Waraka ya Kiufundi ya Kiingereza - 6-Pin DIP Phototransistor Photocoupler - Mfululizo wa 4N2X, 4N3X, H11AX - Voltage ya Kutengwa 5000Vrms - Halijoto ya Uendeshaji -55 hadi +110°C

1. Product Overview

The 4N2X, 4N3X, and H11AX series are families of 6-pin Dual In-line Package (DIP) phototransistor photocouplers (also known as optocouplers or opto-isolators). Each device consists of a gallium arsenide infrared light-emitting diode (LED) optically coupled to a silicon phototransistor detector. This configuration provides complete electrical isolation between the input and output circuits, making them essential components for safety, noise immunity, and voltage level shifting in electronic systems.

The core function is signal transmission via light, eliminating a direct electrical connection. The input current energizes the infrared LED, which emits light proportional to the current. This light falls on the base region of the phototransistor, generating a base current and allowing collector-emitter current to flow, thereby replicating the input signal on the isolated output side.

1.1 Core Advantages and Target Market

Hizi photocoupler zimeundwa kwa matumizi yanayohitaji utenganishaji wa ishara unaoaminika. Faida zao kuu ni pamoja na voltage ya juu ya utenganishaji ya 5000V_rms, which is critical for protecting low-voltage control circuits (like microprocessors) from high-voltage mains au motor drive sections. The extended creepage distance of >7.62mm further enhances safety and reliability ndani high-voltage environments. With an operating temperature range of -55°C to +110°C, they are suitable for industrial, automotive, and harsh environment applications.

Kifurushi cha DIP cha kompakt kinapatikana katika aina za kawaida, umbali wa upana wa risasi (0.4 inchi), na uso-mount (SMD), zikitoa urahisi kwa michakato ya usanikishaji kupitia shimo na ya otomatiki. Vifaa hivi vina idhini kutoka kwa mashirika makuu ya kimataifa ya usalama ikiwa ni pamoja na UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, na CQC, huku zikirahisisha matumizi yao katika vifaa vinavyouzwa kimataifa ambavyo lazima vifuate viwango vikali vya usalama.

2. Uchambuzi wa Kina wa Vigezo vya Kiufundi

Karatasi ya data hutoa maelezo kamili ya umeme na ya nuru, ambayo ni muhimu sana kwa usanisi sahihi wa saketi na uhakikisho wa uaminifu.

2.1 Vipimo Vya Juu Kabisa

These ratings define the stress limits beyond which permanent device damage may occur. They are not intended for normal operation.

• Input (LED) Side: Upeo wa mwendelezo wa mbele (I_F) ni 60mA. Upeo mfupi wa mbele (I_FM) ya 1A kwa 10µs inaruhusiwa, ambayo inahusiana na kukandamiza kwa muda mfupi. Voltage ya juu ya nyuma (V_R) ni 6V ya wastani, ikionyesha LED haijabuniwa kwa upendeleo wa nyuma wa juu na inahitaji ulinzi ikiwa itatumika katika saketi za AC.
• Pato (Phototransistor) Upande: Voltage za kuvunja kwa mkusanyaji-toa na mkusanyaji-msingi (V_{Mkurugenzi Mtendaji Mkuu}, V_CBO) ni volti 80V zote mbili, zinafafanua voltage ya juu inayoweza kutumiwa kwenye transistor wakati imezimwa. Voltage kati ya emitter na base na kati ya emitter na collector (V_EBO, V_ECO) are limited to 7V.
• Power and Thermal: The total device power dissipation (P_TOT) is 200mW at 25°C. Derating factors are provided: 3.8 mW/°C for the input side above 100°C and 9.0 mW/°C for the output side above 100°C. These are critical for calculating maximum allowable power at elevated ambient temperatures to prevent thermal runaway.
• Utofautishaji: The isolation voltage (V_ISO) ya 5000V_rms kwa dakika 1 ni kigezo muhimu cha usalama, kilichojaribiwa kwa pini 1-2-3 zikiwa zimefungwa pamoja na pini 4-5-6 zikiwa zimefungwa pamoja.

2.2 Electro-Optical Characteristics

These parameters are measured under typical conditions (T_a=25°C) and define the device's performance.

