H11AAX系列交流输入光电耦合器数据手册 - 6引脚DIP封装 - 隔离电压5000Vrms - 中文技术文档

1. 产品概述

H11AAX系列是一个交流输入光电耦合器（亦称光耦或光隔离器）家族。这些器件专门设计用于在交流或未知极性直流输入电路与输出控制电路之间提供电气隔离。其核心功能是利用光传输电信号，从而消除电气连接，防止地环路、电压尖峰和噪声在电路间传播。

该系列包含四个主要型号：H11AA1、H11AA2、H11AA3和H11AA4。它们之间的主要区别在于电流传输比（CTR），该参数定义了信号从输入端到输出端的传输效率。这些器件采用紧凑的6引脚双列直插封装（DIP），提供标准通孔安装、宽引脚间距和表面贴装技术（SMD）选项。

1.1 核心优势与目标市场

H11AAX系列提供多项关键优势，使其适用于要求严苛的工业和消费类应用。其最突出的特点是高达5000Vrms的隔离电压，这对于连接市电设备的安全性和可靠性至关重要。超过7.62mm的爬电距离进一步提升了其安全等级。该器件已获得包括UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO和CQC在内的主要国际安全机构的认证，使其在全球范围内适用于需要符合法规要求的产品。

输入端集成的反向并联红外LED配置是其标志性特征。这种设计允许器件直接由交流电压或未知极性的直流电压驱动，无需外部整流电路，从而简化了电路设计。输出端为硅NPN光电晶体管。

目标市场和应用多种多样，主要集中于电气隔离和交流信号检测至关重要的领域。典型应用包括用于检测市电电压有无的交流线路监测、电话线接口电路，以及工业控制系统中用于检测未知极性直流信号的传感器。

2. 技术参数深度解析

本节对数据手册中规定的电气、光学和热特性进行详细、客观的分析。理解这些参数对于可靠的电路设计至关重要。

2.1 绝对最大额定值

这些额定值定义了器件的应力极限，超出此极限可能导致永久性损坏。不保证在此条件下工作。

• 输入正向电流（IF）：60 mA（连续）。这是可施加到输入LED的最大直流电流。
• 峰值正向电流（IFM）：在10 µs的极短脉冲持续时间内为1 A。此额定值对于承受瞬态浪涌非常重要。
• 输入功耗（PD）：在25°C环境温度下为120 mW，在90°C以上以3.8 mW/°C的速率降额。这限制了VF * IF的乘积。
• 输出集电极-发射极电压（VCEO）：80 V。当基极开路时，光电晶体管的集电极和发射极之间可承受的最大电压。
• 器件总功耗（PTOT）：200 mW。输入和输出功率之和不应超过此值。
• 隔离电压（VISO）：在40-60%相对湿度下，5000 Vrms持续1分钟。这是一个关键的安全参数，测试时输入和输出引脚分别短路。
• 工作温度（TOPR）：-55°C 至 +100°C。器件在此完整的工业温度范围内均可正常工作。
• 焊接温度（TSOL）：260°C，最长10秒，适用于波峰焊或回流焊工艺。

2.2 光电特性

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。

2.2.1 输入特性

• 正向电压（VF）：典型值1.2V，在正向电流（IF）为±10mA时最大为1.5V。对称值表明反向并联LED对的行为。
• 输入电容（Cin）：典型值80 pF。这可能会影响驱动电路的高频性能。

2.2.2 输出特性

• 集电极-发射极暗电流（ICEO）：在VCE=10V且IF=0mA时，最大为50 nA。这是无光照射时光电晶体管的漏电流，对于关断状态泄漏很重要。
• 击穿电压（BVCEO、BVCBO、BVECO）：最小值分别为80V、80V和7V。这些定义了不同引脚配置下的耐压能力。
• 集电极-发射极饱和电压（VCE(sat)）：在IF=±10mA且IC=0.5mA时，最大为0.4V。这是输出晶体管完全导通时其两端的压降。

