Техническая документация на оптопары 6N138 и 6N139 - Корпус DIP 8 выводов - Высокий коэффициент передачи - Русский технический документ

1. Обзор продукта

Оптопары 6N138 и 6N139 — это высокопроизводительные устройства с низким входным током, оснащённые выходным каскадом на раздельном транзисторе Дарлингтона. Эти приборы разработаны для обеспечения очень высокого коэффициента передачи тока (КТП), что позволяет осуществлять надёжную передачу сигналов при минимальном входном токе. Они выпускаются в стандартном 8-выводном корпусе DIP, с вариантами для широкого шага выводов и поверхностного монтажа. Основная функция — обеспечение гальванической развязки между входными и выходными цепями, защита чувствительной логики от скачков напряжения и контурных токов.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Главное преимущество этих оптопар — исключительно высокий типичный КТП, достигающий 2000%, что позволяет напрямую сопрягать их с низкоточными логическими сигналами без дополнительного усиления. Они сертифицированы ведущими международными агентствами по безопасности (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) и обеспечивают высокое напряжение изоляции 5000 Вэфф. Эти характеристики делают их идеальными для промышленных, телекоммуникационных и вычислительных приложений, где важны помехоустойчивость, безопасная изоляция и целостность сигнала. Целевые рынки включают промышленную автоматизацию, цепи обратной связи источников питания, изоляцию цифровых интерфейсов и приёмники линий связи.

2. Подробный анализ технических параметров

В этом разделе представлена объективная интерпретация ключевых электрических и оптических параметров, указанных в документации.

2.1 Предельно допустимые параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению. Максимальный постоянный прямой ток (IF) для входного инфракрасного светодиода составляет 20 мА, и он может выдерживать пиковый импульсный ток 1 А в течение очень коротких импульсов (<1 мкс). Максимальный ток коллектора (IO) выходного транзистора — 60 мА, а рассеиваемая мощность (PO) ограничена 100 мВт. Устройство может работать в диапазоне температур окружающей среды от -40°C до +85°C. Напряжение изоляции 5000 Вэфф — ключевой параметр безопасности, проверяемый при закороченных вместе всех входных и всех выходных выводах.

2.2 Электрические характеристики

Электрические характеристики гарантируются в коммерческом диапазоне температур от 0°C до 70°C. Для входного светодиода типичное прямое напряжение (VF) составляет 1.3 В при IF = 1.6 мА. Параметры выходной секции для 6N138 и 6N139 немного различаются. 6N139 обычно обеспечивает меньший ток утечки в состоянии логической "1" (IOH) — 0.01 мкА по сравнению со 100 мкА у 6N138 при тех же условиях (IF=0мА, VCC=18В). Потребляемый ток в состоянии логического "0" (ICCL) для обоих типов составляет около 0.6 мА при токе светодиода 1.6 мА.

2.3 Передаточные характеристики

Коэффициент передачи тока (КТП) — наиболее критичный параметр, определяемый как (IC / IF) * 100%. У 6N139 минимальный КТП составляет 400% при IF=0.5мА и 500% при IF=1.6мА. У 6N138 минимальный КТП — 300% при IF=1.6мА. Типичное значение для обоих — 2000-2500%, что указывает на высокую чувствительность. Напряжение логического "0" на выходе (VOL) задаётся при различных нагрузках, максимум 0.4В, что обеспечивает совместимость со стандартными уровнями логики TTL и CMOS.

2.4 Временные характеристики

Скорость переключения зависит от входного тока и сопротивления нагрузки. Время задержки распространения (tPLH, tPHL) указано для конкретных условий тестирования. Например, для 6N139 при IF=0.5мА и RL=4.7кОм типичное tPHL составляет 5 мкс, а tPLH — 16 мкс. Увеличение IF до 12мА при RL=270Ом значительно улучшает скорость до 0.2 мкс и 1.7 мкс соответственно. 6N138, как правило, медленнее в своих тестовых условиях (IF=1.6мА, RL=2.2кОм). Помехоустойчивость по синфазному сигналу (CMTI) для обоих состояний логики составляет не менее 1000 В/мкс, что указывает на хорошее подавление помех от быстрых переходных процессов напряжения через барьер изоляции.

