управления.
• В: Можно ли использовать V_CC?О: Электрические характеристики испытаны при V_CC=4,5 В и 5 В. Хотя абсолютный максимум допускает снижение до -0,5 В, работа при 3,3 В может быть возможна, но производительность (например, V_OLи времена переключения) следует проверить в реальных условиях при более низком V_CC, так как это не полностью охарактеризовано в предоставленном техническом описании.
• В: Почему вывод 7 (V_B) важен для ELW135/136?О: Подключение вывода 7 обеспечивает низкоомный путь для удаления заряда с перехода фотодиод/база, что резко снижает эффект ёмкости Миллера и позволяет достичь высокоскоростного переключения. Если его оставить неподключённым, производительность будет аналогична медленной обычной оптопаре на фототранзисторе.
• В: Как обеспечить изоляцию 5000 В_{ср. кв.}в моей конструкции?О: Сам компонент рассчитан на это. Разработчик системы должен обеспечить, чтобы разводка печатной платы сохраняла достаточные расстояния утечки/воздушные зазоры (например, >8 мм для усиленной изоляции при таком уровне напряжения согласно стандартам безопасности) между всеми входными и выходными цепями, включая пространство под корпусом компонента.

7. Принцип работы

Основной принцип — оптоэлектронная развязка. Электрический сигнал, подаваемый на входной светодиод, заставляет его излучать инфракрасный свет. Этот свет проходит через оптически прозрачный, но электрически изолирующий барьер (обычно формовочная масса или воздушный зазор) внутри корпуса. Свет детектируется фотодиодом на выходной стороне, который генерирует фототок. В этих высокоскоростных устройствах этот фототок непосредственно модулирует базу интегрированного биполярного транзистора. Ключ к высокой скорости — отдельный доступ к фотодиоду (вывод 7 на ELW135/136), который позволяет быстро заряжать/разряжать ёмкость фотодиода, минимизируя время накопления в транзисторе и, следовательно, уменьшая время задержки распространения и фронтов.