EL3H7U-G 光电耦合器数据手册 - 4引脚SSOP封装 - 高度2.0mm - 隔离电压3750Vrms - 电流传输比100-560% - 中文技术文档

1. 产品概述

EL3H7U-G系列是一类紧凑型表面贴装光敏三极管光电耦合器（光耦），专为现代电子电路中可靠的信号隔离而设计。这些器件通过光在两个隔离电路之间传输电信号，从而防止一个电路中的高压或地环路影响或损坏另一个电路，发挥着至关重要的作用。

其核心结构由一个砷化镓红外发光二极管与一个硅NPN光敏三极管通过光学耦合构成。两者均封装在绿色的无卤化合物中，并采用高度仅为2.0毫米的4引脚小外形封装。这种封装非常适合印刷电路板上空间受限的应用。

1.1 核心优势与目标市场

EL3H7U-G系列的主要优势包括其高隔离能力、紧凑的外形尺寸以及符合国际安全和环保标准。其3750 Vrms的隔离电压为敏感电路提供了强大的保护。无卤材料成分符合RoHS和REACH等环保法规。该器件已获得UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO和CQC等主要国际安全机构的认证，适用于需要认证元件的全球市场。

其目标应用领域多样，主要集中在电气隔离和抗噪能力至关重要的领域。关键市场包括开关电源、特别是DC-DC转换器、工业可编程逻辑控制器、电信设备以及在不同地电位或阻抗电平的电路之间进行通用信号传输。

2. 深入技术参数分析

理解绝对最大额定值和电气特性对于可靠的电路设计以及确保光电耦合器的长期可靠性至关重要。

2.1 绝对最大额定值

这些额定值定义了可能导致器件永久损坏的应力极限，不适用于正常工作条件。

• 输入侧：正向电流不得超过20 mA。反向电压限制为5 V，这表明如果输入端可能承受反向偏压，则需要适当的极性保护。_F输出侧：_R集电极电流额定值为30 mA。集电极-发射极电压最高可承受60 V，而发射极-集电极电压则低得多，为5 V，这表明了光敏三极管击穿特性的不对称性。
• 热性能与隔离：器件总功耗为200 mW。隔离电压为3750 Vrms，测试条件为在受控湿度下，将引脚1-2和3-4分别短接，测试1分钟。工作温度范围规定为-40°C至+125°C。_C2.2 光电特性_CEO这些参数通常在25°C下测量，定义了器件在正常工作条件下的性能。_ECO输入特性：
• 在正向电流为1 mA时，正向电压典型值为1.3V，这对于驱动电路设计很重要。输入电容最大为250 pF，可能影响高频开关性能。输出特性：_TOT集电极-发射极暗电流非常低，表示LED关闭时的漏电流。在规定的测试条件下，集电极-发射极饱和电压最大为0.4V，表明晶体管完全导通时的压降很低。_ISO隔离参数：

隔离电阻最小为5 x 10^10 Ω，隔离电容最大为1.0 pF。这些值对于确定隔离屏障的共模抑制比和高频噪声耦合至关重要。

2.3 传输特性与分级系统

• 电流传输比是光电耦合器最关键参数，定义为输出集电极电流与输入LED正向电流之比，以百分比表示。EL3H7U-G系列采用CTR分级系统，为设计者提供一致的性能分档：_FEL3H7U：CTR范围从50%到600%。_FEL3H7UA：CTR范围从100%到200%。_{EL3H7UB：CTR范围从150%到300%。}EL3H7UC：CTR范围从200%到400%。
• 这种分级允许进行更精确的设计，特别是在增益一致性很重要的电路中，例如电源的反馈环路。标准型号提供最宽的范围，适用于对精确CTR要求不高的通用应用。3. 性能曲线分析_CEO数据手册提供了几个图表来说明关键性能趋势。必须注意，这些曲线代表典型行为，并非生产测试的保证值。_CE3.1 正向电流与正向电压_{该图表显示了输入LED在不同环境温度下的I-V特性。正向电压具有负温度系数，这意味着在给定电流下，它会随着温度升高而降低。这是二极管的典型行为，必须在热管理和恒流驱动设计中加以考虑。}3.2 集电极电流与正向电流及CTR与正向电流_F图2绘制了在两种不同集电极-发射极电压下，输出集电极电流与输入LED电流的关系。在较低电流下呈线性关系，但在较高电流水平下，尤其是在较低集电极-发射极电压下，会显示饱和。图3显示归一化CTR随着正向电流增加而减小。这表明器件在较低驱动电流下效率最高。_C3.3 温度依赖性
• 图6表明，在固定正向电流下，集电极电流随温度升高而增加。图7显示归一化CTR在室温附近达到峰值，并在较高和较低温度下均下降。CTR的这种温度依赖性是一个关键的设计因素。电路必须设计为在整个规定温度范围内都能正常工作，并考虑到增益的变化。3.4 开关特性_IO开关时间与负载电阻的关系图显示，上升时间和下降时间都随着负载电阻减小而减小。使用较小的负载电阻可以实现更快的开关速度，但这会以输出级更高的功耗为代价。测试电路定义了上升时间为输出脉冲从10%到90%的时间，下降时间为从90%到10%的时间。¹⁰4. 机械、封装与组装信息_IO4.1 引脚配置与极性

