CNY17-X CNY17F-X 光耦合器規格書 - 6腳DIP封裝 - 隔離電壓5000Vrms - 電流傳輸比40-320% - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

CNY17-X與CNY17F-X系列為6腳雙列直插封裝（DIP）光耦合器（亦稱光隔離器或光電耦合器）家族。每個元件由一個砷化鎵紅外線發光二極體（LED）與一個矽質NPN光電晶體以光學方式耦合而成。其主要功能是在提供兩個電路間電氣隔離的同時，透過光進行訊號傳輸。兩個系列的主要區別在於：CNY17-X提供外部基極連接腳位（第6腳），而CNY17F-X系列則無此連接（NC），後者具有更低的雜訊敏感度。

1.1 核心優勢與目標市場

這些元件專為需要可靠訊號隔離的應用而設計。其核心優勢包括高達5000 V_rms的隔離電壓、適合通孔安裝的緊湊DIP外型，以及為確保設計一致性而篩選的電流傳輸比（CTR）分組。它們已獲得主要國際安全標準機構（UL、cUL、VDE、SEMKO等）認證，因此非常適合廣泛的工業、消費性電子及電源供應應用，尤其是在安全與抗雜訊能力至關重要的場合。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。這些並非建議的工作條件。

• 輸入端（LED側）：最大連續順向電流（I_F）為60 mA。允許1 A的短時（10 µs）峰值順向電流（I_FM）。LED兩端的最大逆向電壓（V_R）為6 V。在25°C時，輸入端功耗（P_D）為100 mW，超過100°C時需以3.8 mW/°C的速率降額。
• 輸出端（光電晶體側）：集極-射極電壓（V_CEO）與集極-基極電壓（V_CBO，僅CNY17-X）額定值為80 V。射極-集極（V_ECO）與射極-基極（V_EBO）電壓為7 V。在25°C時，輸出端功耗（P_C）為150 mW，超過100°C時需以9.0 mW/°C的速率降額。
• 元件總功耗：元件總功耗（P_TOT）不得超過200 mW。
• 隔離與環境：隔離電壓（V_ISO）為5000 V_rms（交流電，1分鐘）。工作溫度範圍（T_OPR）為-55°C至+110°C。最高焊接溫度為260°C，持續10秒。

2.2 電氣-光學特性

這些參數定義了元件在典型工作條件下的性能（除非另有說明，T_a= 25°C）。

2.2.1 輸入特性（紅外線LED）

• 順向電壓（V_F）：在I_F= 60 mA時，最大值為1.65 V。此為LED導通時的壓降。
• 逆向電流（I_R）：在V_R= 6 V時，最大值為10 µA。此為LED處於逆向偏壓時的漏電流。
• 輸入電容（C_in）：典型值為18 pF。這會影響輸入側的高頻開關性能。

2.2.2 輸出特性（光電晶體）

• 暗電流：當LED關閉（I_F=0）時，存在漏電流。I_CEO（集極-射極）在V_CE=10V時，典型值為50 nA。I_CBO（集極-基極，僅CNY17-X）在V_CB=10V時，最大值為20 nA。
• 崩潰電壓： BV_CEO與BV_CBO最小值為80 V。BV_ECO最小值為7 V。
• 輸出電容（C_CE）：典型值為8 pF。這會影響輸出開關速度。

2.3 傳輸特性

這些是訊號耦合應用中最關鍵的參數。

• 電流傳輸比（CTR）：此為輸出集極電流（I_C）與輸入LED順向電流（I_F）的比值，以百分比表示。元件分為四個不同的CTR範圍：
  • CNY17-1 / CNY17F-1：CTR = 40% 至 80%（在I_F=10mA，V_CE=5V條件下）
  • CNY17-2 / CNY17F-2：CTR = 63% 至 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3：CTR = 100% 至 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4：CTR = 160% 至 320%
• 低電流下的CTR：在I_F= 1mA時，規定了最小CTR（例如，-1等級為13%，-4等級為56%），這對於低功耗或類比感測應用非常重要。
• 飽和電壓（V_CE(sat)）：在I_F=10mA，I_C=2.5mA時，最大值為0.3 V。此為電晶體完全導通時兩端的電壓。
• 隔離電阻（R_IO）：最小值為10¹¹Ω。這表示輸入與輸出側之間具有極高的直流電阻。
• 輸入-輸出電容（C_IO）：典型值為0.5 pF。此微小電容是實現高共模暫態抗擾度（CMTI）的關鍵。