2.2.3 传输特性

这些参数定义了信号传输效率和速度。

• 电流传输比（CTR）：这是该系列的核心分级参数，定义为在特定条件下（IF=±10mA，VCE=10V）的（IC / IF）* 100%。
  • H11AA1：CTR ≥ 20%
  • H11AA2：CTR ≥ 10%
  • H11AA3：CTR ≥ 50%
  • H11AA4：CTR ≥ 100%
  CTR较高的器件需要更少的输入电流即可达到给定的输出电流，从而提高效率。
• CTR对称性：一个LED极性的CTR与另一个极性的CTR之比，规定在0.5到2.0之间。这表明两个反向并联LED的平衡程度。
• 隔离电阻（RIO）：在500V直流下，最小为10^11 Ω。这是输入和输出之间的直流电阻，有助于隔离质量。
• 输入-输出电容（CIO）：典型值0.7 pF。这种极低的电容对于抑制跨越隔离屏障的高频共模噪声至关重要。
• 开关时间（Ton、Toff、Tr、Tf）：在测试条件下（VCC=10V，IC=10mA，RL=100Ω），所有参数的最大值均为10 µs。这些时间定义了输出对输入信号变化的响应速度，限制了最大交流频率或数据速率。

3. 分级系统说明

H11AAX系列采用一个仅基于电流传输比（CTR）的简单分级系统。

CTR分级（H11AAX中的X）：数字后缀（1、2、3、4）直接对应于第2.2.3节中列出的最小保证CTR百分比。没有基于波长、正向电压或其他参数的分级。设计人员必须根据所需的输出电流驱动能力与可用输入电流来选择合适等级。例如，H11AA4（最小CTR 100%）灵敏度最高，适用于输入驱动能力非常低的应用；而在可用驱动电流较高的电路中，H11AA2可能就足够且更具成本效益。

4. 性能曲线分析

数据手册引用了典型的光电特性曲线。虽然提供的文本中没有复制具体的图表，但它们的目的和所传达的信息对于此类元件来说是标准的。

典型曲线包括：

• 电流传输比（CTR）与正向电流（IF）的关系：此曲线显示CTR如何随驱动电流变化。通常，CTR在中等IF时最高，在极低或极高电流时可能下降。
• CTR与环境温度（Ta）的关系：光电耦合器的CTR通常具有负温度系数，这意味着它随温度升高而降低。此图表对于设计在整个温度范围内工作的电路至关重要。
• 集电极电流（IC）与集电极-发射极电压（VCE）的关系：这是输出特性曲线族，类似于双极晶体管，以输入LED电流（IF）为参数。它显示了饱和区和有源区。
• 正向电压（VF）与正向电流（IF）的关系：输入LED对的IV特性。
• 开关时间与负载电阻（RL）的关系：显示上升、下降、开启和关闭时间如何受输出负载影响。

设计人员应查阅完整数据手册中的这些曲线，以了解最小/典型/最大值表中未体现的非线性行为和降额因素。

5. 机械与封装信息

该器件提供多种封装变体，以适应不同的组装工艺。

5.1 封装尺寸与类型

• 标准DIP型：默认的通孔封装。
• M型选项：具有“宽引脚弯曲”特性，提供0.4英寸（约10.16mm）的引脚间距，而非标准的0.3英寸（7.62mm），适用于需要更大爬电距离的电路板。
• S型选项：用于回流焊的表面贴装引脚形式。
• S1型选项：一种“薄型”表面贴装版本，可能具有更低的PCB安装高度。

