6引脚DIP光敏晶体管光电耦合器规格书 - 4N2X、4N3X、H11AX系列 - 隔离电压5000Vrms - 工作温度-55至+110°C - 中文技术文档

1. 产品概述

4N2X、4N3X和H11AX系列是6引脚双列直插封装（DIP）光敏晶体管光电耦合器（也称为光耦或光隔离器）家族。每个器件由一个砷化镓红外发光二极管（LED）与一个硅光敏晶体管探测器通过光耦合构成。这种配置在输入和输出电路之间提供了完整的电气隔离，使其成为电子系统中实现安全、抗噪和电压电平转换的关键元件。

其核心功能是通过光进行信号传输，从而消除了直接的电气连接。输入电流驱动红外LED，使其发出与电流成比例的光。该光线照射在光敏晶体管的基区，产生基极电流，并允许集电极-发射极电流流动，从而在隔离的输出侧复现输入信号。

1.1 核心优势与目标市场

这些光电耦合器专为需要可靠信号隔离的应用而设计。其主要优势包括高达5000V_rms的高隔离电压，这对于保护低压控制电路（如微处理器）免受高压市电或电机驱动部分的干扰至关重要。大于7.62mm的爬电距离进一步增强了在高压环境下的安全性和可靠性。其工作温度范围为-55°C至+110°C，适用于工业、汽车和恶劣环境应用。

紧凑的DIP封装提供标准型、宽引脚间距型（0.4英寸）和表面贴装型（SMD）等多种变体，为通孔和自动化组装工艺提供了灵活性。这些器件获得了包括UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO和CQC在内的主要国际安全机构的认证，便于其用于必须符合严格安全标准的全球销售设备中。

2. 深入技术参数分析

规格书提供了全面的电气和光学规格，这对于正确的电路设计和可靠性保证至关重要。

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（LED）侧：最大连续正向电流（I_F）为60mA。允许10µs的1A短暂峰值正向电流（I_FM），这与瞬态抑制相关。最大反向电压（V_R）仅为6V，表明LED并非设计用于承受高反向偏压，若用于交流电路则需要保护。
• 输出（光敏晶体管）侧：集电极-发射极和集电极-基极击穿电压（V_CEO、V_CBO）均为80V，定义了晶体管在关断状态下可承受的最大电压。发射极-基极和发射极-集电极电压（V_EBO、V_ECO）限制在7V。
• 功率与热特性：器件在25°C时的总功耗（P_TOT）为200mW。提供了降额系数：输入侧在100°C以上为3.8 mW/°C，输出侧在100°C以上为9.0 mW/°C。这些对于计算在升高环境温度下的最大允许功率以防止热失控至关重要。
• 隔离特性：5000V_ISOrms_{持续1分钟的隔离电压（V}）是一个关键的安全参数，测试时将引脚1-2-3短接在一起，引脚4-5-6短接在一起。

2.2 电光特性

这些参数在典型条件（T_a=25°C）下测量，定义了器件的性能。

• 输入LED特性：正向电压（V_F）在I_F=10mA时典型值为1.2V，最大值为1.5V。这用于计算所需的限流电阻。反向电流（I_R）非常低（V_R=6V时<10µA）。输入电容（C_in）典型值为30pF。
• 输出光敏晶体管特性：暗电流（I_CBO、I_CEO）在纳安培范围，表明LED关闭时泄漏电流极低。击穿电压（BV_CEO、BV_CBO等）确认了绝对额定值中的80V和7V限制。

2.3 传输特性

这些参数描述了输入和输出之间的耦合效率和开关性能。

• 电流传输比（CTR）：这是最关键参数，定义为（I_C/ I_F）* 100%。它因具体型号差异显著，形成了一个性能分级体系：
  • 高CTR（>100%）：4N35、4N36、4N37。
  • 中高CTR（50%）： H11A1.
  • 中CTR（30%）： H11A5.
  • 标准CTR（20%）：4N25、4N26、4N38、H11A2、H11A3。
  • 较低CTR（10%）：4N27、4N28、H11A4。
  这种分级允许设计者根据其特定应用和所需的输出电流水平，选择具有所需灵敏度的器件。
• 饱和电压（V_CE(sat)）：这是光敏晶体管完全导通时其两端的压降。较低的值（例如，4N3X系列在I_F=10mA、I_C=0.5mA时最大0.3V）表示性能更好，能最小化输出级的功率损耗。
• 开关速度：开启时间（t_on）和关断时间（t_off）针对不同系列在特定测试条件（V_CC=10V、R_L=100Ω）下给出。与4N3X系列（t_on典型10µs，t_off典型9µs）相比，4N2X/H11AX系列通常更快（典型3µs）。这对于数字信号传输和PWM应用至关重要。
• 隔离参数：隔离电阻（R_IO）极高（>10¹¹Ω），输入输出电容（C_IO）非常低（典型0.2pF），这最小化了高频噪声通过隔离屏障的容性耦合。

