EL3H4-G系列光耦合器数据手册 - 4引脚SSOP封装 - 交流输入 - 3750Vrms隔离 - 简体中文技术文档

1. 产品概述

EL3H4-G系列是一类交流输入光电晶体管光耦合器，专为需要电气隔离以及从交流或未知极性直流源传输信号的应用而设计。该器件采用紧凑型表面贴装4引脚小外形封装（SSOP），非常适合空间受限的PCB设计。

其核心组件由两个反向并联连接的红外发光二极管（LED）组成。这种配置允许输入端接受交流（AC）信号，因为每个输入波形的半周期内都有一个二极管导通。发出的红外光通过光耦合到硅光电晶体管，从而提供隔离的输出信号。整个组件采用绿色无卤素化合物封装。

1.1 核心优势

• 交流输入能力：反向并联的LED配置使其能够直接与交流信号源接口，无需外部整流电路。
• 高隔离电压：在输入和输出侧之间提供额定安全隔离电压3750 V_有效值，这对于保护敏感电路免受高压瞬态影响至关重要。
• 紧凑外形：SSOP封装占用空间小，是现代高密度电子组装的理想选择。
• 环保合规：该器件不含卤素，并符合RoHS和REACH等相关环保指令。
• 安全认证：该产品获得了包括UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO和CQC在内的主要国际安全机构的认证。

1.2 目标应用

这款光耦合器设计用于各种需要可靠隔离和交流信号检测的工业和通信应用。

• 交流线路监测：检测电源、电器和工业设备中交流市电电压的存在与否。
• 可编程逻辑控制器（PLC）：为来自传感器和开关的交流信号提供隔离的数字输入通道。
• 电话线接口：在电信设备中隔离振铃或摘机检测电路。
• 未知极性直流检测：与极性不固定或事先未知的直流信号接口。

2. 深入技术参数分析

2.1 绝对最大额定值

绝对最大额定值定义了可能导致器件永久损坏的应力极限。这些值不适用于正常工作条件。

• 输入正向电流（I_F）：±50 mA（连续）。±号表示交流/双向能力。
• 峰值正向电流（I_FM）：在10 µs的短脉冲持续时间内为1 A。此额定值对于承受短暂的浪涌电流很重要。
• 集电极-发射极电压（V_CEO）：80 V。这是可以施加在输出光电晶体管两端的最大电压。
• 总功耗（P_TOT）：200 mW。这是器件从输入和输出侧可以耗散的最大总功率。
• 隔离电压（V_ISO）：3750 V_有效值，持续1分钟。此高压耐受额定值是一个关键的安全参数。
• 工作温度（T_OPR）：-55°C 至 +100°C。宽范围确保在恶劣环境下的可靠运行。
• 焊接温度（T_SOL）：260°C 持续10秒，符合典型的无铅回流焊温度曲线。

2.2 光电特性

这些参数定义了器件在指定测试条件下（通常在T_a= 25°C时）的电气和光学性能。

2.2.1 输入特性

• 正向电压（V_F）：典型值1.2V，在正向电流为±20 mA时最大为1.4V。这种低电压降有利于低功耗电路。
• 输入电容（C_in）：典型值50 pF，最大值250 pF。此参数影响输入端的高频响应。

2.2.2 输出特性

• 集电极-发射极暗电流（I_CEO）：在V_CE=20V且I_F=0时，最大100 nA。这是无光照时光电晶体管的漏电流。
• 集电极-发射极击穿电压（BV_CEO）：最小值80V。这确保输出可以处理典型的逻辑或中压电平。
• 集电极-发射极饱和电压（V_CE(sat)）：在I_F=±20mA且I_C=1mA时，典型值0.1V，最大值0.2V。低饱和电压对于驱动逻辑输入的输出级是可取的。

2.2.3 传输特性

这些参数定义了从输入到输出的信号传输效率和质量。

• 电流传输比（CTR）：这是输出集电极电流（I_C）与输入正向电流（I_F）的比率，以百分比表示。它是增益的关键参数。EL3H4-G系列提供不同的CTR等级：
  • EL3H4：在I_F= ±1 mA，V_CE= 5V时，CTR最小值20%至最大值300%。
  • EL3H4A：CTR最小值50%至最大值150%。
  • EL3H4B：CTR最小值100%至最大值300%。
  这种选择允许设计人员根据其应用选择合适的增益，在灵敏度和潜在饱和之间取得平衡。
• CTR对称性：用正I_F测得的CTR与用负I_F测得的CTR之比。规定在0.5至2.0之间。接近1.0的值表示两个输入LED的交流响应具有良好的对称性。
• 隔离电阻（R_IO）：最小值5×10¹⁰Ω，在500V DC下典型值为10¹¹Ω。这种极高的电阻对于保持隔离完整性至关重要。
• 浮空电容（C_IO）：典型值0.6 pF，最大值1.0 pF。这种低电容最大限度地减少了跨越隔离屏障的电容耦合，这对于抑制高频共模噪声很重要。
• 开关时间：在指定的测试条件下（V_r=2V，I_f=2mA，R_CE=100Ω），上升时间（t_C）和下降时间（t_L）的最大值均为18 µs。这些时间定义了器件的速度和对不同频率信号的适用性。

