EL354N-G 系列光耦合器規格書 - 4 腳位 SOP 封裝 - 交流輸入 - 隔離電壓 3750Vrms

1. 產品概述

EL354N-G 系列代表了一款專為交流輸入應用設計的緊湊型、高效能光電晶體光耦合器家族。這些元件旨在為輸入極性未知或交變的環境提供可靠的電氣隔離與訊號傳輸。其核心由兩個反向並聯的紅外線發光二極體組成，並與一個矽光電晶體偵測器進行光學耦合。這種獨特的配置使元件能夠響應流經輸入 LED 任一方向的電流，使其天生適用於直流極性不固定的交流訊號監控與感測應用。

這些光耦合器採用節省空間的 4 腳位小外形封裝 (SOP)，非常適合現代高密度印刷電路板 (PCB) 設計。此系列背後的關鍵設計理念是符合全球環境與安全標準。元件為無鹵素設計，嚴格遵守溴 (Br<900 ppm)、氯 (Cl<900 ppm) 及其總和 (Br+Cl<1500 ppm) 的限制。此外，它們持續符合 RoHS (有害物質限制) 指令與歐盟 REACH 法規，確保滿足電子元件的當代環保要求。

1.1 核心優勢與目標市場

EL354N-G 系列的主要優勢在於其結合了交流輸入能力、高隔離度與緊湊的外形尺寸。輸入與輸出之間高達 3750 V_rms的隔離電壓提供了堅固的安全屏障，保護敏感的低壓控制電路免受高壓市電或雜訊工業線路的影響。這使得它們在需要電氣隔離的應用中不可或缺。

此元件的目標市場多元，橫跨工業自動化、電信與電源管理。關鍵應用領域包括電源與電器中的交流線路監控、在可程式邏輯控制器 (PLC) 中提供輸入隔離、電話線路電路中的介面，以及作為未知極性直流訊號的感測器。該元件獲得主要國際安全機構的認證——包括 UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO 和 CQC——促進了其在面向全球市場的終端產品中的使用，簡化了設備製造商的認證流程。

2. 深入技術參數分析

透徹理解元件的極限與效能特性對於可靠的電路設計至關重要。這些參數定義了操作範圍，並確保元件在其安全工作區 (SOA) 內使用。

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值規定了可能導致元件永久損壞的應力極限。這些並非操作條件。

輸入順向電流 (I_F)：±50 mA (直流)。此額定值適用於流經輸入二極體任一方向的電流。
峰值順向電流 (I_FP)：1 µs 脈衝下為 1 A。這允許元件承受短暫的電流突波。
功率耗散：元件總功率耗散 (P_TOT) 不得超過 200 mW。輸入側 (P_D) 額定值為 70 mW，在環境溫度 (T_a) 超過 90°C 時，降額因子為 3.7 mW/°C。輸出側 (P_C) 額定值為 150 mW，在 T_a.
超過 70°C 時降額。電壓額定值_CEO：集極-射極電壓 (V_ECO) 為 80 V，而射極-集極電壓 (V
) 為 6 V。這種不對稱性源於光電晶體的結構。_ISO)隔離電壓 (V_{：在 40-60% 相對濕度下，3750 V}rms 持續 1 分鐘。這是一個關鍵的安全參數。
溫度範圍：操作溫度 (T_OPR) 範圍為 -55°C 至 +100°C。儲存溫度 (T_STG) 範圍為 -55°C 至 +125°C。
焊接溫度：元件可承受峰值焊接溫度 (T_SOL) 260°C 持續 10 秒，這與無鉛迴焊製程相容。

2.2 電氣-光學特性

這些參數定義了元件在 25°C 正常操作條件下的效能，除非另有說明。

2.2.1 輸入特性

順向電壓 (V_F)：典型值 1.2 V，在順向電流 (I_F) 為 ±20 mA 時最大值為 1.4 V。此低壓降對低功耗電路有益。
輸入電容 (C_in)：在 1 kHz 下，範圍從 50 pF (典型) 到 250 pF (最大)。此參數影響高頻響應與潛在的耦合雜訊。

2.2.2 輸出特性

暗電流 (I_CEO)：當輸入 LED 關閉 (I_F=0) 且 V_CE=20V 時，從集極到射極的漏電流最大值為 100 nA。低暗電流對於斷路狀態下的良好訊噪比至關重要。
崩潰電壓：BV_CEO最小值為 80 V，BV_ECO最小值為 7 V。這些定義了最大可承受的反向電壓。