• Input LED Characteristics: Voltage ya mbele (V_F) kwa kawaida ni 1.2V kwa I_F=10mA, na upeo wa 1.5V. Hii inatumika kuhesabu upinzani unaohitajika wa kudhibiti mkondo. Mkondo wa nyuma (I_R) is very low (<10µA at V_R=6V). Uwezo wa kuingiza umeme (C_ndani) kwa kawaida ni 30pF.
• Tabia za Picha Transistor ya Pato: Mikondo ya Giza (I_CBO, I_{Mkurugenzi Mtendaji Mkuu}) iko katika safu ya nanoampere, ikionyesha uvujaji mdogo sana wakati LED imezimwa. Voltage vya kuvunjika (BV_{Mkurugenzi Mtendaji Mkuu}, BV_CBO, n.k.) thibitisha mipaka ya 80V na 7V kutoka kwa viwango kamili.

2.3 Sifa za Uhamishaji

Vigezo hivi vinataja ufanisi wa kuunganisha na utendakazi wa kubadili kati ya ingizo na pato.

• Current Transfer Ratio (CTR): Hii ndiyo kigezo muhimu zaidi, kinachofafanuliwa kama (I_C / I_F) * 100%. Kinatofautiana sana kulingana na nambari ya sehemu, na hivyo kuunda mfumo wa kupima utendaji:
  • High CTR (>100%): 4N35, 4N36, 4N37.
  • Medium-High CTR (50%): H11A1.
  • Medium CTR (30%): H11A5.
  • Standard CTR (20%): 4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • Lower CTR (10%): 4N27, 4N28, H11A4.
  Uainishaji huu unawawezesha wabunifu kuchagua kifaa chenye unyeti unaohitajika kwa matumizi yao maalum na kiwango kinachohitajika cha mkondo wa pato.
• Voltage ya Ujao (V_CE(sat)): Hii ndiyo kushuka kwa voltage kwenye phototransistor inapowashwa kikamilifu. Thamani za chini (mfano, 0.3V kiwango cha juu kwa mfululizo wa 4N3X kwa I_F=10mA, I_C=0.5mA) zinaonyesha utendaji bora, kupunguza hasara ya nguvu katika hatua ya pato.
• Kasi ya Kubadili: Turn-on (t_on) and turn-off (t_off) times are specified for different series under specific test conditions (V_CC=10V, R_L=100Ω). Mfululizo wa 4N2X/H11AX kwa kawaida ni wa kasi zaidi (3µs kwa kawaida) ikilinganishwa na mfululizo wa 4N3X (10µs kwa kawaida kwa t_on, 9µs kwa kawaida kwa t_off). Hii ni muhimu sana kwa usafirishaji wa ishara za dijiti na matumizi ya PWM.
• Vigezo vya Kutengwa: Upinzani wa kutengwa (R_IO) is extremely high (>10¹¹ Ω), na uwezo wa pembejeo-pato (C_IO) ni ndogo sana (0.2pF kwa kawaida), ambayo hupunguza kuunganishwa kwa uwezo wa kelele ya masafa ya juu kwenye kizuizi cha kutengwa.

3. Uchambuzi wa Mkunjo wa Utendaji

Ingawa PDF inaonyesha maandishi ya kibadala kwa "Mikondo ya Kawaida ya Tabia za Umeme-Optiki," mikondo kama hiyo ni ya kawaida kwa vifaa vya mwanga na kawaida hujumuisha:

• Current Transfer Ratio (CTR) dhidi ya Forward Current (I_F): Inaonyesha jinsi ufanisi hubadilika na mkondo wa kuendesha LED, mara nyingi ukifikia kilele katika mkondo maalum.
• CTR dhidi ya Joto: Inaonyesha kupungua kwa CTR kwenye joto la juu, ambayo ni sababu muhimu ya kupunguza uwezo kwa uendeshaji wa joto la juu.
• Mkondo wa Mkusanyiko (I_C) dhidi ya Voltage ya Mkusanyiko-Mtoa (V_CE): Mionyesho ya tabia ya fototransistor katika maeneo tofauti (kujaa, hai).
• Muda wa Kubadilisha dhidi ya Upinzani wa Mzigo (R_L): Inaonyesha jinsi uchaguzi wa upinzani wa kuvuta-juu unavyoathiri nyakati za kupanda na kushuka.

Wabunifu wanapaswa kushauriana na mikunjo hii kutoka kwa hati kamili ya data ili kuboresha vigezo kama vile mkondo wa LED, upinzani wa mzigo, na joto la uendeshaji kwa mahitaji yao maalum ya kasi na pato.

