EL111X-G系列光电晶体管光耦合器数据手册 - 5引脚SOP封装 - 8mm爬电距离 - 隔离电压5000Vrms

1. 产品概述

EL111X-G系列是一类基于光电晶体管的光耦合器（光耦），专为需要在不同电位电路之间实现可靠电气隔离和信号传输的应用而设计。该器件的核心功能是利用光来传输电信号，在输入侧（红外发射二极管）和输出侧（光电晶体管探测器）之间提供电气隔离。这种隔离对于保护敏感电路免受高电压、噪声和地环路的影响至关重要。

该系列的特点是采用紧凑的5引脚小外形封装（SOP），高度仅为2.0毫米，适合空间受限的PCB设计。一个关键的区分特征是8毫米的长爬电距离，通过增加沿封装体表面的导电部件之间的距离，提高了高压环境下的可靠性和安全性。器件采用不含卤素（溴<900 ppm，氯<900 ppm，Br+Cl<1500 ppm）和三氧化二锑（Sb2O3）的复合材料制造，符合环境和安全法规。

2. 技术规格详解

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极限。在此条件下工作不保证性能。

输入正向电流（IF）：60 mA（连续）。对于1µs脉冲，峰值正向电流显著更高，为1.5 A，允许在开关期间出现短暂的过流情况。
输入反向电压（VR）：6 V。在反向偏置下超过此电压可能会损坏输入LED。
输出集电极-发射极电压（VCEO）：80 V。这是当基极开路时，可以施加在输出晶体管两端的最大电压。
输出集电极电流（IC）：50 mA。
总功耗（PTOT）：250 mW。这是输入和输出两侧的最大总功耗。
隔离电压（VISO）：5000 V_rms（在40-60%相对湿度下持续1分钟）。这是一个关键的安全参数，测试时将输入引脚（1,2）短接在一起，输出引脚（3,4,5）短接在一起。
工作温度（TOPR）：-55°C 至 +110°C。
焊接温度（TSOL）：260°C 持续10秒，符合典型的回流焊温度曲线。

2.2 光电特性

这些参数定义了器件在正常工作条件下的性能（除非注明，Ta=25°C）。

2.2.1 输入特性（红外LED）

正向电压（VF）：在 IF = 50 mA 时，最大值为 1.5 V。典型值会更低，大约在 1.1-1.3V 左右。
反向电流（IR）：在 VR = 6 V 时，最大值为 10 µA。
输入电容（C_in）：在 1 kHz 时，典型值为 50 pF。这会影响高频开关性能。

2.2.2 输出特性（光电晶体管）

集电极-发射极暗电流（I_CEO）：在 V_CE= 20V， I_F= 0mA 时，最大值为 100 nA。这是LED关闭时的漏电流。
集电极-发射极击穿电压（BV_CEO）：在 I_C= 0.1mA 时，最小值为 80 V。
集电极-发射极饱和电压（V_CE(sat)）：在 I_F= 10mA， I_C= 1mA 时，最大值为 0.4 V。对于驱动逻辑电平输入的输出级，低饱和电压是可取的。

2.2.3 传输特性

这些参数描述了输入和输出之间的耦合效率和速度。

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。EL111X-G系列提供多种CTR等级，每个等级在规定的测试条件下都有指定的最小/最大范围。这使得设计人员可以为他们的应用选择具有一致增益的器件。
- EL1110, EL1116, EL1117, EL1118, EL1119：在 I_F= 5mA， V_CE= 5V 条件下测试。范围从 50-600%（EL1110）到 200-400%（EL1119）不等。
- EL1112, EL1113, EL1114：在 I_F= 10mA， V_CE= 5V 条件下测试。范围分别为 63-125%、100-200% 和 160-320%。这些器件在 I_F= 1mA 时也有指定的最小CTR值。
隔离电阻（R_IO）：在 500V DC 下，最小值为 5 x 10¹⁰Ω。这表明隔离侧之间的直流电阻极高。
浮空电容（C_IO）：在 1 MHz 下，最大值为 1.0 pF。这种低电容通过最小化噪声的容性耦合，有助于保持高共模瞬态抗扰度（CMTI）。
开关时间：在 V_CE= 5V， I_C= 5mA， R_L= 100Ω 条件下测量。
- 开启时间（t_on）：典型值 4 µs。
- 关断时间（t_off）：典型值 3 µs。
- 上升时间（t_r）：典型值 2 µs，最大值 18 µs。
- 下降时间（t_f）：典型值 3 µs，最大值 18 µs。
这些时间定义了器件跟随数字信号的能力。最大限值确保了在整个温度和生产范围内的功能性。

