CC BY
166Преимущества отечественных оптоэлектронных микросхем
в миниатюрных корпусах SOP для поверхностного монтажа
Григорий СКОРОПАД
В настоящее время в России серийно производятся оптопары и оптоэлектронные реле в пластмассовых корпусах DIP и DIP SMD с числом выводов 4, 6 и 8 и шагом между выводами 2,5 мм. В связи с тенденцией миниатюризации электронной аппаратуры и переходом на автоматизированный монтаж компонентов на поверхность печатных плат на российском рынке, начиная с 2001 года, растет потребность в оптоэлектронных микросхемах (ОЭ-микросхемах) в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа типа SOP и SOIC. Эта потребность оценивается сейчас в 5 млн штук в год. Пока она удовлетворяется поставками зарубежных компонентов, в основном из Юго-Восточной Азии, где есть как собственное производство, так и заводы известных мировых производителей.
В России ОЭ-микросхемы в подобных корпусах серийно не выпускались до 2005 года. А затем началась реализация проекта по освоению производства оптореле и оптопар в миниатюрных корпусах типа SOP и SOIC. Эти корпуса имеют шаг выводов 2,54 мм (SOP) и 1,27 мм (SOIC) и значитель-
но меньшие габариты по сравнению с корпусами DIP и DIP SMD: 4,3х4,4 мм — SOP4, 9,38x4,4 мм — SOP8 при высоте 2 мм (рис. 1).
Что же заставляет разработчиков отказываться от электромагнитных реле и использовать вместо них твердотельные? В числе основных и неоспоримых преимуществ следует отметить:
• высокую надежность ввиду отсутствия механических контактов и, как следствие, высокую наработку на отказ (не менее 10 млрд переключений, что в 1000 раз больше, чем улучших образцов электромагнитных реле);
• неизменное контактное сопротивление (сопротивление во включенном состоянии)
Рис. 1. Чертежи корпусов DIP, SMD, SOP
S1 S1’
? 4 ?3
uru
S1 -C—S1’ 1B норм, замкнутые
S1 S1’ S2 S2’
? 8 ? 7? 6 ?5
ЧУ \\ ЧУ \\
1 w II * 1
211 3
S1 <r '— S1'
S2 -QT'— S2’ 2B норм, замкнутые
S1 S1‘
? 4 ? 3
ІіПіі
w
-w-
S1 -o"o-S1'
1A норм, разомкнутые
S1 S1’S2 S2’
S2 <ґи— S2’
2A норм, разомкнутые
Рис. 2. Условные электрические схемы оптоэлектронных (твердотельных) реле
в течение всего срока службы, составляющего не менее 100 тыс. часов или 12 лет;
• отсутствие дребезга контактов, что снижает внутрисхемный уровень помех в аппаратуре и обеспечивает стабильность ее работы;
• отсутствие акустического шума;
• совместимость по входу с логическими микросхемами, обеспечивающая простоту интеграции оптореле в цифровые устройства;
• отсутствие индуктивности — причины возникновения нежелательных выбросов напряжения при переключении электромагнитных реле;
• необходимость низкоуровневых сигналов управления (ток 0,5-3 мА при напряжении 1,5-5 В), что существенно упрощает схему управления твердотельным реле в отличие от электромагнитного, для управления работой которого необходим электронный ключ с диодной защитой от выбросов напряжения;
• высокую виброустойчивость и ударостойкость, что обусловлено отсутствием подвижных механических контактов;
• хорошие изоляционные свойства как между входом и выходом (Ииз = 1500 В), так и высокое сопротивление изоляции корпуса (не менее 109 Ом);
• высокое быстродействие (0,05-1 мс);
• высокую устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей;
• малое энергопотребление (на 95% меньше, чем электромагнитные реле);
• малые габариты и вес.
Благодаря оптической развязке между входной управляющей цепью и выходным каскадом достигается полная гальваническая развязка по напряжению между входом и выходом.
Выходные каскады всех поставляемых оптореле выполнены на МОП-транзисторах, в результате чего характеристики этих реле для коммутации аналоговых сигналов лучше, чем у оптореле с тиристорными или биполярными ключами. По сравнению с тиристорным выходом МОП-ключ обладает
линейной зависимостью тока от напряжения во включенном состоянии, причем падение напряжения на ключе составляет 0,5 В. Выходной ключ на основе сдвоенного МОП-транзистора обеспечивает двунаправленное переключение нагрузок и допускает работу с переменным током. Условные электрические схемы оптоэлектронных (твердотельных) реле приведены на рис. 2.
