Техническая документация на оптопару ELQ3H4 - Корпус SSOP на 16 выводов - AC вход - КПТ 20-300% - Изоляция 3750Вэфф

1. Обзор продукта

Серия ELQ3H4 представляет собой семейство оптоэлектронных развязывающих устройств, разработанных для применений с высокой плотностью монтажа, требующих надежной гальванической развязки сигналов. Основной компонент состоит из светоизлучающего диода (СИД) на арсениде галлия (GaAs), оптически связанного с кремниевым NPN фототранзистором, все это размещено в компактном 16-выводном корпусе SSOP (Shrink Small Outline Package). Ключевой особенностью данного корпуса является встроенный световой экран, который эффективно минимизирует влияние окружающего света на работу фототранзистора, повышая целостность сигнала в условиях электрических помех.

Данное устройство спроектировано для непосредственного приема сигналов переменного тока (AC), что во многих применениях устраняет необходимость во внешних выпрямительных схемах. Его основное преимущество заключается в сочетании очень малых габаритов (высота 2.0 мм) с надежными характеристиками изоляции (3750 В_эфф) и соответствием основным международным стандартам безопасности и экологии.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Оптопара ELQ3H4 предлагает несколько существенных преимуществ. Еебесгалогеннаяконструкция и соответствие директивам RoHS и бессвинцовой технологии делают ее подходящей для экологически ответственных разработок. Устройство имеет одобрения ведущих сертификационных агентств, включая UL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и CQC, что упрощает его использование в продуктах для глобальных рынков со строгими нормативными требованиями.

Основные области применения находятся в промышленной автоматизации и измерительной технике, где помехоустойчивость и безопасность имеют первостепенное значение. К ним относятся:

• Программируемые логические контроллеры (ПЛК):Для изоляции цифровых сигналов ввода/вывода, шин связи или аналоговых входов датчиков от центрального процессора.
• Измерительные приборы:Обеспечение развязки в системах сбора данных, мультиметрах или осциллографах для защиты чувствительных схем от высоковольтных точек измерения.
• Гибридные ИС и источники питания:Использование в качестве элемента обратной связи в изолированных импульсных источниках питания или в составе пользовательских гибридных модулей для управления затворами или формирования сигналов.

2. Подробный анализ технических параметров

Глубокое понимание электрических и оптических параметров имеет решающее значение для надежного проектирования схем. В следующих разделах представлен детальный анализ ключевых характеристик.

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не предусмотрена. Ключевые пределы для ELQ3H4 включают:

• Вход (сторона СИД):Постоянный прямой ток (I_F) ±60мА и импульсный ток длительностью 1мкс (I_FP) 1А. Рассеиваемая мощность на канал составляет 70мВт с понижением на 0.7мВт/°C.
• Выход (сторона фототранзистора):Ток коллектора (I_C) 50мА. Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO) составляет 80В, в то время как напряжение эмиттер-коллектор (V_ECO) ниже — 7В, что указывает на асимметрию характеристик пробоя фототранзистора. Рассеиваемая мощность на выходе — 150мВт на канал с понижением на 1.4мВт/°C.
• Изоляция и окружающая среда:Устройство выдерживает испытательное напряжение изоляции (V_ISO) 3750 В_эффв течение одной минуты. Диапазон рабочих температур составляет от -55°C до +110°C.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры определяют работу устройства в нормальных условиях эксплуатации (T_A=25°C, если не указано иное).

Входные характеристики:Прямое напряжение (V_F) СИД на GaAs обычно составляет 1.2В при I_F= 20мА, максимум 1.4В. Входная емкость (C_вх) — до 250пФ, что может влиять на высокочастотные переключательные характеристики.

Выходные характеристики:Темновой ток коллектор-эмиттер (I_CEO) составляет максимум 100нА при V_CE=20В и выключенном СИД, что представляет собой ток утечки фототранзистора. Напряжения пробоя (BV_CEO=80В, BV_ECO=7В) подтверждают асимметричную структуру.

Передаточные характеристики (T_A= от -40 до 85°C):Это ключевой параметр работы оптопары.

