EL815 系列光達靈頓光耦合器規格書 - 4 腳位 DIP 封裝 - 隔離電壓 5000Vrms - 電流傳輸比 600-7500% - 工作溫度 -55 至 +110°C

1. 產品概述

EL815 系列代表了一款採用緊湊型 4 腳位雙列直插式封裝的高效能光達靈頓光耦合器家族。此元件的核心功能是在具有不同電位或阻抗的兩個電路之間提供電氣隔離與訊號傳輸。其透過在輸入端使用紅外線發光二極體，並將其與輸出端的光達靈頓電晶體進行光學耦合來實現此功能。此設計確保了完全的電氣隔離，防止接地迴路，並保護敏感電路免受來自另一電路的電壓突波或雜訊干擾。

光達靈頓配置提供了極高的電流傳輸比，使其具有高靈敏度，非常適合需要以微小輸入電流控制較大輸出電流的應用。此系列的一個關鍵優勢在於其符合多項國際安全與環境標準，包括無鹵素要求、RoHS 與歐盟 REACH 規範，使其適用於全球市場及注重環保的設計。

2. 技術參數深度解析

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條件，不適用於正常操作。

輸入順向電流 (I_F): 60 mA (直流)。這是可流經輸入端紅外線 LED 的最大連續電流。
峰值順向電流 (I_FP): 1 A，持續 1 µs 脈衝。LED 可承受短暫的高電流脈衝，這對於某些開關或暫態條件很有用。
輸入逆向電壓 (V_R): 6 V。可施加於輸入端 LED 兩端的最大逆向偏壓。
集極-射極電壓 (V_CEO): 35 V。當基極開路時，輸出端光達靈頓電晶體的集極與射極之間可承受的最大電壓。
集極電流 (I_C): 80 mA。輸出電晶體可吸入的最大連續電流。
總功耗 (P_TOT): 200 mW. The maximum combined power that can be dissipated by the input and output sections of the device.
隔離電壓 (V_ISO): 5000 V_rms，持續 1 分鐘。此關鍵參數指定了輸入端與輸出端之間的高壓隔離能力，測試時將腳位 1-2 短路，腳位 3-4 短路。
工作溫度 (T_OPR): -55°C 至 +110°C。元件被指定可正常運作的環境溫度範圍。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在指定的測試條件下（通常為 T_a= 25°C）量測，並定義了元件的性能。

2.2.1 輸入端特性

順向電壓 (V_F): 典型值 1.2V，最大值 1.4V（於 I_F= 20 mA 時）。這是驅動時紅外線 LED 兩端的電壓降。
逆向電流 (I_R): 最大值 10 µA（於 V_R= 4V 時）。LED 處於逆向偏壓時的小量漏電流。

2.2.2 輸出端特性

集極-射極暗電流 (I_CEO): 最大值 1 µA（於 V_CE= 10V，I_F= 0mA 時）。當輸入端 LED 關閉時，輸出電晶體的漏電流。
集極-射極飽和電壓 (V_CE(sat)): 典型值 0.8V，最大值 1.0V（於 I_F= 20mA，I_C= 5mA 時）。當輸出電晶體完全導通（飽和）時，其兩端的電壓。較低的值對於最小化功率損耗是理想的。

2.2.3 傳輸特性

電流傳輸比 (CTR): 600% (最小值) 至 7500% (最大值)（於 I_F= 1mA，V_CE= 2V 時）。這是光耦合器最重要的參數，定義為 (I_C/ I_F) * 100%。極寬的範圍表示此元件提供多種靈敏度等級。高 CTR 允許以最小的輸入驅動電流實現高效的訊號傳輸。
隔離電阻 (R_IO): 最小值 5 x 10¹⁰Ω（於 V_IO= 500V 直流時）。這表示隔離兩端之間具有極高的直流電阻。
上升時間 (t_r): 典型值 60 µs，最大值 300 µs。下降時間 (t_f): 典型值 53 µs，最大值 250 µs。這些參數連同典型值為 6 kHz 的截止頻率 (f_c)，共同定義了元件的開關速度。相較於光電晶體或光電 IC 耦合器，光達靈頓結構本質上具有較慢的開關時間，使其更適合直流與低頻交流應用，而非高速數位隔離。