为每种类型提供了详细的尺寸图，包括本体尺寸、引脚长度、引脚间距和共面度规格。这些对于PCB焊盘设计至关重要。

5.2 焊盘布局与极性标识

提供了表面贴装选项（S和S1）的推荐焊盘布局。数据手册指出这是一个建议，设计人员应根据其特定的PCB制造工艺和热要求进行修改。

器件标记：封装顶部标记有：

- "EL"（制造商代码）

- 完整型号（例如，H11AA1）

- 1位年份代码（Y）

- 2位周代码（WW）

- 如果该单元指定了VDE安全认证，则带有可选的"V"后缀。

引脚配置（6引脚DIP）：

1. 阳极/阴极（LED1阳极，LED2阴极）

2. 阴极/阳极（LED1阴极，LED2阳极）

3. 无连接（NC）

4. 发射极（光电晶体管）

5. 集电极（光电晶体管）

6. 基极（光电晶体管）。基极引脚通常悬空或通过电阻连接到发射极，用于灵敏度调整或速度提升。

6. 焊接与组装指南

绝对最大额定值中的关键指导是焊接温度：260°C，最长10秒。这与标准的无铅（SnAgCu）回流焊曲线兼容。

重要注意事项：

• 湿度敏感性：虽然提供的文本中没有明确说明，但塑料封装的SMD光电耦合器通常具有湿度敏感等级（MSL）。对于表面贴装部件（S、S1选项），必须遵循制造商关于烘烤和车间寿命的处理说明，以防止回流焊过程中出现“爆米花”现象。
• 清洗：确保清洗溶剂与器件的塑料材料兼容。
• 储存条件：根据数据手册，储存温度范围为-55°C至+125°C。器件应储存在干燥、防静电的环境中。

7. 包装与订购信息

订购代码遵循以下模式：H11AAXY(Z)-V

• X：CTR等级（1、2、3、4）。
• Y：引脚形式选项。
  • 无：标准DIP-6（65个/管）。
  • M：宽引脚弯曲（65个/管）。
  • S：表面贴装引脚形式。
  • S1：薄型表面贴装引脚形式。
• Z：卷带和卷盘选项（仅适用于S/S1）。
  • TA：特定卷带和卷盘类型。
  • TB：替代卷带和卷盘类型。
  • TA和TB均为每卷1000个单元。
• V：可选的VDE安全认证标记。

卷带和卷盘规格：提供了载带（口袋尺寸A、B）、盖带和卷盘的详细尺寸，用于自动贴片组装。

8. 应用建议

8.1 典型应用电路

交流线路监测器：输入端直接跨接在交流线路上（带有限流电阻）。输出晶体管与交流过零点同步开关，向微控制器提供数字脉冲串或整流信号，用于检测电源存在。

未知极性直流传感器：反向并联输入允许器件连接到直流电压源而无需考虑极性，使其非常适合在电池供电设备或接线极性可能反接的工业传感器中进行检测。

电话线接口：用于振铃检测或摘机检测，提供电话线与逻辑电路之间的隔离。

8.2 设计考虑因素

• 输入电流限制：必须始终使用一个串联电阻将输入电流（IF）限制在低于60mA的安全值，该值根据峰值输入电压和LED正向电压计算得出。还必须考虑电阻的额定功率。
• 输出负载：集电极上的负载电阻（RL）决定了输出电压摆幅并影响开关速度。较小的RL提供更快的开关速度但消耗更多功率。
• 抗噪性：低输入-输出电容（0.7pF）提供了出色的高频共模噪声抑制能力。为获得最佳性能，请在PCB上使输入和输出走线在物理上保持分离。
• CTR衰减：在很长的时间和高温下，光电耦合器的CTR可能会衰减。对于关键的长寿命应用，设计时应留有充足的初始CTR裕量。

9. 技术对比与差异化

H11AAX系列主要通过其交流输入能力（通过反向并联LED结构）实现差异化。大多数标准光电耦合器（例如4N25、PC817）具有单个LED输入，需要确定的正向偏置，因此需要外部桥式整流器才能用于交流操作。H11AAX集成了此功能。

与其他交流输入光电耦合器相比，其主要优势是高达5000Vrms的隔离等级以及全面的国际安全认证（UL、VDE等），这对于在多个全球市场销售的产品至关重要。多种CTR等级和封装类型（通孔和SMD）的可用性提供了设计灵活性。

10. 常见问题解答（基于技术参数）

Q1：我可以用120VAC或230VAC市电直接驱动H11AAX吗？

A：不能直接驱动。您必须在输入端串联一个限流电阻。电阻值必须根据峰值市电电压（例如，230VAC时约为~340V）、所需的正向电流和LED的VF计算得出。还必须考虑电阻的额定功率。

Q2：我可以将此光电耦合器用于的最高交流频率是多少？

A：最大开关时间为10 µs。理论上这允许高达约50 kHz的方波频率。然而，对于干净的50/60 Hz交流正弦波检测，它完全适用，因为其周期（16.7ms/20ms）远长于开关时间。

