Техническая документация на оптопары с фототранзистором серии EL111X-G - корпус SOP с 5 выводами - расстояние утечки 8 мм - напряжение изоляции 5000 В среднеквадр. - Технический документ на упрощенном китайском

1. Обзор продукта

Серия EL111X-G представляет собой оптопары (оптроны) на основе фототранзисторов, разработанные для применений, требующих надежной гальванической развязки и передачи сигналов между цепями с разными потенциалами. Основная функция устройства заключается в использовании света для передачи электрических сигналов, обеспечивая гальваническую развязку между входной стороной (инфракрасный излучающий диод) и выходной стороной (фотодетектор на фототранзисторе). Такая развязка имеет решающее значение для защиты чувствительных цепей от высокого напряжения, шумов и контуров заземления.

该系列的特点是采用紧凑的5引脚小外形封装（SOP），高度仅为2.0毫米，适合空间受限的PCB设计。一个关键的区分特征是8毫米的长爬电距离，通过增加沿封装体表面的导电部件之间的距离，提高了高压环境下的可靠性和安全性。器件采用不含卤素（溴<900 ppm，氯<900 ppm，Br+Cl<1500 ppm）和三氧化二锑（Sb2O3）的复合材料制造，符合环境和安全法规。

2. Подробные технические характеристики

2.1 Абсолютные максимальные номинальные значения

Эти номинальные значения определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в этих условиях не гарантирует производительности.

• Входной прямой ток (IF):60 мА (постоянный). Для импульса длительностью 1 мкс пиковый прямой ток значительно выше и составляет 1.5 А, что допускает кратковременное превышение тока во время переключения.
• Входное обратное напряжение (VR):6 В. Превышение этого напряжения при обратном смещении может повредить входной светодиод.
• Выходное напряжение коллектор-эмиттер (VCEO):80 В. Это максимальное напряжение, которое можно приложить к выходному транзистору при разомкнутом базовом выводе.
• Выходной ток коллектора (IC):50 мА.
• Общая рассеиваемая мощность (PTOT):250 мВт. Это максимальная общая потребляемая мощность с обеих сторон, входной и выходной.
• Изоляционное напряжение (VISO):5000 V_СКЗ(в течение 1 минуты при относительной влажности 40-60%). Это ключевой параметр безопасности, при тестировании входные контакты (1,2) закорачиваются вместе, а выходные контакты (3,4,5) закорачиваются вместе.
• Рабочая температура (TOPR):-55°C до +110°C.
• Температура пайки (TSOL):260°C в течение 10 секунд, соответствует типичному температурному профилю оплавления.

2.2 Оптоэлектронные характеристики

Эти параметры определяют характеристики устройства в нормальных рабочих условиях (если не указано иное, Ta=25°C).

2.2.1 Входные характеристики (инфракрасный светодиод)

• Прямое напряжение (VF):При IF = 50 мА, максимальное значение составляет 1.5 В. Типичное значение ниже, примерно в диапазоне 1.1-1.3 В.
• Обратный ток (IR):При VR = 6 В максимальное значение составляет 10 мкА.
• Входная емкость (C_in):При частоте 1 кГц типичное значение составляет 50 пФ. Это влияет на высокочастотные коммутационные характеристики.

2.2.2 Выходные характеристики (фототранзистор)

• Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO):В V_CE= 20В, I_FПри I = 0 мА максимальное значение составляет 100 нА. Это ток утечки при выключенном светодиоде.
• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (BV_CEO):При I_C= 0.1 мА минимальное значение составляет 80 В.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat)):При I_F= 10mA, I_C= 1mA, максимальное значение составляет 0,4 В. Для выходного каскада, управляющего логическими уровнями, желательно низкое напряжение насыщения.

2.2.3 Передаточные характеристики

Эти параметры описывают эффективность и скорость связи между входом и выходом.

