EL3H4-G 系列光耦合器規格書 - 4 接腳 SSOP 封裝 - 交流輸入 - 3750Vrms 隔離 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

EL3H4-G 系列是一系列交流輸入光電晶體光耦合器，專為需要電氣隔離及從交流或未知極性直流源傳輸訊號的應用而設計。本元件採用緊湊型表面黏著 4 接腳小外形封裝（SSOP），適合空間受限的 PCB 設計。

核心元件由兩個反向並聯的紅外線發光二極體（LED）組成。此配置允許輸入端接受交流訊號，因為在輸入波形的每個半週期中，其中一個二極體會導通。發射的紅外線光以光學方式耦合至一個矽光電晶體，提供隔離的輸出訊號。整個組件以綠色無鹵素化合物封裝。

1.1 核心優勢

• 交流輸入能力：反向並聯的 LED 配置可直接與交流訊號源介接，無需外部整流電路。
• 高隔離電壓：在輸入與輸出端之間提供 3750 V_rms的安全額定隔離，對於保護敏感電路免受高壓暫態影響至關重要。
• 緊湊外形尺寸：SSOP 封裝佔用面積小，是現代高密度電子組裝的理想選擇。
• 環保合規性：本元件符合無鹵素規範，並遵守相關環保指令，如 RoHS 和 REACH。
• 安全認證：本產品獲得主要國際安全機構的認證，包括 UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO 和 CQC。

1.2 目標應用

此光耦合器專為各種需要可靠隔離及交流訊號偵測的工業與通訊應用而設計。

• 交流線路監控：偵測電源供應器、家電及工業設備中交流市電電壓的存在與否。
• 可程式邏輯控制器（PLC）：為感測來自感測器與開關的交流訊號提供隔離的數位輸入通道。
• 電話線路介面：用於通訊設備中振鈴或摘機偵測電路的隔離。
• 未知極性直流感測：與極性不固定或事先未知的直流訊號介接。

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。這些並非正常操作條件。

• 輸入順向電流（I_F）：±50 mA（連續）。± 號表示其交流/雙向能力。
• 峰值順向電流（I_FM）：在 10 µs 的短脈衝持續時間內為 1 A。此額定值對於承受短暫突波電流非常重要。
• 集極-射極電壓（V_CEO）：80 V。這是可施加於輸出光電晶體兩端的最大電壓。
• 總功耗（P_TOT）：200 mW。這是元件從輸入和輸出兩端所能消耗的最大總功率。
• 隔離電壓（V_ISO）：3750 V_rms，持續 1 分鐘。此高耐壓額定值是關鍵的安全參數。
• 操作溫度（T_OPR）：-55°C 至 +100°C。寬廣的範圍確保在惡劣環境下可靠運作。
• 焊接溫度（T_SOL）：260°C 持續 10 秒，符合典型的無鉛迴焊溫度曲線。

2.2 電氣-光學特性

這些參數定義了在指定測試條件下（通常為 T_a= 25°C）元件的電氣與光學性能。

2.2.1 輸入特性

• 順向電壓（V_F）：典型值 1.2V，在順向電流 ±20 mA 時最大值為 1.4V。此低壓降有利於低功耗電路。
• 輸入電容（C_in）：典型值 50 pF，最大值 250 pF。此參數影響輸入端的高頻響應。

2.2.2 輸出特性

• 集極-射極暗電流（I_CEO）：在 V_CE=20V 且 I_F=0 時，最大值為 100 nA。這是無光照時光電晶體的漏電流。
• 集極-射極崩潰電壓（BV_CEO）：最小值 80V。這確保輸出能處理典型的邏輯或中壓位準。
• 集極-射極飽和電壓（V_CE(sat)）：在 I_F=±20mA 且 I_C=1mA 時，典型值 0.1V，最大值 0.2V。低飽和電壓對於驅動邏輯輸入的輸出級是理想的。

