目錄
- 1. 產品概述
- 1.1 目標應用
- 2. 深入技術參數分析
- 2.1 絕對最大額定值
- 2.2 電氣光學特性
- 2.2.1 輸入端 (LED) 特性
- 2.2.2 輸出端 (光電晶體) 特性
- 2.2.3 傳輸特性
- 3. 性能曲線分析
- 3.1 電流傳輸比 (CTR) 與順向電流 (IF) 關係
- 3.2 CTR 與溫度關係
- 3.3 集極電流與集極-射極電壓關係
- 4. 機械與封裝資訊
- 4.1 接腳配置
- 4.2 封裝尺寸與 PCB 佈局
- 5. 焊接與組裝指南
- 6. 包裝與訂購資訊
- 6.1 型號命名規則
- 6.2 包裝選項
- 6.3 元件標記
- 7. 應用設計考量
- 7.1 驅動輸入端 LED
- 7.2 輸出電路設計
- 7.3 使用基極接腳
- 7.4 確保可靠的隔離性
- 8. 技術比較與選型指引
- 9. 常見問題 (FAQ)
- 9.1 EL20X 與 EL21X 系列有何不同？
- 9.2 溫度如何影響性能？
- 9.3 此元件可用於類比訊號隔離嗎？
- 9.4 型號中的 "V" 選項有何用途？
- 10. 實務設計範例
- 11. 工作原理
- 12. 技術趨勢
1. 產品概述
EL20X 與 EL21X 系列是採用標準 8-Pin 小外形封裝 (SOP) 的光電晶體型光耦合器家族。這些元件透過紅外線發光二極體 (LED) 將訊號傳送至光電晶體偵測器，在兩個電路之間提供電氣隔離。其主要功能是在隔離屏障兩側傳輸電氣訊號，而無需任何直接的電氣連接，從而防止高電壓或雜訊從一個電路傳播到另一個電路。
此系列的核心優勢在於其結合了緊湊、業界標準的 SO-8 封裝尺寸與強固的隔離性能。主要特性包括高達 3750 Vrms 的高隔離電壓、-55°C 至 +110°C 的寬廣工作溫度範圍，以及 80V 的高集極-射極崩潰電壓 (BVCEO)。該系列元件提供多種電流傳輸比 (CTR) 等級，讓設計師能根據其特定應用的增益需求選擇最佳化元件。符合環保與安全標準，例如無鹵素、無鉛、符合 RoHS 規範，並具有 UL/cUL 認證，使其適用於廣泛的商業與工業應用。
1.1 目標應用
這些光耦合器專為電子系統中的通用隔離與開關任務而設計。典型的應用領域包括：
- 回授控制電路：在交換式電源供應器 (SMPS) 中隔離回授訊號，以維持穩壓並保護控制 IC。
- 介面系統：耦合在不同接地電位或電壓位準下運作的電路之間的數位或類比訊號，例如微控制器與馬達驅動器或工業 I/O 模組的介面。
- 通用開關：取代機械式繼電器，實現無雜訊的固態訊號開關。
- 監控與偵測電路：用於隔離至關重要的安全監控、故障偵測或線路感測。
2. 深入技術參數分析
本節對規格書中指定的關鍵電氣與光學參數提供詳細、客觀的詮釋。
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)。對於極短脈衝 (10 µs)，峰值順向電流 (IFM) 為 1 A，這與開啟時的突波條件有關。
- 輸入逆向電壓 (VR)：6 V。輸入 LED 的逆向崩潰電壓相對較低；電路設計時必須小心避免施加逆向偏壓。
- 輸出集極-射極電壓 (VCEO)：80 V。這是當基極開路 (無光輸入) 時，光電晶體集極與射極之間可承受的最大電壓。
- 總功耗 (PTOT)：240 mW。這是輸入 LED 與輸出電晶體可消耗的最大總和功率。個別限制為輸入端 (PD) 90 mW 與輸出端 (PC) 150 mW。
- 隔離電壓 (VISO)：3750 Vrms，持續 1 分鐘。這是一個關鍵的安全參數，測試方式是將此交流電壓施加在所有短路輸入接腳 (1-4) 與所有短路輸出接腳 (5-8) 之間。它驗證了內部絕緣材料的介電強度。
- 工作與儲存溫度：-55°C 至 +110°C (工作)，-55°C 至 +125°C (儲存)。寬廣的範圍確保了在惡劣環境下的可靠性。