3. 分级系统说明

EL111X-G系列的主要分级系统基于电流传输比（CTR）。不同的部件编号（由EL111X中的'X'表示）对应于在标准条件下（I_F=5mA 或 10mA， V_CE=5V）测量的特定、有保证的CTR范围。这使得设计人员能够：

确保电路稳定性：选择更窄的CTR范围（例如，EL1117：80-160%）可以为给定的输入电流提供更可预测的输出电流，减少对宽容限偏置电路的需求。
优化功耗：对于所需的输出电流，可以使用较低的输入LED电流驱动更高CTR的器件（例如，EL1119），从而节省原边功率。
匹配设计要求：不同的应用可能需要不同的增益。逻辑接口电路可能使用标准CTR器件，而模拟信号传输可能受益于更高、更线性的CTR器件。

订购信息通过'X'字符（0, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9）明确定义了这种分级。

4. 性能曲线分析

虽然数据手册中引用了具体的图形曲线（"典型光电特性曲线"），但可以根据光电晶体管光耦合器的原理描述其典型行为：

CTR 与正向电流（I_F）的关系：CTR不是恒定的。它通常在中等正向电流（对于这些器件通常在5-10mA左右）时达到峰值，并且在非常低或非常高的电流下，由于LED效率和晶体管饱和效应，可能会降低。
CTR 与温度的关系：CTR通常具有负温度系数；随着结温升高而降低。设计人员必须考虑在整个工作温度范围内的这种降额。
输出电流（I_C）与集电极-发射极电压（V_CE）的关系：对于固定的LED电流，光电晶体管的行为类似于电流源，直到进入饱和状态。饱和区的特点是具有较低的V_CE(sat)，如规格所示。
开关时间与负载电阻（R_L）的关系：开关时间（t_r, t_f）高度依赖于负载电阻和任何寄生电容。较小的R_L通常提供更快的下降时间，但会减小输出摆幅并增加功耗。

5. 机械与封装信息

该器件采用高度为2.0毫米的5引脚SOP（小外形封装）。引脚配置是标准化的：

阳极（输入LED+）
阴极（输入LED-）
发射极（光电晶体管）
集电极（光电晶体管）
基极（光电晶体管，通常开路或连接用于加速技术）

封装包括一个推荐的焊盘布局，用于表面贴装组装，这对于在回流焊期间实现可靠的焊点和适当的机械稳定性至关重要。8毫米长爬电距离是封装模具的一个物理设计特征，它增加了输入和输出引脚之间的表面距离，直接有助于实现高5000Vrms隔离额定值并符合安全标准。

6. 焊接与组装指南

该器件的最高焊接温度额定值为260°C，持续10秒。这符合标准的无铅回流焊温度曲线（IPC/JEDEC J-STD-020）。关键注意事项包括：

使用推荐的PCB焊盘图形，以防止立碑或错位。
避免使用过多的焊膏，这可能导致引脚之间桥接或短路爬电间隙。
遵循塑料封装的标准湿度敏感等级（MSL）处理程序，如果器件暴露在超过其额定储存寿命的环境湿度中，通常需要进行烘烤。
储存温度范围为-55°C至+125°C。

7. 包装与订购信息

该产品提供多种包装选项，以适应不同的生产规模：

管装：每管100个单元（标准或带VDE选项）。
卷带包装：每卷3000个单元。提供两种卷带选项（TA，TB），可能在带宽度或元件方向上有所不同。两者都可以与VDE安全认证选项结合。

部件编号结构为：EL111X(Y)-VG

EL111：基础部件编号。
X：CTR等级（0,2,3,4,6,7,8,9）。
Y：卷带选项（TA，TB，或管装留空）。
V：可选的VDE安全认证标记。
G：表示无卤素结构。