4. Taarifa za Mitambo na Kifurushi

Vifaa vinatolewa katika aina kadhaa za kifurushi cha 6-pin DIP ili kukidhi mahitaji tofauti ya usanikishaji.

4.1 Vipimo na Aina Mbalimbali za Kifurushi

The datasheet includes detailed mechanical drawings for each option. Key dimensions include overall length, width, pin spacing, and lead dimensions.

• Standard DIP Type: Kifurushi cha kawaida cha kupitia-tundu chenye nafasi ya safu ya inchi 0.1 (mm 2.54).
• Aina ya Chaguo M: Ina "kunama kwa upana kwa waya za kuongoza" zinazotoa nafasi ya inchi 0.4 (mm 10.16) kati ya waya hizo. Hii inaongeza umbali wa kutambaa na ufunguzi kati ya pini za pembejeo na pato, na kuimarisha uaminifu wa kutengwa kwa matumizi ya voltage ya juu.
• Option S & S1 Types: Toleo la kifaa cha kukatwa kwenye uso (SMD). Chaguo S1 ni lahaja ya "profa iliyopunguzwa", ambayo ina urefu wa kifurushi uliopunguzwa ikilinganishwa na chaguo la kawaida la S, lenye manufaa kwa matumizi yenye nafasi ndogo.

Vifurushi vyote vina mwili uliowekwa umbo ambao hutoa insulation inayohitajika. Usanidi wa pini umeainishwa: Pini 1 (Anodi), Pini 2 (Kathodi), Pini 3 (NC), Pini 4 (Emitter), Pini 5 (Collector), Pini 6 (Base). Pini ya msingi (6) mara nyingi huachwa bila kuunganishwa lakini inaweza kutumika kuboresha upana wa bendi au udhibiti wa upendeleo katika baadhi ya saketi.

5. Soldering and Assembly Guidelines

Viwango vya juu kabisa vinabainisha joto la uuzi (T_SOL) ya 260°C kwa sekunde 10. Hii ni thamani ya kawaida kwa michakato ya kuuza mawimbi au reflow. Kwa chaguo za SMD (S, S1), wasifu wa kawaida wa reflow wa infrared au convection wenye kiwango cha juu cha joto karibu 260°C unatumika. Ni muhimu kuepuka kuzidi kikomo hiki cha wakati-joto ili kuzuia uharibifu wa kifurushi cha plastiki na vifungo vya waya vya ndani. Vifaa vinapaswa kuhifadhiwa katika hali ndani ya anuwai ya joto la uhifadhi (-55°C hadi +125°C) na katika ufungaji nyeti wa unyevu ikiwa imebainishwa kwa sehemu za SMD ili kuzuia "popcorning" wakati wa reflow.

6. Ufungaji na Taarifa za Kuagiza

Mfumo wa nambari ya sehemu umebainishwa wazi: 4NXXY(Z)-V au H11AXY(Z)-V.

• XX / X: Nambari maalum ya sehemu (mfano: 25, 35, 1, 5).
• Y (Umbizo la Uongozi):
  • Hakuna: DIP ya kawaida (vitengo 65/bomba).
  • M: Wide lead bend (65 units/tube).
  • S: Surface mount lead form.
  • S1: Umbo la chini la uso la kufunga na kuongoza.
• Z (Tape & Reel): Inatumika tu kwa chaguo za SMD.
  • TA au TB: Vipimo tofauti vya mkanda na reel (vitengo 1000/reel).
• V: Kiambishi cha hiari kinachoonyesha idhini ya usalama ya VDE.

Mfumo huu una kubadilika huruhusu ununuzi wa aina halisi ya mitambo inayohitajika kwa uzalishaji.

7. Mapendekezo ya Utumizi

7.1 Saketi za Matumizi ya Kawaida

Kama ilivyoorodheshwa kwenye karatasi ya data, matumizi ya msingi yanajumuisha:

• Virekebishaji vya Usambazaji wa Nguvu: Kutoa utengano wa maoni katika vifaa vya usambazaji wa nguvu vya aina ya kubadili (SMPS) kati ya upande wa pili (pato) na kudhibiti upande wa kwanza. Hii ni muhimu kwa usalama na kukataa kelele.
• Ingizo za Mantiki ya Dijitali / Ingizo za Microprocessor: Kutenganisha ishara za sensor za viwanda zenye kelele (k.m., kutoka kwa swichi za kikomo, encoders) au vikoa tofauti vya ardhi kabla ya kuingia kwenye mantiki nyeti ya dijitali au pini za microcontroller.
• Utengano wa Ishara ya Madhumuni ya Jumla: Mzunguko wowote ambapo mifumo ndogo miwili lazima iwasiliane bila kushiriki ardhi ya kawaida, kuvunja vitanzi vya ardhi, kuondoa kelele ya aina ya kawaida, au kutoa tafsiri ya kiwango cha voltage.

