EL851 系列 4 腳 DIP 高壓光電晶體光耦合器規格書 - 封裝 6.35x4.57x3.3mm - VCEO 350V - CTR 50-600% - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

EL851 系列代表了一款專為嚴苛應用中提供穩健電氣隔離而設計的高壓光電晶體光耦合器家族。這些元件將紅外發光二極體與矽光電晶體偵測器光學耦合，並封裝在緊湊的 4 腳雙列直插式封裝 (DIP) 內。其主要功能是利用光在兩個隔離電路之間傳輸電氣訊號，從而防止高電壓或雜訊從輸出側傳播到輸入側，反之亦然。該系列的特點是其高集極-射極額定電壓，使其適用於電源電路和其他高壓系統的介面。

1.1 核心優勢與目標市場

EL851 系列提供了多項關鍵優勢，定義了其在市場上的定位。其最突出的特點是高V_CEO額定值 350V，使其能夠承受輸入側與輸出側之間顯著的電壓差。這輔以高隔離電壓 (V_ISO) 5000 V_rms，確保了工業和電信設備中可靠的安全屏障。這些元件符合包括 UL、cUL、VDE 在內的主要國際安全標準以及各種其他區域認證 (SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQC)，便於其在全球市場的使用。此外，該系列設計為無鹵素 (針對銅引線框架版本) 並符合 RoHS 和歐盟 REACH 法規，以滿足現代環境和法規要求。目標應用包括電話線路介面、電源電路介面、固態繼電器 (SSR) 和直流馬達的控制器，以及訊號隔離和抗雜訊能力至關重要的可程式控制器。

2. 深入技術參數分析

透徹理解元件的電氣和光學特性對於正確的電路設計和可靠運行至關重要。

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了可能對元件造成永久損壞的應力極限。這些並非正常操作條件。EL851 的關鍵額定值包括：

• 輸入順向電流 (I_F)：60 mA (連續)。
• 峰值順向電流 (I_FM)：1 A，持續 1µs 脈衝，適用於短暫突波狀況。
• 集極-射極電壓 (V_CEO)：350 V，當基極開路時可施加於輸出電晶體兩端的最大電壓。
• 集極電流 (I_C)：50 mA。
• 總功耗 (P_TOT)：200 mW，結合了輸入和輸出功率限制。
• 隔離電壓 (V_ISO)：在 40-60% 相對濕度下，5000 V_rms 持續 1 分鐘。此測試是將腳位 1 和 2 短路，以及腳位 3 和 4 短路後進行。
• 操作溫度 (T_OPR)：-55°C 至 +100°C。
• 焊接溫度 (T_SOL)：260°C 持續 10 秒，與波峰焊或迴流焊製程相關。

2.2 電光特性

這些參數通常在 25°C 下指定，描述了元件在正常操作條件下的性能。

2.2.1 輸入特性 (LED 側)

• 順向電壓 (V_F)：典型值 1.2V，在 I_F= 10 mA 時最大值為 1.4V。這用於計算輸入側所需的限流電阻。
• 逆向電流 (I_R)：在 V_R= 5V 時最大值為 10 µA，表示 LED 反向偏壓時漏電流極低。
• 輸入電容 (C_in)：典型值 30 pF，最大值 250 pF。這會影響輸入側的高頻切換性能。

2.2.2 輸出特性 (光電晶體側)

• 集極-射極暗電流 (I_CEO)：在 V_CE= 200V 時最大值為 100 nA。這是當 LED 關閉 (無光) 時的漏電流，對於確定關斷狀態的訊號完整性至關重要。
• 集極-射極崩潰電壓 (BV_CEO)：在 I_C= 0.1mA 時最小值為 350V，確認了其高壓能力。
• 集極-射極電容 (C_CE)：在 V_CE= 0V 時典型值為 10 pF。

2.2.3 傳輸特性

• 電流傳輸比 (CTR)：在 I_F= 5mA 和 V_CE= 5V 時，範圍為 50% 至 600%。CTR 定義為 (I_C/ I_F) * 100%。較高的 CTR 允許使用較低的輸入電流來驅動給定的輸出電流，從而提高效率。寬範圍表示採用分級系統；設計師必須在其電路中考慮最小 CTR 以確保功能正常。
• 集極-射極飽和電壓 (V_CE(sat))：在 I_F= 20mA 和 I_C= 1mA 時最大值為 0.4V。當光電晶體用作導通狀態的開關時，此低飽和電壓對於最小化電壓降和功率損耗非常重要。
• 隔離電阻 (R_IO)：在 V¹¹= 500V DC 時最小值為 10_IOΩ，表示輸入和輸出之間具有優異的直流隔離。
• 輸入-輸出電容 (C_IO)：典型值 0.6 pF，此值非常低，有助於最小化高頻雜訊通過隔離屏障的電容耦合。
• 上升時間 (t_r) 與下降時間 (t_f)：典型值分別為 4 µs 和 5 µs，在測試條件下 (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω) 各自最大值為 18 µs。這些參數定義了光耦合器的切換速度，對於數位訊號傳輸或 PWM 應用至關重要。

