6-Pin DIP 光電晶體光耦合器規格書 - 4N2X、4N3X、H11AX 系列 - 隔離電壓 5000Vrms - 工作溫度 -55 至 +110°C - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

4N2X、4N3X 與 H11AX 系列為 6-pin 雙列直插封裝 (DIP) 光電晶體光耦合器（亦稱為光隔離器）家族。每個元件由一個砷化鎵紅外線發光二極體 (LED) 與一個矽光電晶體偵測器光學耦合而成。此配置在輸入與輸出電路間提供完整的電氣隔離，使其成為電子系統中安全、抗雜訊與電壓位準轉換的關鍵元件。

其核心功能是透過光進行訊號傳輸，消除了直接的電氣連接。輸入電流驅動紅外線 LED，使其發出與電流成正比的光。此光照射在光電晶體的基極區域，產生基極電流並允許集極-射極電流流通，從而在隔離的輸出端複製輸入訊號。

1.1 核心優勢與目標市場

這些光耦合器專為需要可靠訊號隔離的應用而設計。其主要優勢包括高達 5000V_rms 的高隔離電壓，這對於保護低壓控制電路（如微處理器）免受高壓市電或馬達驅動段影響至關重要。大於 7.62mm 的延長爬電距離進一步增強了高壓環境下的安全性和可靠性。其工作溫度範圍為 -55°C 至 +110°C，適用於工業、汽車與嚴苛環境應用。

緊湊的 DIP 封裝提供標準型、寬引腳間距型 (0.4 英吋) 與表面黏著型 (SMD) 變體，為插件與自動化組裝製程提供靈活性。這些元件獲得包括 UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO 與 CQC 在內的主要國際安全機構認證，便於其用於必須符合嚴格安全標準的全球銷售設備中。

2. 深入技術參數分析

規格書提供了全面的電氣與光學規格，對於正確的電路設計與可靠性保證至關重要。

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，不適用於正常操作。

• 輸入 (LED) 側：最大連續順向電流 (I_F) 為 60mA。允許 10µs 的短暫峰值順向電流 (I_FM) 為 1A，這與暫態抑制相關。最大逆向電壓 (V_R) 僅為 6V，表示 LED 並非設計用於高逆向偏壓，若用於交流電路則需要保護。
• 輸出 (光電晶體) 側：集極-射極與集極-基極崩潰電壓 (V_CEO, V_CBO) 均為 80V，定義了電晶體在關斷狀態下可承受的最大電壓。射極-基極與射極-集極電壓 (V_EBO, V_ECO) 限制為 7V。
• 功率與熱特性：在 25°C 下，元件總功耗 (P_TOT) 為 200mW。提供了降額因子：輸入側在 100°C 以上為 3.8 mW/°C，輸出側在 100°C 以上為 9.0 mW/°C。這些對於計算在高環境溫度下的最大允許功率以防止熱失控至關重要。
• 隔離特性：隔離電壓 (V_ISO) 為 5000V_rms（持續 1 分鐘），這是一個關鍵的安全參數，測試時將引腳 1-2-3 短路，引腳 4-5-6 短路。

2.2 電光特性

這些參數在典型條件 (T_a=25°C) 下量測，定義了元件的性能。

• 輸入 LED 特性：順向電壓 (V_F) 在 I_F=10mA 時典型值為 1.2V，最大值為 1.5V。此值用於計算所需的限流電阻。逆向電流 (I_R) 非常低 (在 V_R=6V 時 <10µA)。輸入電容 (C_in) 典型值為 30pF。
• 輸出光電晶體特性：暗電流 (I_CBO, I_CEO) 在奈安培範圍內，表示 LED 關閉時洩漏電流極低。崩潰電壓 (BV_CEO, BV_CBO 等) 確認了絕對額定值中的 80V 與 7V 限制。

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開關性能。

• 電流傳輸比 (CTR)：這是最關鍵的參數，定義為 (I_C/ I_F) * 100%。其值依料號有顯著差異，形成了一個性能分級系統：
  • 高 CTR (>100%)：4N35、4N36、4N37。
  • 中高 CTR (50%)： H11A1.
  • 中 CTR (30%)： H11A5.
  • 標準 CTR (20%)：4N25、4N26、4N38、H11A2、H11A3。
  • 較低 CTR (10%)：4N27、4N28、H11A4。
  此分級讓設計師能根據其特定應用與期望的輸出電流水平，選擇具有所需靈敏度的元件。
• 飽和電壓 (V_CE(sat))：這是光電晶體完全導通時其兩端的電壓降。較低的值（例如，4N3X 系列在 I_F=10mA、I_C=0.5mA 時最大 0.3V）表示性能較佳，能最小化輸出級的功率損耗。
• 開關速度：導通時間 (t_on) 與關斷時間 (t_off) 針對不同系列在特定測試條件 (V_CC=10V、R_L=100Ω) 下規定。4N2X/H11AX 系列通常比 4N3X 系列更快（典型值 3µs，而 4N3X 系列 t_on 典型值 10µs，t_off 典型值 9µs）。這對於數位訊號傳輸與 PWM 應用至關重要。
• 隔離參數：隔離電阻 (R_IO) 極高 (>10¹¹Ω)，輸入輸出電容 (C_IO) 非常低（典型值 0.2pF），能最小化高頻雜訊透過隔離屏障的電容耦合。

