Техническая документация на серию оптопар-драйверов симисторов с детектором нуля EL303X/304X/306X/308X в 6-выводном DIP корпусе - Напряжение 250В-800В - Изоляция 5000Вэфф

1. Обзор продукта

Серии EL303X, EL304X, EL306X и EL308X представляют собой семейства 6-выводных оптопар в корпусе DIP, специально разработанных в качестве драйверов симисторов с детектором нуля. Эти устройства служат критически важным интерфейсом между низковольтными логическими управляющими цепями и высоковольтными линиями переменного тока, обеспечивая безопасное и эффективное переключение нагрузок переменного тока. Основная функция — обеспечение гальванической развязки при одновременном запуске внешнего силового симистора в точке перехода через ноль формы волны напряжения переменного тока, что сводит к минимуму электромагнитные помехи (ЭМП) и пусковые токи.

Серии различаются в первую очередь по максимальному напряжению блокировки, от 250В для EL303X до 800В для EL308X, что делает их пригодными для широкого диапазона сетевых напряжений от 110В переменного тока до 380В переменного тока. Ключевой особенностью является встроенная схема детектирования нуля, которая гарантирует, что выходной симистор запускается только тогда, когда сетевое напряжение переменного тока находится вблизи нуля вольт. Это устройство обычно используется в качестве основного компонента в твердотельных реле (ТТР), контроллерах двигателей и различных промышленных и бытовых приборах управления.

2. Детальное объективное толкование технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в этих условиях не гарантируется.

• Прямой ток на входе (IF):Максимальный непрерывный ток через инфракрасный светодиод составляет 60 мА. Превышение этого значения может привести к деградации или разрушению светодиода.
• Обратное напряжение на входе (VR):Светодиод может выдерживать обратное смещение до 6В.
• Рассеиваемая мощность на входе/выходе:Входная сторона (PD) рассчитана на 100 мВт, а выходная сторона (PC) — на 300 мВт, с указанными коэффициентами снижения мощности при температуре окружающей среды выше 85°C. Общая рассеиваемая мощность устройства (PTOT) составляет 330 мВт.
• Напряжение на выходных выводах в закрытом состоянии (VDRM):Это критический дифференцирующий параметр. EL303X: 250В, EL304X: 400В, EL306X: 600В, EL308X: 800В. Устройство должно быть выбрано с номинальным значением VDRM, превышающим пиковое сетевое напряжение, которое оно будет блокировать.
• Напряжение изоляции (VISO):5000 Вэфф в течение 1 минуты. Этот параметр определяет электрическую прочность между входной и выходной сторонами, обеспечивая безопасность и соответствие нормативным стандартам.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры определяют производительность устройства в нормальных рабочих условиях при 25°C.

2.2.1 Входные характеристики

• Прямое напряжение (VF):Максимум 1,5В при IF=30мА. Используется для расчета необходимого токоограничивающего резистора для схемы драйвера светодиода.
• Обратный ток утечки (IR):Максимум 10 мкА при VR=6В, что указывает на очень низкую утечку при обратном смещении.

2.2.2 Выходные характеристики

• Пиковый ток блокировки (IDRM):Очень низкий ток утечки (макс. 100-500 нА), когда выход находится в закрытом состоянии при номинальном VDRM. Более низкая утечка лучше для энергоэффективности.
• Пиковое напряжение в открытом состоянии (VTM):Максимум 3В, когда выходной симистор проводит пиковый ток 100 мА. Это представляет собой потери при проводимости.
• Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (dv/dt):Минимум 600-1000 В/мкс. Этот параметр указывает на устойчивость устройства к ложным срабатываниям, вызванным быстрыми переходными процессами напряжения в сети переменного тока. Более высокие значения предпочтительнее.
• Напряжение блокировки (VINH):Максимум 20В. Если напряжение на выходных выводах превышает это значение, схема детектора нуля предотвращает запуск, даже если светодиод включен.