2.2 電氣光學特性
這些參數是在標準測試條件下測量 (除非註明，否則 Ta=25°C)，並定義了元件的性能。
2.2.1 輸入端 (LED) 特性
- 順向電壓 (VF)：典型值 1.3V，在 IF= 10 mA 時最大值為 1.5V。此值用於計算 LED 驅動電路所需的限流電阻。
- 逆向電流 (IR)：在 VR= 6V 時最大值為 100 µA，表示 LED 在關閉狀態下的漏電流。
2.2.2 輸出端 (光電晶體) 特性
- 集極-射極暗電流 (ICEO)：在 VCE= 10V，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，對於決定 "關閉" 狀態的訊號位準很重要。
- 集極-射極飽和電壓 (VCE(sat))：在 IF= 10mA，IC= 2mA 時最大值為 0.4V。當元件用作開關時，低飽和電壓有助於最小化電壓降與功率損耗。
2.2.3 傳輸特性
光耦合器最關鍵的參數是電流傳輸比 (CTR)。
- 定義：CTR = (IC/ IF) * 100%，其中 IC 是光電晶體的集極電流，IF 是 LED 的順向電流。它代表將輸入電流轉換為輸出電流的效率。
- 分級系統：該系列分為特定的 CTR 等級，以確保設計的一致性。
- EL20X 系列 (標準 CTR，IF=10mA)：EL205 (40-80%)、EL206 (63-125%)、EL207 (100-200%)、EL208 (160-320%)。
- EL21X 系列 (最小 CTR，IF=10mA)：EL211 (>20%)、EL212 (>50%)、EL213 (>100%)。
- 低電流 CTR (IF=1mA)：針對較低 LED 電流運作指定了不同的型號 (EL215, EL216, EL217)，顯示 CTR 依賴於 IF.
- 開關速度：在指定的測試條件下 (V=10V，I=2mA，R=100Ω)，典型的開啟時間 (tonr) 與關閉時間 (tfoffCC) 各為 3.0 µs，上升時間 (tC) 為 1.6 µs，下降時間 (tL) 為 2.2 µs。這些參數限制了可傳輸訊號的最高頻率。
- 隔離參數：隔離電阻 (RIO) 典型值為 1011Ω，輸入輸出電容 (CIO) 典型值為 0.5 pF。低電容對於在雜訊環境中維持高共模暫態抗擾度 (CMTI) 至關重要。
3. 性能曲線分析
雖然提供的 PDF 摘錄提及了典型特性曲線但未顯示，但其一般用途與對設計的影響說明如下。
3.1 電流傳輸比 (CTR) 與順向電流 (IF)
典型曲線會顯示 CTR 並非恆定。它通常在特定的 IF 值達到峰值 (對於此類元件通常在 1-10 mA 範圍內)，並在電流較低和較高時下降。設計師必須參考此曲線，以選擇能為其應用提供足夠增益與線性的最佳工作點。
3.2 CTR 與溫度關係
CTR 具有負溫度係數；它隨著環境溫度升高而降低。此特性對於在整個 -55°C 至 +110°C 範圍內運作的設計至關重要。電路必須設計成確保在最高預期溫度下 (此時 CTR 最小) 仍能正常運作 (例如，足夠的輸出擺幅或開關能力)。
3.3 集極電流與集極-射極電壓關係
這組以不同 IF 值為參數的曲線，顯示了光電晶體的輸出特性。它說明了飽和區 (VCE 低且 IC 主要由 IF 控制) 與主動/線性區。這對於設計線性隔離放大器或確保元件用作開關時完全飽和至關重要。
4. 機械與封裝資訊
4.1 接腳配置
8-Pin SOP 封裝具有以下接腳定義：接腳 1：陽極，接腳 2：陰極，接腳 3, 4, 8：無連接 (NC)，接腳 5：射極，接腳 6：集極，接腳 7：基極。基極接腳外接引出，提供了設計靈活性。可以將其開路以獲得最高靈敏度，透過電阻連接到射極以降低靈敏度並改善開關速度，或在特定配置中用於回授。
4.2 封裝尺寸與 PCB 佈局
