EL847 系列光耦合器規格書 - 16 腳位 DIP 封裝 - 隔離電壓 5000Vrms - 電流傳輸比 50-600% - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

EL847 系列為一組採用標準 16 腳位雙列直插式封裝（DIP）的四通道光電晶體光耦合器。每個通道皆整合了一個紅外發光二極體，並以光學方式耦合至一個光電晶體偵測器，在輸入與輸出電路之間提供了強固的電氣隔離。此元件專為在電位差與抗雜訊能力至關重要的環境中，實現可靠的訊號傳輸而設計。

其核心功能是利用光來傳輸電氣訊號，從而實現電氣隔離。這能防止接地迴路、抑制雜訊，並保護敏感電路免受高壓暫態的影響。本系列提供標準通孔 DIP 與表面黏著（SMD）兩種接腳形式選項，為不同的 PCB 組裝製程提供了靈活性。

2. 技術參數詳解

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的極限。不保證在此條件下運作。

• 輸入順向電流（I_F)）： 60 mA（連續）。這是可施加於輸入 LED 的最大直流電流。
• 峰值順向電流（I_FP)）： 1 A，持續 1 μs 脈衝。允許用於驅動或測試的短暫高電流脈衝。
• 逆向電壓（V_R)）： 6 V。輸入 LED 可承受的最大逆向偏壓。
• 集極-射極電壓（V_CEO)）： 80 V。輸出光電晶體在關閉狀態下可阻擋的最大電壓。
• 集極電流（I_C)）： 50 mA。輸出電晶體可承受的最大連續電流。
• 隔離電壓（V_ISO)）： 5000 V_rms，持續 1 分鐘。一個關鍵的安全參數，表示輸入與輸出側之間的介電強度。
• 工作溫度（T_OPR)）： -55°C 至 +110°C。指定了可靠運作的環境溫度範圍。
• 焊接溫度（T_SOL)）： 260°C，持續 10 秒。定義了迴焊製程的溫度曲線耐受度。

2.2 電氣-光學特性

這些參數定義了元件在正常工作條件下的性能（除非註明，否則 T_A= 25°C）。

2.2.1 輸入特性（LED 側）

• 順向電壓（V_F)）： 典型值 1.2V，最大值 1.4V（於 I_F= 20 mA 時）。用於計算所需的限流電阻。
• 逆向電流（I_R)）： 最大值 10 μA（於 V_R= 4V 時）。表示 LED 處於逆向偏壓時極低的漏電流。
• 輸入電容（C_in)）： 典型值 30 pF，最大值 250 pF。影響輸入側的高頻切換能力。

2.2.2 輸出特性（光電晶體側）

• 集極-射極暗電流（I_CEO)）： 最大值 100 nA（於 V_CE= 20V，I_F= 0mA 時）。LED 關閉時的漏電流；數值越低，抗雜訊能力越好。
• 集極-射極崩潰電壓（BV_CEO)）： 最小值 80V（於 I_C= 0.1mA 時）。確認其高電壓阻斷能力。
• 集極-射極飽和電壓（V_CE(sat))）： 典型值 0.1V，最大值 0.2V（於 I_F= 20mA，I_C= 1mA 時）。電晶體完全導通（飽和）時兩端的電壓降。低數值有助於最小化功率損耗。