• Коэффициент передачи тока (CTR):Это коэффициент тока коллектора (I_C) к току прямого смещения (I_F), выраженный в процентах. Серия EL111X-G предлагает несколько градаций CTR, каждая из которых имеет указанный минимальный/максимальный диапазон при заданных условиях испытаний. Это позволяет разработчикам выбирать приборы с согласованным коэффициентом усиления для своих приложений.
  • EL1110, EL1116, EL1117, EL1118, EL1119:При I_F= 5 мА, V_CE= 5 В. Диапазон варьируется от 50-600% (EL1110) до 200-400% (EL1119).
  • EL1112, EL1113, EL1114:При I_F= 10 мА, V_CE= 5V. Диапазоны составляют 63-125%, 100-200% и 160-320% соответственно. Эти устройства также имеют_F= 1mA.
• Сопротивление изоляции (R_IO):При напряжении 500 В постоянного тока минимальное значение составляет 5 x 10¹⁰Ω. Это указывает на чрезвычайно высокое сопротивление постоянному току между изолированными сторонами.
• Плавающая ёмкость (C_IO):При частоте 1 МГц максимальное значение составляет 1,0 пФ. Такая низкая ёмкость способствует сохранению высокой устойчивости к синфазным переходным помехам (CMTI) за счёт минимизации ёмкостной связи шума.
• Время переключения:В V_CE= 5V, I_C= 5mA, R_LИзмерение при условии = 100Ω.
  • Время включения (t_on):Типичное значение 4 мкс.
  • Время выключения (t_{Выключено}):Типичное значение 3 мкс.
  • Время нарастания (t_r):Типичное значение 2 мкс, максимальное значение 18 мкс.
  • Время спада (t_f):Типичное значение 3 мкс, максимальное значение 18 мкс.
  Эти временные параметры определяют способность устройства следовать за цифровым сигналом. Максимальные пределы гарантируют функциональность во всем диапазоне температур и производственных вариаций.

3. Описание системы классификации

Основная система классификации серии EL111X-G основана наКоэффициенте передачи тока (CTR). Различные обозначения компонентов (обозначаемые 'X' в EL111X) соответствуют условиям при стандартных условиях (I_F=5 мА или 10 мА, V_CE=5 В) измеренный конкретный, гарантированный диапазон КТП. Это позволяет разработчикам:

1. Обеспечить стабильность схемы:Выбор более узкого диапазона КТП (например, EL1117: 80-160%) обеспечивает более предсказуемый выходной ток для заданного входного тока, снижая потребность в цепях смещения с широкими допусками.
2. Оптимизация энергопотребления:Для требуемого выходного тока можно использовать более низкий входной ток светодиода для управления устройством с более высоким КТП (например, EL1119), что позволяет экономить мощность на первичной стороне.
3. Соответствие проектным требованиям:Различные приложения могут требовать различного усиления. Логические интерфейсные схемы могут использовать стандартные устройства CTR, в то время как передача аналоговых сигналов может выиграть от более высоких и линейных устройств CTR.

Информация для заказа явно определяет эту градацию через символ 'X' (0, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9).

4. Анализ кривых производительности

Хотя в техническом описании приведены конкретные графические кривые ("Типичные оптоэлектронные характеристики"), типичное поведение можно описать на основе принципа работы оптопары с фототранзистором:

• Зависимость CTR от прямого тока (I_F):CTR не является постоянной величиной. Обычно он достигает пика при средних прямых токах (для таких устройств обычно около 5-10 мА) и может снижаться при очень низких или очень высоких токах из-за эффективности светодиода и эффекта насыщения транзистора.
• Зависимость CTR от температуры:CTR обычно имеет отрицательный температурный коэффициент; он снижается с повышением температуры перехода. Конструкторы должны учитывать это снижение во всем рабочем температурном диапазоне.
• Выходной ток (I_C) и напряжения коллектор-эмиттер (V_CE):При фиксированном токе светодиода фототранзистор ведёт себя как источник тока до входа в насыщение. Область насыщения характеризуется низким значением V_CE(sat), как указано в спецификации.
• Время переключения и нагрузочное сопротивление (R_L):Время переключения (t_r, t_f) в значительной степени зависит от нагрузочного сопротивления и любой паразитной емкости. Меньшее значение R_Lобычно обеспечивает меньшее время спада, но уменьшает выходной размах и увеличивает энергопотребление.

5. Механические и корпусные данные

Устройство выполнено в 5-выводном корпусе SOP (малогабаритный корпус) высотой 2,0 мм. Конфигурация выводов стандартизирована:

1. Анод (вход LED+)
2. Катод (вход LED-)
3. Эмиттер (фототранзистор)
4. Коллектор (фототранзистор)
5. База (фототранзистор, обычно оставлена открытой или подключена для технологии ускорения)

Корпус включает в себяРекомендуемая конфигурация контактных площадок, предназначенная для поверхностного монтажа, что критически важно для обеспечения надежного паяного соединения и надлежащей механической стабильности в процессе оплавления.8-миллиметровое расстояние утечкиЭто физическая конструктивная особенность корпусной формы, которая увеличивает поверхностное расстояние между входными и выходными выводами, напрямую способствуя достижению высокого номинального значения изоляции 5000Vrms и соответствию стандартам безопасности.