2.4 開關特性

動態性能由導通/關閉時間與上升/下降時間定義，這些時間取決於測試條件。

• 條件1（V_CC=10V，I_C=2mA，R_L=100Ω）：
  • 導通時間（t_on）：典型值10 µs，最大值12 µs。
  • 關閉時間（t_off）：典型值9 µs，最大值12 µs。
  • 上升時間（t_r）：典型值6 µs，最大值10 µs。
  • 下降時間（t_f）：典型值8 µs，最大值10 µs。
• 條件2（V_CC=5V，I_F=10mA，R_L=75Ω）：
  • 上升時間（t_r）：典型值2 µs，最大值10 µs。
  • 下降時間（t_f）：典型值3 µs，最大值10 µs。

3. 分級系統說明

這些光耦合器的主要分級依據是電流傳輸比（CTR）。四個等級（1、2、3、4）提供了逐步提高的CTR最小與最大值。這讓設計師可以選擇符合其所需訊號增益的元件，並確保生產批次的一致性。例如，需要強勁、明確訊號的數位輸入電路可能會使用-3或-4等級，而對變異敏感的電路則可能指定更嚴格、增益較低的-1等級。

4. 性能曲線分析

規格書中提及典型電氣-光學特性曲線。雖然提供的文本未詳述具體圖表，但此類元件的典型曲線包括：

• CTR vs. 順向電流（I_F）：顯示傳輸比如何隨LED驅動電流變化，通常在特定電流下達到峰值。
• CTR vs. 溫度：說明CTR隨環境溫度升高而下降的趨勢，這對於高溫操作至關重要。
• 集極電流（I_C）vs. 集極-射極電壓（V_CE）：光電晶體的輸出特性，顯示飽和區與主動區。
• 順向電壓（V_F）vs. 順向電流（I_F）：紅外線LED的IV特性曲線。

這些曲線對於理解元件在非標準條件下的行為以及優化電路設計至關重要。

5. 機械與封裝資訊

這些元件採用標準6腳DIP封裝，並提供多種引腳形式選項。

5.1 封裝尺寸與選項

• 標準DIP：預設的通孔封裝。
• 選項M：具有寬引腳彎曲設計，提供0.4英吋（約10.16 mm）的引腳間距，以相容更寬的PCB佈局。
• 選項S：表面黏著引腳形式。專為迴焊製程設計。
• 選項S1：表面黏著引腳形式，具有低剖面設計，適用於有高度限制的應用。

針對每個選項均提供詳細的尺寸圖（單位為mm），標明本體尺寸、引腳長度、引腳間距與安裝平面。

5.2 腳位配置與極性

清晰的腳位識別對於正確安裝至關重要。

• CNY17-X（帶基極腳位）：
  1. 陽極（LED +）
  2. 陰極（LED -）
  3. 無連接
  4. 射極（光電晶體）
  5. 集極（光電晶體）
  6. 基極（光電晶體，外部連接）
• CNY17F-X（無基極腳位）：
  1. 陽極（LED +）
  2. 陰極（LED -）
  3. 無連接
  4. 射極（光電晶體）
  5. 集極（光電晶體）
  6. 無連接

6. 焊接與組裝指南

規格書規定最高焊接溫度為260°C，持續10秒。這通常適用於通孔引腳的波焊或手動焊接。對於表面黏著選項（S、S1），應使用峰值溫度不超過260°C的標準紅外線或對流迴焊溫度曲線。在操作過程中應採取預防措施，避免對封裝施加過度的機械應力。儲存應在-55°C至+125°C的指定溫度範圍內，於乾燥、防靜電的環境中進行。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 型號編碼規則

料號遵循以下格式：CNY17-XY(Z)-V或CNY17F-XY(Z)-V

• X：料號 / CTR等級（1、2、3或4）。
• Y：引腳形式選項（S、S1、M，或空白代表標準DIP）。
• Z：捲帶包裝選項（TA、TB，或空白）。僅適用於S和S1選項。
• V：可選的VDE認證標記。

7.2 包裝規格

• 管裝：標準DIP與選項M以管裝供應，每管65個。
• 捲帶包裝：選項S和S1提供捲帶包裝。TA和TB選項每捲均包含1000個。

8. 應用建議

8.1 典型應用電路

規格書列出了常見用途：電源穩壓器（用於回授隔離）、數位邏輯輸入（用於位準轉換與雜訊隔離），以及微處理器輸入（用於與有雜訊的外部訊號介接）。其中顯示了一個用於測試開關時間的特定電路（圖11），該電路包括一個輸入限流電阻（R_IN）、一個用於CNY17-X的可選基極-射極電阻（R_BE），以及一個集極負載電阻（R_L）。