2.2.3 傳輸特性

這些參數描述了輸入與輸出之間的耦合效率與速度。

電流傳輸比 (CTR)：這是輸出集極電流 (I_C) 與輸入順向電流 (I_F) 的比值，以百分比表示。它是增益的關鍵參數。標準 EL354N 在 I_F= ±1mA，V_CE= 5V 條件下，CTR 範圍為 20% 至 300%。EL354NA 變體提供更緊密、更高的分級，在相同條件下 CTR 範圍為 50% 至 150%。此分級允許設計師選擇元件，以在生產中獲得更一致的增益。
飽和電壓 (V_CE(sat))：典型值 0.1 V，當 I_F=±20mA 且 I_C=1mA 時最大值為 0.2 V。低飽和電壓可在輸出電晶體完全導通時將功率損耗降至最低。
隔離電阻 (R_IO)：最小值 5×10¹⁰Ω，在 500 V 直流下典型值為 10¹¹Ω。此極高的電阻是隔離功能的基礎。
截止頻率 (f_c)：在指定的測試條件下，典型值為 80 kHz (-3dB 點)。這定義了最大有用訊號頻率。
浮動電容 (C_IO)：典型值 0.6 pF，在 1 MHz 下最大值為 1.0 pF。這是跨越隔離屏障的寄生電容，可能耦合高頻雜訊。
開關速度：上升時間 (t_r) 與下降時間 (t_f) 均規定最大值為 18 µs。此相對中等的速度適用於線路頻率監控 (50/60 Hz) 和許多工業控制訊號，但不適用於高速數位通訊。

3. 效能曲線分析

雖然規格書參考了典型的電氣-光學特性曲線，但其具體圖表（例如，CTR 對溫度、CTR 對順向電流）對於詳細設計至關重要。這些曲線通常顯示 CTR 隨著環境溫度升高而降低，並且可能與順向電流呈非線性關係。設計師必須參考這些圖表，針對其特定的操作環境適當地降額效能，確保電路在預期的溫度範圍內保持足夠的增益。輸出電流與順向電流之間的關係對於確定實現所需輸出狀態所需的驅動電流也至關重要，特別是在接近 CTR 規格極限操作時。

4. 機械結構、封裝與組裝資訊

4.1 封裝尺寸與極性

元件封裝於 4 腳位 SOP 封裝中。腳位配置如下：腳位 1 為陽極/陰極，腳位 2 為陰極/陽極（用於反向並聯的 LED 對），腳位 3 為光電晶體的射極，腳位 4 為集極。此腳位配置對於正確的 PCB 佈局至關重要。封裝圖提供了精確的機械尺寸，包括本體長度、寬度、高度、引腳間距和引腳尺寸，必須遵守這些尺寸以進行準確的 PCB 焊墊設計。

4.2 建議 PCB 焊墊佈局

提供了建議的表面黏著焊墊佈局。需強調這是一個參考設計，應根據個別製造工藝、PCB 材料和熱要求進行修改。焊墊設計的目標是在迴焊過程中確保可靠的焊點形成，同時管理元件上的熱應力。

4.3 焊接與迴焊指南

詳細說明了迴焊焊接條件，參考 IPC/JEDEC J-STD-020D。此溫度曲線對於無鉛組裝至關重要：

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

遵守此溫度曲線可防止對塑膠封裝和內部接線造成熱損壞。

5. 訂購、包裝與標記

5.1 料號與分級系統

料號結構如下：EL354N(X)(Y)-VG。

X：CTR 等級選項。'A' 表示 50-150% 分級 (EL354NA)。無字母表示標準 20-300% 分級 (EL354N)。
Y：捲帶包裝選項。'TA' 或 'TB' 指定捲帶類型和方向。省略表示管裝包裝 (100 個)。
V：可選後綴，表示包含 VDE 認證。
G：表示無鹵素結構。

包裝選項包括管裝 (100 個) 或捲帶包裝 (TA 和 TB 選項均為每捲 3000 個)。'TA' 和 'TB' 選項的差異在於載帶上元件的方向，這必須與貼片機的送料器要求相匹配。

5.2 元件標記

元件頂面標記有代碼：EL 354N RYWWV.

EL：製造商代碼。
354N：基礎元件編號。
R：CTR 等級 (例如，'A' 或空白)。
Y：1 位數年份代碼。
WW：2 位數週數代碼。
V：存在表示 VDE 認證 (可選)。

5.3 捲帶規格

提供了壓紋載帶的詳細尺寸，包括凹槽尺寸 (A, B, D0, D1)、帶寬 (W)、間距 (P0) 和覆蓋帶密封尺寸。這些對於正確設定自動化組裝設備是必要的。

6. 應用指南與設計考量

6.1 典型應用電路

主要應用是交流線路電壓感測或零交越偵測。典型電路涉及將輸入腳位 (1 & 2) 與一個限流電阻串聯後跨接在交流線路上。必須計算電阻值，以將峰值順向電流 (I_F) 限制在 50 mA 以下的安全值，同時考慮交流峰值電壓。輸出電晶體可以連接成共射極配置（射極接地，集極透過負載電阻上拉至邏輯電源），以提供隨交流週期切換的數位訊號。對於未知極性的直流感測，由於元件無論電流方向如何都會導通，因此可以直接放置在感測線路中。

