EL121N 系列光耦合器規格書 - 4 腳位 SOP 封裝 - 2.0mm 薄型高度 - 隔離電壓 3750Vrms - 電流傳輸比 50-400%

1. 產品概述

EL121N 系列是一系列專為訊號隔離與傳輸設計的紅外光電元件。其核心由一個砷化鎵紅外發光二極體 (IRED) 與一個矽 NPN 光電晶體光學耦合而成，全部封裝在一個緊湊的表面黏著 4 腳位小外形封裝 (SOP) 內。其主要功能是在兩個電路之間傳輸電氣訊號，同時維持高電氣隔離，從而防止雜訊、接地迴路和電壓突波從一側傳播到另一側。

此元件專為在有限空間內需要可靠隔離的應用而設計。其 2.0mm 的薄型高度使其適用於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，包括無鹵素、無鉛 (Pb-free)，並符合 RoHS 和歐盟 REACH 指令。此外，它還獲得了重要的國際安全認證，包括 UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO 和 FIMKO，這突顯了其可靠性及適用於全球商業和工業設備。

2. 深入技術參數分析

.1 Absolute Maximum Ratings

這些額定值定義了元件的應力極限，超過此極限可能導致永久性損壞。不保證在此極限下或超過此極限的操作。

輸入端 (LED 側)：順向電流 (I_F) 額定為 50mA 連續。允許 1 微秒的 1A 短暫峰值順向電流 (I_FP)，這與脈衝操作相關。最大逆向電壓 (V_R) 為 6V，強調了需要適當的極性保護。
輸出端 (電晶體側)：集極電流 (I_C) 額定為 50mA。集極-射極電壓 (V_CEO) 為 80V，而射極-集極電壓 (V_ECO) 僅為 7V，突顯了光電晶體崩潰特性的不對稱性。
功率與熱特性：元件總功耗 (P_TOT) 為 200mW。提供了單獨的降額因子：輸入端 (LED) 在環境溫度超過 100°C 時為 2.9 mW/°C，輸出端 (電晶體) 在環境溫度超過 70°C 時為 3.7 mW/°C。這對於高溫環境下的熱管理至關重要。
隔離與環境：隔離電壓 (V_ISO) 為 3750 V_rms，測試時間 1 分鐘，測試時將腳位 1-2 短路，腳位 3-4 短路。操作溫度範圍為 -55°C 至 +110°C，儲存溫度範圍為 -55°C 至 +125°C。

2.2 電氣與光學特性

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 Ta=25°C）。

輸入特性：順向電壓 (V_F) 在測試電流 20mA 下，典型值為 1.2V，最大值為 1.4V。此低電壓有利於低功耗邏輯介面電路。逆向漏電流 (I_R) 在 4V 下最大值為 10µA。
輸出特性：集極-射極暗電流 (I_CEO)，即 LED 關閉時的漏電流，在 V_CE=20V 時最大值為 100nA。崩潰電壓 (BV_CEO=80V,BV_ECO=7V) 確認了額定值。
傳輸特性：這是元件規格的核心。
- 電流傳輸比 (CTR)：這是輸出集極電流與輸入 LED 順向電流的比值，以百分比表示。EL121N 系列提供分級/分選系統:
  - EL121N (標準)：在 I_F=5mA, V_CE=5V 條件下，CTR 範圍為 50% 至 400%。
  - EL121N B：更緊密的等級，範圍為 130% 至 260%。
  - EL121N C：更高性能的等級，範圍為 200% 至 400%。
  - EL121N BC：寬範圍等級，涵蓋 130% 至 400%。
  此分級允許設計師根據所需的增益和一致性選擇元件，從而優化電路性能和成本。
- 飽和電壓 (V_CE(sat))：當以 I_F=20mA 驅動並以 I_C=1mA 負載時，典型值為 0.1V（最大 0.2V）。此低值非常適合數位開關應用，可最小化電壓損失。
- 隔離電阻 (R_IO)：最小值為 5 x 10¹⁰Ω，表示極高的直流絕緣電阻。
- 開關速度：上升時間 (t_r) 在指定測試條件下（Vt_f=2V, I_CE=2mA, R_C=100Ω）典型值為 6µs（最大 18µs），下降時間 (_L) 典型值為 8µs（最大 18µs）。這定義了元件用於中速數位訊號傳輸的能力。