• Коэффициент передачи тока (КПТ):Определяется как (I_C/ I_F) * 100% при заданных условиях. ELQ3H4 имеет очень широкий диапазон КПТ от 20% до 300% при I_F= 1мА, V_CE= 5В. Такой большой разброс требует тщательного проектирования схемы или сортировки устройств для точных применений.
• Отношение КПТ (КПТ1/КПТ2):Этот параметр, находящийся в диапазоне от 0.5 до 2.0, указывает на согласование между каналами в многоканальном устройстве или на стабильность КПТ при работе с переменным током. Значение 1.0 означает идеальное согласование.
• Напряжение насыщения: V_КЭ(нас)обычно составляет 0.1В (макс. 0.2В) при I_F=20мА, I_C=1мА, что указывает на хорошие переключательные характеристики при насыщении.
• Параметры изоляции:Сопротивление изоляции (R_IO) не менее 5 x 10¹⁰Ом, а емкость изоляции (C_IO) обычно 0.3пФ (макс. 1.0пФ). Низкая емкость критически важна для подавления высокочастотной синфазной помехи.
• Быстродействие:Время нарастания (t_r) и время спада (t_f) не превышают 18мкс каждое при условиях испытаний V_CE=2В, I_C=2мА, R_L=100Ом. Это указывает на то, что устройство подходит для низко- и среднечастотных цифровых сигналов, но не для высокоскоростной передачи данных.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типичные электрооптические характеристики. Хотя конкретные графики не воспроизводятся в предоставленном тексте, они обычно иллюстрируют следующие зависимости, важные для проектирования:

• КПТ в зависимости от прямого тока (I_F):Показывает, как эффективность передачи изменяется с током через СИД. КПТ часто снижается при очень высоких значениях I_Fиз-за падения эффективности СИД.
• КПТ в зависимости от температуры:Иллюстрирует температурную зависимость эффективности связи, которая обычно снижается с ростом температуры.
• Прямое напряжение (V_F) в зависимости от температуры:Показывает отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения СИД.
• Ток коллектора (I_C) в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер (V_CE):Выходные характеристики фототранзистора для различных входных токов, аналогичные кривым биполярного транзистора.
• Время переключения в зависимости от сопротивления нагрузки (R_L):Демонстрирует, как время нарастания и спада зависит от выходной нагрузки. Большее значение R_Lобычно увеличивает время нарастания из-за увеличения постоянной времени RC-цепи.

Разработчикам следует обращаться к полным графическим данным для оптимизации рабочих точек в соответствии с конкретными требованиями по скорости, потребляемой мощности и температурной стабильности.

4. Механическая информация и данные по корпусу

4.1 Габариты и расположение выводов корпуса

ELQ3H4 использует 16-выводный корпус SSOP с малой высотой 2.0 мм, что позволяет осуществлять высокоплотный монтаж на печатной плате. Техническое описание включает подробный чертеж с указанием длины, ширины, высоты корпуса, шага и размеров выводов. Соблюдение этих механических спецификаций необходимо для правильной установки на печатную плату и в автоматическое сборочное оборудование.

A Рекомендуемая контактная площадкадля поверхностного монтажа предоставлена. Следование этому шаблону контактных площадок критически важно для обеспечения надежного формирования паяных соединений, надлежащей механической прочности и предотвращения таких проблем, как "эффект надгробия" во время пайки оплавлением. Шаблон учитывает формирование паяльного валика и тепловую развязку.

4.2 Маркировка устройства и полярность

Устройство маркируется на верхней части корпуса. Маркировка следует формату:EL Q3H4 YWW V.

• EL:Идентификатор производителя.
• Q3H4:Номер устройства.
• Y:Однозначный код года.
• WW:Двузначный код недели.
• V:Опциональная маркировка, указывающая на одобрение VDE.

Правильная ориентация жизненно важна. Индикатор первого вывода на корпусе (обычно точка, выемка или скошенный край) должен быть совмещен с маркером первого вывода на посадочном месте печатной платы. Неправильная установка приведет к неработоспособности устройства и может вызвать его повреждение.

5. Рекомендации по пайке и сборке

5.1 Условия пайки оплавлением

Устройство подходит для поверхностного монтажа пайкой оплавлением. Техническое описание определяет критически важныйпрофиль максимальной температуры корпусав соответствии с IPC/JEDEC J-STD-020D. Ключевые параметры включают:

• Предварительный нагрев:от 150°C до 200°C в течение 60-120 секунд.
• Время выше температуры ликвидуса (T_L=217°C):60-100 секунд.
• Пиковая температура (T_P):максимум 260°C.
• Время в пределах 5°C от пика:максимум 30 секунд.
• Максимальное количество циклов оплавления:3 раза.

Strictly adhering to this profile prevents thermal damage to the plastic package, the internal wire bonds, and the semiconductor die. Exceeding the peak temperature or time-at-temperature can lead to delamination, cracking, or parametric shifts.