3. 性能曲線分析

雖然 PDF 中顯示了典型電光特性曲線的佔位文字，但此類曲線是光耦合器的標準配置，通常包括：

• 電流傳輸比 (CTR) 對順向電流 (I_F)：顯示效率如何隨 LED 驅動電流變化，通常在特定電流下達到峰值。
• CTR 對溫度：說明 CTR 在高溫下的衰減，這是高溫操作下關鍵的降額因子。
• 集極電流 (I_C) 對集極-射極電壓 (V_CE)：輸出特性曲線，顯示光電晶體在不同區域（飽和區、主動區）的行為。
• 開關時間對負載電阻 (R_L)：展示上拉電阻的選擇如何影響上升與下降時間。

設計師應參考完整規格書中的這些曲線，針對其特定的速度與輸出需求，優化如 LED 電流、負載電阻與工作溫度等參數。

4. 機械與封裝資訊

這些元件提供多種 6-pin DIP 封裝變體，以適應不同的組裝需求。

4.1 封裝尺寸與變體

規格書包含每種選項的詳細機械圖。關鍵尺寸包括總長度、寬度、引腳間距與引腳尺寸。

• 標準 DIP 型：經典的插件式封裝，列間距為 0.1 英吋 (2.54mm)。
• M 型選項：具有寬引腳彎曲設計，提供 0.4 英吋 (10.16mm) 的引腳間距。這增加了輸入與輸出引腳之間的爬電距離與間隙距離，增強了高壓應用的隔離可靠性。
• S 型與 S1 型選項：表面黏著元件 (SMD) 版本。S1 型是薄型變體，與標準 S 型相比具有更低的封裝高度，有利於空間受限的應用。

所有封裝均採用模塑本體以提供必要的絕緣。引腳配置已標準化：引腳 1 (陽極)、引腳 2 (陰極)、引腳 3 (NC)、引腳 4 (射極)、引腳 5 (集極)、引腳 6 (基極)。基極引腳 (6) 通常懸空不接，但在某些電路中可用於改善頻寬或偏壓控制。

5. 焊接與組裝指南

絕對最大額定值規定了焊接溫度 (T_SOL) 為 260°C，持續 10 秒。這是波焊或迴焊製程的典型值。對於 SMD 選項 (S、S1)，適用峰值溫度約為 260°C 的標準紅外線或對流迴焊溫度曲線。關鍵在於避免超過此時限溫度，以防止塑膠封裝與內部接線損壞。元件應儲存在儲存溫度範圍 (-55°C 至 +125°C) 內的條件下，若 SMD 零件有規定，應使用防潮包裝，以防止迴焊過程中的爆米花效應。

6. 包裝與訂購資訊

料號編碼系統定義明確：4NXXY(Z)-V或H11AXY(Z)-V.

• XX / X：特定料號（例如 25、35、1、5）。
• Y (引腳形式)：
  • 無：標準 DIP（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)：僅適用於 SMD 選項。
  • TA 或 TB：不同的捲帶包裝規格（1000 個/捲）。
• V：可選後綴，表示 VDE 安全認證。

此靈活的系統允許採購生產所需的確切機械變體。

7. 應用建議

7.1 典型應用電路

如規格書所列，主要應用包括：

• 電源穩壓器：在交換式電源供應器 (SMPS) 中，於次級側（輸出側）與初級側控制器之間提供回授隔離。這對於安全與雜訊抑制至關重要。
• 數位邏輯輸入 / 微處理器輸入：在嘈雜的工業感測器訊號（例如來自極限開關、編碼器）或不同的接地域進入敏感的數位邏輯或微控制器引腳之前，將其隔離。
• 通用訊號隔離：任何兩個子系統必須在不共享共同接地的情況下進行通訊的電路，以斷開接地迴路、消除共模雜訊或提供電壓位準轉換。

7.2 設計考量與最佳實務

• LED 限流：始終使用串聯電阻來設定順向電流 (I_F)。計算 R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F。在建議的 I_F 範圍內操作（通常為 5-20mA），以獲得最佳 CTR 與使用壽命。
• 輸出側偏壓：光電晶體需要一個上拉電阻 (R_L) 從集極連接到 V_{CC_output}。其值需要權衡：較小的 R_L 提供更快的開關速度，但功耗較高且輸出電壓擺幅較小；較大的 R_L 提供更好的雜訊邊限，但速度較慢。
• 速度優化：為了更快的開關速度，請使用速度更快的系列（4N2X/H11AX）中的元件，最小化 R_L，並確保足夠的 I_F 驅動。在基極（引腳 6）與射極之間連接一個電阻（例如 100kΩ 至 1MΩ）有助於釋放儲存的電荷並減少關斷時間。
• 抗雜訊性：高隔離電阻與低電容本質上能抑制共模雜訊。為了在電氣嘈雜的環境中獲得額外的穩健性，建議在元件輸入與輸出側的電源引腳附近放置旁路電容（例如 0.1µF）。

