6-Pin DIP Fototransistör Fotokuplör Veri Sayfası - 4N2X, 4N3X, H11AX Serisi - Yalıtım Gerilimi 5000Vrms - Çalışma Sıcaklığı -55 ila +110°C - İngilizce Teknik Doküman

1. Ürün Genel Bakışı

4N2X, 4N3X ve H11AX serileri, 6 bacaklı Çift Sıralı Paket (DIP) fototransistör fotokuplör (optokuplör veya opto-izolatör olarak da bilinir) aileleridir. Her bir cihaz, bir silikon fototransistör dedektörüne optik olarak bağlanmış bir galyum arsenür kızılötesi ışık yayan diyottan (LED) oluşur. Bu konfigürasyon, giriş ve çıkış devreleri arasında tam bir elektriksel izolasyon sağlayarak, bunları elektronik sistemlerde güvenlik, gürültü bağışıklığı ve voltaj seviyesi kaydırma için temel bileşenler haline getirir.

Temel işlev, doğrudan bir elektriksel bağlantıyı ortadan kaldırarak ışık yoluyla sinyal iletimidir. Giriş akımı, akımla orantılı ışık yayan kızılötesi LED'i enerjilendirir. Bu ışık, fototransistörün beyz bölgesine düşerek bir beyz akımı oluşturur ve kollektör-emitör akımının akmasına izin verir, böylece izole edilmiş çıkış tarafında giriş sinyalini kopyalar.

1.1 Temel Avantajlar ve Hedef Pazar

Bu fotokuplörler, güvenilir sinyal izolasyonu gerektiren uygulamalar için tasarlanmıştır. Temel avantajları arasında, düşük voltajlı kontrol devrelerini (mikroişlemciler gibi) yüksek voltajlı şebeke veya motor sürücü bölümlerinden korumak için kritik öneme sahip 5000V_rms, which is critical for protecting low-voltage control circuits (like microprocessors) from high-voltage mains veya motor drive sections. The extended creepage distance of >7.62mm further enhances safety and reliability giriş high-voltage environments. With an operating temperature range of -55°C to +110°C, they are suitable for industrial, automotive, and harsh environment applications.

Kompakt DIP paketi, standart, geniş bacak aralıklı (0,4 inç) ve yüzey montajlı (SMD) varyantlarda mevcuttur ve delikli ve otomatik montaj süreçleri için esneklik sunar. Cihazlar, UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO ve CQC dahil olmak üzere önde gelen uluslararası güvenlik kuruluşlarından onay taşır ve katı güvenlik standartlarına uyması gereken küresel pazarlanan ekipmanlarda kullanımını kolaylaştırır.

2. Derinlemesine Teknik Parametre Analizi

Veri sayfası, uygun devre tasarımı ve güvenilirlik güvencesi için çok önemli olan kapsamlı elektriksel ve optik özellikler sağlar.

2.1 Absolute Maximum Ratings

Bu değerler, aşıldığında cihazda kalıcı hasar meydana gelebilecek stres sınırlarını tanımlar. Normal çalışma için tasarlanmamıştır.

• Giriş (LED) Tarafı: Maksimum sürekli ileri akım (I_F) 60mA'dır. Kısa süreli tepe ileri akım (I_FM10µs süreyle 1A'lik bir akıma izin verilir, bu geçici bastırma için önemlidir. Maksimum ters voltaj (V_Rsadece 6V'dur, bu da LED'in yüksek ters öngerilim için tasarlanmadığını ve AC devrelerde kullanılırsa koruma gerektirdiğini gösterir.
• Çıkış (Fototransistör) Tarafı: Kollektör-emitör ve kollektör-beyin çökme voltajları (V_CEO, V_CBO) her ikisi de 80V'dur ve transistörün kapalı durumda dayanabileceği maksimum voltajı tanımlar. Emitör-baz ve emitör-kollektör voltajları (V_EBO, V_ECO) 7V ile sınırlıdır.
• Güç ve Termal: Toplam cihaz güç dağılımı (P_TOT) 25°C'de 200mW'dır. Azaltma faktörleri sağlanmıştır: 100°C üzeri giriş tarafı için 3.8 mW/°C ve 100°C üzeri çıkış tarafı için 9.0 mW/°C. Termal kaçak oluşmasını önlemek için yüksek ortam sıcaklıklarında izin verilen maksimum gücü hesaplamak için bunlar kritiktir.
• İzolasyon: İzolasyon voltajı (V_ISO) 5000V_rms 1 dakika boyunca, 1-2-3 numaralı pinler birbirine kısa devre yapılmış ve 4-5-6 numaralı pinler birbirine kısa devre yapılmış halde test edilen önemli bir güvenlik parametresidir.

