H11AAX 系列交流輸入光耦合器規格書 - 6腳DIP封裝 - 隔離電壓5000Vrms - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

H11AAX系列代表一個交流輸入光耦合器家族，亦稱為光隔離器或光電耦合器。這些元件專門設計用於在交流或未知極性直流輸入電路與輸出控制電路之間提供電氣隔離。其核心功能是利用光傳輸電氣訊號，從而消除電氣連接，並防止接地迴路、電壓突波及雜訊在電路間傳播。

該系列包含四個主要型號：H11AA1、H11AA2、H11AA3和H11AA4。它們之間的主要區別在於電流傳輸比（CTR），該參數定義了訊號從輸入到輸出的傳輸效率。這些元件採用緊湊的6腳雙列直插封裝（DIP），可選擇標準通孔安裝、寬引腳間距及表面黏著技術（SMD）版本。

1.1 核心優勢與目標市場

H11AAX系列提供多項關鍵優勢，使其適用於嚴苛的工業與消費性應用。其最突出的特點是高達5000Vrms的隔離電壓，這對於連接市電設備的安全性和可靠性至關重要。超過7.62mm的爬電距離進一步提升了此安全等級。該元件已獲得包括UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO和CQC在內的主要國際安全機構認證，使其在全球範圍內適用於需要符合法規的產品。

輸入端整合的反向並聯紅外LED配置是其定義性特徵。此設計允許元件直接由交流電壓或未知極性的直流電壓驅動，透過省去外部整流電路來簡化電路設計。輸出端為一個矽NPN光電晶體。

目標市場與應用多樣化，主要聚焦於電氣隔離與交流訊號偵測至關重要的領域。典型應用包括用於偵測市電電壓存在與否的交流線路監控、電話線路介面電路，以及用於偵測工業控制系統中未知極性直流訊號的感測器。

2. 技術參數深度解析

本節對規格書中規定的電氣、光學及熱特性提供詳細、客觀的分析。理解這些參數對於可靠的電路設計至關重要。

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應力極限。不保證在此條件下運作。

• 輸入順向電流（IF）：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（IFM）：在極短的10 µs脈衝持續時間內為1 A。此額定值對於承受暫態突波很重要。
• 輸入功率損耗（PD）：在25°C環境溫度下為120 mW，超過90°C時以3.8 mW/°C遞減。這限制了VF * IF的乘積總和。
• 輸出集極-射極電壓（VCEO）：80 V。當基極開路時，光電晶體集極和射極之間可承受的最大電壓。
• 元件總功率損耗（PTOT）：200 mW。輸入與輸出功率的總和不應超過此值。
• 隔離電壓（VISO）：在40-60%相對濕度下，5000 Vrms持續1分鐘。這是一個關鍵的安全參數，測試時輸入與輸出腳位分別短路。
• 工作溫度（TOPR）：-55°C 至 +100°C。元件在此完整的工業溫度範圍內可正常運作。
• 焊接溫度（TSOL）：260°C持續10秒，與波焊或迴焊製程相關。

2.2 電氣-光學特性

這些參數通常在25°C下量測，定義了元件在正常工作條件下的性能。

2.2.1 輸入特性

• 順向電壓（VF）：典型值為1.2V，在順向電流（IF）為±10mA時最大值為1.5V。對稱值顯示了反向並聯LED對的行為。
• 輸入電容（Cin）：典型值為80 pF。這會影響驅動電路的高頻性能。

2.2.2 輸出特性

• 集極-射極暗電流（ICEO）：在VCE=10V且IF=0mA時，最大值為50 nA。這是當無光入射時光電晶體的漏電流，對於關斷狀態的漏電很重要。
• 崩潰電壓（BVCEO, BVCBO, BVECO）：最小值分別為80V、80V和7V。這些定義了在不同腳位配置下的耐壓能力。
• 集極-射極飽和電壓（VCE(sat)）：在IF=±10mA且IC=0.5mA時，最大值為0.4V。這是輸出電晶體完全導通時其兩端的電壓降。