6. Руководство по сварке и сборке

Максимальная номинальная температура пайки для данного прибора составляет 260°C в течение 10 секунд. Это соответствует стандартному температурному профилю бессвинцовой оплавленной пайки (IPC/JEDEC J-STD-020). Ключевые моменты, требующие внимания, включают:

• Используйте рекомендуемую геометрию контактных площадок на печатной плате для предотвращения эффекта "гробницы" или смещения компонента.
• Избегайте нанесения избыточного количества паяльной пасты, что может привести к образованию перемычек между выводами или сокращению пути утечки.
• Соблюдайте стандартные процедуры обработки для уровня влагочувствительности (MSL) пластикового корпуса; если компонент подвергался воздействию влажности, превышающей его номинальный срок хранения, обычно требуется его прогрев (сушка).
• Диапазон температур хранения составляет от -55°C до +125°C.

7. Информация об упаковке и заказе

Данный продукт предлагает различные варианты упаковки для адаптации к различным масштабам производства:

• Тубусная упаковка:100 единиц в тубусе (стандартная или с опцией VDE).
• Упаковка в рулонной ленте:3000 единиц в рулоне. Предлагаются два варианта рулонной ленты (TA, TB), которые могут отличаться по ширине ленты или ориентации компонентов. Оба варианта могут быть совмещены с опцией сертификации безопасности VDE.

КомпонентСтруктура нумерацииФормат: EL111X(Y)-VG

• EL111:Базовый номер компонента.
• X:Уровень CTR (0,2,3,4,6,7,8,9).
• Y:Вариант поставки (на катушке TA, TB или в трубке, оставить пустым).
• V:Опциональная маркировка безопасности VDE.
• G:Указывает на бесгалогенную конструкцию.

Маркировка устройства на корпусе включает год и неделю производства, номер устройства и опциональный индикатор VDE.

8. Рекомендации по применению

8.1 Типичные сценарии применения

• Модули ввода/вывода программируемого логического контроллера (PLC):Обеспечивают гальваническую развязку цифровых сигналов от полевых датчиков/исполнительных механизмов с центральным процессорным блоком.
• Импульсный источник питания:Обеспечивает гальваническую развязку обратной связи в обратноходовых или других изолированных топологиях преобразователей.
• Промышленный интерфейс связи:Изоляция линий последовательных шин, таких как RS-485, CAN или других, для предотвращения контурных токов и повышения помехоустойчивости.
• Медицинское оборудование:Изоляция цепей, подключенных к пациенту, от частей, питающихся от сети переменного тока, где критически важна безопасная изоляция.
• Управление бытовой техникой:В приборах, таких как вентиляторы и обогреватели, изоляция низковольтных сигналов микроконтроллера от цепей переменного тока двигателей или нагревателей, управляемых симисторами.
• Измерительные приборы:Изоляция аналоговых каскадов формирования сигналов от системы сбора данных.

8.2 Особенности проектирования

• Ограничение входного тока:Всегда используйте последовательный резистор для ограничения прямого тока светодиода (I_F) ограничивается до требуемого значения, рассчитываемого по формуле (напряжение питания - V_F) / I_F. Не превышайте абсолютные максимальные номинальные значения.
• Деградация CTR:Обратите внимание, что коэффициент передачи тока (CTR) может снижаться в течение срока службы устройства, особенно при работе в условиях высоких температур или высокого тока светодиода. В критически важных конструкциях следует применять понижающий коэффициент к начальному значению CTR.
• Компромисс между скоростью и током:Более высокий I_Fобычно повышает скорость переключения, но увеличивает энергопотребление и может ускорить деградацию CTR. Нагрузочный резистор R_LТакже это значительно влияет на скорость переключения и размах выходного напряжения.
• Помехоустойчивость:Высокое сопротивление изоляции и низкая паразитная емкость обеспечивают хорошее подавление синфазной помехи. Для очень зашумленных сред обеспечьте чистую разводку, качественное заземление и рассмотрите возможность добавления блокировочных конденсаторов вблизи выводов компонента.
• Использование вывода базы (вывод 5):Оставить базу разомкнутой является стандартной практикой. Подключение резистора между базой и эмиттером может снизить коэффициент усиления фототранзистора, но, обеспечивая путь для удаления накопленного заряда, значительно повышает его скорость переключения (особенно время выключения).