2.3 Передаточные характеристики

Эти параметры определяют взаимосвязь между током входного светодиода и запуском выходного симистора.

• Ток запуска светодиода (IFT):Это максимальный ток, необходимый для гарантированного включения выходного симистора. Серия предлагается в трех классах чувствительности: 15 мА (ELxx1), 10 мА (ELxx2) и 5 мА (ELxx3). Более низкий IFT позволяет использовать более слабую схему драйвера.
• Ток удержания (IH):Типичное значение составляет 280 мкА. После запуска выходной симистор будет оставаться включенным до тех пор, пока ток через него превышает это значение. Это важно для обеспечения фиксации с индуктивными нагрузками.

Рекомендуемый рабочий ток светодиода лежит между максимальным IFT для выбранного класса и абсолютным максимумом IF в 60 мА. Работа выше IFT обеспечивает надежный запуск, но ниже 60 мА гарантирует долгосрочную надежность.

3. Объяснение системы градации

Семейство продуктов использует четкую систему градации на основе двух ключевых параметров:

1. Номинальное напряжение (Первая цифра после 'EL'):Это основная градация.
   • EL303X:Напряжение блокировки 250В.
   • EL304X:Напряжение блокировки 400В.
   • EL306X:Напряжение блокировки 600В.
   • EL308X:Напряжение блокировки 800В.
2. Класс чувствительности (Последняя цифра номера детали, 'X'):Это определяет требуемый ток запуска светодиода.
   • Класс '1':Максимальный ток запуска (IFT) = 15 мА. Наименее чувствительный.
   • Класс '2':Максимальный ток запуска (IFT) = 10 мА.
   • Класс '3':Максимальный ток запуска (IFT) = 5 мА. Наиболее чувствительный.

Например, EL3062 — это оптопара с номинальным напряжением 600В и максимальным током запуска 10 мА.

4. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типовые характеристические кривые, которые необходимы для понимания поведения устройства в нестандартных условиях (например, при изменении температуры). Хотя конкретные графики не детализированы в предоставленном тексте, типичные кривые для таких устройств включают:

• Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (IF-VF):Показывает нелинейную зависимость входного светодиода, что важно для проектирования драйвера.
• Ток запуска в зависимости от температуры (IFT vs. Ta):Требуемый ток светодиода для запуска обычно увеличивается с понижением температуры. Это критически важно для проектирования надежных систем, работающих в холодных условиях.
• Напряжение в открытом состоянии в зависимости от тока в открытом состоянии (VTM-ITM):Иллюстрирует характеристики проводимости выходного симистора.

Конструкторам следует обращаться к полным графикам технического описания для правильного снижения параметров в соответствии с их конкретным диапазоном рабочих температур.

5. Принципиальная схема и конфигурация выводов

Внутренняя принципиальная схема показывает инфракрасный GaAs светодиод, оптически связанный с кремниевой микросхемой, содержащей фоточувствительный симистор и схему детектирования нуля.

Распиновка (6-выводной DIP):

1. Анод:Положительный вывод входного светодиода.
2. Катод:Отрицательный вывод входного светодиода.
3. Не подключен (NC):Этот вывод внутренне не подключен.
4. Основной вывод 2 (MT2):Один из основных выводов выходного симистора.
5. Подложка:Внутреннее соединение.Не подключать внешне.
6. Основной вывод 1 (MT1):Другой основной вывод выходного симистора. Обычно это точка отсчета для сигнала запуска затвора.

Выход (выводы 4 и 6) предназначен для последовательного подключения к затвору внешнего, более мощного симистора, который фактически переключает ток нагрузки.

6. Методология измерений: Статический dv/dt

Техническое описание содержит подробную тестовую схему и процедуру измерения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (dv/dt). Этот тест жизненно важен для количественной оценки помехоустойчивости устройства.

Тестовая схема:Высоковольтный импульсный источник подключен к выходу тестируемого устройства (DUT) через последовательную RC-цепь (RTEST, CTEST). Светодиод выключен (IF=0).