3. 性能曲線分析

雖然具體的圖形數據在 PDF 中有所引用 (典型電光特性曲線，圖 9)，但關鍵解釋基於提供的表格數據和測試電路。

切換時間測試電路顯示了一個標準配置，其中脈衝電流驅動輸入 LED，並在負載電阻 (R_L) 上測量輸出光電晶體的反應。上升時間 (t_r) 是當 LED 開啟時，輸出電流從其最終值的 10% 上升到 90% 所需的時間。下降時間 (t_f) 是當 LED 關閉時，從 90% 下降到 10% 所需的時間。4-5 µs 範圍內的典型值表明此元件適用於中速切換應用，例如繼電器驅動或較低頻率的資料線隔離，但可能不適用於極高速的數位通訊。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸與選項

EL851 提供三種主要的引腳形式選項，每種都有特定的尺寸和應用。

• 標準 DIP 型：預設的穿孔式封裝。
• M 型選項：具有寬引腳彎曲，引腳間距為 0.4 英吋 (約 10.16mm)，適用於需要較寬引腳間距的電路板。
• S1 型選項：一種低高度的表面黏著 (SMD) 引腳形式。這是元件的 SMD 變體。

雖然 PDF 圖紙中提供了精確的數值尺寸，但標準 DIP 型的整體封裝本體尺寸約為長 6.35mm、寬 4.57mm、高 3.3mm，使其成為一個緊湊的元件。

4.2 極性識別與標記

腳位配置已標準化：

1. 陽極 (輸入 LED 正極)
2. 陰極 (輸入 LED 負極)
3. 射極 (光電晶體射極，通常連接到輸出側的地/共地)
4. 集極 (光電晶體集極，輸出端)

元件頂部標有 "EL" (表示製造商)、"851" (元件編號)，接著是一位數年份代碼 (Y)、兩位數週代碼 (WW)，以及可選的 "V" 表示 VDE 認證版本。正確識別腳位 1 (通常在封裝上以圓點、凹口或斜邊標示) 對於組裝時的正確方向至關重要。

4.3 建議的焊墊佈局

對於 S1 (表面黏著) 選項，提供了建議的焊墊佈局。建議的尺寸僅供參考，建議設計師根據其特定的 PCB 製造工藝、錫膏塗佈和熱管理要求進行修改，以確保可靠的焊點。

5. 焊接與組裝指南

該元件可承受 260°C 的焊接溫度長達 10 秒。這與穿孔式封裝的標準波峰焊以及 SMD 選項的無鉛迴流焊溫度曲線相容。嚴格遵守此時間-溫度限制對於防止內部晶粒、接線或塑膠封裝材料損壞至關重要。在處理和組裝過程中應遵守標準的 ESD (靜電放電) 預防措施。儲存溫度範圍為 -55°C 至 +125°C。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 型號編碼規則

零件編號遵循以下格式：EL851X(Z)-V.

• X：引腳形式選項。
  • 無：標準 DIP-4 (100 個/管)。
  • M：寬引腳彎曲，0.4" 間距 (100 個/管)。
  • S1：表面黏著引腳形式 (低高度)。
• Z：捲帶包裝選項 (僅適用於 S1)。
  • TA, TB, TU, TD：不同的捲帶包裝規格，影響包裝數量 (1000 或 1500 個/捲)。
• V：可選後綴，表示 VDE 安全認證。

6.2 捲帶包裝規格

針對 S1 選項提供了詳細的捲帶尺寸 (A, B, D0, D1, E, F, P0, P1, P2, t, W, K)。這些尺寸對於 PCB 組裝機正確從捲帶上拾取和放置元件至關重要。捲帶寬度 (W) 為 16.0mm ±0.3mm，口袋間距 (P0) 為 4.0mm ±0.1mm。

7. 應用說明與設計考量

7.1 典型應用電路

EL851 非常適合以下幾種關鍵應用：

• 電話線路介面：將數據機或電話系統的敏感邏輯電路與電話線上的高壓振鈴訊號和潛在突波隔離。
• 電源回授迴路：在交換式電源供應器 (SMPS) 中提供輸出電壓的隔離回授，在保持一次側 (高壓) 和二次側 (低壓) 之間安全隔離的同時實現穩壓。
• SSR 與直流馬達控制：驅動固態繼電器的閘極或輸入端，或作為微控制器與馬達驅動 H 橋之間的隔離介面，保護邏輯控制器免受馬達引起的雜訊和電壓尖峰影響。
• 可程式控制器 (PLC) I/O 模組：隔離數位輸入/輸出通道，以保護中央處理單元免受現場佈線故障、雜訊和不同接地電位的影響。