3. 性能曲线分析

虽然PDF中显示的是“典型电光特性曲线”的占位符文本，但此类曲线是光电耦合器的标准配置，通常包括：

• 电流传输比（CTR）与正向电流（I_F）的关系：显示效率如何随LED驱动电流变化，通常在特定电流处达到峰值。
• CTR与温度的关系：说明CTR在高温下的衰减，这是高温操作的关键降额因素。
• 集电极电流（I_C）与集电极-发射极电压（V_CE）的关系：输出特性曲线，显示光敏晶体管在不同区域（饱和区、放大区）的行为。
• 开关时间与负载电阻（R_L）的关系：展示上拉电阻的选择如何影响上升和下降时间。

设计者应查阅完整规格书中的这些曲线，以针对其特定的速度和输出要求，优化LED电流、负载电阻和工作温度等参数。

4. 机械与封装信息

这些器件提供多种6引脚DIP封装变体，以适应不同的组装需求。

4.1 封装尺寸与变体

规格书包含每种选项的详细机械图纸。关键尺寸包括总长、宽度、引脚间距和引脚尺寸。

• 标准DIP型：经典的直插式封装，行间距为0.1英寸（2.54mm）。
• M型选项：具有“宽引脚弯曲”特性，提供0.4英寸（10.16mm）的引脚间距。这增加了输入和输出引脚之间的爬电距离和电气间隙，增强了高压应用中的隔离可靠性。
• S型和S1型选项：表面贴装器件（SMD）版本。S1型是“薄型”变体，与标准S型相比封装高度降低，有利于空间受限的应用。

所有封装均采用模塑体，提供必要的绝缘。引脚配置已标准化：引脚1（阳极）、引脚2（阴极）、引脚3（NC）、引脚4（发射极）、引脚5（集电极）、引脚6（基极）。基极引脚（6）通常悬空，但在某些电路中可用于改善带宽或进行偏置控制。

5. 焊接与组装指南

绝对最大额定值规定了260°C持续10秒的焊接温度（T_SOL）。这是波峰焊或回流焊工艺的典型值。对于SMD选项（S、S1），峰值温度约260°C的标准红外或对流回流焊曲线是适用的。至关重要的是避免超过此时限温度，以防止塑料封装和内部键合线损坏。器件应在存储温度范围（-55°C至+125°C）内储存，对于SMD部件，如果规定，应使用防潮包装，以防止回流焊期间的“爆米花”效应。

6. 包装与订购信息

部件编号系统定义清晰：4NXXY(Z)-V或H11AXY(Z)-V.

• XX / X：具体部件号（例如，25、35、1、5）。
• Y（引脚形式）：
  • 无：标准DIP（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（卷带包装）：仅适用于SMD选项。
  • TA或TB：不同的卷带规格（1000个/卷）。
• V：可选后缀，表示VDE安全认证。

这种灵活的编号系统允许采购生产所需的精确机械变体。

7. 应用建议

7.1 典型应用电路

如规格书所列，主要应用包括：

• 电源稳压器：在开关电源（SMPS）中，在次级（输出）侧和初级侧控制器之间提供反馈隔离。这对于安全和噪声抑制至关重要。
• 数字逻辑输入/微处理器输入：在嘈杂的工业传感器信号（例如，来自限位开关、编码器）或不同的接地域进入敏感的数字逻辑或微控制器引脚之前进行隔离。
• 通用信号隔离：任何两个子系统必须通信但又不共享公共地的电路，用于切断地环路、消除共模噪声或提供电压电平转换。

7.2 设计考量与最佳实践

• LED限流：始终使用串联电阻来设定正向电流（I_F）。计算公式为R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F。在推荐的I_F范围（通常为5-20mA）内工作，以获得最佳CTR和寿命。
• 输出侧偏置：光敏晶体管需要一个上拉电阻（R_L）从集电极连接到V_{CC_output}。其值是一个权衡：较小的R_L提供更快的开关速度，但功耗更高，输出电压摆幅更低；较大的R_L提供更好的噪声容限，但速度较慢。
• 速度优化：为了获得更快的开关速度，请使用速度更快的系列（4N2X/H11AX）中的器件，最小化R_L，并确保足够的I_F驱动。在基极（引脚6）和发射极之间连接一个电阻（例如，100kΩ至1MΩ）可以帮助泄放存储电荷，减少关断时间。
• 抗噪性：高隔离电阻和低电容本身就抑制了共模噪声。为了在电气噪声环境中获得额外的鲁棒性，建议在器件输入和输出两侧的电源引脚附近放置旁路电容（例如，0.1µF）。