Процедура:Применяется импульс с пиковым значением (VPEAK), равным номинальному VDRM. Сопротивление RTEST изменяется для изменения постоянной времени (τ = R*C) RC-цепи, что, в свою очередь, изменяет крутизну (dv/dt) линейно нарастающего напряжения, приложенного к DUT. Крутизна увеличивается до тех пор, пока DUT не сработает ложно. Затем крутизна уменьшается до тех пор, пока срабатывание не прекратится. Значение dv/dt на этом пороге рассчитывается как 0,632 * VPEAK / τRC.

Это измеренное значение должно соответствовать или превышать минимальную спецификацию dv/dt (например, 600 В/мкс для EL308X).

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

• Твердотельные реле (ТТР):Основное применение, обеспечивающее развязку и переключение в нуле для нагрузок переменного тока, таких как нагреватели, лампы и соленоиды.
• Промышленные системы управления:Для сопряжения выходов ПЛК со стартерами двигателей, контакторами и приводами клапанов.
• Бытовые приборы:Используются в умных розетках, диммерах и платах управления приборами для безопасного переключения переменного тока.
• Терморегуляторы:Переключение нагревательных элементов в термостатах и печах.

7.2 Соображения при проектировании

1. Выбор напряжения:Выберите номинальное значение VDRM с запасом выше пикового сетевого напряжения переменного тока. Для линии 240В переменного тока (пик ~340В) EL304X (400В) — это минимум, но EL306X (600В) обеспечивает лучший запас для переходных процессов.
2. Схема драйвера светодиода:Рассчитайте последовательный резистор: R = (Vcc - VF) / I_F_operating. Убедитесь, что I_F_operating находится между максимальным IFT (для выбранного вами класса) и 60мА. Типичный рабочий ток составляет 10-20 мА для классов 1 и 2.
3. Снабберные цепи:Хотя сама оптопара имеет хороший параметр dv/dt, внешний силовой симистор может потребовать RC-снабберную цепь на своих выводах для подавления выбросов напряжения от индуктивных нагрузок, предотвращая ложные срабатывания или повреждения.
4. Теплоотвод:Соблюдайте кривые снижения мощности. Рассеиваемая мощность на выходе (PC) в основном определяется напряжением в открытом состоянии (VTM), умноженным на ток затвора внешнего симистора. Убедитесь, что общая рассеиваемая мощность устройства (PTOT) находится в пределах допустимого при максимальной температуре окружающей среды.

8. Техническое сравнение и дифференциация

Ключевые преимущества этой серии оптопар-драйверов симисторов с детектором нуля по сравнению с типами без детектора нуля или базовыми оптосимисторами:

• Сниженные ЭМП:Благодаря переключению в точке нуля, резкое изменение тока (di/dt) сводится к минимуму, что значительно снижает кондуктивные и излучаемые электромагнитные помехи.
• Более низкий пусковой ток:Предотвращает высокие пусковые токи при переключении резистивных нагрузок, таких как лампы накаливания или нагревательные элементы, продлевая их срок службы.
• Интегрированное решение:Объединяет функции развязки, детектирования и запуска в одном надежном 6-выводном корпусе, упрощая проектирование по сравнению с дискретными схемами детектора нуля.
• Диапазон напряжений:Широкий диапазон напряжений блокировки (от 250В до 800В) охватывает большинство глобальных сетевых приложений в одном семействе продуктов.
• Соответствие нормам:Устройства имеют одобрения основных международных органов по безопасности (UL, cUL, VDE и т.д.), упрощая сертификацию конечного продукта.

9. Часто задаваемые вопросы на основе технических параметров

1. В: Могу ли я использовать EL303X (250В) в сети 120В переменного тока?
   
   О: Да. Пиковое напряжение 120В переменного тока составляет ~170В, что ниже номинала 250В. Однако для надежности против сетевых скачков часто рекомендуется деталь с более высоким номиналом, например, EL304X.
2. В: Каково назначение вывода "Подложка (не подключать)"?
   