2.2.3 傳輸特性

這些參數定義了從輸入到輸出的訊號傳輸效率與品質。

• 電流傳輸比（CTR）：這是輸出集極電流（I_C）與輸入順向電流（I_F）的比值，以百分比表示。它是增益的關鍵參數。EL3H4-G 系列提供不同的 CTR 等級：
  • EL3H4：在 I_F= ±1 mA，V_CE= 5V 時，CTR 最小值 20% 至最大值 300%。
  • EL3H4A：CTR 最小值 50% 至最大值 150%。
  • EL3H4B：CTR 最小值 100% 至最大值 300%。
  此選擇允許設計師根據應用選擇合適的增益，在靈敏度與潛在飽和之間取得平衡。
• CTR 對稱性：以正 I_F測得的 CTR 與以負 I_F測得的 CTR 之比值。規格值介於 0.5 至 2.0 之間。接近 1.0 的值表示兩個輸入 LED 的交流響應具有良好的對稱性。
• 隔離電阻（R_IO）：在 500V DC 下，最小值 5×10¹⁰Ω，典型值 10¹¹Ω。此極高的電阻對於維持隔離完整性至關重要。
• 浮動電容（C_IO）：典型值 0.6 pF，最大值 1.0 pF。此低電容可最小化跨越隔離屏障的電容耦合，對於抑制高頻共模雜訊非常重要。
• 開關時間：在指定的測試條件下（V_r=2V，I_f=2mA，R_CE=100Ω），上升時間（t_C）與下降時間（t_L）的最大值均為 18 µs。這些時間定義了元件的速度及對不同頻率訊號的適用性。

3. 分級系統說明

EL3H4-G 系列採用主要基於電流傳輸比（CTR）的分級系統。

• 標準級（無後綴）：提供最寬的 CTR 範圍（20-300%），適用於精確增益不關鍵的通用應用。
• A 級（後綴 'A'）：提供更緊密的中等 CTR 範圍（50-150%），提供更可預測的性能。
• B 級（後綴 'B'）：提供緊密的高 CTR 範圍（100-300%），非常適合需要高靈敏度與增益的應用，例如偵測微弱訊號。

此分級允許製造商為一致性優化其設計，或為特定靈敏度需求選擇元件。

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詳細說明具體圖表，但通常包含以下對設計至關重要的曲線：

• CTR 對順向電流（I_F）：顯示傳輸比如何隨輸入電流位準變化。在非常高的 I_F下，由於 LED 效率下降，CTR 通常會降低。
• CTR 對溫度：說明元件靈敏度的溫度依賴性。CTR 通常隨溫度升高而降低。
• 順向電壓（V_F）對順向電流（I_F）：二極體的 IV 特性曲線。
• 輸出集極電流（I_C）對集極-射極電壓（V_CE）：針對不同輸入光照位準（I_F）的光電晶體輸出特性。
• 開關時間對負載電阻（R_L）：顯示上升與下降時間如何受輸出端所選負載電阻的影響。

設計師應參考這些曲線，以了解元件在非標準條件下的行為，並針對所需的速度與輸出擺幅優化輸入電流和負載電阻等參數。

5. 機械與封裝資訊

5.1 接腳配置

4 接腳 SSOP 封裝具有以下接腳定義：

1. 接腳 1：一個 LED 的陽極 / 另一個 LED 的陰極（由於反向並聯連接）。
2. 接腳 2：第一個 LED 的陰極 / 第二個 LED 的陽極。
3. 接腳 3：光電晶體的射極。
4. 接腳 4：光電晶體的集極。

此配置意味著交流輸入施加於接腳 1 和 2 之間，而輸出取自接腳 3 和 4（通常以接腳 3 為共地/接地）。

5.2 封裝尺寸與 PCB 佈局

規格書包含 SSOP 封裝的詳細機械圖。關鍵尺寸包括本體尺寸、接腳間距和離板高度。同時提供了建議的表面黏著焊墊佈局，並註明僅供參考，應根據具體的 PCB 製造工藝和熱要求進行修改。正確的焊墊設計對於可靠的焊接和機械強度至關重要。

6. 焊接與組裝指南

6.1 迴焊溫度曲線

本元件相容於無鉛迴焊製程。建議的最高本體溫度曲線基於 IPC/JEDEC J-STD-020D：

• 預熱：在 60-120 秒內從 150°C 升至 200°C。
• 液相線以上時間（T_L=217°C）：60-100 秒。
• 峰值溫度（T_P）：最高 260°C。
• 峰值溫度 ±5°C 內時間：最長 30 秒。
• 最大迴焊次數： 3.