2.2.3 傳輸特性

• 電流傳輸比（CTR））： 50% 至 600%（於 I_F= 5mA，V_CE= 5V 時）。這是最關鍵的參數，定義為 (I_C/ I_F) * 100%。它代表將輸入電流轉換為輸出電流的效率。寬廣的範圍表示元件提供不同增益等級的選項。
• 隔離電阻（R_IO)）： 最小值 5 x 10¹⁰Ω（於 V_IO= 500V DC 時）。隔離側之間極高的電阻，確保極小的漏電。
• 浮動電容（C_IO)）： 典型值 0.6 pF，最大值 1.0 pF。跨越隔離屏障的寄生電容，會影響共模暫態抗擾度與高頻雜訊耦合。
• 截止頻率（f_c)）： 典型值 80 kHz（於 V_CE= 5V，I_C= 2mA，R_L= 100Ω 時）。-3dB 頻寬，表示有用的數位訊號最高頻率。
• 上升時間（t_r）與下降時間（t_f)）： 在指定的測試條件下，典型值分別為 6 μs 與 8 μs（各自最大值為 18 μs）。這些切換速度參數對於決定數位應用中的最大資料傳輸率至關重要。

3. 性能曲線分析

規格書包含典型的特性曲線（儘管提供的文本中未詳細說明）。這些曲線通常會說明關鍵參數之間的關係，為設計者提供超越表格化最小/典型/最大值之外的元件行為深入理解。

• CTR 對順向電流（I_F)）： 顯示效率如何隨驅動電流變化，通常在特定的 I_F.
• CTR 對溫度）： 說明 CTR 的負溫度係數，其值通常隨溫度升高而降低。這對於在整個溫度範圍內設計穩定電路至關重要。
• 輸出電流（I_C）對集極-射極電壓（V_CE)）： 一系列曲線，顯示光電晶體在不同輸入電流下的輸出特性，類似於雙極性電晶體的輸出曲線。
• 飽和電壓（V_CE(sat)）對集極電流（I_C)）： 顯示導通狀態的電壓降如何隨負載電流增加。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

本元件提供兩種主要的接腳形式選項：

1. 標準 DIP 型： 通孔封裝，具有 16 支腳位，腳距為 2.54mm（100-mil）。詳細的尺寸圖標明了本體長、寬、高、腳位長度與間距。
2. S 型選項（表面黏著）： 鷗翼型接腳形式，適用於 SMD 組裝。尺寸包含 PCB 焊墊圖案設計的建議。

一個與安全相關的關鍵機械特性是封裝輸入與輸出側之間的沿面距離大於 7.62 mm。這是沿著絕緣封裝表面，導電部件之間的最短距離，對於滿足高隔離電壓的安全標準至關重要。

4.2 腳位配置與電路圖

腳位配置簡單明瞭，且在各通道間保持一致：

• 腳位 1, 3, 5, 7： 分別為通道 1-4 的陽極。
• 腳位 2, 4, 6, 8： 分別為通道 1-4 的陰極。
• 腳位 9, 11, 13, 15： 分別為通道 1-4 的射極。
• 腳位 10, 12, 14, 16： 分別為通道 1-4 的集極。

此配置將所有輸入集中在一側（腳位 1-8），所有輸出集中在另一側（腳位 9-16），從物理上強化了隔離屏障。

4.3 元件標記

元件頂部標記有 \"EL847\"（元件編號），接著是一位數的年份代碼（Y）、兩位數的週數代碼（WW），以及一個可選的 \"V\" 後綴，表示該單元具有 VDE 安全認證。

5. 焊接與組裝指南

5.1 迴焊溫度曲線

規格書提供了符合 IPC/JEDEC J-STD-020D 無鉛焊接標準的詳細迴焊曲線：

• 預熱： 在 60-120 秒內從 150°C 升至 200°C。
• 液相線以上時間（T_L=217°C）： 60-100 秒。
• 峰值溫度（T_P)）： 最高 260°C。
• 峰值溫度 ±5°C 內時間： 最多 30 秒。
• 最大升溫速率： 從 T_smax到 T_p.
• 最大降溫速率： 6°C/秒。
• 總循環時間： 從 25°C 到峰值溫度，最多 8 分鐘。
• 迴焊次數： 元件最多可承受 3 次迴焊循環。

遵循此溫度曲線對於防止因熱應力導致封裝破裂、分層或內部晶片與接線損壞至關重要。

6. 包裝與訂購資訊

EL847 系列使用以下零件編號格式訂購：EL847X-V.