封装上的器件标记包括制造年份和周代码，以及器件编号和可选的VDE指示符。

8. 应用建议

8.1 典型应用场景

可编程逻辑控制器（PLC）I/O模块：将来自现场传感器/执行器的数字信号与中央处理单元隔离。
开关电源：在反激式或其他隔离式转换器拓扑中提供反馈隔离。
工业通信接口：隔离RS-485、CAN或其他串行总线线路，以防止地环路并增强抗噪能力。
医疗设备：将患者连接电路与市电供电部分隔离，其中安全隔离至关重要。
家用电器控制：在风扇加热器等电器中，将低压微控制器信号与晶闸管驱动的交流电机或加热器电路隔离。
测量仪器：将模拟信号调理级与数据采集系统隔离。

8.2 设计注意事项

输入电流限制：始终使用串联电阻将LED正向电流（I_F）限制在所需值，计算公式为（电源电压 - V_F） / I_F。不要超过绝对最大额定值。
CTR衰减：请注意，CTR可能会在器件的使用寿命期间衰减，尤其是在高温或高LED电流下工作时。在关键设计中，应对初始CTR值进行降额处理。
速度与电流的权衡：较高的I_F通常会提高开关速度，但会增加功耗，并可能加速CTR衰减。负载电阻R_L也严重影响开关速度和输出电压摆幅。
抗噪能力：高隔离电阻和低耦合电容提供了良好的共模抑制。对于非常嘈杂的环境，确保布局干净，接地良好，并考虑在器件引脚附近添加旁路电容。
使用基极引脚（引脚5）：将基极开路是标准做法。在基极和发射极之间连接一个电阻可以降低光电晶体管的增益，但通过提供一条路径来移除存储的电荷，可以显著提高其开关速度（尤其是关断时间）。

9. 技术对比与优势

EL111X-G系列通过几个关键特性在光耦合器市场中脱颖而出：

长爬电SOP封装：在标准SOP封装尺寸下实现8毫米爬电距离，相比许多额定值为2500Vrms或3750Vrms的标准SOP光耦，提供了更优越的隔离额定值（5000Vrms）。这提供了安全裕度，并满足更严格的隔离要求，而无需转向更大的封装。
全面的安全认证：该系列获得了主要国际安全机构（UL， cUL， VDE， SEMKO， NEMKO， DEMKO， FIMKO， CQC）的认证，简化了全球产品的合规性。
环境合规性：无卤素且符合RoHS的结构满足了环境法规和供应链要求。
广泛的CTR选择：多种明确定义的CTR等级为设计人员提供了灵活性，可以根据增益、功率或成本进行优化。

10. 常见问题解答（基于技术参数）

问：长爬电距离的目的是什么？
答：爬电距离是两个导电部件沿绝缘封装表面的最短距离。8毫米的爬电距离显著增加了表面污染（灰尘、湿气）的击穿路径长度，这对于实现和维持高5000Vrms隔离电压额定值至关重要，尤其是在潮湿或污染的环境中。
问：如何选择正确的CTR等级？
答：根据电路所需的输出电流和输入驱动能力进行选择。如果您的微控制器GPIO引脚只能提供5mA电流，请选择更高的CTR等级（例如，EL1119）以获得足够的输出电流。如果您需要一致、可预测的增益用于模拟传感，请选择范围更窄的等级（例如，EL1117）。始终参考您特定工作点的最小/最大值。
问：我可以将其用于模拟信号传输吗？
答：可以，但有注意事项。光电晶体管的响应并非完全线性，且CTR随温度和电流变化。它最适合低频或以数字方式表示的模拟信号（如PWM）。对于精密模拟隔离，专用的线性光耦或隔离放大器更合适。
问：TA和TB卷带选项有什么区别？
答：数据手册显示了两种不同的卷带尺寸图。主要区别可能在于元件在卷带口袋中的方向（"卷带进料方向"），也可能包括带宽度的不同。TB选项的Ko尺寸为2.25mm。请咨询制造商或查看详细的卷带规格，以确保与您的贴片机兼容。
问：温度如何影响性能？
答：温度主要影响CTR（随温度升高而降低）和输入LED的正向电压V_F（也降低）。开关速度也可能变化。设计用于整个-55°C至+110°C范围的设计必须考虑这些变化，尤其是CTR降额。