3. 分级系统说明

EL3H4-G系列采用主要基于电流传输比（CTR）的分级系统。

• 标准级（无后缀）：提供最宽的CTR范围（20-300%），适用于对精确增益要求不高的通用应用。
• A级（后缀‘A’）：提供更紧密的中等CTR范围（50-150%），性能更可预测。
• B级（后缀‘B’）：提供紧密的高CTR范围（100-300%），非常适合需要高灵敏度和增益的应用，例如检测微弱信号。

这种分级允许制造商优化其设计以获得一致性，或为特定的灵敏度要求选择部件。

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详细说明具体的图表，但它们通常包括以下内容，这些内容对设计至关重要：

• CTR vs. 正向电流（I_F）：显示传输比如何随输入电流水平变化。在非常高的I_F下，CTR通常会因LED效率下降而降低。
• CTR vs. 温度：说明器件灵敏度对温度的依赖性。CTR通常随温度升高而降低。
• 正向电压（V_F） vs. 正向电流（I_F）：二极管的IV特性曲线。
• 输出集电极电流（I_C） vs. 集电极-发射极电压（V_CE）：光电晶体管在不同输入光照水平（I_F）下的输出特性。
• 开关时间 vs. 负载电阻（R_L）：显示上升和下降时间如何受输出端所选负载电阻的影响。

设计人员应参考这些曲线，以了解器件在非标准条件下的行为，并针对所需的速度和输出摆幅优化输入电流和负载电阻等参数。

5. 机械和封装信息

5.1 引脚配置

4引脚SSOP封装具有以下引脚排列：

1. 引脚1：一个LED的阳极 / 另一个LED的阴极（由于反向并联连接）。
2. 引脚2：第一个LED的阴极 / 第二个LED的阳极。
3. 引脚3：光电晶体管的发射极。
4. 引脚4：光电晶体管的集电极。

这种配置意味着交流输入施加在引脚1和2之间，输出取自引脚3和4（通常以引脚3为公共端/地）。

5.2 封装尺寸和PCB布局

数据手册包含SSOP封装的详细机械图纸。关键尺寸包括主体尺寸、引脚间距和离板高度。还提供了推荐的表面贴装焊盘布局，并注明仅供参考，应根据具体的PCB制造工艺和热要求进行修改。正确的焊盘设计对于可靠的焊接和机械强度至关重要。

6. 焊接和组装指南

6.1 回流焊温度曲线

该器件兼容无铅回流焊工艺。推荐的最高本体温度曲线基于IPC/JEDEC J-STD-020D标准：

• 预热：在60-120秒内从150°C升至200°C。
• 液相线以上时间（T_L=217°C）：60-100秒。
• 峰值温度（T_P）：最高260°C。
• 峰值温度±5°C内时间：最长30秒。
• 最大回流焊循环次数： 3.

遵循此温度曲线可防止塑料封装和内部引线键合受到热损伤。

6.2 注意事项

• 在处理和焊接过程中，避免使器件暴露在超过绝对最大额定值的温度下。
• 确保封装输入和输出侧之间的污染（例如助焊剂、碎屑）不会损害隔离屏障。
• 处理过程中遵循标准的ESD（静电放电）预防措施，因为内部LED和晶体管对静电敏感。

7. 包装和订购信息

7.1 型号命名规则

部件号遵循以下格式：EL3H4(Y)(Z)-VG

• EL3H4：基本部件号。
• Y：CTR等级（A、B或标准级留空）。
• Z：卷带包装选项（TA、TB、EA、EB或管装留空）。TA/TB卷带包含5000个单元；EA/EB卷带包含1000个单元。A和B选项之间的差异通常与卷带宽度或进料方向有关。
• V：可选后缀，表示该部件具有VDE认证。
• G：表示无卤素材料。

示例：EL3H4A-TA-VG是一个‘A’级部件，以5000个单元的TA卷带供应，具有VDE认证，且无卤素。

7.2 包装规格

该器件可以管装（150个单元）或卷带形式供应。提供了详细的卷带尺寸（凹槽尺寸、间距、卷带宽度），以便与自动贴片设备兼容。

7.3 器件标记

封装顶部标记有代码：EL 3H4 RYWWV

• EL：制造商代码。
• 3H4：器件编号。
• R：CTR等级（A、B或留空）。
• Y：1位年份代码。
• WW：2位周代码。
• V：VDE认证标记（如果存在）。

8. 应用设计考量

8.1 输入电路设计

对于交流操作，必须在输入引脚（1和2）上串联一个限流电阻。其阻值应根据峰值输入电压和所需的正向电流（I_F）计算，确保I_F不超过50 mA的连续额定值。例如，要从120V_有效值交流线路驱动输入，电阻必须限制峰值电流（≈170V / R）。需考虑此电阻的额定功率和耐压能力。

8.2 输出电路设计

输出光电晶体管可用于共发射极配置（负载电阻接在V_CC和集电极之间，发射极接地）或作为开关使用。负载电阻（R_L）的值影响：

输出电压摆幅：对于给定的I_L，较高的R_C.