5.2 Обращение и хранение

Необходимо соблюдать стандартные меры предосторожности от электростатического разряда (ЭСР), так как внутренний СИД на GaAs и кремниевый фототранзистор чувствительны к повреждению статическим электричеством. Используйте заземленные рабочие места и антистатические браслеты. Устройства должны храниться в оригинальных влагозащитных пакетах с осушителем в контролируемых условиях (обычно <40°C/90% относительной влажности), чтобы предотвратить поглощение влаги, которое может вызвать "вспучивание" (popcorning) во время пайки оплавлением.

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Структура номера модели и опции

Структура каталожного номера:ELQ3H4(Z)-V.

• Z (Опция упаковки):"TA" обозначает упаковку в ленте и на катушке. Если опущено, по умолчанию используется упаковка в трубке.
• V (Опция одобрения):Обозначает маркировку об одобрении VDE.

Количество в упаковке:Опция "трубка" содержит 40 устройств в трубке. Опция "лента и катушка" (TA) содержит 1000 устройств на катушке.

6.2 Спецификации ленты и катушки

Предоставлены подробные размеры несущей ленты, включая размер кармана (A0, B0, D0, D1), шаг (P0) и размеры катушки. Эта информация необходима для правильной настройки автоматических установщиков компонентов. Ширина ленты (W) составляет 16.0 мм ± 0.3 мм, указано направление подачи.

7. Рекомендации по проектированию применений

7.1 Проектирование входной цепи

Для работы сAC входомСИД может управляться непосредственно сигналом переменного тока. Обязательно требуется токоограничивающий резистор для установки требуемого прямого тока (I_F). Его значение должно быть рассчитано на основе амплитудного напряжения сигнала переменного тока, V_FСИД и требуемого I_F. Поскольку СИД является диодом, он будет проводить ток только в течение полупериодов, если перед ним не используется мостовой выпрямитель для двухполупериодной работы. Широкий диапазон КПТ означает, что выходной ток будет значительно различаться между устройствами при использовании фиксированного I_F. Для более стабильной работы рассмотрите возможность использования более высокого I_F(где вариация КПТ может быть меньше) или реализации обратной связи.

7.2 Проектирование выходной цепи

Фототранзистор может использоваться как включевом, так и влинейномрежиме. Для цифрового переключения устройство вводится в насыщение (I_Fдостаточно высок, чтобы V_CE≈ V_КЭ(нас)). Нагрузочный резистор (R_L), подключенный к коллектору, определяет размах выходного напряжения и влияет на быстродействие (большее R_Lувеличивает время нарастания). Для аналоговых или линейных применений фототранзистор работает в активной области. Однако нелинейность зависимости КПТ от I_Fи его сильная температурная зависимость делают точную линейную работу сложной без компенсации.

7.3 Помехоустойчивость и разводка платы

Для максимального использования высоких возможностей изоляции (3750В_эфф, низкая C_IO) тщательная разводка печатной платы имеет первостепенное значение. Соблюдайте достаточные расстояния утечки и воздушные зазоры между входной и выходной сторонами схемы в соответствии со стандартами безопасности. Используйте земляную полигон, но рассмотрите возможность его разделения под оптопарой, чтобы минимизировать емкостную связь через барьер изоляции. Блокировочные конденсаторы, установленные рядом с выводами устройства с обеих сторон, могут помочь подавить высокочастотные помехи.

8. Техническое сравнение и руководство по выбору

Ключевыми отличительными особенностями ELQ3H4 являются егоспособность работать с AC входом, , сверхкомпактный корпус SSOPиполный набор сертификатов безопасности. При выборе оптопары сравните следующие параметры с требованиями проекта:

• по сравнению с оптопарами с DC входом:ELQ3H4 упрощает схемы, устраняя необходимость во внешних выпрямителях для сигналов переменного тока, экономя место на плате и стоимость.
• по сравнению с корпусами большего размера (DIP и др.):Корпус SSOP обеспечивает значительную экономию места, но может иметь несколько иные тепловые характеристики и требует более точной сборки.
• по сравнению с высокоскоростными оптронами:Устройства с быстрыми логическими элементами или цифровые изоляторы предлагают гораздо более высокие скорости передачи данных (>1 Мбит/с), но могут иметь другие номиналы изоляции, требования к питанию или структуру стоимости.
• по сравнению с оптопарами с выходом Дарлингтона:Конфигурации Дарлингтона предлагают гораздо более высокий КПТ (500-1000%), но имеют более низкое быстродействие и более высокие напряжения насыщения.
• Выбор сортировки по КПТ:Если работа схемы сильно зависит от коэффициента усиления, уточните о доступности устройств, отсортированных по более узким диапазонам КПТ (например, 100-200%).

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Могу ли я управлять СИД напрямую от источника напряжения?