8. 技术对比与选型指南

三个系列（4N2X、4N3X、H11AX）提供了一系列性能以满足不同需求：

• 4N3X系列（4N35-38）：通常提供最高的CTR值（4N35-37 >100%），使其适用于需要高输出电流或希望最小化输入驱动电流的应用。其饱和电压也非常低。
• 4N2X系列（4N25-28）和H11AX系列（H11A1-A5）：提供从10%到50%的分级CTR范围。4N2X系列通常具有更快的开关时间。这些是通用的多功能隔离器。H11A5（30% CTR）和H11A1（50% CTR）填补了特定的性能点。
• 选择标准：根据所需的CTR（输出电流增益）、开关速度、饱和电压和成本进行选择。例如，读取慢速开关的微处理器输入可以使用较低CTR、成本效益高的部件，如H11A4。需要良好线性度和增益的电源反馈回路可能使用4N35或4N36。

9. 常见问题解答 (FAQ)

问：基极引脚（引脚6）的用途是什么？

答：基极引脚提供了对光敏晶体管基区的访问。将其悬空（不连接）是标准做法。在基极和发射极之间连接一个电阻可以通过提供泄放存储电荷的路径来改善开关速度。在某些设计中，它可用于预偏置或连接加速网络。

问：如何确保长期可靠性？

答：在LED的绝对最大额定值范围内工作，最好进行降额使用。通过遵循功率降额曲线来保持结温较低。在PCB上使用足够的爬电距离/电气间隙，特别是对于高压隔离屏障，应匹配或超过封装的7.62mm能力。

问：我可以将其用于交流信号隔离吗？

答：可以，但输入LED的反向电压额定值较低（6V）。要隔离交流信号，必须保护LED免受反向偏压影响，通常通过在LED输入端反向并联一个标准二极管，或在LED之前使用桥式整流器配置。

问：为什么CTR被规定为最小值？

答：由于LED效率和光敏晶体管增益的制造公差，CTR存在很大差异。规格书保证了在特定条件下的最小CTR。设计必须基于此最小值，以确保所有生产单元和整个温度范围内的电路功能正常。

10. 实际设计示例

场景：将PLC输出的24V数字信号隔离到3.3V微控制器输入。

1. 器件选择：选择通用部件，如4N25（最小CTR 20%）。其速度足以满足数字I/O需求。
2. 输入电路：PLC输出为24V。目标I_F= 10mA。V_F≈ 1.2V。R_limit= (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω。使用标准2.2kΩ电阻。在LED输入端并联一个反向保护二极管。
3. 输出电路：微控制器V_CC= 3.3V。选择R_L= 1kΩ。当光敏晶体管关闭时，输出被上拉至高电平3.3V（逻辑1）。当导通时，假设I_C= CTR * I_F= 0.2 * 10mA = 2mA，输出电压将为V_CE(sat)（最大0.5V），这是一个稳定的逻辑0。对于此应用，1kΩ的上拉电阻在速度和电流消耗之间提供了良好的平衡。

11. 工作原理

光电耦合器基于电-光-电转换原理工作。电信号施加到输入侧，导致电流流过红外LED。该电流与发出的光强度成正比。光线穿过透明的绝缘间隙（通常是模塑塑料），照射到光电探测器的半导体材料上——在本例中是NPN光敏晶体管的基极-集电极结。光子产生电子-空穴对，形成基极电流。然后，这个光生基极电流被晶体管的电流增益（h_FE）放大，产生更大的集电极电流，从而在电气隔离的输出电路上复现原始输入信号。完全没有电流连接正是提供高电压隔离和抗噪性的原因。

12. 技术趋势

基于光敏晶体管的光电耦合器（如4NXX系列）代表了一种成熟且具有成本效益的隔离技术。当前光耦市场的趋势包括开发具有更高速度（用于SPI、I2C等数字通信总线，使用专门为此设计的IC进行隔离）、更高集成度（组合多个通道或增加栅极驱动器等附加功能）和改进可靠性指标（更高温度操作、更长寿命）的器件。替代隔离技术也在发展，例如电容隔离器和基于巨磁阻（GMR）的隔离器，它们在某些应用中可以在尺寸、速度和功耗方面提供优势。然而，由于其简单性、经过验证的可靠性和出色的共模瞬态抗扰度（CMTI），光敏晶体管耦合器在通用、成本敏感和高压隔离应用中仍然占据主导地位。