11. 实际设计示例

场景：隔离一个3.3V微控制器GPIO信号，以控制隔离侧的12V继电器。继电器线圈需要30mA才能吸合。

设计步骤：

选择CTR等级：所需的I_C为30mA。微控制器可以提供约10mA电流。所需CTR = (30mA / 10mA) * 100% = 300%。在I_F=10mA时，EL1114的CTR范围为160-320%。我们选择EL1114，但需注意，在最小CTR（160%）时，I_C将为16mA，这可能不够。我们可能需要以更大的电流驱动LED，或者选择不同的等级/器件。
使用EL1119重新计算：EL1119的额定测试条件为I_F=5mA。CTR范围为200-400%。如果我们以I_F=7.5mA（在额定值内）驱动它，使用典型CTR，我们可以预期I_C大约在22.5-30mA。这处于临界状态。更好的解决方案是在输出端使用一个晶体管来驱动继电器，仅将光耦合器用作逻辑电平隔离器。
输入电阻计算（使用EL1114，I_F=10mA）：假设V_F~ 1.2V。微控制器电压为3.3V。R_limit= (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω。使用标准200 Ω电阻。
输出侧：通过继电器线圈将光电晶体管集电极连接到12V电源。发射极接地。在继电器线圈两端反向放置一个续流二极管。当光电晶体管导通时，它将饱和，V_CE(sat)< 0.4V，将几乎全部的12V电压施加到继电器上。
速度考虑：继电器速度慢，因此光耦约4µs的开启时间无关紧要。不需要基极电阻来加速。

此示例突出了将器件参数与应用需求相匹配的迭代过程。

12. 工作原理

光耦合器（光耦）是一种利用光在两个隔离电路之间传输电信号的器件。在EL111X-G系列中：

电流施加到输入引脚（1-阳极，2-阴极），正向偏置内部的红外发光二极管（IRED）.
IRED发出与正向电流成比例的红外光。
该光穿过透明的绝缘间隙（通常是模制塑料），照射到输出侧的硅光电晶体管的基区。
入射光在基极产生电子-空穴对，有效地充当基极电流。这导致光电晶体管在其集电极（引脚4）和发射极（引脚3）之间导通。
产生的输出集电极电流（I_C）大约与输入LED电流（I_F）成正比，比例常数为电流传输比（CTR）。
The key is that the only connection between input and output is the light beam; there is no electrical conductive path. This provides the galvanic isolation, blocking high voltages, ground potential differences, and noise.

13. 技术趋势

光耦合器技术随着系统需求不断发展：

更高速度：电机驱动、通信和ADC中对更快数字隔离的需求，推动了具有更快开关时间（纳秒级）和更高共模瞬态抗扰度（CMTI）的光耦合器的开发。
集成化：存在集成附加功能的趋势，例如用于IGBT/MOSFET的栅极驱动器、用于电源的误差放大器，甚至是在一个封装中包含多个通道的数字隔离器。
提高可靠性和寿命：专注于材料和设计，以减少长期CTR衰减，特别是针对高温汽车和工业应用。
小型化：在保持或提高隔离额定值的同时，封装尺寸不断缩小（例如，超小型SOP，晶圆级封装），以节省电路板空间。
替代技术：光耦合器面临来自其他隔离技术的竞争，如电容隔离器（使用SiO2屏障）和磁隔离器（基于变压器），这些技术可以提供更高的速度、更低的功耗和更好的集成度。然而，由于其简单性、高电压能力、易于理解的可靠性以及对于标准速度要求的成本效益，光耦合器在许多应用中仍然占据主导地位。

EL111X-G系列专注于在紧凑、环保合规的封装中实现高隔离电压，满足了广泛工业和消费应用中对于可靠、安全认证的信号隔离的持续需求。

LED规格术语详解

LED技术术语完整解释

一、光电性能核心指标

术语	单位/表示	通俗解释	为什么重要
光效（Luminous Efficacy）	lm/W（流明/瓦）	每瓦电能发出的光通量，越高越节能。	直接决定灯具的能效等级与电费成本。
光通量（Luminous Flux）	lm（流明）	光源发出的总光量，俗称"亮度"。	决定灯具够不够亮。
发光角度（Viewing Angle）	°（度），如120°	光强降至一半时的角度，决定光束宽窄。	影响光照范围与均匀度。
色温（CCT）	K（开尔文），如2700K/6500K	光的颜色冷暖，低值偏黄/暖，高值偏白/冷。	决定照明氛围与适用场景。
显色指数（CRI / Ra）	无单位，0–100	光源还原物体真实颜色的能力，Ra≥80为佳。	影响色彩真实性，用于商场、美术馆等高要求场所。
色容差（SDCM）	麦克亚当椭圆步数，如"5-step"	颜色一致性的量化指标，步数越小颜色越一致。	保证同一批灯具颜色无差异。
主波长（Dominant Wavelength）	nm（纳米），如620nm（红）	彩色LED颜色对应的波长值。	决定红、黄、绿等单色LED的色相。
光谱分布（Spectral Distribution）	波长 vs. 强度曲线	显示LED发出的光在各波长的强度分布。	影响显色性与颜色品质。