遵守此曲線可防止塑膠封裝和內部接線的熱損壞。

6.2 注意事項

• 在處理和焊接過程中，避免讓元件暴露在超過絕對最大額定值的溫度下。
• 確保封裝的輸入端與輸出端之間沒有污染物（例如助焊劑、碎屑）損害隔離屏障。
• 處理時遵循標準的 ESD（靜電放電）預防措施，因為內部的 LED 和電晶體對靜電敏感。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 型號編碼規則

零件編號遵循以下格式：EL3H4(Y)(Z)-VG

• EL3H4：基礎零件編號。
• Y：CTR 等級（A、B 或空白表示標準級）。
• Z：捲帶包裝選項（TA、TB、EA、EB 或空白表示管裝）。TA/TB 捲帶包含 5000 個元件；EA/EB 捲帶包含 1000 個元件。A 和 B 選項之間的差異通常與捲帶寬度或進料方向有關。
• V：可選後綴，表示該零件具有 VDE 認證。
• G：表示無鹵素材料。

範例：EL3H4A-TA-VG 是一個 'A' 級零件，以 5000 個單位的 TA 捲帶供應，具有 VDE 認證，且為無鹵素。

7.2 包裝規格

本元件可以管裝（150 個單位）或捲帶包裝供應。提供了詳細的捲帶尺寸（凹槽尺寸、間距、捲帶寬度），以確保與自動貼片設備的相容性。

7.3 元件標記

封裝頂部標有代碼：EL 3H4 RYWWV

• EL：製造商代碼。
• 3H4：元件編號。
• R：CTR 等級（A、B 或空白）。
• Y：1 位數年份代碼。
• WW：2 位數週數代碼。
• V：VDE 認證標記（如適用）。

8. 應用設計考量

8.1 輸入電路設計

對於交流操作，必須在輸入接腳（1 和 2）串聯一個限流電阻。其阻值應根據峰值輸入電壓和所需的順向電流（I_F）計算，確保 I_F不超過 50 mA 的連續額定值。例如，要從 120V_rms交流線路驅動輸入，電阻必須限制峰值電流（≈170V / R）。需考慮此電阻的功率額定值和耐壓能力。

8.2 輸出電路設計

輸出光電晶體可用於共射極配置（負載電阻位於 V_CC與集極之間，射極接地）或作為開關。負載電阻（R_L）的值會影響：

輸出電壓擺幅：對於給定的 I_L，較高的 R_C.

會產生較大的電壓降。開關速度：_L較高的 R_r會增加 RC 時間常數，減慢上升和下降時間（如 t_f/t_L規格中 R

=100Ω 所示）。_{若驅動邏輯輸入，通常需要一個上拉電阻。確保在導通狀態下的輸出電壓（V}CE(sat)

）足夠低，能被識別為邏輯 '0'。

8.3 確保可靠隔離_{為維持指定的 3750V}rms

隔離，PCB 佈局至關重要。在電路板上，與輸入端（接腳 1、2）和輸出端（接腳 3、4）相關的銅箔走線和焊墊之間，必須保持足夠的爬電距離和電氣間隙。這通常意味著在元件本體下方的 PCB 上提供物理開槽或寬間隔。避免讓輸入和輸出走線彼此平行且靠得太近。