会产生较大的电压降。开关速度：_L较高的R_r会增加RC时间常数，减慢上升和下降时间（如t_f/t_L规格在R

=100Ω时所示）。_{如果驱动逻辑输入，通常需要一个上拉电阻。确保‘导通’状态下的输出电压（V}CE(sat)

）足够低，能被识别为逻辑‘0’。

8.3 确保可靠隔离_{为了维持规定的3750V}有效值

隔离，PCB布局至关重要。在电路板上，与输入侧（引脚1、2）相关的铜走线和焊盘与输出侧（引脚3、4）之间保持足够的爬电距离和电气间隙。这通常意味着在器件主体下方的PCB上提供物理开槽或宽间距。避免输入和输出走线彼此平行且靠得很近。

9. 技术对比与差异化

• 与标准直流输入光耦合器相比，EL3H4-G系列的主要差异化特性包括：内置交流输入：
• 无需外部桥式整流器或双光耦来处理交流信号，节省了电路板空间和元件数量。CTR对称性：
• 一个指定的参数，确保交流两个半周期的响应平衡，这对于直流输入器件不是问题。无卤素结构：

满足严格的环保要求，而并非所有旧型号光耦都能满足。

与其他交流输入光耦合器相比，其优势在于高隔离电压、紧凑的SSOP封装以及多种CTR等级可供选择的结合。

10. 常见问题解答（基于技术参数）

Q1：我可以用它直接检测230V交流市电吗？

A：可以，但必须在输入端串联一个合适的外部限流电阻，以将正向电流保持在50mA限值内。该电阻还必须具有相应的耐高压和功率耗散额定值。

Q2：标准级、A级和B级之间有什么区别？

A：区别在于保证的最小和最大电流传输比（CTR）。B级具有最高的最小灵敏度（100%），适合检测较弱的信号。A级提供更适中、可预测的范围。标准级范围最宽，提供高性价比的通用用途。

Q3：这个器件的速度有多快？可以用于通信吗？

A：典型的上升/下降时间最长可达18 µs，带宽限制在大约几十kHz。它适用于检测交流电源频率（50/60 Hz）、慢速数字信号或PLC中的状态检测，但不适用于像数字隔离器那样的高速数据通信。

Q4：为什么隔离电阻这么高（10^11 Ω）？

A：这种极高的电阻最大限度地减少了跨越隔离屏障的漏电流。这对于安全（防止危险电流在隔离电路之间流动）以及精密测量应用中的信号完整性至关重要。

11. 实用设计示例

场景：隔离式120V交流线路存在检测器。目标：

当存在120V交流电时，向微控制器提供3.3V逻辑低电平信号。

1. 设计步骤：输入电阻计算：_对于120V有效值_F，峰值电压约为170V。为了将I_{限制在安全的10mA（远低于50mA），R}limit

2. = 170V / 0.01A = 17kΩ。使用标准的18kΩ、1/2W或更高额定功率的电阻。输出电路：

3. 通过一个上拉电阻（例如10kΩ）将光电晶体管集电极（引脚4）连接到微控制器的3.3V电源。将发射极（引脚3）接地。集电极节点连接到微控制器上的一个数字输入引脚。工作原理：_{当存在交流电时，光耦合器的输出在每个半周期内导通，将集电极电压拉低至接近V}CE(sat)

（约0.2V），该电压被读取为逻辑‘0’。当没有交流电时，光电晶体管截止，上拉电阻将集电极电压拉至3.3V（逻辑‘1’）。由于50/60 Hz的过零点，软件可能需要对此信号进行去抖动处理。

12. 工作原理

EL3H4-G基于光电耦合原理工作。施加到输入侧的电信号使红外LED发出与电流成比例的光。该光穿过封装内的透明隔离屏障。在输出侧，光照射到硅光电晶体管的基区，产生电子-空穴对。该光电流作为基极电流，使晶体管导通更大的集电极电流，从而在隔离的输出侧复制输入信号。反向并联的LED配置允许在交流输入信号的两个极性期间都有电流流动并发出光。

13. 技术趋势

像EL3H4-G这样的光耦合器代表了一种成熟可靠的隔离技术。信号隔离领域当前的趋势包括：集成化：

将多个隔离通道组合或将附加功能（如驱动器或保护）集成到单个封装中。更高速度：

开发具有更快开关时间的光耦合器用于数字通信应用，尽管它们通常比基于电容或磁耦合的技术慢。增强的安全标准：

国际安全标准（UL、VDE、IEC）的持续发展，推动了对更高工作电压、加强型隔离和改进可靠性指标的要求。材料科学：