6腳DIP光電晶體光耦合器規格書 - 4N2X、4N3X、H11AX系列 - 隔離電壓5000Vrms - 工作溫度-55至+110°C - 粵語技術文件

1. 產品概覽

4N2X、4N3X同H11AX系列係6腳雙列直插封裝（DIP）光電晶體光耦合器（亦稱光隔離器）嘅家族。每個器件都由一個砷化鎵紅外發光二極管（LED）光學耦合到一個矽光電晶體探測器組成。呢種配置提供輸入同輸出電路之間完全嘅電氣隔離，令佢哋成為電子系統中安全、抗噪同電平轉換嘅關鍵元件。

核心功能係透過光進行信號傳輸，消除直接電氣連接。輸入電流驅動紅外LED，令其發出與電流成正比嘅光。呢啲光照射到光電晶體嘅基極區域，產生基極電流，並允許集電極-發射極電流流通，從而喺隔離嘅輸出側複製輸入信號。

1.1 核心優勢同目標市場

呢啲光耦合器專為需要可靠信號隔離嘅應用而設計。佢哋嘅主要優勢包括高達5000V_rms嘅高隔離電壓，對於保護低壓控制電路（例如微處理器）免受高壓市電或電機驅動部分影響至關重要。大於7.62mm嘅延長爬電距離進一步增強咗高壓環境下嘅安全性同可靠性。工作溫度範圍為-55°C至+110°C，適合工業、汽車同惡劣環境應用。

緊湊嘅DIP封裝提供標準、寬引腳間距（0.4英寸）同表面貼裝（SMD）變體，為通孔同自動化組裝流程提供靈活性。器件獲得主要國際安全機構嘅認證，包括UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO同CQC，方便用於必須符合嚴格安全標準嘅全球銷售設備。

2. 深入技術參數分析

規格書提供全面嘅電氣同光學規格，對於正確電路設計同可靠性保證至關重要。

2.1 絕對最大額定值

呢啲額定值定義咗可能導致器件永久損壞嘅應力極限，唔適用於正常操作。

• 輸入（LED）側：最大連續正向電流（I_F）為60mA。允許10µs嘅短暫峰值正向電流（I_FM）為1A，適用於瞬態抑制。最大反向電壓（V_R）僅為6V，表明LED唔係為高反向偏壓而設計，如果喺交流電路中使用需要保護。
• 輸出（光電晶體）側：集電極-發射極同集電極-基極擊穿電壓（V_CEO、V_CBO）均為80V，定義咗晶體管喺關斷狀態下可以承受嘅最大電壓。發射極-基極同發射極-集電極電壓（V_EBO、V_ECO）限制喺7V。
• 功率同熱特性：器件總功耗（P_TOT）喺25°C時為200mW。提供降額因子：輸入側喺100°C以上為3.8 mW/°C，輸出側喺100°C以上為9.0 mW/°C。呢啲對於計算高環境溫度下嘅最大允許功率以防止熱失控至關重要。
• 隔離：隔離電壓（V_ISO）為5000V_rms持續1分鐘，係一個關鍵安全參數，測試時將引腳1-2-3短路，引腳4-5-6短路。

2.2 電光特性

呢啲參數喺典型條件（T_a=25°C）下測量，定義咗器件嘅性能。

• 輸入LED特性：正向電壓（V_F）喺I_F=10mA時典型值為1.2V，最大值為1.5V。用於計算所需嘅限流電阻。反向電流（I_R）非常低（V_R=6V時<10µA）。輸入電容（C_in）典型值為30pF。
• 輸出光電晶體特性：暗電流（I_CBO、I_CEO）喺納安範圍，表明LED關閉時漏電極低。擊穿電壓（BV_CEO、BV_CBO等）確認咗絕對額定值中嘅80V同7V限制。

2.3 傳輸特性

呢啲參數描述咗輸入同輸出之間嘅耦合效率同開關性能。

• 電流傳輸比（CTR）：呢個係最關鍵嘅參數，定義為（I_C/ I_F） * 100%。佢因型號而有顯著差異，形成一個性能分級系統：
  • 高CTR（>100%）：4N35、4N36、4N37。
  • 中高CTR（50%）： H11A1.
  • 中CTR（30%）： H11A5.
  • 標準CTR（20%）：4N25、4N26、4N38、H11A2、H11A3。
  • 較低CTR（10%）：4N27、4N28、H11A4。
  呢種分級允許設計師根據其特定應用同所需輸出電流水平，選擇具有所需靈敏度嘅器件。
• 飽和電壓（V_CE(sat)）：呢個係光電晶體完全導通時嘅壓降。較低嘅值（例如，4N3X系列喺I_F=10mA、I_C=0.5mA時最大0.3V）表示更好嘅性能，最小化輸出級嘅功率損耗。
• 開關速度：開啟（t_on）同關閉（t_off）時間係針對特定測試條件（V_CC=10V、R_L=100Ω）下唔同系列指定嘅。4N2X/H11AX系列通常比4N3X系列更快（典型值3µs對比t_on典型值10µs、t_off典型值9µs）。呢個對於數字信號傳輸同PWM應用至關重要。
• 隔離參數：隔離電阻（R_IO）極高（>10¹¹Ω），輸入輸出電容（C_IO）非常低（典型值0.2pF），最小化咗高頻噪聲通過隔離屏障嘅電容耦合。