Оптореле в корпусах SOP производства России соответствуют европейской директиве бессвинцовой технологии (RoHS). При этом цены российских оптореле ненамного выше цен электромагнитных и герко-новых реле, а также сопоставимы (а по некоторым позициям даже ниже) с ценами зарубежных аналогов ($0,3-1,5 в зависимости от типа оптореле).
Применение твердотельных реле в корпусах SOP в телекоммуникационой технике позволяет уменьшить массо-габаритные показатели за счет уменьшения и уплотнения печатных плат, что особенно важно в носимой аппаратуре. Малый вес и размеры наряду с повышенной стойкостью к ударам, вибрации, температуре окружающей среды и влажности делают эти реле идеальными для использования в бортовой аппаратуре, а также в приборах железнодорожной связи и автоматики.
В последнее время твердотельные реле широко применяются в телефонии — как на самих АТС в качестве прямой замены электромагнитных реле, так и в устройствах абонентской связи, таких как телефонный аппарат, таксофон, факс, модем (в схемах поднятия трубки, подачи вызывного сигнала, импульсного набора номера). Именно электромагнитные реле в таких устройствах наиболее подвержены выходу из строя.
На рис. 3 показан входной узел телефонного аппарата (ТА) или факс-модема с электромагнитным (рис. 3а) и с твердотельным реле типа РИАВЗСЙ (рис. 3б), которым заменено электромагнитное механическое реле. На рис. 3в представлен тот же узел с применением микросхемы ТИ115Р1 (ЭА2), в которой в одном корпусе объединены оптореле и оптопара.
Этот пример ясно показывает, что при переходе на твердотельные реле не только повысится надежность устройства, но и понадобится меньше компонентов для схемы, а именно:
• исключается цепь для борьбы с дребезгом контактов (И1С1);
• нет необходимости в предохранительных резисторах И2 и ИЗ, благодаря токоограничивающим свойствам оптореле, что является наиболее важным преимуществом, так как в результате перенапряжения, например
Таблица 1. Применение оптореле в корпусах SOP
Наименование Тип корпуса Основные электрические характеристики Область применения
Ukom, В AC/DC 1вых, мА AC/DC Ron, Ом Схема оптореле
PRAB30S SOP4 400 100 24 1А Телекоммуникации, связь, системы безопасности
PRAB31S SOP4 350 120 17 1А
PRAG71S SOP4 400 100 20 1В
PRAC30S SOP8 400 85 24 2А
PRAC31S SOP8 350 100 17 2А
PRAH71S SOP8 400 60 20 2В
PRAK74S SOP8 400 80(нр), 60(нз) 20 1А + 1В
TR115F1 FLATPACK 400 120 17 1А + оптопара
PRAB34S SOP4 200 180 1А Промышленная автоматика, контроллеры, контрольно-измерительные приборы и оборудование, интерфейсные устройства, системы безопасности
PRAB37S SOP4 60 350 0,8 1А
PRAG72S SOP4 200 100 13 1В
PRAC34S SOP8 200 160 2А
PRAC37S SOP8 60 320 0,8 2А
PRAH72S SOP8 200 80 13 2В
Таблица 2. Взаимозаменяемые зарубежные аналоги отечественных оптореле для поверхностного монтажа
PRAB30S KAQY214S AQY214S CPC1025N PS7241-1A-A, PS7200A-1A M211,M221
PRAB31S KAQY210S AQY210S CPC1030N, CPC1035N PS7241-1A-A, PS7200B-1A
*PRAB34S KAQY217S, KCP1008N AQY217S CPC1008N PS7122AL-1A-A
PRAB37S KAQY212S AQY212S CPC1018N
PRAG71S KAQY414S AQY414S CPC1135N, CPC1150N PS7241-1B-A M212,M222
PRAG72S
PRAC30S KAQW214S AQW214S
PRAC31S KAQW210S AQW210S
PRAC34S LAA127P PS7122AL-2A-A