該元件符合標準 SO-8 封裝尺寸。規格書包含以毫米為單位的詳細機械圖。同時也提供了表面黏著組裝的建議焊墊佈局。遵循此焊墊圖案對於實現可靠的焊點並防止迴焊時發生墓碑效應等問題至關重要。封裝外型確保了與自動取放設備的相容性。
5. 焊接與組裝指南
焊接溫度的絕對最大額定值為 260°C，持續 10 秒。這是無鉛迴焊製程的典型額定值。應遵循 IPC/JEDEC J-STD-020 關於濕度敏感等級 (MSL) 與迴焊曲線的標準指南。元件在使用前應儲存在其原始的防潮袋中。如果暴露在超過其 MSL 等級的環境濕度下，則需要在焊接前進行烘烤，以防止迴焊期間發生 "爆米花" 損壞。
6. 包裝與訂購資訊
6.1 型號命名規則
型號遵循以下格式：EL2XX(Y)-V
- XX：型號 (05, 06, 07, 08, 11, 12, 13, 15, 16, 17)。定義 CTR 等級。
- Y：捲帶包裝選項 (TA, TB，或無標示表示管裝)。
- V：可選後綴，表示包含 VDE 安全認證。
6.2 包裝選項
- 管裝：每管 100 個單位。適用於原型製作或小批量手動組裝。
- 捲帶包裝：每捲 2000 個單位。專為大批量自動化組裝線設計。規格書包含詳細的捲帶規格 (凹槽尺寸、帶寬、捲盤直徑)。
6.3 元件標記
封裝頂部標記有 "EL" (製造商代碼)、型號 (例如 207)、1 位數年份代碼 (Y) 和 2 位數週數代碼 (WW)。對於 VDE 認證版本，可能會有可選的 "V" 標記。此標記允許對元件進行追溯與驗證。
7. 應用設計考量
7.1 驅動輸入端 LED
必須使用限流電阻驅動 LED。其值計算為 RLIMIT= (VDRIVE- VF) / IF。使用規格書中的最大 VF 值，以確保在所有條件下都能達到所需的最小 IF。對於數位開關，考慮元件的開關速度，確保驅動電路能夠提供必要的 IF，以在要求的時間內達到期望的輸出狀態。
7.2 輸出電路設計
連接在集極與 VL 之間的負載電阻 (RCC) 決定了輸出電壓擺幅與開關速度。較小的 RL 提供更快的開關速度 (由於較小的 RC 時間常數)，但會導致較小的輸出電壓擺幅與較高的功耗。較大的 RL 提供較大的擺幅但速度較慢。所選的 IF 與 CTR 必須保證光電晶體在導通時能夠吸入足夠的電流，將輸出電壓拉低至接收電路的邏輯低電位閾值以下。
7.3 使用基極接腳
將基極接腳 (接腳 7) 開路可提供最高的 CTR 與靈敏度。在基極與射極 (接腳 5) 之間連接一個電阻 (通常在 100 kΩ 至 1 MΩ 範圍內) 會分流部分光生基極電流，降低有效增益 (CTR)，但能顯著改善開關速度，尤其是關閉時間 (toff)。這是高速數位隔離應用中常見的權衡。
7.4 確保可靠的隔離性
為維持額定的隔離電壓，適當的 PCB 佈局至關重要。根據相關安全標準 (例如 IEC 60950, IEC 60601) 的規定，在 PCB 上保持輸入側與輸出側銅箔走線之間足夠的沿面距離與間隙距離。元件內部的隔離屏障已通過認證，但 PCB 佈局不得損害其隔離性能。
8. 技術比較與選型指引
EL20X/EL21X 系列的區別在於其在標準 SO-8 封裝中提供了高達 3750Vrms 的隔離電壓，這高於許多基本的 4-Pin 光耦合器。與更先進的數位隔離器 (使用 CMOS 技術) 相比，此類光電晶體光耦合器通常速度較慢、CTR 較低，且 CTR 會隨時間衰減。然而，它們為直流與低頻交流訊號隔離提供了優異的共模抑制、簡單性與穩健性。關鍵的選擇標準是：所需的隔離電壓、在工作 IF 下必要的 CTR、可接受的開關速度以及工作溫度範圍。
9. 常見問題 (FAQ)
9.1 EL20X 與 EL21X 系列有何不同？
EL20X 系列 (EL205-EL208) 規定了 CTR 的最小值與最大值 (一個 "分級" 範圍)，提供了更嚴格的參數控制。EL21X 系列 (EL211-EL213) 僅規定了最小 CTR 值，這可能導致實際值的分佈較廣，但成本可能較低。