3. Механические данные и информация о корпусе

Устройства поставляются в стандартном 8-выводном корпусе DIP. Распиновка следующая: Вывод 1: Нет подключения, Вывод 2: Анод, Вывод 3: Катод, Вывод 4: Нет подключения, Вывод 5: Земля (Gnd), Вывод 6: Выход (Vout), Вывод 7: База (VB), Вывод 8: Напряжение питания (VCC). Вывод базы (7) обеспечивает доступ к базе фототранзистора, что позволяет подключить ускоряющий резистор или конденсатор для компромисса между полосой пропускания и стабильностью. Варианты корпусов включают стандартный DIP, с широким шагом выводов (0.4 дюйма) и для поверхностного монтажа (S и низкопрофильный S1).

4. Рекомендации по пайке и монтажу

Максимально допустимая температура пайки составляет 260°C в течение 10 секунд. Это типично для волновой или конвекционной пайки. Следует соблюдать стандартные меры предосторожности при работе с устройствами, чувствительными к электростатическому разряду (ESD). Устройства должны храниться в условиях, соответствующих указанному диапазону температур хранения от -55°C до +125°C.

5. Упаковка и информация для заказа

Номер детали имеет формат: 6N13XY(Z)-V. 'X' — номер детали (8 для 6N138, 9 для 6N139). 'Y' указывает вариант выводов: отсутствует для стандартного DIP (45 шт./трубка), 'M' для широкого шага (45 шт./трубка), 'S' для поверхностного монтажа, 'S1' для низкопрофильного поверхностного монтажа. 'Z' указывает вариант упаковки в ленту и катушку для SMD-компонентов: 'TA' или 'TB' (1000 шт./катушка). 'V' — необязательный суффикс для одобрения VDE. Пользователи должны выбирать правильную комбинацию в зависимости от требований сборки.

6. Рекомендации по применению

6.1 Типичные сценарии применения

В документации перечислены несколько ключевых применений: гальваническая развязка цифровых логических цепей, приёмники линий RS-232C, приёмники с низким входным током, изоляция шины микропроцессора, приёмники токовой петли. Их высокий КТП делает их отличным выбором для прямого сопряжения с выводами GPIO микроконтроллеров, изоляции сигналов датчиков в зашумлённых средах или обеспечения гальванической развязки в последовательных линиях связи, таких как RS-232 или RS-485.

6.2 Соображения при проектировании

1. Ограничение входного тока:Необходимо использовать внешний последовательный резистор для ограничения прямого тока светодиода (IF) значением в пределах максимально допустимого и желаемого рабочего диапазона. Требуемое сопротивление рассчитывается как (Vdrive - VF) / IF.Выходная нагрузка:Выходной транзистор работает как сток тока. Нагрузочный резистор (подключённый между VCC и выводом 6) следует выбирать для установки желаемого размаха выходного напряжения и скорости переключения. Меньший резистор увеличивает скорость, но также и потребляемую мощность.Скорость vs. Стабильность:Подключение резистора (обычно от 10кОм до 1МОм) от вывода базы (7) к земле может улучшить стабильность и помехоустойчивость, но снизит КТП и замедлит скорость переключения. Для дополнительной фильтрации можно добавить параллельно конденсатор.Развязка по питанию:Рекомендуется размещать керамический конденсатор 0.1 мкФ как можно ближе к выводу VCC (8) для подавления помех.

7. Техническое сравнение и отличия

Основное отличие семейства 6N138/6N139 заключается в его раздельной конфигурации Дарлингтона и очень высоком КТП. По сравнению со стандартными оптопарами на одном транзисторе (например, серия 4N25), эти устройства предлагают значительно более высокую чувствительность, позволяя управлять ими напрямую от низкоточных CMOS-логических схем. По сравнению с новыми цифровыми изоляторами они предлагают более простое аналоговое решение, которое является высокоэффективным по стоимости для приложений, требующих базовой изоляции без необходимости сверхвысокой скорости или сложных протоколов. Наличие вывода базы предоставляет разработчикам уникальную степень свободы для настройки частотной характеристики и помехоустойчивости.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В1: В чём основное различие между 6N138 и 6N139?