7.2 Mambo ya Kuzingatia na Mbinu Bora za Ubunifu

• Kizuizi cha Sasa cha LED: Daima tumia kipingamizi cha mfululizo kuweka sasa ya mbele (I_F). Hesabu R_limit = (V_{CC_input} - V_F) / I_F. Operate within the recommended I_F range (often 5-20mA) for optimal CTR and longevity.
• Output Side Biasing: The phototransistor requires a pull-up resistor (R_L) iliyounganishwa kutoka kwenye kolekta hadi V_{CC_output}. Thamani yake ni usawazishaji: R ndogo_L hutoa kubadili haraka lakini matumizi ya nguvu ya juu na mwinuko wa chini wa voltage ya pato; R kubwa_L Inatoa ukingo bora wa kelele lakini kwa kasi ndogo.
• Uboreshaji wa Kasi: Ili kubadilisha kwa kasi zaidi, tumia kifaa kutoka kwa mfululizo wa kasi zaidi (4N2X/H11AX), punguza R_L, na hakikisha I inatosha_F Kuunganisha resistor (mfano, 100kΩ hadi 1MΩ) kati ya msingi (pini 6) na emitter kunaweza kusaidia kutoa malipo yaliyohifadhiwa na kupunguza wakati wa kuzima.
• Ukinzani wa Kelele: Upinzani wa juu wa kutengwa na uwezo mdogo wa kimsingi hukataa kelele za aina ya kawaida. Kwa uthabiti wa ziada katika mazingira yenye kelele nyingi za umeme, capacitor za bypass (mfano, 0.1µF) zilizowekwa karibu na pini za usambazaji wa kifaa pande zote mbili za ingizo na pato zinapendekezwa.

8. Technical Comparison and Selection Guide

Mfululizo tatu (4N2X, 4N3X, H11AX) hutoa anuwai ya utendaji ili kukidhi mahitaji tofauti:

• Mfululizo wa 4N3X (4N35-38): Generally offer the highest CTR values (>100% for 4N35-37), making them suitable for applications requiring high output current au where minimal input drive current is desired. Their saturation voltage is also very low.
• 4N2X Series (4N25-28) & H11AX Series (H11A1-A5): Hutoa anuwai ya viwango vya CTR kutoka 10% hadi 50%. Mfululizo wa 4N2X kwa kawaida una nyakati za kubadili haraka. Hizi ni vihami vya jumla, vinavyoweza kutumika kwa matumizi mbalimbali. H11A5 (CTR 30%) na H11A1 (CTR 50%) hujaza sehemu maalum za utendaji.
• Vigezo vya Uchaguzi: Chagua kulingana na CTR inayohitajika (faida ya sasa ya pato), kasi ya kubadili-badili, voltage ya kujaa, na gharama. Kwa mfano, ingizo la microprocessor linalosoma swichi ya polepole linaweza kutumia sehemu ya chini ya CTR, yenye gharama nafuu kama H11A4. Mzunguko wa maoni katika usambazaji wa nguvu unaohitaji mstari mzuri na faida unaweza kutumia 4N35 au 4N36.

9. Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara (FAQ)

Q: Kuna nini madhumuni ya pini ya msingi (pini 6)?
A: Pini ya msingi hutoa ufikiaji wa eneo la msingi la phototransistor. Kuiacha wazi (isiyounganishwa) ni kawaida. Kuunganisha resistor kutoka msingi hadi emitter kunaweza kuboresha kasi ya kubadili kwa kutoa njia ya kuondoa malipo yaliyohifadhiwa. Katika baadhi ya miundo, inaweza kutumika kwa uwekaji awali wa bias au kwa kuunganisha mtandao wa kuongeza kasi.