О1: Нет. СИД — это устройство с токовым управлением. Всегда используйте последовательный токоограничивающий резистор для контроля I_Fи предотвращения повреждения от перегрузки по току.

В2: Почему в спецификациях время нарастания выходного сигнала больше времени спада?

О2: Это типично для фототранзисторов. Время нарастания ограничено временем, необходимым для зарядки барьерной емкости фототранзистора через фототок. Время спада определяется разрядом этой емкости через внешний нагрузочный резистор и внутренними процессами рекомбинации в устройстве.

В3: Как температура влияет на работу?

О3: КПТ обычно снижается с увеличением температуры. Прямое напряжение СИД (V_F) также снижается. Эти эффекты необходимо учитывать в конструкциях, работающих в широком диапазоне температур, чтобы обеспечить надежные пороги переключения или линейность.

В4: Какова цель упомянутого "экранирующего эффекта"?

О4: Непрозрачный пластиковый корпус действует как световой экран, блокируя попадание окружающего света на фототранзистор. Это предотвращает ложные срабатывания или появление токов смещения, вызванных внешними источниками света, такими как освещение помещения или солнечный свет.

10. Практический пример применения

Сценарий: Изолированное обнаружение сетевого напряжения переменного тока для входного модуля ПЛК.

Типичный случай применения — обнаружение наличия сигнала 120В переменного тока от выключателя или датчика. ELQ3H4 идеально подходит для этого.

1. Входная цепь:Сигнал 120В переменного тока понижается через высокоомный высоковольтный резистивный делитель для ограничения тока. Защитный диод, включенный параллельно СИД в обратном направлении, может быть установлен для ограничения обратного напряжения в течение отрицательного полупериода, хотя устройство рассчитано на работу с переменным током. Значение резистора выбирается для установки I_Fв номинальные 5-10мА, что находится в пределах допустимых значений.
2. Выходная цепь:Коллектор фототранзистора подключен к напряжению питания логики ПЛК (например, 3.3В или 5В) через подтягивающий резистор (R_L). Эмиттер заземлен. При наличии переменного тока фототранзистор открывается в течение проводящих полупериодов, притягивая выход коллектора к низкому уровню. Цифровой вход ПЛК считывает этот пульсирующий низкий сигнал. Программное обеспечение может затем устранить дребезг или обнаружить переходы через ноль для подтверждения наличия переменного тока.
3. Преимущества:Такая конструкция обеспечивает надежную гальваническую развязку, защищая чувствительные схемы ПЛК от сетевых переходных процессов и неисправностей. Компактный корпус SSOP позволяет разместить множество таких каналов на одном модуле.

11. Принцип работы

Оптопара работает по принципуоптической связидля достижения гальванической развязки. Электрический входной сигнал управляет светоизлучающим диодом (СИД), заставляя его излучать инфракрасный свет, пропорциональный току. Этот свет проходит через короткий прозрачный зазор внутри корпуса и попадает в базовую область кремниевого фототранзистора. Падающие фотоны генерируют электрон-дырочные пары в базе, эффективно действуя как базовый ток. Этот фотоиндуцированный ток затем усиливается коэффициентом усиления транзистора, создавая ток коллектора, который является электрической копией входного сигнала. Ключевым моментом является то, что передача сигнала происходит посредством света, без электрического соединения между входом и выходом, создавая барьер изоляции.

12. Технологические тренды

Область изоляции сигналов продолжает развиваться. В то время как традиционные оптопары на основе фототранзисторов, такие как ELQ3H4, остаются доминирующими для экономически эффективных, среднескоростных применений с высокой изоляцией, можно отметить несколько тенденций:

• Повышенная интеграция:Многоканальные оптопары в одном корпусе стали обычным явлением, что сокращает занимаемую площадь на плате и стоимость на канал.
• Альтернативы с более высокой скоростью:Для передачи данных цифровые изоляторы на основе КМОП-технологии и RF- или емкостной связи предлагают значительно более высокие скорости передачи данных (до сотен Мбит/с), более низкое энергопотребление и лучшую временную стабильность, хотя часто с другими номиналами напряжения изоляции.
• Повышенная надежность и сертификация:Существует постоянное стремление к повышению показателей надежности (FIT-коэффициенты), расширению диапазонов рабочих температур и получению сертификатов по новым стандартам, особенно в автомобильной (AEC-Q100) и медицинской отраслях.
• Миниатюризация корпусов:Стремление к созданию более компактных и тонких корпусов продолжает способствовать уменьшению размеров конечных продуктов, как видно на примере корпуса SSOP высотой 2.0 мм, используемого в ELQ3H4.