2.2 Elektro-Optik Özellikler

Bu parametreler tipik koşullar altında (T_a=25°C) ölçülür ve cihazın performansını tanımlar.

• Giriş LED Özellikleri: İleri yönlü voltaj (V_F), I_F=10mA'de tipik olarak 1.2V'dur ve maksimum 1.5V'dur. Bu, gerekli akım sınırlama direncini hesaplamak için kullanılır. Ters yönlü akım (I_R) is very low (<10µA at V_R=6V). Giriş kapasitansı (C_giriş) tipik olarak 30pF'dir.
• Çıkış Fototransistör Karakteristikleri: Karanlık akımlar (I_CBO, I_CEO) nanoamper aralığındadır, LED kapalıyken çok düşük sızıntı olduğunu gösterir. Delinme gerilimleri (BV_CEO, BV_CBO, vb.) mutlak değerlerden 80V ve 7V sınırlarını doğrulamaktadır.

2.3 Transfer Karakteristikleri

Bu parametreler, giriş ve çıkış arasındaki bağlantı verimliliğini ve anahtarlama performansını tanımlar.

• Akım Transfer Oranı (CTR): Bu en kritik parametredir, (I_C / I_F) * %100 olarak tanımlanır. Parça numarasına göre büyük ölçüde değişir ve bir performans derecelendirme sistemi oluşturur:
  • High CTR (>100%): 4N35, 4N36, 4N37.
  • Orta-Yüksek Tıklama Oranı (%50): H11A1.
  • Orta CTR (%30): H11A5.
  • Standart CTR (%20): 4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • Düşük CTR (%10): 4N27, 4N28, H11A4.
  Bu derecelendirme, tasarımcıların belirli uygulamaları ve istenen çıkış akımı seviyesi için gerekli hassasiyete sahip bir cihaz seçmelerine olanak tanır.
• Doyma Gerilimi (V_CE(sat)): Bu, fototransistör tamamen açıldığında üzerindeki voltaj düşüşüdür. Daha düşük değerler (örneğin, 4N3X serisi için I_F=10mA, I_C=0.5mA'de maksimum 0.3V) daha iyi performansı gösterir ve çıkış katındaki güç kaybını en aza indirir.
• Anahtarlama Hızı: Açma (t_açık) ve kapama (t_kapalı) belirli test koşulları altında (V_CC=10V, R_L=100Ω). 4N2X/H11AX serisi, 4N3X serisine kıyasla tipik olarak daha hızlıdır (3µs tipik, t_açık, 9µs tipik, t_kapalı). Bu, dijital sinyal iletimi ve PWM uygulamaları için hayati önem taşır.
• İzolasyon Parametreleri: İzolasyon direnci (R_IO) is extremely high (>10¹¹ Ω) ve giriş-çıkış kapasitansı (C_IO) çok düşüktür (tipik 0.2pF), bu da izolasyon bariyeri boyunca yüksek frekanslı gürültünün kapasitif kuplajını en aza indirir.

3. Performans Eğrisi Analizi

PDF'de "Tipik Elektro-Optik Karakteristik Eğrileri" için yer tutucu metin gösterilse de, bu tür eğriler fotokuplörler için standarttır ve genellikle şunları içerir:

• Current Transfer Ratio (CTR) vs. Forward Current (I_F): LED sürücü akımına bağlı olarak verimliliğin nasıl değiştiğini gösterir; genellikle belirli bir akımda zirve yapar.
• CTR vs. Temperature: Yüksek sıcaklıklarda CTR'nin bozulmasını gösterir; bu, yüksek sıcaklıkta çalışma için kritik bir güç azaltma faktörüdür.
• Kollektör Akımı (I_C) vs. Kollektör-Emitör Gerilimi (V_CE): Fototransistörün farklı bölgelerdeki (doyma, aktif) davranışını gösteren çıkış karakteristik eğrileri.
• Anahtarlama Süresi vs. Yük Direnci (R_L): Pull-up direnci seçiminin yükselme ve düşme sürelerini nasıl etkilediğini gösterir.