该器件采用标准的4引脚SSOP封装。引脚排列如下：引脚1：LED阳极，引脚2：LED阴极，引脚3：光敏三极管发射极，引脚4：光敏三极管集电极。在PCB布局和组装过程中必须注意正确的极性，以防止损坏。

4.2 焊接与处理指南_C焊接温度的绝对最大额定值为260°C，持续10秒。这符合典型的无铅回流焊曲线。应遵循IPC/JEDEC J-STD-020关于湿敏器件的标准指南。器件应储存在其原始的带干燥剂的防潮袋中，并在受控条件下保存；如果袋子已打开或超过暴露时间限制，应在焊接前进行烘烤。_F5. 订购信息与包装_CF部件编号结构为：EL3H7U(X)(Y)-VG。

X：CTR等级。

• Y：卷带包装选项。TA和TB可能指不同的卷盘尺寸或包装方向，每卷均包含5000个器件。V：可选的VDE认证标记。_FG：表示无卤材料。_CE示例：EL3H7UB-TA-VG表示B级CTR器件，采用TA卷带包装，具有VDE认证和无卤材料。
• 6. 应用指南与设计考量6.1 典型应用电路
• 主要应用是信号隔离。典型电路涉及通过限流电阻从数字信号源驱动输入LED。输出光敏三极管可用于共发射极配置以产生反相输出信号，或用于射极跟随器配置以产生同相信号。6.2 关键设计考量
• LED驱动电流：根据所需的开关速度和CTR选择正向电流。较低的电流提供较高的CTR但开关速度较慢。必须使用公式计算串联电阻。输出负载电阻：该电阻设置输出电压摆幅、开关速度和功耗。较小的电阻提供更快的开关速度，但输出电压摆幅较低且集电极电流较高。

CTR衰减：光电耦合器的CTR会随时间衰减，尤其是在高温和高LED电流下工作时。对于长寿命设计，应降额使用工作电流并确保充分的热管理。

抗噪性：对于嘈杂环境，在输入引脚靠近器件处并联一个小旁路电容会有所帮助。在输出端，对于高速信号，仔细的PCB布局以最小化杂散电容非常重要。

7. 技术对比与常见问题解答

7.1 与其他光电耦合器的区别

EL3H7U-G系列通过其紧凑的SSOP封装、高3750 Vrms隔离等级、宽-40°C至+125°C工作温度以及全面的国际安全认证组合而脱颖而出。许多竞争器件可能提供类似的CTR或速度，但缺乏全套认证或高温能力。_F7.2 常见问题解答

问：标准等级与A/B/C等级有何区别？

答：标准等级的CTR范围非常宽。A、B和C等级被分档到更窄、有保证的CTR范围内。对于需要可预测增益的设计，请使用分级器件。_C问：我可以将其用于交流输入信号隔离吗？_F答：不能直接使用。输入端是LED，是二极管，只在一个方向导通。要隔离交流信号，需要先对其进行整流或使用专用的交流输入光电耦合器。_CE问：如何计算最大数据速率？_F答：最大数据速率受上升时间和下降时间之和的限制。数字信号的粗略估计为带宽≈0.35/上升时间。在典型的上升时间下，带宽约为44 kHz。对于可靠的数字通信，实际数据速率会更低。_CE问：为什么隔离电容很重要？_F答：低隔离电容对于抑制高频共模噪声至关重要。在隔离屏障两端存在快速电压瞬变的应用中，高隔离电容会将噪声从原边耦合到副边，可能导致故障。

8. 工作原理与技术趋势

8.1 基本原理_C光电耦合器基于电-光-电转换原理工作。施加到输入端的电信号使LED发出与电流成比例的红外光。该光穿过封装内的透明隔离屏障。在输出端，光敏三极管检测到该光，产生基极电流，进而控制更大的集电极电流。两个电路电气隔离，仅通过光耦合。_F8.2 行业趋势

光电耦合器技术的趋势是朝着更高速度、更低功耗、更高集成度和更小封装发展。虽然像EL3H7U-G这样的传统光敏三极管器件在直流和低频隔离方面表现出色，但像数字隔离器这样的新技术提供了更高的数据速率、更低的功耗和更好的时序特性。然而，光电耦合器在高共模瞬态抗扰度、简单性以及成熟的高压隔离安全认证方面仍保持优势，确保了其在电源转换和工业控制应用中的持续相关性。

The graph for switching time vs. load resistance (R_L) shows that both rise time (t_r) and fall time (t_f) decrease as the load resistance decreases. Faster switching is achieved with smaller load resistors, but this comes at the cost of higher power dissipation in the output stage. The test circuit (Figure 13) defines t_ras the time from 10% to 90% of the output pulse and t_fas from 90% to 10%.