9. Сравнение технологий и преимущества

Серия EL111X-G выделяется на рынке оптопар благодаря нескольким ключевым характеристикам:

• SOP-корпус с увеличенным путем утечки:Обеспечивает расстояние утечки 8 мм в стандартном корпусе SOP, что дает превосходное номинальное значение изоляции (5000 В среднекв.) по сравнению со многими стандартными оптронами в корпусе SOP с номиналами 2500 В среднекв. или 3750 В среднекв. Это обеспечивает запас по безопасности и удовлетворяет более строгим требованиям к изоляции без перехода на корпус большего размера.
• Полная сертификация безопасности:Данная серия получила сертификацию ведущих международных органов по безопасности (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, CQC), что упрощает соответствие продукции глобальным требованиям.
• Соответствие экологическим нормам:Бесгалогенная конструкция, соответствующая требованиям RoHS, удовлетворяет экологическим нормам и требованиям цепочки поставок.
• Широкий выбор параметров CTR:Несколько четко определенных уровней CTR предоставляют разработчикам гибкость для оптимизации по усилению, мощности или стоимости.

10. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

1. Вопрос: Какова цель большого пути утечки?
   Ответ: Путь утечки — это кратчайшее расстояние между двумя токопроводящими частями вдоль поверхности изоляционной оболочки. Расстояние утечки 8 мм значительно увеличивает длину пути пробоя от поверхностного загрязнения (пыль, влага), что критически важно для достижения и поддержания высокого номинального напряжения изоляции 5000Vrms, особенно во влажной или загрязненной среде.
2. Вопрос: Как выбрать правильный класс коэффициента передачи тока (CTR)?
   Ответ: Выбирайте в зависимости от требуемого выходного тока и возможностей входного управления вашей схемы. Если вывод GPIO вашего микроконтроллера может обеспечить только 5 мА тока, выберите более высокий класс CTR (например, EL1119) для получения достаточного выходного тока. Если вам требуется стабильное, предсказуемое усиление для аналоговых измерений, выберите класс с более узким диапазоном (например, EL1117). Всегда сверяйтесь с минимальными/максимальными значениями для вашей конкретной рабочей точки.
3. Вопрос: Могу ли я использовать его для передачи аналоговых сигналов?
   Ответ: Да, но с оговорками. Отклик фототранзистора не является абсолютно линейным, а CTR изменяется в зависимости от температуры и тока. Он лучше всего подходит для низкочастотных аналоговых сигналов или представленных в цифровой форме (например, ШИМ). Для точной аналоговой изоляции более подходят специализированные линейные оптопары или изолирующие усилители.
4. Вопрос: В чем разница между вариантами поставки в ленте TA и TB?
   Ответ: В техническом описании показаны два различных чертежа размеров катушки. Основное различие, вероятно, заключается в ориентации компонента в кармане катушки ("направление подачи катушки"), также может включать разную ширину ленты. Для варианта TB размер Ko составляет 2,25 мм. Проконсультируйтесь с производителем или обратитесь к подробным спецификациям катушки, чтобы обеспечить совместимость с вашим монтажным оборудованием.
5. Вопрос: Как температура влияет на производительность?
   Ответ: Температура в основном влияет на CTR (снижается с повышением температуры) и прямое напряжение Vf входного светодиода_F(также снижается). Скорость переключения также может изменяться. Конструкции, предназначенные для работы во всем диапазоне от -55°C до +110°C, должны учитывать эти изменения, особенно снижение номинального значения CTR.

11. Примеры практического проектирования

Сценарий:Изолировать сигнал GPIO микроконтроллера 3.3 В для управления реле 12 В на изолированной стороне. Для срабатывания катушки реле требуется 30 мА.