3. 性能曲線分析

規格書包含典型的特性曲線，對於理解元件在非標準條件下的行為至關重要。雖然具體圖表未以文字重現，但其含義對設計極為關鍵。

CTR 對順向電流 (I_F): 通常，CTR 會隨著順向電流增加而降低。設計師必須參考此曲線，為其所需的輸出電流與傳輸效率選擇最佳工作點。
CTR 對環境溫度 (T_a): CTR 具有溫度依賴性，通常在溫度極端時會降低。此曲線對於確保在指定的 -55°C 至 +110°C 範圍內可靠運作至關重要。針對惡劣環境的設計必須基於此數據進行性能降額。
集極電流對集極-射極電壓 (I_C-V_CE): 這些輸出曲線以不同的輸入電流 (I_F) 為參數，顯示了光達靈頓的工作區域（飽和區、主動區）。它們用於確定負載線並確保元件在安全且功能正常的限制內運作。
開關時間波形: 測試電路與波形圖說明了如何量測上升時間 (t_r)、下降時間 (t_f)、開啟延遲 (t_on) 與關閉延遲 (t_off)。理解這些有助於設計時序電路與預測訊號完整性。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

EL815 提供三種主要的引腳形式選項，每種都附有詳細的機械圖紙，以毫米為單位標明所有關鍵尺寸。

標準 DIP 型: 具有標準腳位間距的經典穿孔式封裝。
M 型選項: 具有寬引腳彎曲，提供 0.4 英吋（約 10.16mm）的引腳間距，這對於 PCB 上的爬電距離與電氣間隙要求可能有益。
S1 型選項: 具有低側面高度的表面黏著元件引腳形式。這是封裝的 SMD 變體。

所有封裝均保持大於 7.62 mm 的爬電距離，這有助於實現高隔離電壓額定值。

4.2 極性識別與標記

對於 4 腳位 DIP 光耦合器，其腳位配置是標準的：

陽極（輸入 LED 正極）
陰極（輸入 LED 負極）
射極（輸出電晶體射極）
集極（輸出電晶體集極）

元件頂部標記有 "EL"（表示系列）、"815"（元件編號），接著是一位數年份代碼 (Y)、兩位數週代碼 (WW)，以及可選的 "V" 表示 VDE 認證版本。

4.3 建議 SMD 焊墊佈局

對於 S1（表面黏著）選項，規格書提供了建議的焊墊佈局圖。尺寸僅供參考，且註明明確指出，設計師應根據其特定的 PCB 製造工藝與可靠性要求修改焊墊尺寸。

5. 焊接與組裝指南

絕對最大額定值指定了焊接溫度 (T_SOL) 為 260°C，持續 10 秒。這是迴流焊接製程的關鍵參數。

迴流焊接: 對於 SMD（S1 選項）組裝，應使用標準的無鉛迴流溫度曲線，峰值溫度在指定時間內不得超過 260°C。必須控制溫度曲線以避免熱衝擊。
波峰/手動焊接: 對於穿孔式（標準型和 M 型選項）封裝，可以使用標準的波峰或手動焊接技術，但應注意限制元件本體暴露於高溫的時間。
儲存條件: 儲存溫度範圍指定為 -55°C 至 +125°C。元件應儲存在乾燥、防靜電的環境中。對於以捲帶包裝提供的 SMD 零件，如果元件對濕氣敏感（儘管本規格書未明確標示 MSL 等級），應將捲帶與乾燥劑一起儲存在其原始的防潮袋中。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 訂購代碼結構

料號遵循以下格式：EL815X(Z)-V

X: 引腳形式選項。
- 無: 標準 DIP-4（100 顆/管）。
- M: 寬引腳彎曲，0.4" 間距（100 顆/管）。
- S1: 表面黏著引腳形式，低側面高度。
Z: 捲帶包裝選項（僅適用於 S1）。
- TA, TB, TU, TD: 不同的捲帶包裝規格，影響包裝數量與進料方向。
V: 可選後綴，表示 VDE 安全認證。