6.2 關鍵設計因素

限流：輸入電路設計中最關鍵的方面。電阻必須在最壞情況下（最大線路電壓、最小電阻公差）限制電流。
CTR 衰減：CTR 可能隨時間衰減，特別是在高操作溫度與電流下。設計應納入餘量（例如，使用規格書中的最小 CTR，然後再應用進一步的壽命降額因子）。
抗雜訊能力：寄生電容 (C_IO) 可能耦合高頻暫態（如 ESD 或 EMI）跨越隔離屏障。在雜訊環境中，可能需要在輸出側增加濾波，或在微控制器中使用更快的數位濾波器。
開關速度限制：18 µs 的上升/下降時間將元件限制在較低頻率的應用。它不適合隔離高速數位資料線路。
散熱確保總功率耗散（輸入 LED 損耗 + 輸出電晶體損耗）不超過 200 mW，並考慮隨溫度降額。

7. 技術比較與差異化

EL354N-G 的關鍵差異化在於其整合的反向並聯 LED 輸入，無需外部橋式整流器或複雜電路來處理交流或未知極性的直流訊號。與標準直流輸入光耦合器相比，這簡化了物料清單並節省了電路板空間。在交流輸入光耦合器領域中，其結合了 3750Vrms 隔離、無鹵素材料、全面的國際安全認證（UL、VDE 等）以及緊湊的 SOP 封裝，為成本敏感但安全至關重要的全球應用提供了強大的價值主張。更緊密的 CTR 分級 (EL354NA) 的可用性，為需要更一致增益而無需手動分選或校準的設計提供了優勢。

8. 常見問題 (FAQ)

問：我可以使用此元件直接感測 120VAC 或 230VAC 市電嗎？

答：可以，但必須使用外部串聯限流電阻。根據市電峰值電壓（例如，230VAC RMS 的峰值約為 325V）和所需的 LED 電流計算其值，確保峰值電流遠低於 50 mA 的絕對最大額定值。

問：EL354N 和 EL354NA 有什麼區別？

答：區別在於電流傳輸比 (CTR) 的分級。EL354N 的範圍較寬 (20-300%)，而 EL354NA 的範圍更緊密、最小範圍更高 (50-150%)。對於需要各元件間增益更一致的應用，請使用 'NA' 版本。

問：輸出是光電晶體。我可以用它直接驅動繼電器嗎？

答：不建議。光電晶體的電流處理能力有限（與其功率耗散額定值相關）。它設計為訊號級元件。要驅動繼電器，請使用光耦合器輸出驅動更大的功率電晶體或 MOSFET 閘極。

問：如何在設計中確保可靠的隔離？

答：根據相關安全標準（例如 IEC 60950-1、IEC 62368-1），在 PCB 上保持輸入與輸出電路之間適當的沿面距離與間隙距離。元件本身的 3750Vrms 額定值必須由電路板上足夠的間距來支持。

9. 工作原理

該元件基於光電轉換與隔離的原理運作。當電流流經兩個輸入紅外線 LED 中的任一個（取決於極性）時，它會發光。此光線穿過透明的隔離屏障（通常是模製塑膠）並照射輸出側的矽光電晶體的基極區域。光子在基極產生電子-電洞對，有效地充當基極電流，從而打開電晶體，允許更大的集極電流流動。關鍵在於輸入與輸出之間唯一的連接是光學連接，從而提供電氣隔離。反向並聯的 LED 配置意味著流入腳位 1（陽極）並從腳位 2（陰極）流出的電流點亮一個 LED，而相反方向的電流點亮另一個 LED，確保了與交流或雙向直流一起運作。

10. 產業趨勢

光耦合器與隔離技術的趨勢是朝向更高整合度、更快速度和更低功耗發展。雖然像 EL354N-G 這樣的傳統基於光電晶體的耦合器在電源和工業控制中對於成本效益高、中速隔離仍然至關重要，但新技術正在湧現。這些包括基於 CMOS 技術和 RF 耦合的數位隔離器，它們提供顯著更高的資料速率、更低的功耗和更高的可靠性。然而，對於基本的交流線路感測和電壓監控，其中簡單性、高隔離電壓和經過驗證的穩健性是首要考量，光電晶體交流耦合器仍然是首選且可靠的解決方案。如 '-G' 系列所示，朝向無鹵素和增強環境合規性的轉變，是對全球監管趨勢的直接回應。

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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