   О: Этот вывод является внутренним соединением для кремниевого кристалла. Оставлять его неподключенным внешне крайне важно. Подключение может замкнуть внутренние цепи и разрушить устройство.
3. В: Как выбрать между классами чувствительности 1, 2 и 3?
   
   О: Класс 3 (5мА) позволяет использовать резистор большего номинала или более слабую микросхему драйвера (например, от микроконтроллера), экономя энергию и снижая нагрузку на компоненты драйвера. Класс 1 (15мА) может быть выбран, если схема драйвера надежна и стоимость драйвера менее важна, или для приложений, требующих более высокой помехоустойчивости на входной стороне.
4. В: Номинальный выходной ток (IT(RMS)) составляет всего 100мА. Может ли он переключать нагрузку 10А?
   
   О: Нет. Это устройство являетсядрайвером. Выходной ток 100мА предназначен для запуска затвора внешнего, гораздо более мощного симистора или тиристора (например, TRIAC на 10А или 40А). Внешний компонент обрабатывает полный ток нагрузки.

10. Практический пример проектирования

Сценарий:Проектирование твердотельного реле для переключения резистивного нагревательного элемента 240В переменного тока, 5А от микроконтроллера 5В.

1. Выбор оптопары:Выберите EL3062. Номинал 600В обеспечивает хороший запас по сравнению с пиком 340В. Класс 2 (IFT 10мА) — хороший баланс между чувствительностью и возможностями драйвера.
2. Драйвер светодиода:Вывод микроконтроллера (5В, макс. 20мА) управляет светодиодом. VF ~1,3В. R = (5В - 1,3В) / 0,015А = ~247 Ом. Используйте резистор 220 Ом, что дает IF ~17мА, что значительно выше IFT 10мА и ниже максимума 60мА.
3. Внешний силовой симистор:Выберите симистор на 600В, 10А+ (например, BTA16-600). Подключите его Затвор к выводу 6 (MT1) оптопары. Подключите вывод 4 (MT2) оптопары последовательно с резистором 100-200 Ом к сети переменного тока (через нагрузку). Этот резистор ограничивает ток затвора силового симистора.
4. Снаббер:Добавьте последовательно резистор 100 Ом и конденсатор 0,1мкФ между основными выводами (A1/A2) симистора BTA16.
5. Изоляция:Изоляция 5000Вэфф оптопары безопасно отделяет низковольтную цепь микроконтроллера от опасной сети переменного тока.

11. Принцип работы

Устройство работает по принципу оптической связи. Когда ток протекает через входной инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод), он излучает фотоны. Эти фотоны пересекают изоляционный зазор и попадают на фоточувствительную кремниевую микросхему на выходной стороне. Эта микросхема содержит светоактивируемый симистор и схему детектирования нуля. Схема детектирования контролирует напряжение на выходных выводах (MT1-MT2). Только когда это напряжение ниже определенного порога (обычно около 20В, напряжение блокировки VINH)исветодиод включен, схема позволит внутреннему симистору запуститься. Это гарантирует, что проводимость начинается очень близко к точке, где синусоида переменного тока пересекает ноль вольт. После запуска симистор остается включенным до тех пор, пока ток нагрузки превышает его ток удержания (IH), до следующего перехода тока через ноль.

12. Информация для заказа

Номер детали следует формату: EL30XY(Z)-V

• X:Серия по напряжению (3,4,6,8).
• Y:Класс чувствительности (1,2,3).
• Вариант формы выводов:
  • Нет/M:DIP для сквозного монтажа, упаковка в трубке.
  • S / S1:Форма выводов для поверхностного монтажа. S1 — низкопрофильная версия.
• Вариант ленты и катушки (Z):TA или TB для SMD компонентов, указывает тип катушки.
• V:Указывает на наличие одобрения безопасности VDE.

Пример: EL3062S-TA-V — это устройство для поверхностного монтажа с напряжением 600В, класс 2, на ленте TA и катушке, с одобрением VDE.