EL101XH-G 光電晶體光耦合器規格書 - 4腳位SOP封裝 - 8mm爬電距離 - 5000Vrms隔離電壓 - 無鹵素

1. 產品概述

EL101XH-G系列代表了一款高性能光電晶體光耦合器家族，專為要求嚴苛的電子應用中提供可靠的訊號隔離而設計。這些元件旨在為輸入與輸出電路之間提供穩固的電氣隔離屏障，防止接地迴路、電壓突波及雜訊在系統的不同部分之間傳播。其核心功能是透過一個紅外線發光二極體與一個矽光電晶體偵測器進行光學耦合來實現，所有元件都封裝在一個緊湊的4腳位小外形封裝(SOP)內。

此系列的一個關鍵區別特徵是其8mm的長爬電距離，這在需要高隔離電壓的應用中顯著提升了安全性與可靠性。此設計，結合5000 V_rms的隔離電壓額定值，使得該系列適用於工業控制系統、電源供應器及家電，其中使用者安全與設備保護至關重要。這些元件亦製造為無鹵素，透過限制溴(Br)與氯(Cl)含量來符合環保法規。

EL101XH-G系列的目標市場廣泛，涵蓋工業自動化、電信、測量儀器及消費性家電。典型應用包括可程式邏輯控制器(PLC) I/O模組中的隔離、電信設備中的訊號傳輸、測量儀器中的介面隔離，以及如暖風扇等家電中的安全隔離。

2. 技術參數深度解析

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能對元件造成永久損壞的應力極限。不保證在或超過這些極限下操作。

輸入順向電流 (I_F)): 50 mA (連續)。這是可以通過輸入紅外線LED的最大直流電流。
峰值順向電流 (I_FP)): 1 A，持續1 µs脈衝。此額定值對於承受開關事件期間的短暫電流突波至關重要。
輸入逆向電壓 (V_R)): 6 V。在逆向偏壓下超過此電壓可能損壞LED。
輸出集極-射極電壓 (V_CEO)): 80 V。這是當基極(由光驅動)開路時，光電晶體的集極相對於其射極所能承受的最大電壓。
總功耗 (P_TOT)): 250 mW。這是整個元件可以散發的最大總功耗，限制了輸入電流/電壓與輸出電流/電壓的乘積。
隔離電壓 (V_ISO)): 5000 V_rms，持續1分鐘。此關鍵安全參數的測試方式是將腳位1和2短路，腳位3和4短路，並在這兩組之間施加高電壓。
工作溫度 (T_OPR)): -55°C 至 +125°C。此寬廣範圍確保在嚴苛的工業與汽車環境中仍能正常運作。
焊接溫度 (T_SOL)): 260°C，持續10秒。此為迴流焊製程的指引。

2.2 電氣與光學特性

這些參數定義了元件在正常工作條件下的性能 (除非註明，T_a= 25°C)。

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。此值用於計算所需的限流電阻。
逆向電流 (I_R)): 在V_R= 6V時最大值為10 µA，表示良好的二極體漏電流特性。
輸入電容 (C_in)): 典型值50 pF。這會影響輸入側的高頻開關性能。

2.2.2 輸出特性 (光電晶體側)

集極-射極暗電流 (I_CEO)): 在V_CE= 48V，I_F= 0mA時，最大值為200 nA。這是LED關閉時的漏電流，對於斷態訊號完整性很重要。
集極-射極崩潰電壓 (BV_CEO)): 在I_C= 0.1mA時，最小值為80V，確認了高電壓承受能力。
集極-射極飽和電壓 (V_CE(sat))): 在I_F= 10mA，I_C= 1mA時，最大值為0.3V。當輸出用作"導通"狀態的開關時，低飽和電壓是理想的。

2.2.3 傳輸特性

這些參數定義了輸入與輸出之間的耦合效率與速度。

電流傳輸比 (CTR): 這是核心性能指標，定義為在特定條件下(V_C=5V，I_F=5mA)的(I_CE/ I_F) * 100%。EL101XH-G系列提供多種CTR等級：
- EL1010H: 50% 至 600% (寬範圍)
- EL1011H: 100% 至 200%
- EL1017H: 80% 至 160%
- EL1018H: 130% 至 260%
- EL1019H: 200% 至 400%
較高的CTR等級允許使用較低的輸入LED電流來達到相同的輸出電流，從而提高電源效率。
隔離電阻 (R_IO)): 在500V DC下，最小值為5 x 10¹⁰Ω。此極高的電阻值確認了內部絕緣材料的品質。
浮動電容 (C_IO)): 最大值1.0 pF。此低封裝間電容是在雜訊環境中實現高共模暫態抗擾度(CMTI)的關鍵。
開關時間: 測試條件為V_CE=5V，I_C=5mA，R_L=100Ω。
- 導通時間 (t_on): 典型值12 µs。
- 關斷時間 (t_off): 典型值10 µs。
- 上升時間 (t_r) 與下降時間 (t_f): 各自最大值為18 µs。
這些速度適用於中等頻率(數十kHz)的數位訊號隔離。

3. 分級系統說明

EL101XH-G系列採用基於CTR的分級系統，這是區分料號的主要依據。料號EL101XH-G中的"X"代表CTR等級(0, 1, 7, 8, 9)。每個等級對應特定的最小與典型CTR範圍，詳見第2.2.3節。這讓設計師可以根據其應用所需的精確增益來選擇元件。選擇較高的CTR等級(例如EL1019H)可以降低輸入LED所需的驅動電流，從而降低功耗與發熱。反之，對於有充足驅動電流的應用，較低的CTR等級可能就足夠了。