6.2 捲帶包裝規格

提供了捲帶（載帶、蓋帶）與捲盤的詳細尺寸圖與表格。關鍵尺寸包括凹槽尺寸 (A, B)、孔徑 (D0)、元件間距 (P0)、帶寬 (W) 與捲盤軸心尺寸。選項 TA 和 TB 在從捲盤進料的方向上有所不同，必須在自動貼片設備中正確配置。

7. 應用建議

7.1 典型應用電路

規格書列出了幾個應用領域：電話機/交換機、順序控制器、系統設備、測量儀器，以及不同電位/阻抗電路之間的訊號傳輸。其高 CTR 與隔離電壓使其特別適合：

微控制器 I/O 隔離: 保護低壓微控制器免受較高電壓或嘈雜的工業控制訊號影響。
交流線路偵測: 使用光耦合器提供來自驅動交流負載的三端雙向可控矽開關或繼電器的隔離回饋。
接地迴路消除: 在感測器與資料擷取系統之間的類比訊號鏈中斷開接地迴路。
帶隔離的邏輯位準轉換: 在不同電壓位準下運作的邏輯電路之間進行介面連接，同時保持隔離。

7.2 設計考量

輸入電流限制: 必須始終與輸入端 LED 串聯一個電阻，以將順向電流 (I_F) 限制在所需值，計算公式為 (電源電壓 - V_F) / I_F.
輸出負載: 輸出端光達靈頓作為電流吸收器運作。通常會從集極連接一個上拉電阻到正電源電壓 (V_CC)。此電阻的值與負載將決定輸出電壓擺幅與開關速度。
速度與靈敏度的權衡: 高 CTR 的代價是較慢的開關速度。此元件不適合高頻通訊（例如，用於 USB、SPI > 10 kHz 的數位隔離器）。它非常適合狀態偵測、慢速控制訊號與交流電源線同步（50/60 Hz）。
熱考量:** 雖然功耗很低，但在最高接面溫度（從 T_OPR高達 110°C 推斷）下運作可能需要降低最大允許電流或功耗。

8. 技術比較與差異化

作為一款光達靈頓耦合器，EL815 系列相較於其他類型的光耦合器佔據了特定的利基市場：

相較於標準光電晶體耦合器: 光達靈頓耦合器提供更高的 CTR（通常高 10-100 倍），但速度明顯較慢。若需要中等速度（數十 kHz），請選擇光電晶體；若需要在低頻下以低輸入電流實現最大靈敏度，請選擇光達靈頓。
相較於光電 IC（邏輯輸出）耦合器: 光電 IC 耦合器具有數位輸出（乾淨的開關），且速度可以非常快（MBd 範圍），但它們具有固定的、通常較低的電流傳輸函數，並且需要在輸出端提供特定的電源電壓。EL815 提供類比電流輸出，並可在寬廣的輸出電壓範圍內運作（最高至 V_CEO)。
相較於其他光達靈頓: EL815 的關鍵差異化優勢在於其高達 5000V_rms的隔離電壓、寬廣的工作溫度範圍（-55°C 至 +110°C），以及符合主要國際安全認證（UL、VDE、cUL、SEMKO 等）。寬廣的 CTR 分級（600-7500%）允許採購針對特定靈敏度需求量身訂製的零件。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

問：高隔離電壓（5000Vrms）的目的是什麼？

答：它確保在隔離電路之間存在較大電位差的應用中可靠運作與安全，例如離線式電源供應器、工業馬達控制或醫療設備。它能防止高壓暫態並避免擊穿。

問：我的電路需要在 1 kHz 下切換。EL815 適合嗎？

答：是的，完全適合。EL815 的典型截止頻率 (f_c) 為 6 kHz，上升/下降時間為數十微秒，可以輕鬆處理 1 kHz 的切換。輸出波形會是圓滑的，而非方波，但對於此頻率的開/關控制來說，它完全足夠。