2.2.3 傳輸特性

這些參數定義了訊號傳輸效率與速度。

• 電流傳輸比（CTR）：這是該系列的核心分級參數，定義為在特定條件下（IF=±10mA，VCE=10V）的（IC / IF）* 100%。
  • H11AA1：CTR ≥ 20%
  • H11AA2：CTR ≥ 10%
  • H11AA3：CTR ≥ 50%
  • H11AA4：CTR ≥ 100%
  較高CTR的元件需要較少的輸入電流即可達到給定的輸出電流，從而提高效率。
• CTR對稱性：一個LED極性的CTR與另一個極性的CTR之比，規定在0.5至2.0之間。這表示兩個反向並聯LED的平衡程度。
• 隔離電阻（RIO）：在500V直流下，最小值為10^11 Ω。這是輸入與輸出之間的直流電阻，影響隔離品質。
• 輸入-輸出電容（CIO）：典型值為0.7 pF。此極低的電容對於抑制跨越隔離屏障的高頻共模雜訊至關重要。
• 開關時間（Ton, Toff, Tr, Tf）：在測試條件下（VCC=10V，IC=10mA，RL=100Ω），所有時間的最大值均為10 µs。這些時間定義了輸出對輸入訊號變化的響應速度，限制了最大交流頻率或資料傳輸率。

3. 分級系統說明

H11AAX系列採用一個僅基於電流傳輸比（CTR）的簡單分級系統。

CTR分級（H11AAX中的X）：數字後綴（1、2、3、4）直接對應於第2.2.3節所列的最小保證CTR百分比。沒有基於波長、順向電壓或其他參數的分級。設計人員必須根據所需的輸出電流驅動能力與可用的輸入電流來選擇適當的等級。例如，H11AA4（最小CTR 100%）靈敏度最高，適用於輸入驅動能力非常低的應用；而在可用驅動電流較高的電路中，H11AA2可能已足夠且更具成本效益。

4. 性能曲線分析

規格書參考了典型的電氣-光學特性曲線。雖然提供的文本中未重現具體圖表，但其目的和傳達的資訊對此類元件而言是標準的。

典型曲線將包括：

• 電流傳輸比（CTR）與順向電流（IF）的關係：此曲線顯示CTR如何隨驅動電流變化。通常，CTR在中等IF時最高，在極低或極高電流時可能會降低。
• CTR與環境溫度（Ta）的關係：光耦合器的CTR通常具有負溫度係數，意味著它隨溫度升高而降低。此圖表對於設計在整個溫度範圍內運作的電路至關重要。
• 集極電流（IC）與集極-射極電壓（VCE）的關係：這是輸出特性曲線族，類似於雙極性電晶體，以輸入LED電流（IF）為參數。它顯示了飽和區與主動區。
• 順向電壓（VF）與順向電流（IF）的關係：輸入LED對的IV特性。
• 開關時間與負載電阻（RL）的關係：顯示上升、下降、開啟和關閉時間如何受輸出負載影響。

設計人員應查閱完整規格書中的這些曲線，以了解最小/典型/最大值表格未涵蓋的非線性行為和降額因素。

5. 機械與封裝資訊

該元件提供多種封裝變體，以適應不同的組裝製程。

5.1 封裝尺寸與類型

• 標準DIP類型：預設的通孔封裝。
• M選項類型：具有寬引腳彎曲特性，提供0.4英寸（約10.16mm）的引腳間距，而非標準的0.3英寸（7.62mm），適用於需要更大爬電距離的電路板。
• S選項類型：用於迴焊的表面黏著引腳形式。
• S1選項類型：一種薄型表面黏著版本，可能具有較低的PCB離板高度。