8. 技術比較與選型指南

三個系列 (4N2X、4N3X、H11AX) 提供一系列性能以滿足不同需求：

• 4N3X 系列 (4N35-38)：通常提供最高的 CTR 值（4N35-37 >100%），使其適用於需要高輸出電流或希望最小化輸入驅動電流的應用。其飽和電壓也非常低。
• 4N2X 系列 (4N25-28) 與 H11AX 系列 (H11A1-A5)：提供從 10% 到 50% 的分級 CTR 範圍。4N2X 系列通常具有更快的開關時間。這些是通用的隔離器。H11A5 (30% CTR) 與 H11A1 (50% CTR) 填補了特定的性能點。
• 選擇標準：根據所需的 CTR（輸出電流增益）、開關速度、飽和電壓與成本進行選擇。例如，微處理器讀取緩慢開關的輸入可以使用較低 CTR、成本效益高的零件，如 H11A4。電源供應器中需要良好線性度與增益的回授迴路可能會使用 4N35 或 4N36。

9. 常見問題 (FAQ)

問：基極引腳（引腳 6）的用途是什麼？

答：基極引腳提供了對光電晶體基極區域的存取。將其懸空（不連接）是標準做法。在基極與射極之間連接一個電阻可以通過提供釋放儲存電荷的路徑來改善開關速度。在某些設計中，它可用於預偏壓或連接加速網路。

問：如何確保長期可靠性？

答：在 LED 的絕對最大額定值內操作，最好進行降額使用。遵守功率降額曲線以保持接面溫度較低。在 PCB 上使用足夠的爬電距離/間隙距離，特別是對於高壓隔離屏障，應匹配或超過封裝的 7.62mm 能力。

問：我可以將其用於交流訊號隔離嗎？

答：可以，但輸入 LED 的逆向電壓額定值較低 (6V)。要隔離交流訊號，必須保護 LED 免受逆向偏壓影響，通常是在 LED 輸入端並聯一個標準二極體，或在 LED 之前使用橋式整流器配置。

問：為什麼 CTR 規定為最小值？

答：由於 LED 效率與光電晶體增益的製造公差，CTR 具有很大的變化範圍。規格書保證在特定條件下的最小 CTR。設計必須基於此最小值，以確保所有生產單元及整個溫度範圍內的電路功能。

10. 實務設計範例

情境：將 PLC 輸出的 24V 數位訊號隔離至 3.3V 微控制器輸入。

1. 元件選擇：選擇通用零件，如 4N25 (最小 CTR 20%)。其速度足以應對數位 I/O。
2. 輸入電路：PLC 輸出為 24V。目標 I_F= 10mA。V_F≈ 1.2V。R_limit= (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω。使用標準 2.2kΩ 電阻。在 LED 輸入端並聯一個逆向保護二極體。
3. 輸出電路：微控制器 V_CC= 3.3V。選擇 R_L= 1kΩ。當光電晶體關閉時，輸出被上拉至高電位 3.3V（邏輯 1）。當導通時，假設 I_C= CTR * I_F= 0.2 * 10mA = 2mA，輸出電壓將為 V_CE(sat)（最大 0.5V），為穩固的邏輯 0。對於此應用，1kΩ 的上拉電阻在速度與電流消耗之間提供了良好的平衡。

11. 工作原理

光耦合器基於電-光-電轉換的原理運作。電氣訊號施加於輸入側，使電流通過紅外線 LED。此電流與發出的光強度成正比。光線穿過透明的絕緣間隙（通常是模塑塑膠）並照射到光偵測器的半導體材料上——在此例中為 NPN 光電晶體的基極-集極接面。光子產生電子-電洞對，形成基極電流。此光生基極電流隨後被電晶體的電流增益 (h_FE) 放大，產生更大的集極電流，從而在電氣隔離的輸出電路上重現原始輸入訊號。完全沒有電氣連接正是提供高電壓隔離與抗雜訊性的原因。

12. 技術趨勢

基於光電晶體的光耦合器（如 4NXX 系列）代表了一種成熟且具成本效益的隔離技術。目前光耦合器市場的趨勢包括開發更高速度的元件（用於數位通訊匯流排，如 SPI、I2C，使用專為此設計的 IC 進行隔離）、更高整合度（結合多個通道或增加額外功能，如閘極驅動器）以及改善的可靠性指標（更高溫操作、更長壽命）。替代隔離技術（如電容隔離器與基於巨磁阻 (GMR) 的隔離器）也在成長，這些技術在某些應用中可以在尺寸、速度與功耗方面提供優勢。然而，由於其簡單性、經過驗證的可靠性以及優異的共模暫態抗擾度 (CMTI)，光電晶體耦合器在通用、成本敏感與高壓隔離應用中仍佔主導地位。