О1: Ключевые различия заключаются в их электрических характеристиках. 6N139, как правило, предлагает лучшие показатели: более высокий минимальный КТП (500% против 300% при IF=1.6мА), меньший ток утечки на выходе в выключенном состоянии и несколько иные временные характеристики при тестировании. 6N138 — это вариант с более низкими характеристиками.

В2: Как выбрать значение резистора для ограничения входного тока?

О2: Определите требуемый прямой ток (IF) для вашего приложения (например, 1.6 мА для хорошего баланса скорости и КТП). Измерьте или используйте типичное значение VF из документации (1.3В). Если ваше напряжение управления 5В, то резистор R = (5В - 1.3В) / 0.0016А = 2312.5Ом. Стандартный резистор 2.2кОм будет подходящим выбором.

В3: Почему моя оптопара переключается медленно?

О3: Скорость переключения сильно зависит от IF и нагрузочного резистора RL. Чтобы увеличить скорость, вы можете: а) Увеличить ток управления светодиодом (IF). б) Уменьшить значение нагрузочного резистора (RL) на коллекторе выхода. в) При необходимости использовать вывод базы (7) с небольшим резистором на землю для удаления накопленного заряда, но это снизит КТП.

В4: Что означает "Помехоустойчивость по синфазному сигналу"?

О4: Это параметр, измеряющий способность устройства игнорировать быстрые скачки напряжения, которые появляются одновременно на входной и выходной сторонах барьера изоляции. Высокий CMTI (например, 1000 В/мкс) означает, что выход не будет ложно переключаться из-за такого шума, что крайне важно в зашумлённых силовых средах.

9. Практический пример проектирования

Пример: Изоляция сигнала UART микроконтроллера для связи RS-232.

Линия TX UART микроконтроллера на 3.3В требует изоляции перед подключением к микросхеме приёмопередатчика RS-232 на другой земляной плоскости. Можно использовать 6N139. Вывод микроконтроллера управляет светодиодом через резистор 1кОм (IF ~ (3.3В-1.3В)/1к = 2мА). Коллектор выхода (вывод 6) подключён к входному выводу микросхемы RS-232 через подтягивающий резистор 4.7кОм к VCC (5В) микросхемы RS-232. Вывод базы (7) оставляют неподключённым или подключают к земле через резистор большого номинала (например, 1МОм) для стабильности. Эта простая схема обеспечивает надёжную изоляцию, защищает микроконтроллер от смещений земли или скачков на линии RS-232 и сохраняет целостность сигнала.

10. Принцип работы

Устройство работает по принципу оптоэлектронной связи. Электрический ток, подаваемый на входные выводы (Анод и Катод), заставляет инфракрасный светодиод (LED) излучать свет. Этот свет проходит через прозрачный изоляционный зазор и попадает на светочувствительную область базы раздельной пары кремниевых фототранзисторов Дарлингтона. Падающий свет генерирует базовый ток, который усиливается двумя транзисторными каскадами, что приводит к значительно большему току коллектора на выходе. "Раздельная" конфигурация обычно означает, что база первого транзистора доступна (вывод 7), что позволяет осуществлять внешнее смещение. Полная электрическая изоляция между входным светодиодом и выходными транзисторами обеспечивается литым пластиковым корпусом, обладающим высокой диэлектрической прочностью.

11. Тенденции и контекст в отрасли

Оптопары, такие как 6N138/139, представляют собой зрелую и надёжную технологию изоляции. Современные тенденции в области изоляции сигналов включают рост популярности цифровых изоляторов на основе CMOS и RF или ёмкостной связи, которые предлагают превосходную скорость, энергоэффективность и интеграцию (несколько каналов в одном корпусе). Однако оптопары сохраняют сильные преимущества в определённых областях: они обеспечивают очень высокое рабочее напряжение изоляции (несколько кВ), отличную помехоустойчивость по синфазному сигналу, простоту и устойчивость к высоковольтным нагрузкам dv/dt. Их часто предпочитают в высокоуровневых промышленных средах, цепях обратной связи источников питания и приложениях, где проверенная надёжность и сертификаты безопасности имеют первостепенное значение. Разработка новых материалов для светодиодов и детекторов продолжает улучшать скорость и КТП оптопар, обеспечивая их актуальность наряду с новыми технологиями.