二、电气参数

术语	符号	通俗解释	设计注意事项
正向电压（Forward Voltage）	Vf	LED点亮所需的最小电压，类似"启动门槛"。	驱动电源电压需≥Vf，多个LED串联时电压累加。
正向电流（Forward Current）	If	使LED正常发光的电流值。	常采用恒流驱动，电流决定亮度与寿命。
最大脉冲电流（Pulse Current）	Ifp	短时间内可承受的峰值电流，用于调光或闪光。	脉冲宽度与占空比需严格控制，否则过热损坏。
反向电压（Reverse Voltage）	Vr	LED能承受的最大反向电压，超过则可能击穿。	电路中需防止反接或电压冲击。
热阻（Thermal Resistance）	Rth（°C/W）	热量从芯片传到焊点的阻力，值越低散热越好。	高热阻需更强散热设计，否则结温升高。
静电放电耐受（ESD Immunity）	V（HBM），如1000V	抗静电打击能力，值越高越不易被静电损坏。	生产中需做好防静电措施，尤其高灵敏度LED。

三、热管理与可靠性

术语	关键指标	通俗解释	影响
结温（Junction Temperature）	Tj（°C）	LED芯片内部的实际工作温度。	每降低10°C，寿命可能延长一倍；过高导致光衰、色漂移。
光衰（Lumen Depreciation）	L70 / L80（小时）	亮度降至初始值70%或80%所需时间。	直接定义LED的"使用寿命"。
流明维持率（Lumen Maintenance）	%（如70%）	使用一段时间后剩余亮度的百分比。	表征长期使用后的亮度保持能力。
色漂移（Color Shift）	Δu′v′ 或麦克亚当椭圆	使用过程中颜色的变化程度。	影响照明场景的颜色一致性。
热老化（Thermal Aging）	材料性能下降	因长期高温导致的封装材料劣化。	可能导致亮度下降、颜色变化或开路失效。

四、封装与材料

术语	常见类型	通俗解释	特点与应用
封装类型	EMC、PPA、陶瓷	保护芯片并提供光学、热学接口的外壳材料。	EMC耐热好、成本低；陶瓷散热优、寿命长。
芯片结构	正装、倒装（Flip Chip）	芯片电极布置方式。	倒装散热更好、光效更高，适用于高功率。
荧光粉涂层	YAG、硅酸盐、氮化物	覆盖在蓝光芯片上，部分转化为黄/红光，混合成白光。	不同荧光粉影响光效、色温与显色性。
透镜/光学设计	平面、微透镜、全反射	封装表面的光学结构，控制光线分布。	决定发光角度与配光曲线。

五、质量控制与分档

术语	分档内容	通俗解释	目的
光通量分档	代码如 2G、2H	按亮度高低分组，每组有最小/最大流明值。	确保同一批产品亮度一致。
电压分档	代码如 6W、6X	按正向电压范围分组。	便于驱动电源匹配，提高系统效率。
色区分档	5-step MacAdam椭圆	按颜色坐标分组，确保颜色落在极小范围内。	保证颜色一致性，避免同一灯具内颜色不均。
色温分档	2700K、3000K等	按色温分组，每组有对应的坐标范围。	满足不同场景的色温需求。

六、测试与认证

术语	标准/测试	通俗解释	意义
LM-80	流明维持测试	在恒温条件下长期点亮，记录亮度衰减数据。	用于推算LED寿命（结合TM-21）。
TM-21	寿命推演标准	基于LM-80数据推算实际使用条件下的寿命。	提供科学的寿命预测。
IESNA标准	照明工程学会标准	涵盖光学、电气、热学测试方法。	行业公认的测试依据。
RoHS / REACH	环保认证	确保产品不含有害物质（如铅、汞）。	进入国际市场的准入条件。
ENERGY STAR / DLC	能效认证	针对照明产品的能效与性能认证。	常用于政府采购、补贴项目，提升市场竞争力。

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