3. 性能曲線分析

規格書中引用了典型的電氣與光學特性曲線。雖然具體圖表未以文字重現，但它們通常包含以下對設計至關重要的關係：

CTR 與順向電流 (I_F) 關係：CTR 並非恆定；它通常隨著 I_F增加而降低。設計師必須參考此曲線，選擇一個能提供所需增益且不會過度驅動 LED 的工作點。
CTR 與環境溫度 (T_a) 關係：光耦合器的 CTR 具有負溫度係數；它隨著溫度升高而降低。此曲線對於確保電路在預期操作溫度範圍內的穩定性至關重要。
集極電流與集極-射極電壓 (I_C-V_CE) 關係：這些輸出特性曲線顯示了光電晶體在其線性（主動）區和飽和區的操作，類似於標準雙極性電晶體，但以 I_F作為控制參數，而非基極電流。
順向電壓與順向電流 (V_F-I_F) 關係：此 LED 特性對於設計限流驅動電路很重要。

規格書中的圖 10 提供了用於測量開關時間 (t_on, t_off, t_r, t_f) 的標準測試電路和波形定義，使用電阻性負載 (R_L) 和定義的輸入脈衝。

4. 機械結構、封裝與組裝資訊

4.1 腳位配置與封裝尺寸

4 腳位 SOP 封裝具有清晰的腳位定義：

紅外 LED 陽極 (A)
紅外 LED 陰極 (K)
光電晶體射極 (E)
光電晶體集極 (C)

封裝圖提供了精確的尺寸，包括本體尺寸、引腳間距和總高度，確認了 2.0mm 的薄型高度。同時提供了建議的 PCB 焊墊圖案（焊墊佈局），以確保在表面黏著組裝過程中可靠的焊接和機械穩定性。

4.2 焊接與組裝指南

此元件額定的最高焊接溫度 (T_SOL) 為 260°C，持續 10 秒。此外，提供了詳細的回流焊接溫度曲線，符合 IPC/JEDEC J-STD-020D 標準。此曲線的關鍵參數包括：

預熱：在 60-120 秒內從 150°C 升至 200°C。
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：最多 30 秒。
最大回流次數：3 次。

遵循此溫度曲線對於防止封裝破裂、分層或內部晶片和焊線損壞至關重要。

5. 訂購、包裝與標記

5.1 料號編碼系統

料號遵循以下格式：EL121N(X)(Y)-V

EL121N：基礎元件編號。
X：CTR 等級 (B、C、BC，或空白表示標準等級)。
Y：捲帶選項 (TA 或 TB，進料方向不同)。
-V：可選後綴，表示包含 VDE 認證。

範例：EL121NBC-TA, EL121NC-TB-V。

5.2 包裝規格

元件以捲帶包裝供應，用於自動化組裝。詳細提供了捲帶尺寸（寬度、口袋尺寸、間距）和捲盤規格。TA 和 TB 選項每捲均包含 3000 個元件。

5.3 元件標記

每個元件的頂部均以雷射或油墨代碼標記：EL 121N RYWWV

EL：製造商代碼。
121N：元件編號。
R：CTR 等級代碼（例如 B 或 C）。
Y：1 位數年份代碼。
WW：2 位數週數代碼。
V：VDE 認證標記存在與否。

此標記允許追溯和驗證元件類型。

6. 應用說明與設計考量

6.1 典型應用

EL121N 系列適用於廣泛的隔離和介面需求：

交換式電源供應器 (SMPS)：在 DC-DC 轉換器中提供回授隔離，對於調節輸出電壓同時保持與一次側的安全隔離至關重要。
工業控制系統：低壓邏輯控制器 (PLC) 與較高電壓/電流的工業致動器或感測器之間的介面，防止接地迴路雜訊。
通訊設備：在數據機、路由器或線路卡介面中隔離訊號線或提供電氣隔離。
一般電路隔離：任何需要在不同接地電位或阻抗的電路之間進行訊號傳輸的應用。