Tasarımcılar, kendi hız ve çıkış gereksinimleri için LED akımı, yük direnci ve çalışma sıcaklığı gibi parametreleri optimize etmek üzere tam veri sayfasındaki bu eğrilere başvurmalıdır.

4. Mekanik ve Paket Bilgileri

Cihazlar, farklı montaj ihtiyaçlarına uygun olarak çeşitli 6-pin DIP paket varyantlarında sunulmaktadır.

4.1 Paket Boyutları ve Varyantlar

Veri sayfası, her bir seçenek için detaylı mekanik çizimler içerir. Ana boyutlar toplam uzunluk, genişlik, pin aralığı ve bacak boyutlarını kapsar.

• Standard DIP Tipi: 0,1 inç (2,54 mm) sıra aralığına sahip klasik delikli paket.
• M Tipi Seçenek: Giriş ve çıkış bacakları arasındaki sürünme yolu ve hava aralığını artırarak yüksek gerilim uygulamaları için izolasyon güvenilirliğini geliştiren, 0,4 inç (10,16 mm) bacak aralığı sağlayan "geniş bacak bükümü" özelliğine sahiptir.
• Option S & S1 Types: Yüzey montajlı cihaz (SMD) versiyonları. Seçenek S1, standart S seçeneğine kıyasla paket yüksekliği azaltılmış, alan kısıtlı uygulamalar için faydalı olan "alçak profilli" bir varyanttır.

Tüm paketler gerekli yalıtımı sağlayan kalıplanmış bir gövdeye sahiptir. Bacak konfigürasyonu standarttır: Bacak 1 (Anot), Bacak 2 (Katot), Bacak 3 (NC), Bacak 4 (Emitter), Bacak 5 (Kolektör), Bacak 6 (Baz). Baz bacağı (6) genellikle bağlanmaz ancak bazı devrelerde bant genişliği iyileştirmesi veya öngerilim kontrolü için kullanılabilir.

5. Lehimleme ve Montaj Kılavuzları

Mutlak maksimum değerler, bir lehimleme sıcaklığını (T_SOL260°C'de 10 saniye süreyle. Bu, dalga veya reflow lehimleme işlemleri için tipik bir değerdir. SMD seçenekleri (S, S1) için, yaklaşık 260°C zirve sıcaklığına sahip standart kızılötesi veya konveksiyon reflow profilleri uygulanabilir. Plastik paket ve iç tel bağlantılarına zarar gelmesini önlemek için bu zaman-sıcaklık sınırının aşılmaması çok önemlidir. Cihazlar, depolama sıcaklığı aralığı (-55°C ila +125°C) içindeki koşullarda ve SMD parçalar için belirtilmişse, reflow sırasında "popcorning"i önlemek amacıyla nem hassas paketleme içinde saklanmalıdır.

6. Paketleme ve Sipariş Bilgileri

Parça numaralandırma sistemi açıkça tanımlanmıştır: 4NXXY(Z)-V veya H11AXY(Z)-V.

• XX / X: Belirli parça numarası (örneğin, 25, 35, 1, 5).
• Y (Lead Form):
  • Yok: Standart DIP (65 birim/tüp).
  • M: Geniş bacak bükümü (65 birim/tüp).
  • S: Yüzey montaj bacak formu.
  • S1: Alçak profilli yüzey montajlı uç formu.
• Z (Tape & Reel): Yalnızca SMD seçenekleri için geçerlidir.
  • TA veya TB: Farklı bant ve makara spesifikasyonları (1000 birim/makara).
• V: VDE güvenlik onayını belirten isteğe bağlı sonek.

Bu esnek sistem, üretim için gerekli olan tam mekanik varyantın tedarik edilmesine olanak tanır.

7. Uygulama Önerileri

7.1 Tipik Uygulama Devreleri

Veri sayfasında belirtildiği gibi, temel uygulamalar şunları içerir:

• Güç Kaynağı Regülatörleri: Anahtarlamalı güç kaynaklarında (SMPS) sekonder (çıkış) tarafı ile primer taraf kontrolcüsü arasında geri besleme izolasyonu sağlamak. Bu, güvenlik ve gürültü bastırma için hayati önem taşır.
• Dijital Mantık Girişleri / Mikroişlemci Girişleri: Gürültülü endüstriyel sensör sinyallerinin (örneğin, limit anahtarları, enkoderler) veya farklı toprak bölgelerinin, hassas dijital mantık veya mikrodenetleyici pinlerine girmeden önce izole edilmesi.
• Genel Amaçlı Sinyal İzolasyonu: Toprak döngülerini kırmak, ortak mod gürültüsünü ortadan kaldırmak veya voltaj seviyesi dönüşümü sağlamak için, iki alt sistemin ortak bir toprak paylaşmadan iletişim kurması gereken herhangi bir devre.