3. 性能曲線分析

雖然PDF顯示咗典型電光特性曲線嘅佔位符文本，但呢類曲線係光耦合器嘅標準，通常包括：

• 電流傳輸比（CTR）對正向電流（I_F）：顯示效率如何隨LED驅動電流變化，通常喺特定電流達到峰值。
• CTR對溫度：說明CTR喺高溫下嘅衰減，係高溫操作嘅關鍵降額因素。
• 集電極電流（I_C）對集電極-發射極電壓（V_CE）：輸出特性曲線，顯示光電晶體喺唔同區域（飽和區、放大區）嘅行為。
• 開關時間對負載電阻（R_L）：展示上拉電阻嘅選擇如何影響上升同下降時間。

設計師應參考完整規格書中嘅呢啲曲線，針對其特定速度同輸出要求，優化LED電流、負載電阻同工作溫度等參數。

4. 機械同封裝資訊

器件提供多種6腳DIP封裝變體，以適應唔同嘅組裝需求。

4.1 封裝尺寸同變體

規格書包含每個選項嘅詳細機械圖紙。關鍵尺寸包括總長度、寬度、引腳間距同引腳尺寸。

• 標準DIP類型：經典嘅通孔封裝，行距為0.1英寸（2.54mm）。
• M選項類型：具有寬引腳彎曲特點，提供0.4英寸（10.16mm）引腳間距。呢個增加咗輸入同輸出引腳之間嘅爬電距離同間隙距離，增強咗高壓應用嘅隔離可靠性。
• S同S1選項類型：表面貼裝器件（SMD）版本。S1選項係薄型變體，相比標準S選項具有更低嘅封裝高度，對空間受限嘅應用有益。

所有封裝都具有提供必要絕緣嘅模塑外殼。引腳配置標準化：引腳1（陽極）、引腳2（陰極）、引腳3（NC）、引腳4（發射極）、引腳5（集電極）、引腳6（基極）。基極引腳（6）通常懸空，但喺某些電路中可用於帶寬改善或偏置控制。

5. 焊接同組裝指引

絕對最大額定值指定焊接溫度（T_SOL）為260°C持續10秒。呢個係波峰焊或回流焊工藝嘅典型值。對於SMD選項（S、S1），適用峰值溫度約260°C嘅標準紅外或對流回流焊曲線。關鍵係避免超過呢個時間-溫度限制，以防止損壞塑料封裝同內部引線鍵合。器件應儲存喺儲存溫度範圍（-55°C至+125°C）內嘅條件下，如果SMD部件有指定，應使用防潮包裝，以防止回流焊期間出現爆米花現象。

6. 包裝同訂購資訊

部件編號系統明確定義：4NXXY(Z)-V或H11AXY(Z)-V.

• XX / X：特定部件號（例如25、35、1、5）。
• Y（引腳形式）：
  • 無：標準DIP（65件/管）。
  • M：寬引腳彎曲（65件/管）。
  • S：表面貼裝引腳形式。
  • S1：薄型表面貼裝引腳形式。
• Z（帶裝同捲盤）：僅適用於SMD選項。
  • TA或TB：唔同嘅帶裝同捲盤規格（1000件/捲）。
• V：可選後綴，表示VDE安全認證。

呢個靈活嘅系統允許採購生產所需嘅確切機械變體。

7. 應用建議

7.1 典型應用電路

如規格書所列，主要應用包括：

• 電源穩壓器：喺開關模式電源（SMPS）中，喺次級（輸出）側同初級側控制器之間提供反饋隔離。呢個對於安全同抗噪至關重要。
• 數字邏輯輸入/微處理器輸入：喺嘈雜嘅工業傳感器信號（例如來自限位開關、編碼器）或唔同嘅接地域進入敏感數字邏輯或微控制器引腳之前進行隔離。
• 通用信號隔離：任何兩個子系統必須通信但唔共享公共接地嘅電路，用於斷開接地迴路、消除共模噪聲或提供電平轉換。

7.2 設計考慮同最佳實踐

• LED限流：始終使用串聯電阻設定正向電流（I_F）。計算R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F。喺推薦嘅I_F範圍（通常5-20mA）內操作，以獲得最佳CTR同壽命。
• 輸出側偏置：光電晶體需要一個上拉電阻（R_L）從集電極連接到V_{CC_output}。其值係一個權衡：較小嘅R_L提供更快嘅開關速度但更高嘅功耗同更低嘅輸出電壓擺幅；較大嘅R_L提供更好嘅噪聲容限但速度較慢。
• 速度優化：為咗更快嘅開關速度，使用來自更快系列（4N2X/H11AX）嘅器件，最小化R_L，並確保足夠嘅I_F驅動。喺基極（引腳6）同發射極之間連接一個電阻（例如100kΩ至1MΩ）可以幫助釋放儲存電荷並減少關閉時間。
• 抗噪性：高隔離電阻同低電容固有地抑制共模噪聲。為咗喺電噪聲環境中獲得額外嘅穩健性，建議喺輸入同輸出兩側嘅器件電源引腳附近放置旁路電容（例如0.1µF）。