6.2 關鍵設計考量

CTR 衰減：光耦合器的 CTR 可能隨時間衰減，特別是在高 LED 電流和高溫下操作時。降低 LED 電流額定值，並選擇初始 CTR 遠高於最低要求的元件，可提供使用壽命餘裕。
速度與電流的權衡：開關速度隨著 LED 驅動電流增加而提高，但代價是更高的功耗和潛在的加速老化。測試條件 (I_F=10mA 典型值) 提供了基準；對於更快的速度，可能需要更高的 I_F。
負載電阻選擇：負載電阻 (R_L，位於集極) 的值會影響開關速度和輸出電壓擺幅。較小的 R_L可提高速度，但會降低增益和輸出電壓範圍。
抗雜訊能力：對於數位應用，關鍵在於設計接收電路，使其能清晰區分光電晶體的導通和關斷狀態，從而確保足夠的雜訊邊際。
隔離爬電距離與間隙：在設計 PCB 佈局時，請在輸入端和輸出端的走線之間保持規格書中指定的爬電距離和間隙距離（由 3750V_rms額定值所暗示），以保持隔離完整性。

7. 技術比較與市場定位

在光電晶體輸出光耦合器市場中，EL121N 系列透過以下幾個關鍵屬性進行定位：

封裝：4 腳位 SOP 封裝比舊式的 4 腳位 DIP 封裝佔用更小的面積，同時比超微型 4 腳位封裝更容易處理和焊接，在尺寸和可製造性之間取得了平衡。
CTR 分級：提供多種明確定義的 CTR 等級 (B、C、BC)，提供了通用元件不一定具備的靈活性，允許進行優化設計。
全面認證：單一元件累積了 UL、cUL、VDE 和北歐 SEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO 認證，簡化了針對具有嚴格安全要求的全球市場產品的元件選擇過程。
性能平衡：CTR 高達 400%，飽和電壓低於 0.2V，開關時間在微秒範圍內，它提供了全面的性能，適用於廣泛的類比和數位隔離任務，從簡單的開/關訊號到 PWM 回授。

8. 常見問題 (FAQ)

8.1 TA 與 TB 捲帶選項有何不同？

主要區別在於從捲盤進料的方向。TA 和 TB 的元件口袋在載帶上的方向不同。設計師必須根據其特定貼片機供料器系統所需的方向指定正確的選項。兩者均包含 3000 個元件。

8.2 如何在 B、C 和 BC 等 CTR 等級之間選擇？

根據電路的增益要求和一致性需求進行選擇。

使用C 等級 (200-400%)適用於需要高靈敏度或驅動電路只能提供低 LED 電流的應用。
使用B 等級 (130-260%)適用於需要中等、嚴格控制的增益以確保所有單元性能可預測的應用。
使用標準等級 (50-400%)或BC 等級 (130-400%)適用於成本敏感的應用，其中電路設計可以容忍較寬的 CTR 變化，通常是透過使用回授或較不關鍵的訊號位準。

8.3 此元件可用於類比訊號隔離嗎？

可以，但有重要的注意事項。與專用的線性光耦合器（包含光二極體和運算放大器）相比，光電晶體的非線性、CTR 的溫度依賴性以及固有的元件間差異，使其不太適合高精度的類比隔離。對於較低精度的類比訊號或在採用外部線性化和溫度補償的電路中，它可以有效使用。

8.4 隔離電壓測試（腳位 1-2 短路至 3-4）的目的是什麼？

此測試驗證封裝內部輸入端 (LED) 和輸出端 (光電晶體) 之間絕緣屏障的完整性。將每一側的腳位短路可確保測試電壓施加在整個隔離邊界上，檢查是否有任何潛在的擊穿路徑穿過模塑化合物或沿著引線框架。

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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