9. 技術比較與差異化

• 與標準直流輸入光耦合器相比，EL3H4-G 系列的主要差異化特點包括：內建交流輸入：
• 無需外部橋式整流器或雙光耦合器來處理交流訊號，節省電路板空間和元件數量。CTR 對稱性：
• 一個指定的參數，確保交流兩個半週期的響應平衡，這是直流輸入元件無需考慮的。無鹵素結構：

符合嚴格的環保要求，並非所有舊型光耦合器型號都能滿足。

與其他交流輸入光耦合器相比，其優勢在於結合了高隔離電壓、緊湊的 SSOP 封裝以及多種 CTR 等級的可用性。

10. 常見問題解答（基於技術參數）

Q1：我可以用這個直接感測 230V 交流市電嗎？

A：可以，但必須在輸入端串聯一個適當的外部限流電阻，以將順向電流保持在 50mA 限制內。該電阻也必須具有高電壓和高功耗的額定值。

Q2：標準級、A 級和 B 級之間有什麼區別？

A：區別在於保證的最小和最大電流傳輸比（CTR）。B 級具有最高的最小靈敏度（100%），適合偵測較弱的訊號。A 級提供更適中、可預測的範圍。標準級範圍最廣，提供具成本效益的通用用途。

Q3：這個元件速度有多快？可以用於通訊嗎？

A：由於典型的上升/下降時間高達 18 µs，其頻寬限制在大約數十 kHz。它適用於偵測交流電源頻率（50/60 Hz）、慢速數位訊號或 PLC 中的狀態偵測，但不適用於像數位隔離器那樣的高速資料通訊。

Q4：為什麼隔離電阻這麼高（10^11 Ω）？

A：此極高的電阻可最小化跨越隔離屏障的漏電流。這對於安全（防止危險電流在隔離電路間流動）以及精密量測應用中的訊號完整性至關重要。

11. 實用設計範例

情境：隔離式 120V 交流線路存在偵測器。目標：

當存在 120V 交流電時，向微控制器提供 3.3V 邏輯低準位訊號。

1. 設計步驟：輸入電阻計算：_{對於 120V}rms_F，峰值電壓約為 170V。為將 I_{限制在安全的 10mA（遠低於 50mA），R}limit

2. = 170V / 0.01A = 17kΩ。使用標準的 18kΩ、1/2W 或更高額定功率的電阻。輸出電路：

3. 將光電晶體集極（接腳 4）通過一個上拉電阻（例如 10kΩ）連接到微控制器的 3.3V 電源。將射極（接腳 3）接地。集極節點連接到微控制器上的一個數位輸入接腳。操作：_{當交流電存在時，光耦合器的輸出在每個半週期導通，將集極電壓拉低至接近 V}CE(sat)

（約 0.2V），這被讀取為邏輯 '0'。當交流電不存在時，光電晶體關閉，上拉電阻將集極電壓拉至 3.3V（邏輯 '1'）。由於 50/60 Hz 的零交越點，軟體可能需要對該訊號進行去抖動處理。

12. 工作原理

EL3H4-G 基於光電耦合原理運作。施加到輸入端的電訊號使紅外線 LED 發出與電流成正比的光。此光線穿過封裝內部的透明隔離屏障。在輸出端，光線照射到矽光電晶體的基極區域，產生電子-電洞對。此光電流作為基極電流，使電晶體導通更大的集極電流，從而在隔離的輸出端複製輸入訊號。反向並聯的 LED 配置允許在交流輸入訊號的兩個極性期間都有電流流動並發光。

13. 技術趨勢

像 EL3H4-G 這樣的光耦合器代表了一種成熟可靠的隔離技術。訊號隔離領域的當前趨勢包括：整合化：

將多個隔離通道結合，或將附加功能（如驅動器或保護）整合到單一封裝中。更高速度：

開發具有更快開關時間的光耦合器用於數位通訊應用，儘管它們通常比基於電容或磁耦合的技術慢。增強的安全標準：

國際安全標準（UL、VDE、IEC）不斷演進，推動對更高工作電壓、加強型隔離和改進可靠性指標的要求。材料科學：