8.2 設計考量

• LED限流：務必使用串聯電阻將I_F限制在所需值，通常在1 mA至20 mA之間，以平衡速度、CTR與功耗。
• 負載電阻（R_L）：集極上的R_L值會影響開關速度、輸出擺幅與功耗。較小的R_L可提供更快的下降時間，但會降低輸出電壓擺幅。
• 抗雜訊能力（CNY17F-X）：CNY17F-X系列由於沒有外部基極連接，較不易受到雜訊注入光電晶體基極的影響，因此在電氣雜訊環境中更為理想。
• 速度與電流的權衡：較高的I_F通常能改善開關速度，但會增加功耗。請參考不同測試條件下的開關時間規格。
• CTR衰減：CTR可能會隨著元件使用壽命而下降，特別是在高工作溫度與電流下。為確保長期可靠性，設計時應相應地進行降額。

9. 技術比較

此系列內的主要區別在於是否具有外部基極腳位（CNY17-X有，CNY17F-X無）。CNY17-X提供更多的設計靈活性；基極腳位可以懸空、透過電阻連接到射極（以清除儲存電荷來提高速度），或用於特定的偏壓配置。CNY17F-X則提供更優越的抗雜訊能力，因為光電晶體的基極完全在內部且無法觸及，這在高雜訊的工業環境中是一大優勢。兩個系列共享相同的隔離、電壓與CTR規格。

10. 常見問題解答（基於技術參數）

問：-1、-2、-3和-4等級之間的主要區別是什麼？

答：區別在於電流傳輸比（CTR）的保證範圍。等級-4具有最高的增益（160-320%），而等級-1的增益最低（40-80%）。請根據電路中所需的訊號放大倍數進行選擇。

問：我應該在何時使用CNY17F-X而非CNY17-X？

答：當在具有顯著電氣雜訊的環境中操作時（例如馬達驅動、工業控制），應使用CNY17F-X。缺乏外部基極連接使其本質上不易受到電磁干擾（EMI）耦合到敏感的基極區域。

問：如何計算LED的輸入串聯電阻？

答：使用歐姆定律：R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F。假設V_F典型值約為1.2V（最大1.65V）。例如，使用5V電源且期望I_F為10mA：R_IN= (5V - 1.2V) / 0.01A = 380Ω。可使用標準的390Ω電阻。

問：我可以用它來隔離交流訊號嗎？

答：可以，但有局限性。光電晶體輸出是單向的（直流）。要傳輸交流訊號，通常需要兩個光耦合器（各負責半週期），或需要額外的電路將輸出偏壓到其線性區以進行類比傳輸，儘管線性度並非此元件的指定參數。

11. 實用設計範例

情境：將3.3V微控制器GPIO腳位與24V工業感測器訊號隔離。

1. 元件選擇：選擇CNY17F-3，以獲得良好的增益（100-200% CTR）與高抗雜訊能力。
2. 輸入側（微控制器）：GPIO腳位透過限流電阻驅動LED。假設V_{GPIO_HIGH}≈ 3.3V且目標I_F= 5mA：R_IN= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω。使用430Ω。
3. 輸出側（感測器介面）：將光電晶體集極透過上拉電阻（R_L）連接到24V電源。射極接地。選擇R_L以確保導通時輸出飽和，關閉時提供有效的邏輯高電位。假設I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5mA = 7.5mA（典型值），且期望關閉時的輸出邏輯高電位約為20V：R_L≤ (24V - 20V) / (I_CEO)。由於I_CEO最大值約為50nA，幾乎任何阻值對於漏電流都適用。為了開關速度，10kΩ電阻是一個常見的起始點。輸出端（集極節點）現在提供了一個隔離的、反向的輸入訊號副本。

12. 工作原理

光耦合器透過將電訊號轉換為光，透過電氣絕緣屏障傳輸，然後再將光轉換回電訊號來工作。在CNY17-X/F-X系列中，電流（I_F）流過紅外線LED，使其發射光子。這些光子穿過透明的絕緣模封化合物，撞擊矽光電晶體的基極區域。光子能量在基極產生電子-電洞對，形成基極電流，從而導通電晶體，使集極電流（I_C）流通。比值I_C/I_F即為CTR。輸入與輸出之間沒有電氣連接，提供了由模封化合物的介電強度與內部腳位間距（爬電距離>7.6mm）決定的電氣隔離。

13. 技術趨勢

光耦合器技術持續演進。雖然傳統基於光電晶體的耦合器（如CNY17系列）因其成本效益與通用隔離性而仍然流行，但趨勢正朝向以下方向發展：

更高速度：開發使用光二極體與整合放大器（例如數位隔離器）的更快速耦合器，用於數Mbps的資料傳輸。

更高整合度：在單一封裝中整合多個隔離通道，或將隔離與其他功能（如閘極驅動器或ADC介面）結合。

改善可靠性與壽命：專注於材料和設計，以最小化CTR隨時間和溫度的衰減。

微型化：轉向更小的表面黏著封裝（SOIC、SSOP），並保持相同或更好的隔離等級。CNY17系列的S和S1選項正反映了這種朝向表面黏著組裝的趨勢。