問：如何選擇正確的 CTR 等級？

答：選擇一個最小 CTR，確保在您計劃的最差情況（最低）輸入電流下，您的輸出電晶體能夠飽和（完全導通）。例如，如果您的設計驅動 I_F= 1mA，並且您需要 I_C> 5mA 來使負載飽和，則您需要 CTR > 500%。選擇來自更高 CTR 分級的零件可提供更多的設計餘裕。請務必根據您的操作條件參考 CTR 對溫度曲線。

問：我可以將此用於類比訊號隔離嗎？

答：雖然可能，但並非理想選擇。光達靈頓的 CTR 是非線性的，並且會隨著溫度與順向電流顯著變化。對於精密的類比隔離，建議使用專用的線性光耦合器或隔離放大器。EL815 最適合數位（開/關）或低精確度的類比隔離。

10. 實務設計案例分析

情境：用於 24V PLC 模組的隔離數位輸入。

一個可程式邏輯控制器需要讀取一個 24V 直流感測器訊號，同時提供 4000V 隔離以確保安全與抗雜訊能力。

電路設計: 將 24V 感測器輸出與一個限流電阻及 EL815 的輸入端 LED（腳位 1-2）串聯。電阻值的計算目標是在 24V 下使 I_F≈ 5-10 mA。在輸出端，集極（腳位 4）透過一個 10kΩ 上拉電阻連接到 PLC 內部的 3.3V 邏輯電源。射極（腳位 3）連接到 PLC 的內部接地。輸出訊號取自集極。
元件選擇: 選擇一個 CTR 等級確保在 I_F= 5mA 時能飽和的 EL815。其 5000V_rms隔離電壓與安全認證（UL、VDE）符合工業標準。選擇 S1（SMD）封裝以實現高密度 PCB 組裝。
性能: 當 24V 感測器啟動時，LED 點亮，導致光達靈頓導通，將集極輸出電壓拉低（至 V_CE(sat)≈ 0.8V），PLC 將其讀取為邏輯 '0'。當感測器關閉時，光達靈頓關閉，上拉電阻將輸出拉至 3.3V（邏輯 '1'）。隔離屏障保護敏感的 PLC 邏輯免受 24V 感測器線路上的任何故障或暫態影響。

11. 工作原理

EL815 基於光電轉換的基本原理運作。施加到輸入端的電氣訊號導致電流 (I_F) 流過紅外線發光二極體。此 LED 發出與順向電流成比例的紅外光。光線穿過封裝內部的透明隔離間隙，照射到輸出端光達靈頓電晶體的基極區域。

光達靈頓本質上是兩個以達靈頓配置連接的雙極性電晶體，其中在第一個電晶體的基極-集極接面（作為光二極體）產生的光電流被第二個電晶體放大。此結構提供了非常高的電流增益 (h_FE)，這轉化為觀察到的高電流傳輸比。因此，輸出集極電流 (I_C) 由輸入光強度控制，從而由輸入電氣訊號控制，而兩端之間沒有任何電氣連接。

12. 技術趨勢

光耦合器技術持續演進。雖然像 EL815 這樣的傳統元件對於成本敏感、高隔離與高 CTR 的應用仍然至關重要，但以下幾個趨勢值得注意：

整合化: 較新的元件整合了額外的元件，例如輸出電晶體上的基極-射極電阻，以改善溫度穩定性與開關速度。
高速數位隔離: 基於射頻耦合器、巨磁阻或電容耦合的技術，憑藉其優越的速度、穩定性與壽命，正在高速資料隔離（≥1 Mbps）領域挑戰光耦合器。
小型化: 由於對更高 PCB 密度的需求，持續推動更小的 SMD 封裝（例如 SO-4、SO-5），並具有相同或更好的隔離等級。
增強可靠性: 重點在於改善長期 CTR 衰減，特別是在高溫與高電流應力條件下，以滿足汽車與工業應用對更長使用壽命的需求。