7.2 關鍵設計因素

1. CTR 衰減：光耦合器的 CTR 可能會隨時間衰減，特別是在高溫和高 LED 電流下操作時。為了長期可靠性，設計電路時應考慮適當的衰減餘量 (通常在產品壽命期內為 50%) 後，仍能使用最小規定的 CTR 正常運作。
2. 輸入電流限制：必須始終使用一個外部電阻與輸入 LED 串聯，以將順向電流 (I_F) 限制在安全值，通常遠低於 60mA 的絕對最大值。電阻值計算為 R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
3. 輸出負載電阻：連接到光電晶體集極的負載電阻 (R_L) 的值會影響輸出電壓擺幅和切換速度。較小的 R_L允許更高的速度，但會降低輸出電壓增益。R_L=100Ω 的測試條件為指定的切換時間提供了參考。
4. 抗雜訊能力：雖然該元件提供了優異的電氣隔離，但極低的輸入-輸出電容 (0.6 pF) 有助於最小化高頻雜訊耦合。對於極度嘈雜的環境，可能仍需要在輸入和輸出訊號上增加額外的濾波。
5. 散熱：確保總功耗 (P_TOT= V_F*I_F+ V_CE*I_C) 不超過 200 mW，同時考慮最高操作環境溫度。在溫度高於 25°C 時可能需要降額使用。

8. 技術比較與差異化

與標準低壓光耦合器 (通常 V_CEO額定值為 30-70V) 相比，EL851 的 350V 額定值是其主要的區別點。這使其能夠直接用於離線電源回授電路 (其中整流後的主電源電壓可能約為 300V+) 或工業控制介面，而無需在輸出側增加額外的電壓鉗位或降壓電路。其 CTR 範圍寬廣，為敏感和標準驅動需求提供了選擇。同時提供穿孔式 (DIP、寬彎曲) 和表面黏著式 (S1) 捲帶包裝，使其無論在原型製作還是大批量自動化組裝中都具備多功能性。

9. 常見問題 (基於技術參數)

問：我應該為多少的最小 CTR 進行設計？

答：始終設計您的電路，使其在您預期的操作 I_F和 V_CE下，能夠與 50% 的最小 CTR 配合工作。並考慮產品壽命期內潛在的衰減。

問：我可以用這個光耦合器直接切換 120VAC 負載嗎？

答：不行。V_CEO額定值是 350V DC。120VAC 的峰值電壓約為 170V，雖然在額定值內，但光耦合器的光電晶體並非設計用於直接處理交流負載的高電流。它應該用於驅動獨立高功率開關 (如三端雙向可控矽開關、MOSFET 或 SSR) 的控制輸入端。

問：V_CEO和 V_ISO?

有什麼區別？_CEO答：V_ISO(350V) 是可以施加在輸出電晶體集極和射極腳位之間的最大直流電壓。V_{(5000 V}rms

) 是在短路的輸入腳位 (1,2) 和短路的輸出腳位 (3,4) 之間測試的交流耐壓，代表內部塑膠屏障的隔離強度。

問：我該如何選擇 DIP 和 SMD 封裝？

答：對於原型製作、手動組裝，或電路板空間要求不那麼嚴格且希望透過穿孔焊接獲得機械穩固性的應用，請使用穿孔式 DIP 封裝。對於自動化組裝、高密度 PCB 設計和降低電路板厚度，請選擇 SMD (S1) 封裝。

10. 實用設計範例

情境：用於 24V 工業感測器的隔離數位輸入。目標：

將 24V 接近感測器介接到 3.3V 微控制器，提供隔離以保護 MCU 免受 24V 線路上的電壓暫態影響。

1. 電路設計：輸入側：_{感測器輸出 (汲極型) 連接在 +24V 和 EL851 的陽極 (腳位 1) 之間。一個限流電阻 (R}in_{) 放置在陰極 (腳位 2) 和地之間。選擇 R}in_F以在感測器啟動時將 I_F設定為標稱 5-10 mA。例如，假設 V_{~1.2V，則 R}in
2. = (24V - 1.2V) / 0.005A ≈ 4.56kΩ (使用 4.7kΩ 標準值)。輸出側：_{光電晶體集極 (腳位 4) 透過一個上拉電阻 (R}pullup_{) 連接到 3.3V MCU 電源。射極 (腳位 3) 連接到 MCU 地。當感測器啟動時，LED 點亮，光電晶體飽和，將集極 (輸出訊號) 拉低至約 0.4V。當感測器關閉時，光電晶體關閉，R}pullup_{將輸出拉高至 3.3V。根據所需的速度和功率選擇 R}pullup
3. ；常見值為 1kΩ 至 10kΩ。隔離：_{24V 感測器地和 3.3V MCU 地完全分開。EL851 的 5000V}rms

這個簡單的電路提供了穩健的隔離數位訊號傳輸。

11. 工作原理_FEEL851 基於光電轉換和隔離的原理運作。施加到輸入側的電流流過紅外發光二極體 (LED)，使其發光。此光線穿過塑膠封裝內的透明隔離間隙，照射到輸出側矽光電晶體的基極區域。入射光在基極產生電子-電洞對，有效地充當基極電流。此光生基極電流被電晶體的電流增益 (h_C) 放大，產生更大的集極電流 (I

)。此輸出集極電流與輸入 LED 電流之比即為電流傳輸比 (CTR)。輸入和輸出電路之間沒有電氣連接；只有光耦合它們，從而提供電氣隔離。

12. 技術趨勢