Q: Ninawezaje kuhakikisha uimara wa muda mrefu?
A: Tumia LED ndani ya viwango vyake vya juu kabisa, kwa upendeleo chini ya viwango hivyo. Weka halijoto ya makutano chini kwa kuzingatia mikunjo ya kupunguza nguvu. Tumia umbali wa kutosha wa creepage/clearance kwenye PCB yako, hasa kwa kizuizi cha kutengwa cha voltage ya juu, ukilinganisha au ukizidi uwezo wa 7.62mm wa kifurushi.

Je, naweza kutumia hii kwa kutenganisha ishara ya AC?
Ndiyo, lakini LED ya pembejeo ina kiwango cha chini cha voltage ya nyuma (6V). Ili kutenganisha ishara ya AC, lazima ulinde LED kutokana na upendeleo wa nyuma, kwa kawaida kwa kuweka diode ya kawaida sambamba kinyume kwenye pembejeo ya LED, au kwa kutumia usanidi wa rekta daraja kabla ya LED.

Kwa nini CTR imebainishwa kama thamani ya chini?
A> CTR has a wide variation due to manufacturing tolerances ndani LED efficiency and phototransistor gain. The datasheet guarantees a minimum CTR under specified conditions. Design must be based on this minimum value to ensure circuit functionality across all production units and over temperature.

10. Mfano wa Ubunifu Unaotumika

Hali: Kutenganishwa kwa ishara ya dijiti ya 24V kutoka kwa pato la PLC hadi kwenye ingizo la microcontroller ya 3.3V.

1. Uchaguzi wa Kifaa: Chagua sehemu ya matumizi ya jumla kama 4N25 (CTR ya chini ya 20%). Kasi yake inatosha kwa I/O ya dijiti.
2. Saketi ya Ingizo: PLC inatoa 24V. Lengwa I_F = 10mA. V_F ≈ 1.2V. R_limit = (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω. Tumia kipingamizi cha kawaida cha 2.2kΩ. Ongeza diode ya ulinzi wa nyuma kwenye ingizo la LED.
3. Mzunguko wa Pato: Microcontroller V_CC = 3.3V. Chagua R_L = 1kΩ. Wakati phototransistor iko kwenye hali ya kuzima, pato linavutwa juu hadi 3.3V (mantiki 1). Wakati iko kwenye hali ya kuwasha, kwa kudhani I_C = CTR * I_F = 0.2 * 10mA = 2mA, voltage ya pato litatokea itakuwa V_CE(sat) (kiwango cha juu 0.5V), mantiki imara 0. Upakiaji wa 1kΩ unatoa usawa mzuri wa kasi na matumizi ya umeme kwa matumizi haya.

11. Kanuni ya Uendeshaji

Fotokuplaa hufanya kazi kwa kanuni ya ubadilishaji wa umeme-mwanga-umeme. Ishara ya umeme inatumika kwa upande wa pembejeo, na kusababisha mkondo kupita kwenye LED ya infrared. Mkondo huu ni sawia moja kwa moja na ukali wa mwanga unaotolewa. Mwanga huu hupita kwenye pengo la kuwatenga lenye uwazi (kwa kawaida plastiki iliyotengenezwa) na kugonga nyenzo za semiconductor za kigunduzi cha mwanga—katika kesi hii, makutano ya msingi-mkusanyaji wa fototransista ya NPN. Fotoni huzalisha jozi za elektroni-na-shimo, na kuunda mkondo wa msingi. Mkondo huu wa msingi unaozalishwa na mwanga kisha huongezwa kwa faida ya mkondo ya transista (h_FE), na kusababisha mkondo mkubwa wa mkusanyaji ambao hurejesha ishara asilia ya pembejeo kwenye saketi ya pato iliyotengwa kwa umeme. Ukosefu kamili wa muunganisho wa galvanic ndio unaotoa utengano wa voltage ya juu na usugu dhidi ya kelele.

12. Mienendo ya Teknolojia

Phototransistor-based photocouplers like the 4NXX series represent a mature and cost-effective isolation technology. Current trends in the optocoupler market include the development of devices with higher speed (for digital communication buses like SPI, I2C isolated with ICs specifically designed for this), higher integration (combining multiple channels or adding additional functions like gate drivers), and improved reliability metrics (higher temperature operation, longer lifetime). There is also growth in alternative isolation technologies such as capacitive isolators and giant magnetoresistance (GMR)-based isolators, which can offer advantages in size, speed, and power consumption for certain applications. However, phototransistor couplers remain dominant for general-purpose, cost-sensitive, and high-voltage isolation applications due to their simplicity, proven reliability, and excellent common-mode transient immunity (CMTI).