PRAC37S KAQW212S AQW212S
PRAH71S KAQW414S AQW414S
PRAH72S
PRAK74S KAQW614S AQW614S
TR115-F1H KAQW210TS TS117P
* КДОУ217в, ДОУ217в — прямые аналоги, а СРС1008И, КСР1008И — близкие аналоги с худшими электрическими параметрами
Таблица 3. Оптореле в корпусах для поверхностного монтажа SOP, рекомендуемые для замены отечественных аналогов в корпусах DIP и SMD
Тип изделия Тип корпуса Схема Выходное напряжене Uon, B (max) Выходной ток Ion, мА (max) Сопротивление канала Ron, Ом (типовое) Напряжение изоляции U, B Рекомендуемая замена оптореле серий КР293, К449
PRAB30S SOP4 1A 400 100 24 1500 КР293КП1Б, В; КР293КП2Б, В; К293КП18ВР (Т); К449КП1ВР (Т)
PRAC30S SOP8 2A 400 85 24 1500 КР293КП3Б, В; КР293КП4Б, В; К449КП3БР (Т)
PRAB31S SOP4 1A 350 120 17 1500 КР293КП1Б, В; КР293КП2Б, В; К293КП18ВР (Т); К449КП1ВР (Т)
PRAC31S SOP8 2A 350 100 17 1500 КР293КП3Б, В; КР293КП4Б, В; К449КП3БР (Т)
PRAB37S SOP4 1A 60 350 0,8 1500 КР293КП1А; КР293КП2А; К449КП1АР (Т)
PRAC37S SOP8 2A 60 320 0,8 1500 КР293КП3А; КР293КП4А
PRAG71S SOP4 1B 400 70 20 1500 КР293КП5Б, В; КР293КП6Б, В; К449КП2ВР (Т)
PRAG72S SOP4 1B 200 100 13 1500 КР293КП5Б; КР293КП6Б
PRAH71S SOP8 2B 400 60 20 1500 КР293КП7Б, В; КР293КП8Б, В
PRAH72S SOP8 2B 200 80 13 1500 КР293КП7Б; КР293КП8Б
PRAK74S SOP8 1A+1B 400 80/60 24/20 1500 КР293КП9Б, В; КР293КП10Б,В
TR115F1H FLATPACK IA+оптопара 400 120 17 3750 К293КП17Р(Т); 5П14.32Б(Т)
Рис. 3. Электрические схемы входного устройства факс-модема или ТА:
а) с электромагнитным реле; б) с твердотельным реле типа РРДВЗОв и оптопарой;
в) с оптоэлектронной микросхемой ТМ15Р1 (ЭД2)
при грозовом разряде, предохранительные резисторы в ТА или модеме с механическим реле перегорают, что неизбежно потребует ремонта; при использовании твердотельного реле такой проблемы не возникает.
В числе других преимуществ такой замены — экономия места на печатной плате (особенно при применении оптореле и оптопары в одном корпусе ТК115Б1), а также экономия средств примерно на 15% (при больших объемах производства).
Подобные схемы используются в системах охранной и пожарной сигнализации для автоматического подключения объекта к телефонной линии при срабатывании сигнализации.
Основные области применения оптореле и их электрические характеристики приведены в таблице 1.
Кроме того, все указанные оптореле могут коммутировать аналоговый сигнал частотой до 5 кГц, что позволяет применять их для коммутации звукового сигнала (речи) в переговорных устройствах систем безопасности (домофоны, видеодомофоны), диспетчерской связи на железнодорожном и другом транспорте, на промышленных, торговых и прочих предприятиях.
Развитие серии оптореле планируется за счет быстродействующих реле для коммутации аналоговых сигналов с частотой от 2 до 25 кГц (РИАВ508, РИАВ518). Эти оптореле
имеют малую проходную (1 пФ) и выходную (3 пФ) емкость, малый температурный дрейф напряжения (0,2 мкВ) и обладают линейной выходной характеристикой. Применение этих оптореле позволит значительно повысить технические характеристики в таких устройствах, как сканеры, мультиплексоры, многоканальные устройства выборки и хранения (УВХ), коммутаторы уровня сигналов, а также в измерительном оборудовании.