8. 技術比較同選型指南

三個系列（4N2X、4N3X、H11AX）提供一系列性能以滿足唔同需求：

• 4N3X系列（4N35-38）：通常提供最高嘅CTR值（4N35-37 >100%），令佢哋適合需要高輸出電流或希望最小輸入驅動電流嘅應用。佢哋嘅飽和電壓亦非常低。
• 4N2X系列（4N25-28）同H11AX系列（H11A1-A5）：提供從10%到50%嘅分級CTR範圍。4N2X系列通常具有更快嘅開關時間。呢啲係多功能、通用隔離器。H11A5（30% CTR）同H11A1（50% CTR）填補特定性能點。
• 選擇標準：根據所需CTR（輸出電流增益）、開關速度、飽和電壓同成本進行選擇。例如，微處理器輸入讀取慢速開關可以使用較低CTR、成本效益高嘅部件，如H11A4。電源中需要良好線性度同增益嘅反饋迴路可能使用4N35或4N36。

9. 常見問題（FAQ）

問：基極引腳（引腳6）嘅用途係咩？

答：基極引腳提供對光電晶體基極區域嘅訪問。懸空（唔連接）係標準做法。從基極連接到發射極嘅電阻可以通過提供路徑移除儲存電荷來改善開關速度。喺某些設計中，可用於預偏置或連接加速網絡。

問：如何確保長期可靠性？

答：喺其絕對最大額定值內操作LED，最好降額使用。通過遵守功率降額曲線保持結溫較低。喺PCB上使用足夠嘅爬電/間隙距離，特別係對於高壓隔離屏障，匹配或超過封裝嘅7.62mm能力。

問：我可以將呢個用於交流信號隔離嗎？

答：可以，但輸入LED具有低反向電壓額定值（6V）。為咗隔離交流信號，必須保護LED免受反向偏壓，通常喺LED輸入端並聯一個標準二極管，或者喺LED之前使用橋式整流器配置。

問：點解CTR指定為最小值？

答：由於LED效率同光電晶體增益嘅製造公差，CTR具有較大變化。規格書保證特定條件下嘅最小CTR。設計必須基於呢個最小值，以確保所有生產單元同溫度範圍內電路功能正常。

10. 實用設計範例

場景：將PLC輸出嘅24V數字信號隔離到3.3V微控制器輸入。

1. 器件選擇：選擇通用部件，如4N25（最小CTR 20%）。其速度對於數字I/O足夠。
2. 輸入電路：PLC輸出為24V。目標I_F= 10mA。V_F≈ 1.2V。R_limit= (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω。使用標準2.2kΩ電阻。喺LED輸入端添加反向保護二極管。
3. 輸出電路：微控制器V_CC= 3.3V。選擇R_L= 1kΩ。當光電晶體關閉時，輸出被上拉到3.3V（邏輯1）。當導通時，假設I_C= CTR * I_F= 0.2 * 10mA = 2mA，輸出電壓將為V_CE(sat)（最大0.5V），一個穩定嘅邏輯0。1kΩ上拉電阻為呢個應用提供速度同功耗嘅良好平衡。

11. 工作原理

光耦合器基於電-光-電轉換原理工作。電信號施加到輸入側，導致電流通過紅外LED。呢個電流與發出嘅光強度成正比。光穿過透明絕緣間隙（通常係模塑塑料）並照射光電探測器嘅半導體材料——喺呢個情況下係NPN光電晶體嘅基極-集電極結。光子產生電子-空穴對，產生基極電流。呢個光生基極電流然後被晶體管嘅電流增益（h_FE）放大，導致更大嘅集電極電流，喺電氣隔離嘅輸出電路上重現原始輸入信號。完全冇電氣連接正係提供高壓隔離同抗噪性嘅原因。

12. 技術趨勢

基於光電晶體嘅光耦合器，如4NXX系列，代表咗成熟且具成本效益嘅隔離技術。光耦合器市場嘅當前趨勢包括開發具有更高速度（用於數字通信總線，如SPI、I2C，使用專為此設計嘅IC隔離）、更高集成度（結合多個通道或添加額外功能，如柵極驅動器）同改進可靠性指標（更高溫度操作、更長壽命）嘅器件。替代隔離技術，如電容隔離器同基於巨磁阻（GMR）嘅隔離器亦有所增長，佢哋喺某些應用中可以喺尺寸、速度同功耗方面提供優勢。然而，光電晶體耦合器由於其簡單性、經過驗證嘅可靠性同出色嘅共模瞬態抗擾度（CMTI），仍然喺通用、成本敏感同高壓隔離應用中佔主導地位。