為每種類型提供了詳細的尺寸圖，包括本體尺寸、引腳長度、引腳間距和共面度規格。這些對於PCB焊盤設計至關重要。

5.2 焊盤佈局與極性識別

提供了表面黏著選項（S和S1）的建議焊盤佈局。規格書註明這僅為建議，設計人員應根據其特定的PCB製造工藝和熱要求進行修改。

元件標記：封裝頂部標記有：

- "EL"（製造商代碼）

- 完整零件編號（例如：H11AA1）

- 1位數年份代碼（Y）

- 2位數週數代碼（WW）

- 可選的"V"後綴，表示該元件具有VDE安全認證。

腳位配置（6腳DIP）：

1. 陽極 / 陰極（LED1陽極，LED2陰極）

2. 陰極 / 陽極（LED1陰極，LED2陽極）

3. 無連接（NC）

4. 射極（光電晶體）

5. 集極（光電晶體）

6. 基極（光電晶體）。基極腳位通常開路或透過一個電阻連接到射極，以進行靈敏度調整或速度改善。

6. 焊接與組裝指南

絕對最大額定值中的關鍵指南是焊接溫度：最高260°C，持續時間不超過10秒。這與標準無鉛（SnAgCu）迴焊溫度曲線相容。

重要注意事項：

• 濕氣敏感度：雖然提供的文本中未明確說明，但塑膠封裝的SMD光耦合器通常具有濕氣敏感等級（MSL）。對於表面黏著零件（S、S1選項），遵循製造商關於烘烤和車間壽命的處理說明至關重要，以防止在迴焊過程中發生爆米花效應。
• 清潔：確保清潔溶劑與元件的塑膠材料相容。
• 儲存條件：根據規格書，儲存溫度範圍為-55°C至+125°C。元件應儲存在乾燥、防靜電的環境中。

7. 包裝與訂購資訊

訂購代碼遵循以下模式：H11AAXY(Z)-V

• X：CTR等級（1、2、3、4）。
• Y：引腳形式選項。
  • 無：標準DIP-6（65個/管）。
  • M：寬引腳彎曲（65個/管）。
  • S：表面黏著引腳形式。
  • S1：薄型表面黏著引腳形式。
• Z：捲帶包裝選項（僅適用於S/S1）。
  • TA：特定捲帶類型。
  • TB：替代捲帶類型。
  • TA和TB均為每捲1000個。
• V：可選的VDE安全認證標記。

捲帶規格：提供了載帶（口袋尺寸A、B）、蓋帶和捲盤的詳細尺寸，用於自動取放組裝。

8. 應用建議

8.1 典型應用電路

交流線路監控器：輸入端直接跨接在交流線路上（串聯一個限流電阻）。輸出電晶體與交流過零點同步開關，向微控制器提供數位脈衝串或整流訊號，以偵測電源存在。

未知極性直流感測器：反向並聯輸入允許元件連接到直流電壓源而無需考慮極性，使其非常適合用於電池供電設備或接線極性可能反接的工業感測器中的偵測。

電話線路介面：用於振鈴偵測或摘機偵測，提供電話線路與邏輯電路之間的隔離。

8.2 設計考量

• 輸入電流限制：必須始終使用一個串聯電阻將輸入電流（IF）限制在低於60mA的安全值，該電阻值需根據峰值輸入電壓和LED順向電壓計算。同時也需考慮電阻的額定功率。
• 輸出負載：集極上的負載電阻（RL）決定了輸出電壓擺幅並影響開關速度。較小的RL提供更快的開關速度，但消耗更多功率。
• 抗雜訊能力：低輸入-輸出電容（0.7pF）提供了出色的高頻共模雜訊抑制能力。為獲得最佳性能，請在PCB上將輸入和輸出走線實體分開。
• CTR衰減：在極長的時間和高溫下，光耦合器的CTR可能會衰減。對於關鍵的長壽命應用，設計時應留有充足的初始CTR餘量。

9. 技術比較與差異化

H11AAX系列主要透過其交流輸入能力（藉由反向並聯LED結構）來實現差異化。大多數標準光耦合器（例如4N25、PC817）具有單一LED輸入，需要確定的順向偏壓，因此需要外部橋式整流器才能用於交流操作。H11AAX整合了此功能。

與其他交流輸入光耦合器相比，其主要優勢在於高達5000Vrms的隔離等級以及全面的國際安全認證套件（UL、VDE等），這對於在多個全球市場銷售的產品至關重要。多種CTR等級和封裝類型（通孔和SMD）的可用性提供了設計靈活性。

10. 常見問題解答（基於技術參數）

Q1：我可以直接用120VAC或230VAC市電驅動H11AAX嗎？

A：不可以直接驅動。您必須在輸入端串聯一個限流電阻。電阻值必須根據峰值市電電壓（例如，230VAC約為~340V）、所需的順向電流和LED的VF來計算。同時也需考慮電阻的額定功率。

Q2：我可以使用此光耦合器的最大交流頻率是多少？

A：最大開關時間為10 µs。理論上這允許方波頻率高達約50 kHz。然而，對於乾淨的50/60 Hz交流正弦波偵測，它完全適用，因為其週期（16.7ms/20ms）遠長於開關時間。

