8-Pin DIP 高速 1Mbit/s 電晶體光耦合器 6N135 6N136 EL450x 系列規格書 - DIP-8 封裝 - 隔離電壓 5000Vrms - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

6N135、6N136、EL4502 與 EL4503 同屬高速電晶體輸出光耦合器（光隔離器）系列，專為需要快速數位訊號隔離的應用而設計。每個元件均整合了一個紅外線發光二極體（LED），以光學方式耦合至一個高速光電偵測電晶體。此系列的核心優勢在於其專用的接腳配置，將光二極體的偏壓與輸出電晶體的集極分開。此架構選擇顯著降低了輸入電晶體的基極-集極電容，從而實現高達每秒 1 百萬位元（1Mbit/s）的切換速度，比傳統基於光電晶體的耦合器快上數個數量級。

這些元件採用標準的 8-pin 雙列直插式封裝（DIP），並提供寬引腳間距與表面黏著配置選項。其特性適用於寬廣的溫度範圍，並符合主要的國際安全標準，使其適用於工業、通訊與電力電子應用。

2. 技術參數深度客觀解讀

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。不建議在這些極限值或接近極限值下連續操作元件。關鍵額定值包括：

• 輸入順向電流（I_F)）：連續 25 mA。峰值順向電流（I_FP）在 50% 工作週期與 1ms 脈衝寬度下，額定值為 50 mA。
• 反向電壓（V_R)）：輸入 LED 兩端最大 5 V。
• 輸出電壓（V_O)）：輸出接腳範圍為 -0.5 V 至 +20 V。
• 電源電壓（V_CC)）：輸出側電源範圍為 -0.5 V 至 +30 V。
• 隔離電壓（V_ISO)）：5000 V_rms，持續 1 分鐘。這是一個關鍵的安全參數，測試時將輸入側接腳（1-4）短路在一起，輸出側接腳（5-8）短路在一起。
• 操作溫度（T_OPR)）：-55°C 至 +100°C。此寬廣範圍確保在惡劣環境下的可靠性能。
• 總功耗（P_TOT)）：200 mW，結合輸入與輸出功率限制。

2.2 電氣與傳輸特性

除非另有說明，這些參數保證在 0°C 至 70°C 的操作溫度範圍內有效。它們定義了元件在正常操作條件下的性能。

• 順向電壓（V_F)）：在 I_F= 16 mA 時，典型值為 1.45V。這對於設計輸入側限流電路很重要。
• 電流傳輸比（CTR）：這是輸出電晶體集極電流與輸入 LED 順向電流的比值，以百分比表示。6N135 的最小 CTR 為 7%（典型情況），而 6N136、EL4502 和 EL4503 的最小值為 19%。此參數直接影響給定輸出電流所需的驅動電流。
• 邏輯低電位輸出電壓（V_OL)）：當元件處於導通狀態時，輸出接腳的電壓。對於 6N135，在 I_F=16mA 且 I_O=1.1mA 時，保證低於 0.4V（最大值）。對於 6N136/EL450x，在 I_O=3mA 時低於 0.4V。低 V_OL對於乾淨的邏輯低電位訊號至關重要。
• 電源電流（I_CCL、I_CCH)）：I_CCL是當輸出為低電位（LED 亮）時，從 V_CC汲取的電流，典型值為 140 µA。I_CCH是當輸出為高電位（LED 滅）時的電流，典型值為 0.01 µA，表示在閒置狀態下功耗非常低。

3. 切換特性

這些參數量化了元件的速度，這是其主要區別所在。測試在 I_F=16mA 且 V_CC=5V 下進行。

• 傳播延遲（t_PHL、t_PLH)）：這是輸入訊號邊緣與相應輸出響應之間的時間延遲。
  • 6N135：t_PHL（轉為低電位）典型值為 0.35 µs（最大 2.0 µs）；t_PLH（轉為高電位）典型值為 0.5 µs（最大 2.0 µs），使用 R_L=4.1kΩ。
  • 6N136/EL450x：t_PHL典型值為 0.35 µs（最大 1.0 µs）；t_PLH典型值為 0.3 µs（最大 1.0 µs），使用 R_L=1.9kΩ。
  這些快速的傳播延遲使得在 1Mbit/s 速率下進行可靠的資料傳輸成為可能。
• 共模暫態抗擾度（CM_H、CM_L)）：此參數量測元件抑制隔離屏障兩側（輸入與輸出側）同時出現的快速電壓暫態（雜訊）的能力。以每微秒伏特（V/µs）為單位指定。
  • 6N135/6N136/EL4502：高電位與低電位狀態下最小 1000 V/µs。
  • EL4503：顯著更高，典型值為 20,000 V/µs，最小值為 15,000 V/µs，使其非常適合馬達驅動器等極度嘈雜的環境。

4. 機械與封裝資訊

4.1 接腳配置

這些元件使用 8-pin DIP 封裝。6N135/6N136 與 EL4502/EL4503 的接腳配置略有不同，主要在於第 7 腳的功能。

對於 6N135 / 6N136：

1. 空接（NC）
2. 陽極（輸入 LED 陽極）
3. 陰極（輸入 LED 陰極）
4. 空接（NC）
5. 接地（輸出側接地，GND）
6. 輸出電壓（V_OUT)
7. 偏壓電壓（V_B） - 此接腳提供一個獨立的連接，用於偏壓內部光二極體，這是實現高速的關鍵。
8. 電源電壓（V_CC)

對於 EL4502 / EL4503：

1. 空接（NC）
2. 陽極（輸入 LED 陽極）
3. 陰極（輸入 LED 陰極）
4. 空接（NC）
5. 接地（輸出側接地，GND）
6. 輸出電壓（V_OUT)
7. 空接（NC） - 注意：在這些型號中，第 7 腳未連接。
8. 電源電壓（V_CC)