儘管存在這些趨勢，以 EL815 系列為代表的基本光達靈頓耦合器，憑藉其簡單性、穩健性、高隔離能力以及在其預期的低至中頻領域的優異性能，在市場上仍保持著強勢地位。

LED規格術語詳解

LED技術術語完整解釋

一、光電性能核心指標

術語	單位/表示	通俗解釋	為什麼重要
光效（Luminous Efficacy）	lm/W（流明/瓦）	每瓦電能發出的光通量，越高越節能。	直接決定燈具的能效等級與電費成本。
光通量（Luminous Flux）	lm（流明）	光源發出的總光量，俗稱"亮度"。	決定燈具夠不夠亮。
發光角度（Viewing Angle）	°（度），如120°	光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。	影響光照範圍與均勻度。
色溫（CCT）	K（開爾文），如2700K/6500K	光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。	決定照明氛圍與適用場景。
顯色指數（CRI / Ra）	無單位，0–100	光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。	影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。
色容差（SDCM）	麥克亞當橢圓步數，如"5-step"	顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。	保證同一批燈具顏色無差異。
主波長（Dominant Wavelength）	nm（奈米），如620nm（紅）	彩色LED顏色對應的波長值。	決定紅、黃、綠等單色LED的色相。
光譜分佈（Spectral Distribution）	波長 vs. 強度曲線	顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。	影響顯色性與顏色品質。

二、電氣參數

術語	符號	通俗解釋	設計注意事項
順向電壓（Forward Voltage）	Vf	LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。	驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。
順向電流（Forward Current）	If	使LED正常發光的電流值。	常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。
最大脈衝電流（Pulse Current）	Ifp	短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。	脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。
反向電壓（Reverse Voltage）	Vr	LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。	電路中需防止反接或電壓衝擊。
熱阻（Thermal Resistance）	Rth（°C/W）	熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。	高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。
靜電放電耐受（ESD Immunity）	V（HBM），如1000V	抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。	生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。

三、熱管理與可靠性

術語	關鍵指標	通俗解釋	影響
結溫（Junction Temperature）	Tj（°C）	LED晶片內部的實際工作溫度。	每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。
光衰（Lumen Depreciation）	L70 / L80（小時）	亮度降至初始值70%或80%所需時間。	直接定義LED的"使用壽命"。
流明維持率（Lumen Maintenance）	%（如70%）	使用一段時間後剩餘亮度的百分比。	表徵長期使用後的亮度保持能力。
色漂移（Color Shift）	Δu′v′ 或麥克亞當橢圓	使用過程中顏色的變化程度。	影響照明場景的顏色一致性。
熱老化（Thermal Aging）	材料性能下降	因長期高溫導致的封裝材料劣化。	可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。

四、封裝與材料

術語	常見類型	通俗解釋	特點與應用
封裝類型	EMC、PPA、陶瓷	保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。	EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。
晶片結構	正裝、倒裝（Flip Chip）	晶片電極佈置方式。	倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。
螢光粉塗層	YAG、矽酸鹽、氮化物	覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。	不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。
透鏡/光學設計	平面、微透鏡、全反射	封裝表面的光學結構，控制光線分佈。	決定發光角度與配光曲線。

五、質量控制與分檔

術語	分檔內容	通俗解釋	目的
光通量分檔	代碼如 2G、2H	按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。	確保同一批產品亮度一致。
電壓分檔	代碼如 6W、6X	按順向電壓範圍分組。	便於驅動電源匹配，提高系統效率。
色區分檔	5-step MacAdam橢圓	按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。	保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。
色溫分檔	2700K、3000K等	按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。	滿足不同場景的色溫需求。

六、測試與認證

術語	標準/測試	通俗解釋	意義
LM-80	流明維持測試	在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。	用於推算LED壽命（結合TM-21）。
TM-21	壽命推演標準	基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。	提供科學的壽命預測。
IESNA標準	照明工程學會標準	涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。	行業公認的測試依據。
RoHS / REACH	環保認證	確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。	進入國際市場的准入條件。
ENERGY STAR / DLC	能效認證	針對照明產品的能效與性能認證。	常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。

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