Преимущества отечественных оптоэлектронных микросхем в миниатюрных корпусах SOP для поверхностного монтажа

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 значительно меньшие габариты по сравнению с корпусами DIP и DIP SMD: 4,3×4,4 мм — SOP4, 9,38×4,4 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 у лучших образцов электромагнитных реле);
• неизменное контактное сопротивление (сопротивление во включенном состоянии) 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 (Uиз = 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 герконовых 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 PRAB30S (рис. 3б), которым заменено электромагнитное механическое реле. На рис. 3в представлен тот же узел с применением микросхемы TR115F1 (DA2), 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 (R1C1);
• нет необходимости в предохранительных резисторах R2 и R3, благодаря токоограничивающим свойствам оптореле, что является наиболее важным преимуществом, так как в результате перенапряжения, например 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 TR115F1), 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 (PRAB50S, PRAB51S). 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 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 4,3×4,4×2 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, а также 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-микросхем 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.