7.2 Tasarım Hususları ve En İyi Uygulamalar

• LED Akım Sınırlama: İleri yön akımını (I) ayarlamak için daima bir seri direnç kullanın._FR'yi hesaplayın._limit = (V_{CC_input} - V_F) / I_F. Önerilen I aralığında (genellikle 5-20mA) çalıştırın._F Optimum CTR ve uzun ömür için.
• Çıkış Tarafı Öngerilimi: Fototransistör, bir çekme direncine (R) ihtiyaç duyar._L) kolektörden V'ye bağlı_{CC_output}. Değeri bir dengedir: daha küçük bir R_L daha hızlı anahtarlama sağlar ancak daha yüksek güç tüketimi ve daha düşük çıkış voltajı salınımı; daha büyük bir R_L daha iyi gürültü marjı sağlar ancak daha yavaş hız.
• Hız Optimizasyonu: Daha hızlı anahtarlama için daha hızlı seriden (4N2X/H11AX) bir cihaz kullanın, R'yi en aza indirin_Lve yeterli I sağlayın_F Sürücü. Taban (pin 6) ve emetör arasına bir direnç (örneğin, 100kΩ ila 1MΩ) bağlamak, depolanan yükün boşalmasına ve kapanma süresinin azalmasına yardımcı olabilir.
• Gürültü Bağışıklığı: Yüksek izolasyon direnci ve düşük kapasitans doğası gereği ortak mod gürültüsünü bastırır. Elektriksel olarak gürültülü ortamlarda ek sağlamlık için, hem giriş hem de çıkış tarafında cihazın besleme pinlerine yakın yerleştirilen bypass kapasitörleri (örneğin, 0.1µF) önerilir.

8. Teknik Karşılaştırma ve Seçim Kılavuzu

Üç seri (4N2X, 4N3X, H11AX), farklı ihtiyaçları karşılamak için bir dizi performans sunar:

• 4N3X Serisi (4N35-38): Generally offer the highest CTR values (>100% for 4N35-37), making them suitable for applications requiring high output current veya where minimal input drive current is desired. Their saturation voltage is also very low.
• 4N2X Series (4N25-28) & H11AX Series (H11A1-A5): %10'dan %50'ye kadar derecelendirilmiş bir CTR aralığı sağlarlar. 4N2X serisi tipik olarak daha hızlı anahtarlama sürelerine sahiptir. Bunlar çok yönlü, genel amaçlı yalıtıcılardır. H11A5 (%30 CTR) ve H11A1 (%50 CTR) belirli performans noktalarını doldurur.
• Seçim Kriterleri: Gerekli CTR (çıkış akım kazancı), anahtarlama hızı, doyum voltajı ve maliyete göre seçim yapın. Örneğin, yavaş bir anahtarı okuyan bir mikroişlemci girişi, H11A4 gibi daha düşük-CTR'li, uygun maliyetli bir parça kullanabilir. İyi bir doğrusallık ve kazanç gerektiren bir güç kaynağındaki geri besleme döngüsü ise 4N35 veya 4N36 kullanabilir.

9. Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S: Taban pimi (pin 6) ne işe yarar?
C: Temel pimi, fototransistörün temel bölgesine erişim sağlar. Açık (bağlantısız) bırakılması standart uygulamadır. Temelden emiter'e bir direnç bağlanması, depolanan yükü boşaltmak için bir yol sağlayarak anahtarlama hızını artırabilir. Bazı tasarımlarda, ön öngerilim uygulamak veya hızlandırma devresi bağlamak için kullanılabilir.

S: Uzun vadeli güvenilirliği nasıl sağlarım?
C: LED'i mutlak maksimum değerleri dahilinde, tercihen düşürülmüş değerlerle çalıştırın. Güç düşürme eğrilerine uyarak eklem sıcaklığını düşük tutun. PCB'nizde, özellikle yüksek voltaj izolasyon bariyeri için, paketin 7.62mm kapasitesine uyan veya bunu aşan yeterli kaçak yol/aralık mesafeleri kullanın.