• X： 接腳形式選項。\"S\" 表示表面黏著，空白（無）表示標準 DIP。
• V： 可選後綴，表示該特定單元包含 VDE 安全認證。

包裝： 兩種變體均以每管 20 個單元的方式供應。

7. 應用建議

7.1 典型應用電路

EL847 用途廣泛，可用於多種配置：

1. 數位訊號隔離： 將輸入 LED 與一個限流電阻串聯，連接到微控制器 GPIO 腳位。輸出集極可透過一個上拉電阻連接到隔離側的邏輯電壓。射極通常接地。這提供了抗雜訊的開/關訊號傳輸，例如在 PLC I/O 模組中。
2. 類比訊號隔離（線性模式）： 通過讓光電晶體工作在其線性區域（非飽和），可以使輸出電流大致與輸入 LED 電流成正比。這需要仔細的偏壓設定，且易受 CTR 變化和溫度漂移影響。通常用於低頻寬、低精度的類比隔離。
3. 驅動小型負載： 只要不超過集極電流和電壓額定值，輸出可以直接驅動小型負載，如繼電器、LED 或光觸發雙向可控矽驅動器。

7.2 設計考量與最佳實務

• CTR 選擇與電路設計： 寬廣的 CTR 範圍（50-600%）需要謹慎設計。對於數位切換，請選擇一個 CTR 等級，確保在您選擇的 I_F和負載電阻（R_L）下，即使是最小規格的 CTR 也能使輸出電晶體飽和。條件 I_C= CTR_min* I_F必須大於 V_CC/R_L以確保飽和。
• 速度與電流的權衡： 較高的 I_F通常能改善切換速度（減少 t_r/t_f），但會因 LED 老化而隨時間降低 CTR。設計應使用能滿足速度和抗雜訊要求的最低 I_F。
• 抗雜訊與旁路： 為改善共模暫態抗擾度（CMTI），請在輸入側和輸出側的電源與接地之間使用旁路電容（例如 0.1 μF），並盡可能靠近元件腳位放置。這有助於抵消內部耦合電容（C_IO）的影響。
• 散熱： 注意總功耗限制（P_TOT= 200 mW）。功率計算為輸入側的 (I_F* V_F) 加上輸出側的 (I_C* V_CE)。

8. 技術比較與關鍵優勢

EL847 透過以下幾個關鍵特性在市場上脫穎而出：

• 高隔離電壓（5000 V_rms)）： 超越許多工業控制與電源供應應用的要求，提供顯著的安全餘裕。
• 寬廣工作溫度範圍（-55°C 至 +110°C）： 適用於溫度極端常見的嚴苛工業與汽車環境。
• 全面的安全認證： UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO 和 CQC 等認證，簡化了將元件整合到需要針對不同全球市場認證的終端產品的流程。
• 單一封裝內含四通道： 與使用四個單通道光耦合器進行多訊號隔離任務相比，節省了電路板空間並提高了成本效益。
• 雙重封裝選項： 同時提供通孔（DIP）和表面黏著（SMD）形式，為原型製作和大批量自動化組裝提供了靈活性。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

Q1： 如何為輸入 LED 選擇正確的限流電阻？

A1： 使用公式：R_limit= (V_supply- V_F) / I_F。使用規格書中的最大 V_F值（1.4V）進行最壞情況設計，以確保不超過 I_F。根據所需的 CTR 和速度選擇 I_F；5-20 mA 是典型值。

Q2： 我的電路無法完全切換。輸出電壓不夠低。問題出在哪裡？

A2： 光電晶體可能沒有進入飽和狀態。這通常是 CTR 問題。請確認您的設計使用最小 CTR（50%）進行計算。增加 I_F或增加集極上拉電阻 R_L的值，以降低飽和所需的 I_C（I_C(sat)≈ V_CC/R_L）。