5. 應用建議

5.1 典型應用場景

• 線路接收器與通訊設備：隔離數位資料線路（例如 RS-232、RS-485），以防止接地迴路並保護敏感電路免受突波影響。
• 馬達驅動器與交換式電源供應器（SMPS）中的功率電晶體隔離：提供閘極驅動訊號給高側功率 MOSFET/IGBT，同時保持電氣隔離。高共模暫態抗擾度（特別是 EL4503）在此至關重要。
• 高速邏輯接地隔離：斷開在不同電位下運作的數位子系統之間的接地迴路，防止雜訊耦合。
• 低速光電晶體耦合器的替代品：升級現有設計以實現更高的資料速率，無需大幅更改電路。
• 家電與工業控制：將使用者介面微控制器與功率級隔離。

5.2 設計考量

• 輸入電流限制：必須使用一個外部電阻與輸入 LED 串聯，以將順向電流（I_F）限制在所需值，通常約為 16 mA 以獲得最佳速度與 CTR。電阻值計算為（電源電壓 - V_F）/ I_F.
• 輸出上拉電阻：需要在 V_L（第 6 腳）與 V_OUT（第 8 腳）之間連接一個上拉電阻（R_CC）。其值會影響切換速度與輸出電流能力。規格書指定了測試條件：6N135 使用 R_L=4.1kΩ，6N136/EL450x 使用 1.9kΩ。較低的電阻值會提高速度，但也會增加功耗。
• 旁路電容：在輸出側的 V_CC與 GND 接腳附近放置一個 0.1 µF 陶瓷電容，以去耦高頻雜訊。
• 高 CMR 的佈局：為維持高共模抑制比，應盡量減少電路板佈局中輸入側與輸出側之間的寄生電容。保持隔離屏障兩側的走線充分分離。

6. 技術比較與選型指南

此系列內的主要差異在於電流傳輸比（CTR）與共模抑制比（CMR）。

• 6N135 對比 6N136/EL4502：6N135 具有較低的最小 CTR（7% 對比 19%）。這意味著要達到相同的輸出電流擺幅，可能需要稍高的輸入電流。6N136/EL4502 提供更好的餘裕度。
• EL4503 對比其他型號：EL4503 以其極高的共模暫態抗擾度（最小值 15,000 V/µs）脫穎而出。這使其成為具有極高電氣雜訊的應用（例如變頻驅動器（VFD）或工業馬達控制器，其中快速電壓尖峰（dV/dt）很常見）的首選。
• 選型摘要:
  • 對於具有良好 CTR 的通用高速隔離：選擇 6N136 或 EL4502。
  • 如果成本是主要因素且可接受較低的 CTR：6N135 可能足夠。
  • 對於要求最嚴苛、高雜訊的電力電子環境：EL4503 專為此角色設計。

7. 常見問題（基於技術參數）

問：與標準的 4N35 相比，此光耦合器的主要優勢是什麼？

答：速度。專用的偏壓接腳（6N135/136 上的 V_B）架構降低了內部電容，使其能在 1Mbit/s 下運作，而像 4N35 這樣的標準光電晶體耦合器通常限制在 100 kbit/s 以下。

問：我可以使用單一 5V 電源同時供電給輸入側和輸出側嗎？

答：從電氣角度來看可以，但這違背了隔離的目的。要實現真正的隔離，輸入側（LED）和輸出側（偵測器、V_CC、GND）必須由獨立、未連接的電源或隔離式 DC-DC 轉換器供電。

問：為什麼有兩個不同的建議上拉電阻值（4.1kΩ 對比 1.9kΩ）？

答：元件的不同 CTR 規格導致了不同的最佳工作點。CTR 較低的 6N135 使用較高的上拉電阻，以在給定的輸出低電位規格下限制輸出電流，同時仍能達到目標速度。CTR 較高的 6N136/EL450x 可以使用較低的電阻值，這可以進一步提高切換速度。

問：無鉛且符合 RoHS對我的組裝製程意味著什麼？

答：這意味著該元件在製造過程中不含鉛（Pb），並符合有害物質限制指令。這使其可以用於在這些環保法規地區銷售的產品中。焊接溫度額定值（260°C 持續 10 秒）是針對無鉛焊接製程指定的。

8. 原理簡介

電晶體輸出光耦合器基於光學隔離原理運作。施加到輸入側的電流會使紅外線發光二極體（LED）發光。此光線穿過封裝內的小間隙，照射到輸出側光電晶體的基極區域。入射的光子在基極中產生電子-電洞對，有效地充當基極電流。此光學基極電流使電晶體導通，允許更大的集極電流從 V_CC流向輸出接腳，透過電晶體被拉至低電位。當輸入電流為零時，LED 熄滅，沒有光線照射電晶體，它保持在關斷狀態，允許輸出接腳被外部電阻拉至高電位。此系列實現高速的關鍵在於，為供電給電晶體基極的內部光二極體提供了獨立的連接，這最小化了通常會減慢光電晶體速度的米勒電容。

9. 封裝與訂購資訊

這些元件遵循特定的零件編號方案：6N13XY(Z)-V或EL450XY(Z)-V.

• X：零件編號識別碼（6N 系列為 5 或 6；EL450 系列為 2 或 3）。
• Y：引腳形式選項。
  • 無：標準 DIP-8（0.3" 排距），管裝，每管 45 個。
  • M：寬引腳彎曲（0.4" 間距），管裝，每管 45 個。
  • S：表面黏著引腳形式。
• Z：捲帶包裝選項（例如 TA）。與 'S' 選項一起用於 SMD 零件，通常每捲 1000 個。
• V：可選後綴，表示包含 VDE 認證。