Оптореле в корпусах SOP отечественного производства обеспечивают полную замену аналогичных оптореле, выпускаемых зарубежными компаниями. При переходе с монтажа в отверстия на автоматизированный поверхностный монтаж они могут заменять как
Таблица 4. Электрические параметры транзисторной оптопары PB181S
Параметры Обозна- чение Условия измерения Минимум Типовое Максимум Ед. измерения
Вход Прямое напряжение Vf IF = ±10 мА 1,2 1,4 В
Обратный ток 'r Vr = 5 В 10 мкА
Выход Обратное пробивное напряжение коллектор-эмиттер V(BR)CEO Ic = 0,5 мА 60 В
Обратное пробивное напряжение эмиттер-коллектор V(BR)ECO Ie = 0,1 мА В
Обратный ток коллектор-эмиттер 'CEO со о со II > 100 нА
Характеристики передачи сигнала и изоляции Коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером K, IF = ±5 мА Vce= 5 В 80 300 600 %
Напряжение насыщения VCE(sat) If = ±10 мА Ic= 1 мА 0,4 В
Изолирующая емкость между входом и выходом CISO V = 0 В F= 1 МГц пФ
Сопротивление изоляции между входом и выходом RISO V = 500 В 109 Ом
Напряжение изоляции между входом и выходом VISO Ioff<0,3 мА AC, 60 с 2500 В
Время включения tr Vce = 5 В Rl= 100 Ом Ic = 2 мА мкс
Время выключения tf мкс
зарубежные оптореле (например PVT322A), так и оптореле серий К293 (КР293) и К449, выпускаемые в корпусах DIP и DIP SMD. В таблицах 2 и 3 приведены взаимозаменяемые зарубежные аналоги оптореле в корпусах SOP, а также рекомендуемая замена оптореле серий К293 (КР293) и К449.
Кроме оптореле, в подобных корпусах для поверхностного монтажа поставляются оптроны, а именно транзисторная оптопара PB181S. Ее электрические параметры приведены в таблице 4, а условная электрическая схема и чертежи корпуса — на рис. 4.
Основное назначение оптронов состоит в электрической и электростатической развязке между электронными устройствами или различными блоками одного электронного устройства.
По своему назначению оптопары аналогичны трансформаторам, при этом имеют в несколько раз меньшую стоимость ($0,07-0,15) и геометрические размеры. Наиболее распространены транзисторные оптопары.
Представляемая транзисторная оптопара PB181S удовлетворяет следующим требованиям:
• миниатюрный корпус SOP4 размером 4,3х4,4х2 мм;
• отличная электрическая изоляция между входом и выходом (2500 В);
• высокий коэффициент передачи по току (от 80 до 600%);
• высокое быстродействие;
• малая переходная емкость (1 пФ);
• высокая временная стабильность электрических параметров.
Указанные оптопары напрямую заменяют известные зарубежные аналоги: TLP181, TLP121, TLP124, PC357NT, PS2701-1, KPC357NT, атак-же при переходе с монтажа в отверстия на автоматизированный поверхностный монтаж — KP1010, PC817, PS2501-1, PS2561-1, TLP421, TLP521, TLP621 и отечественную АОТ174.
Эти оптопары поставляются с 2007 года, но они уже нашли широкое применение в системах управления лифтами и системах безопасности (переговорных устройствах видеодомофонов). Их можно использовать и в телекоммуникационной аппаратуре, где широко применяются подобные оптопары зарубежных производителей.
Развитие серии оптопар в корпусах SOP и SOIC планируется за счет транзисторных оптопар на переменный входной сигнал (аналоги TLP180, KPC354NT), оптопар с базовым выводом транзистора (для замены 4N35 и АОТ128), многоканальных оптопар (2 и 4 канала).
В заключение отметим основные преимущества применения отечественных ОЭ-ми-
Рис. 4. Транзисторная оптопара PB181S — размеры корпуса и назначение выводов
кросхем в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа типа SOP, SOIC и т. п.:
• поставка изделий исключительно высокого качества благодаря использованию технологии автоматизированной сборки, гарантирующей внешний вид и надежность изделий, а также стабильность и повторяемость их параметров;
• поставка в упаковке для автоматизированного монтажа на печатные платы (в блистер-ленте на катушках или в антистатических пеналах);
• соответствие европейской директиве RoHS (бессвинцовой технологии пайки);
• выгодные цены и сроки поставки благодаря наличию складов в России, минимизации транспортных, логистических и таможенных расходов;
• гибкость и оперативность работы с потребителями благодаря предоставлению скидок в зависимости от объема и регулярности заказов, отсрочек платежа, квотированию заказов поквартально, на полугодия и год;
• информационная и техническая поддержка, консультации технических специалистов;
• готовность расширять номенклатуру и изменять технические параметры в соответствии с требованиями заказчиков. ■