Q: Bunu AC sinyal izolasyonu için kullanabilir miyim?
A: Evet, ancak giriş LED'inin düşük bir ters gerilim dayanımı (6V) vardır. Bir AC sinyalini izole etmek için, LED'i ters polarmadan korumanız gerekir. Bu genellikle LED girişine ters paralel bir standart diyot yerleştirilerek veya LED'den önce bir köprü doğrultucu konfigürasyonu kullanılarak yapılır.

Q: CTR neden minimum bir değer olarak belirtilmiştir?
A> CTR has a wide variation due to manufacturing tolerances giriş LED efficiency and phototransistor gain. The datasheet guarantees a minimum CTR under specified conditions. Design must be based açık this minimum value to ensure circuit functionality across all production units and over temperature.

10. Pratik Tasarım Örneği

Senaryo: Bir PLC çıkışından gelen 24V dijital sinyalini, 3.3V mikrodenetleyici girişinden izole etmek.

1. Cihaz Seçimi: 4N25 (%20 min CTR) gibi genel amaçlı bir parça seçin. Hızı dijital G/Ç için yeterlidir.
2. Giriş Devresi: PLC çıkışı 24V'dur. Hedef I_F = 10mA. V_F ≈ 1.2V. R_limit = (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω. Standart 2.2kΩ direnç kullanın. LED girişine paralel bir ters koruma diyotu ekleyin.
3. Çıkış Devresi: Mikrodenetleyici V_CC = 3.3V. R seçin_L = 1kΩ. Fototransistör kapalıyken, çıkış 3.3V'a (lojik 1) yüksek çekilir. Açıkken, I varsayılarak_C = CTR * I_F = 0.2 * 10mA = 2mA, çıkış voltajı V olacaktır._CE(sat) (maks. 0.5V), sağlam bir mantıksal 0. Bu uygulama için 1kΩ pull-up direnci, hız ve akım tüketimi arasında iyi bir denge sağlar.

11. Çalışma Prensibi

Bir fotokuplör, elektro-optik-elektriksel dönüşüm prensibiyle çalışır. Giriş tarafına uygulanan bir elektrik sinyali, bir kızılötesi LED'den akım akmasına neden olur. Bu akım, yayılan ışık şiddetiyle doğru orantılıdır. Işık, şeffaf bir yalıtım boşluğundan (genellikle kalıplanmış plastik) geçer ve bir fotodedektörün yarı iletken malzemesine—bu durumda, bir NPN fototransistörünün beyz-kollektör eklemine—çarpar. Fotonlar elektron-boşluk çiftleri oluşturarak bir beyz akımı meydana getirir. Bu fotogenerasyonla oluşan beyz akımı, daha sonra transistörün akım kazancı (h_FE) ile yükseltilerek, elektriksel olarak izole edilmiş çıkış devresinde orijinal giriş sinyalini yeniden üreten daha büyük bir kollektör akımına dönüşür. Tamamen galvanik bağlantının olmaması, yüksek voltaj izolasyonunu ve gürültü bağışıklığını sağlar.

12. Teknoloji Trendleri

4NXX serisi gibi fototransistör tabanlı fotokuplörler, olgun ve uygun maliyetli bir izolasyon teknolojisini temsil eder. Optokuplör pazarındaki mevcut trendler, daha yüksek hız (SPI, I2C gibi dijital iletişim veriyolları için özel olarak tasarlanmış IC'lerle izole edilmiş), daha yüksek entegrasyon (birden fazla kanalın birleştirilmesi veya sürücü devreleri gibi ek işlevlerin eklenmesi) ve geliştirilmiş güvenilirlik metrikleri (daha yüksek sıcaklıkta çalışma, daha uzun ömür) ile cihazların geliştirilmesini içerir. Ayrıca, kapasitif izolatörler ve dev manyetodirenç (GMR) tabanlı izolatörler gibi alternatif izolasyon teknolojilerinde de büyüme vardır; bu teknolojiler belirli uygulamalarda boyut, hız ve güç tüketimi açısından avantajlar sunabilir. Ancak, fototransistör kuplörleri, basitlikleri, kanıtlanmış güvenilirlikleri ve mükemmel ortak mod geçici bağışıklıkları (CMTI) nedeniyle genel amaçlı, maliyet duyarlı ve yüksek gerilim izolasyon uygulamalarında baskın olmaya devam etmektedir.