Этапы проектирования:

1. Выбор класса CTR:Требуемый I_CСоставляет 30 мА. Микроконтроллер может обеспечить ток около 10 мА. Требуемый CTR = (30 мА / 10 мА) * 100% = 300%. При I_F=10 мА диапазон CTR для EL1114 составляет 160-320%. Мы выбираем EL1114, но следует отметить, что при минимальном CTR (160%) I_Cсоставит 16 мА, чего может быть недостаточно. Возможно, нам потребуется управлять светодиодом с большим током или выбрать другой класс/компонент.
2. Пересчет с использованием EL1119:Номинальные условия испытания для EL1119 составляют I_F=5мА. Диапазон CTR составляет 200-400%. Если мы управляем им при I_F=7.5мА (в пределах номинала), используя типичный CTR, можно ожидать I_Cпримерно в диапазоне 22.5-30мА. Это пограничное состояние. Более удачным решением является использование транзистора на выходе для управления реле, используя оптопару только в качестве изолятора логических уровней.
3. Расчет входного сопротивления (с использованием EL1114, I_F=10 мА):Предположим, V_F~ 1.2 В. Напряжение микроконтроллера составляет 3.3 В. R_limit= (3.3В - 1.2В) / 0.01А = 210 Ом. Используется стандартный резистор 200 Ом.
4. Выходная сторона:Подключите коллектор фототранзистора к источнику питания 12В через катушку реле. Эмиттер заземлите. Установите обратный диод параллельно катушке реле. Когда фототранзистор открывается, он войдёт в насыщение, V_CE(sat)< 0.4V，将几乎全部的12V电压施加到继电器上。
5. Соображения по скорости:Реле медленное, поэтому время включения оптопары около 4 мкс не имеет значения. Резистор в цепи базы для ускорения не требуется.

12. Принцип работы

Оптопара (оптрон) — это устройство, которое использует свет для передачи электрических сигналов между двумя изолированными цепями. В серии EL111X-G:

1. Ток, подаваемый на входные выводы (1-анод, 2-катод), смещает в прямом направлении внутреннийИнфракрасный светоизлучающий диод (IRED).
2. IRED излучает инфракрасный свет, пропорциональный прямому току.
3. Этот свет проходит через прозрачный изоляционный зазор (обычно из формованной пластмассы) и попадает накремниевый фототранзисторБазовая область.
4. Падающий свет генерирует электронно-дырочные пары в базе, эффективно действуя как базовый ток. Это приводит к включению фототранзистора между его коллектором (вывод 4) и эмиттером (вывод 3).
5. Результирующий выходной ток коллектора (I_C) примерно равен входному току светодиода (I_Fпрямо пропорциональна, коэффициент пропорциональности - коэффициент передачи тока (CTR).
6. Ключевым моментом является то, что единственной связью между входом и выходом является световой луч; электрического проводящего пути нет. Это обеспечивает гальваническую развязку, блокируя высокие напряжения, разности потенциалов земли и помехи.

13. Технологические тренды

Технология оптопар продолжает развиваться в соответствии с потребностями систем:

• Более высокая скорость:Потребность в более быстрой цифровой изоляции в драйверах двигателей, системах связи и АЦП стимулировала разработку оптопар с более быстрым временем переключения (наносекундный диапазон) и более высокой устойчивостью к синфазным переходным помехам (CMTI).
• Интеграция:Наблюдается тенденция к интеграции дополнительных функций, таких как драйверы затворов для IGBT/MOSFET, усилители ошибок для источников питания и даже цифровые изоляторы с несколькими каналами в одном корпусе.
• Повышение надежности и срока службы:Акцент на материалах и конструкции для уменьшения долгосрочного снижения CTR, особенно для высокотемпературных автомобильных и промышленных применений.
• Миниатюризация:Постоянное уменьшение размеров корпуса при сохранении или повышении номинального значения изоляции (например, сверхминиатюрный SOP, корпусирование на уровне пластины) для экономии места на плате.
• Альтернативные технологии:Оптопары сталкиваются с конкуренцией со стороны других технологий изоляции, таких как емкостные изоляторы (с барьером из SiO2) и магнитные изоляторы (на основе трансформаторов), которые могут обеспечить более высокую скорость, более низкое энергопотребление и лучшую степень интеграции. Тем не менее, благодаря своей простоте, способности работать с высоким напряжением, легко понимаемой надежности и экономической эффективности для стандартных требований к скорости, оптопары по-прежнему доминируют во многих приложениях.

Серия EL111X-G ориентирована на достижение высокого напряжения изоляции в компактном, экологически совместимом корпусе, удовлетворяя постоянную потребность в надежной, сертифицированной по безопасности изоляции сигналов для широкого спектра промышленных и потребительских применений.