Q3： 我可以用它來隔離像感測器輸出這樣的類比訊號嗎？

A3： 可能但具有挑戰性。光電晶體的線性度不佳，且 CTR 隨溫度和元件個體差異變化顯著。對於精確的類比隔離，強烈建議使用專用的隔離放大器或線性光耦合器（其包含反饋以補償非線性）。

Q4： 沿面距離 >7.62 mm 的意義是什麼？

A4： 沿面距離是沿著絕緣封裝表面，導電部件（例如輸入腳位 1 和輸出腳位 9）之間的最短路徑。較長的沿面距離可防止表面漏電（因污染或濕度導致沿表面產生電弧），並且是像 5000 V_rms.

這樣的高隔離電壓安全認證的強制性要求。

10. 實務設計案例研究

1. 情境： 將微控制器的四個數位控制訊號隔離至一個 24V 工業致動器驅動器。需求
2. ： 訊號頻率 < 1 kHz，高抗雜訊能力，為安全與防止接地迴路提供隔離。:
   • 設計選擇元件
   • ： EL847（標準 DIP）。輸入側_F： 微控制器 GPIO（3.3V，可提供 20mA）。選擇 I_{= 10 mA 以獲得良好的速度與壽命。R}limit
   • = (3.3V - 1.4V) / 0.01A = 190Ω。使用標準 200Ω 電阻。輸出側_L： 致動器驅動器預期 24V 邏輯高電位，拉至地為 ON。透過一個上拉電阻將集極連接到 24V 電源。選擇 R_{以確保在最小 CTR 時達到飽和。所需 I}C(sat)_L> 24V / R_{。當 CTR}min_F=50% 且 I_C=10mA 時，I_L>= 5mA。因此，R_{必須 < 24V / 0.005A = 4.8 kΩ。選擇一個 3.3 kΩ 電阻，得到 I}C(sat)
   • ≈ 7.3mA，這完全在元件的 50mA 額定值內，並提供了良好的餘裕。旁路
3. ： 在腳位 10（集極 1）和腳位 9（射極 1）之間添加一個 0.1 μF 陶瓷電容，其他通道亦同，以提高抗雜訊能力。結果

： 一個強固、電氣隔離的介面，能夠在電氣雜訊嚴重的工業環境中可靠地傳輸控制訊號。

11. 工作原理_F光耦合器的運作基於電-光-電轉換。當順向電流（I_C）施加到輸入紅外發光二極體（IRED）時，它會發射出波長通常約為 940 nm 的光子（光）。這道光穿過封裝內部的透明絕緣間隙（通常由模塑化合物或空氣構成）。光線照射到輸出矽光電晶體的基極區域。被吸收的光子產生電子-電洞對，形成基極電流，使電晶體導通，允許集極電流（I_C）流通。關鍵點在於，輸入與輸出之間唯一的連接是光束，從而提供了電氣隔離。比值 I_F/I

即為電流傳輸比（CTR），它取決於 LED 的發光效率、光電晶體的靈敏度以及兩者之間的光耦合效率。

12. 產業趨勢與背景

• 像 EL847 這樣的光耦合器，在高壓隔離不可或缺的電力電子、工業自動化和再生能源系統中，仍然是基礎元件。該領域的趨勢朝向：更高速度
• ： 開發基於 CMOS RF 或電容耦合技術的數位隔離器，提供 Mbps 到 Gbps 範圍的資料傳輸率，遠遠超過傳統光電晶體耦合器約 100 kHz 的限制。更高整合度
• 在單一封裝中結合隔離與其他功能，如閘極驅動器、ADC 介面或 USB/I2C/SPI 隔離器。改善可靠性與壽命
• ： 專注於隨時間和溫度退化更低的 LED 技術，從而在產品壽命期內實現更穩定的 CTR。小型化

： 朝向更小的表面黏著封裝發展，如 SOIC-8 甚至更小，同時保持或提高隔離額定值。