Q3：為什麼有一個基極腳位（第6腳），我應該如何使用它？

A：基極腳位提供了對光電晶體基極的存取。將其開路是標準做法。在基極和射極之間連接一個電阻可以：

1. 提高速度：一個低阻值電阻（例如10kΩ至100kΩ）可以分流儲存的電荷，減少關閉時間（Toff）。

2. 降低靈敏度/提高閾值：一個電阻提供漏電路徑，略微增加開啟輸出所需的最小輸入電流。

Q4：我如何在不同的CTR等級（H11AA1、AA2、AA3、AA4）之間進行選擇？

A：根據您的輸入驅動能力和所需的輸出電流進行選擇。如果您的電路只能提供很小的輸入電流（例如來自高壓電阻），請選擇較高的CTR等級（AA3或AA4）以獲得足夠的輸出。如果輸入電流充足，較低的等級（AA1或AA2）可能更具成本效益。設計時應始終為CTR隨時間和溫度的衰減留有餘量。

11. 實務設計案例研究

情境：設計一個230VAC市電存在偵測器。

目標：當存在230VAC時，向微控制器提供一個3.3V邏輯高電位訊號。

設計步驟：

1. 零件選擇：選擇H11AA1（最小CTR 20%），因為輸入電流將足夠。

2. 輸入電阻計算：峰值電壓 = 230V * √2 ≈ 325V。期望IF ≈ 10mA（以獲得良好的CTR）。VF ≈ 1.2V。R = (325V - 1.2V) / 0.01A ≈ 32.4kΩ。使用標準33kΩ電阻。電阻R的功率損耗：P = (230V)^2 / 33000Ω ≈ 1.6W。需要額定功率為2W或3W的電阻。

3. 輸出電路：將集極（第5腳）透過一個上拉電阻（例如10kΩ）連接到3.3V微控制器電源。將射極（第4腳）連接到地。基極（第6腳）開路。

4. 運作：當交流電存在時，輸出電晶體在每個半週期導通，將集極（及MCU輸入腳位）拉低。MCU會看到一個50/60 Hz的脈動低電位訊號，可以在軟體中進行去抖動以指示電源開啟。

5. PCB佈局：在PCB上，輸入側（腳位1、2、3、電阻）與輸出側（腳位4、5、6、MCU）的走線之間保持>7.62mm的爬電距離，以維持隔離等級。

12. 工作原理

H11AAX基於光電隔離原理運作。在輸入側，兩個砷化鎵紅外發光二極體（LED）反向並聯連接。當施加交流電壓時（串聯一個限流電阻），一個LED在正半週期導通並發光，另一個LED在負半週期導通並發光。因此，紅外光脈衝以輸入交流訊號頻率的兩倍產生。

此光線穿過封裝內部的透明隔離屏障。在輸出側，光線照射在矽NPN光電晶體的基極區域。光子產生電子-電洞對，形成基極電流，使電晶體導通，從而允許集極電流（IC）流動。此輸出集極電流與輸入順向電流之比即為電流傳輸比（CTR）。光電晶體的集極-射極電壓由外部負載電路控制。

13. 技術趨勢

光耦合器技術持續發展。雖然基本原理保持不變，但趨勢包括：

• 更高速度：開發具有更快開關時間（奈秒級）的元件，用於數位通訊和逆變器閘極驅動應用，通常使用光二極體或基於IC的輸出，而非光電晶體。
• 更高整合度：將光耦合器與附加功能結合，如IGBT閘極驅動器、誤差放大器或數位介面（I²C隔離器）。
• 改善的可靠性與壽命：LED材料和封裝技術的進步，以降低CTR隨時間和溫度的衰減率。
• 微型化：持續減小封裝尺寸，特別是表面黏著版本，以節省PCB空間。
• 替代隔離技術：電容式和磁性（巨磁阻，GMR）隔離器在某些高速、高密度應用中競爭，儘管光耦合器在高共模暫態抗擾度（CMTI）和成熟的安全認證方面仍具優勢。

H11AAX系列憑藉其穩固的設計和安全認證，代表了針對傳統交流偵測和基本隔離需求的成熟可靠解決方案，其整合的交流輸入能力提供了顯著優勢。