. Mechanical, Packaging, and Assembly Information

.1 Pin Configuration and Polarity

The device uses a standard 4-pin SSOP footprint. The pinout is as follows: Pin 1: Anode of the IRED, Pin 2: Cathode of the IRED, Pin 3: Emitter of the phototransistor, Pin 4: Collector of the phototransistor. Correct polarity must be observed during PCB layout and assembly to prevent damage.

.2 Soldering and Handling Guidelines

The absolute maximum rating for soldering temperature (T_SOL) is 260°C for 10 seconds. This aligns with typical lead-free reflow soldering profiles. Standard IPC/JEDEC J-STD-020 guidelines for moisture-sensitive devices should be followed. The device should be stored in its original moisture-barrier bag with desiccant under controlled conditions and baked before soldering if the bag has been opened or the exposure time limit is exceeded.

. Ordering Information and Packaging

The part number follows the structure: EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X:CTR Rank (A, B, C, or blank for standard grade).
• Y:Tape and reel option (TA, TB, or blank). TA and TB likely refer to different reel sizes or packaging orientations, both containing 5000 units per reel.
• V:Optional VDE approval marking.
• G:Denotes halogen-free material.

Examples: EL3H7UB-TA-VG would be a B-grade CTR device, packaged on a TA tape and reel, with VDE approval and halogen-free material.

. Application Guidelines and Design Considerations

.1 Typical Application Circuits

The primary application is signal isolation. A typical circuit involves driving the input LED with a current-limiting resistor from a digital signal source (e.g., a microcontroller GPIO). The output phototransistor can be used in a common-emitter configuration (collector connected to a pull-up resistor, emitter grounded) to produce an inverted output signal, or in an emitter-follower configuration for a non-inverted signal.

.2 Key Design Considerations

• LED Drive Current:Select I_Fbased on required switching speed and CTR. Lower I_Foffers higher CTR but slower switching. A series resistor must be calculated using R = (V_source- V_F) / I_F.
• Output Load Resistor (R_L):This resistor sets the output voltage swing, switching speed, and power dissipation. A smaller R_Lgives faster switching but lower output voltage swing and higher I_C.
• CTR Degradation:The CTR of photocouplers can degrade over time, especially when operated at high temperatures and high LED currents. For long-life designs, derate the operating I_Fand ensure adequate thermal management.
• Noise Immunity:For noisy environments, a small bypass capacitor (e.g., 0.1 μF) across the input pins, close to the device, can help. On the output, careful PCB layout to minimize stray capacitance is important for high-speed signals.

. Technical Comparison and FAQs

.1 Differentiation from Other Photocouplers

The EL3H7U-G series differentiates itself through its combination of a compact SSOP package, high 3750 Vrms isolation rating, wide -40°C to +125°C operating temperature, and comprehensive international safety certifications. Many competing devices may offer similar CTR or speed but lack the full suite of approvals or the high-temperature capability.

.2 Frequently Asked Questions (FAQs)

Q: What is the difference between the standard grade and the A/B/C grades?

A: The standard grade has a very wide CTR range (50-600%). The A, B, and C grades are binned into tighter, guaranteed CTR ranges (e.g., 200-400% for C-grade). Use graded parts for designs requiring predictable gain.

Q: Can I use this for AC input signal isolation?

A: Not directly. The input is an IRED, which is a diode and only conducts in one direction. To isolate an AC signal, you would need to first rectify it or use a dedicated AC-input photocoupler.

Q: How do I calculate the maximum data rate?

A>The maximum data rate is limited by the sum of the rise and fall times (t_r+ t_f). A rough estimate for a digital signal is Bandwidth ≈ 0.35 / (t_r). With typical t_rof 8 μs, the bandwidth is about 44 kHz. For reliable digital communication, the practical data rate will be lower.

Q: Why is the isolation capacitance important?

A: Low isolation capacitance (C_IO) is crucial for rejecting high-frequency common-mode noise. In applications with fast voltage transients across the isolation barrier (like in motor drives), a high C_IOcan couple noise from the primary to the secondary side, potentially causing malfunctions.

. Operating Principle and Technology Trends

.1 Fundamental Operating Principle

A photocoupler operates on the principle of electro-optical-electrical conversion. An electrical signal applied to the input side causes the IRED to emit infrared light proportional to the current. This light traverses a transparent isolation barrier within the package. On the output side, the phototransistor detects this light, generating a base current which in turn controls a much larger collector current. The two circuits are electrically isolated, with only optical coupling between them.

.2 Industry Trends

The trend in photocoupler technology is towards higher speed, lower power consumption, higher integration, and smaller packages. While traditional phototransistor-based devices like the EL3H7U-G are excellent for DC and low-frequency isolation, newer technologies like digital isolators (using CMOS and RF or capacitive coupling) offer significantly higher data rates, lower power, and better timing characteristics. However, photocouplers maintain advantages in high common-mode transient immunity (CMTI), simplicity, and well-established safety certifications for high-voltage isolation, ensuring their continued relevance in power conversion and industrial control applications.