Q3：为什么有基极引脚（引脚6），我应该如何使用它？

A：基极引脚提供了对光电晶体管基极的访问。将其悬空是标准做法。在基极和发射极之间连接一个电阻可以：

1. 提高速度：一个低值电阻（例如10kΩ至100kΩ）可以分流存储的电荷，减少关断时间（Toff）。

2. 降低灵敏度/提高阈值：电阻提供了一个泄漏路径，略微增加了开启输出所需的最小输入电流。

Q4：我如何在不同的CTR等级（H11AA1、AA2、AA3、AA4）之间进行选择？

A：根据您的输入驱动能力和所需的输出电流进行选择。如果您的电路只能提供很小的输入电流（例如来自高压电阻），请选择较高的CTR等级（AA3或AA4）以获得足够的输出。如果输入电流充足，较低的等级（AA1或AA2）可能更具成本效益。设计时始终要为CTR随时间和温度的衰减留出裕量。

11. 实际设计案例研究

场景：设计一个230VAC市电存在检测器。

目标：当存在230VAC时，向微控制器提供3.3V逻辑高电平信号。

设计步骤：

1. 器件选型：选择H11AA1（最小CTR 20%），因为输入电流将足够。

2. 输入电阻计算：峰值电压 = 230V * √2 ≈ 325V。期望的IF ≈ 10mA（以获得良好的CTR）。VF ≈ 1.2V。R = (325V - 1.2V) / 0.01A ≈ 32.4kΩ。使用标准33kΩ电阻。电阻R的功耗：P = (230V)^2 / 33000Ω ≈ 1.6W。需要一个额定功率为2W或3W的电阻。

3. 输出电路：将集电极（引脚5）通过一个上拉电阻（例如10kΩ）连接到3.3V微控制器电源。将发射极（引脚4）连接到地。基极（引脚6）悬空。

4. 工作原理：当交流电存在时，输出晶体管在每个半周期内导通，将集电极（以及MCU输入引脚）拉低。MCU会看到一个50/60 Hz的脉动低电平信号，可以通过软件去抖以指示“电源开启”。

5. PCB布局：在PCB上，输入端（引脚1、2、3、电阻）和输出端（引脚4、5、6、MCU）走线之间保持>7.62mm的爬电距离，以保持隔离等级。

12. 工作原理

H11AAX基于光电隔离原理工作。在输入端，两个砷化镓红外发光二极管（LED）反向并联连接。当施加交流电压（串联限流电阻）时，一个LED在正半周期导通并发光，另一个LED在负半周期导通并发光。因此，红外光脉冲以输入交流信号频率的两倍产生。

该光穿过封装内的透明隔离屏障。在输出端，光照射到硅NPN光电晶体管的基区。光子产生电子-空穴对，形成基极电流，从而开启晶体管，允许集电极电流（IC）流动。该输出集电极电流与输入正向电流之比即为电流传输比（CTR）。光电晶体管的集电极-发射极电压由外部负载电路控制。

13. 技术趋势

光电耦合器技术持续发展。虽然基本原理保持不变，但趋势包括：

• 更高速度：开发具有更快开关时间（纳秒级）的器件，用于数字通信和逆变器门极驱动应用，通常使用光电二极管或基于IC的输出，而不是光电晶体管。
• 更高集成度：将光电耦合器与附加功能结合，如IGBT门极驱动器、误差放大器或数字接口（I²C隔离器）。
• 更高的可靠性和寿命：LED材料和封装技术的进步，以降低CTR随时间和温度的衰减率。
• 小型化：持续减小封装尺寸，尤其是表面贴装版本，以节省PCB空间。
• 替代隔离技术：电容和磁（巨磁阻，GMR）隔离器在一些高速、高密度应用中竞争，尽管光电耦合器在高共模瞬态抗扰度（CMTI）和完善的安全认证方面仍具优势。

H11AAX系列凭借其稳健的设计和安全认证，代表了用于传统交流检测和基本隔离需求的成熟可靠解决方案，其集成的交流输入能力提供了显著优势。