9.2 溫度如何影響性能？
CTR 隨著溫度升高而降低。為了在整個溫度範圍內可靠運作，設計計算應使用在最高工作溫度下的最小預期 CTR。規格書通常會為此提供降額曲線或溫度係數。
9.3 此元件可用於類比訊號隔離嗎？
可以，但有侷限性。光電晶體的反應是非線性的，且 CTR 隨 IF 與溫度變化。對於線性類比隔離，需要額外的外部電路 (運算放大器、回授) 來線性化響應，或者應考慮專用的線性光耦合器。
9.4 型號中的 "V" 選項有何用途？
"-V" 後綴表示該特定單元已通過測試並認證符合 VDE (德國電氣工程師協會) 的加強絕緣安全標準。這通常是歐洲市場銷售產品的必備要求。
10. 實務設計範例
情境：隔離一個 3.3V 微控制器 GPIO 接腳，以控制另一個電路上的 12V 繼電器線圈。繼電器線圈需要 50mA 才能啟動。
設計步驟：
- 介面選擇：使用光耦合器作為繼電器的低側開關。微控制器驅動 LED 側。光電晶體將吸入繼電器線圈電流。
- 元件選擇：選擇具有足夠 CTR 的元件。所需 IC= 50mA。如果目標是從 MCU 提供 IF= 5mA，則所需最小 CTR = (50mA / 5mA)*100% = 1000%。標準光電晶體無法提供此值。因此，光耦合器必須驅動一個小型電晶體 ("後置電晶體")，再由該電晶體驅動繼電器。選擇 EL207 (CTR 100-200%) 以獲得良好的增益。
- 輸入電路：MCU GPIO (3.3V) -> 限流電阻 R1 -> EL207 接腳 1 (陽極) 和 2 (陰極)。R1 = (3.3V - 1.5V) / 0.005A = 360Ω (使用標準 330Ω)。
- 輸出電路：12V 電源 -> 繼電器線圈 -> EL207 的集極 (接腳 6)。射極 (接腳 5) 接地。必須在繼電器線圈兩端反向並聯一個反馳二極體，以保護光電晶體在關閉時免受電壓突波影響。可以在接腳 7 添加一個基極-射極電阻 (例如 1 MΩ) 以改善關閉速度。
- 驗證：在 IF=5mA 時，最小 CTR 100% 可提供 IC= 5mA。這足以使一個高增益的小型 BJT (例如 2N3904) 飽和，然後該 BJT 即可開關 50mA 的繼電器線圈。
11. 工作原理
光耦合器由封裝在光密閉封裝內的兩個主要元件組成。在輸入側，紅外線砷化鎵 (GaAs) 發光二極體 (LED) 將電流轉換為紅外光。此光的強度與流經 LED 的順向電流 (IF) 成正比。此光穿過透明的隔離間隙 (通常填充介電凝膠) 並照射輸出側的矽光電晶體。光電晶體的基極區域被設計成對此特定波長的光敏感。入射的光子在基極-集極接面產生電子-電洞對，形成作為基極電流的光電流。然後，此光生基極電流被電晶體的電流增益 (hFE) 放大，產生更大的集極電流 (IC)。比值 IC/IF 即為電流傳輸比 (CTR)。關鍵點在於訊號是透過光傳輸的，提供了由內部絕緣材料的物理特性以及 LED 與電晶體之間距離決定的電氣隔離。
12. 技術趨勢
像 EL20X/EL21X 這樣基於光電晶體的光耦合器代表了一種成熟且可靠的隔離技術。目前訊號隔離的趨勢包括越來越多地採用基於 CMOS 技術和射頻或電容耦合的數位隔離器。這些在速度 (高達數百 Mbps)、功耗、尺寸和壽命 (無 LED 衰減) 方面具有顯著優勢。然而，傳統光耦合器在需要極高隔離電壓 (>5kV)、優異的共模暫態抗擾度 (CMTI)、簡單性以及直流與低頻隔離的成本效益的應用中，仍保持著強勢地位。光耦合器技術本身也在持續發展，例如將光電晶體與基極-射極電阻整合以提高速度 (如基極接腳的可用性所示)，以及開發具有更高沿面/間隙距離的封裝以滿足加強絕緣要求。
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。 |