4. 性能曲線分析

雖然PDF文件顯示存在"典型電氣與光學特性曲線"，但文本內容並未提供具體圖表。通常，此類規格書會包含顯示以下關係的曲線：

CTR vs. 順向電流 (I_F)): 此曲線顯示電流傳輸比如何隨LED驅動電流變化。CTR通常在非常高的I_F時會因發熱與效率下降而降低。
CTR vs. 環境溫度 (T_a)): 這是熱設計的關鍵曲線。光電晶體耦合器的CTR通常具有負溫度係數，意味著它會隨著溫度升高而降低。設計師必須在整個工作溫度範圍內考慮此降額。
集極電流 vs. 集極-射極電壓 (I_C-V_CE)): 這些輸出特性曲線，針對不同的輸入電流(I_F)繪製，顯示了光電晶體的工作區域(飽和區、主動區)。
順向電壓 vs. 順向電流 (V_F-I_F)): 標準的LED I-V曲線，對於輸入側的熱管理很有用。

設計師應參考帶有圖形繪圖的官方規格書，以準確模擬元件在非標準條件下的行為。

5. 機械與封裝資訊

5.1 腳位配置

4腳位SOP封裝具有以下腳位定義：

陽極，輸入紅外線LED的陽極。
陰極，輸入紅外線LED的陰極。
射極，輸出光電晶體的射極。
集極，輸出光電晶體的集極。

這是光電晶體光耦合器的標準配置。

5.2 封裝尺寸與焊墊佈局

該元件被描述為"緊湊型4腳位SOP，高度2.2 mm"。PDF文件包含"封裝尺寸"圖與"表面黏著推薦焊墊佈局"。焊墊佈局建議僅供參考，規格書明確建議設計師根據其特定的PCB製造製程與熱需求修改焊墊尺寸。正確的焊墊設計對於可靠的焊接與機械強度至關重要。

6. 焊接與組裝指南

提供的關鍵參數是焊接溫度: 260°C，持續10秒。這符合典型的無鉛迴流焊溫度曲線(IPC/JEDEC J-STD-020)。設計師與製造商必須確保其迴流焊爐的溫度曲線不超過此溫度與時間，以防止損壞內部的環氧樹脂模封料與打線接合。應遵循潮濕敏感元件(MSL等級，提供文本中未指定，但應在完整規格書中查閱)的標準處理程序，包括若包裝暴露於超過其額定等級的環境濕度時進行烘烤。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 型號命名規則

料號遵循以下格式：EL101X H(Y)- VG

EL101: 基礎料號。
X: CTR等級 (0, 1, 7, 8, 9)。
H: 表示高溫操作能力。
(Y): 捲帶包裝選項。可以是TA、TB或無(表示管裝)。
V: 可選後綴，表示VDE安全認證。
G: 表示無鹵素結構。

範例：EL1018H-VG是無鹵素、VDE認證、CTR等級為8的版本。

7.2 包裝規格

該元件提供兩種主要包裝形式：

管裝: 每管100個單位。有標準版或帶VDE認證的選項。
捲帶包裝: 每捲3000個單位。提供兩種進料方向選項(TA和TB)，規格書中提供了詳細的捲帶尺寸(Ao, Bo, Po, P等)，用於自動貼片機編程。

7.3 元件標記

SOP封裝頂部標記有代碼：EL 101X H Y WW V

EL: 製造商代碼。
101X: 元件編號 (X表示CTR等級)。
H: 高溫操作標示。
Y: 1位數年份代碼。
WW: 2位數週數代碼。
V: VDE核准版本的可選標記。

8. 應用建議

8.1 典型應用電路

光耦合器可用於兩種主要模式：

數位開關 / 隔離: 輸入LED由數位訊號(例如來自微控制器GPIO)驅動。光電晶體輸出作為開關，透過一個上拉電阻將線路拉至地或V_CC。開關時間規格決定了最大資料傳輸率。
線性訊號隔離: 透過讓光電晶體在其主動區(非飽和區)工作，可用於傳輸類比訊號。然而，非線性的CTR及其隨溫度的變化，若沒有額外的補償電路，會使此應用具有挑戰性。對於此類任務，更常見的是使用專用的線性光耦合器。

8.2 設計考量

輸入限流: 外部電阻必須與輸入LED串聯，以設定順向電流(I_F)。計算R_limit= (V_drive- V_F) / I_F。確保I_F不超過50 mA DC。
CTR隨溫度降額: 考慮高溫下CTR的下降。設計電路時，應確保在最高工作溫度下，使用所選等級的最小CTR值時，電路仍能正常運作。
輸出負載電阻 (R_L)): 集極上拉電阻的值會影響開關速度、功耗與抗雜訊能力。較小的R_L提供更快的開關速度，但電流消耗較高。R_L= 100Ω的測試條件是用於特性描述；實際值通常在1kΩ至10kΩ之間。
抗雜訊能力: 低耦合電容(<1pF)提供了良好的共模抑制。對於非常嘈雜的環境，確保佈局乾淨，有適當的接地，並考慮在輸出側電源軌之間添加一個小的旁路電容(例如0.1µF)。

9. 技術比較與優勢

EL101XH-G系列透過幾個關鍵特性在市場上脫穎而出：

長爬電距離 (8mm): 與標準SOP光耦合器相比，此延伸的爬電距離對於需要加強絕緣或在污染環境中操作的應用來說是一大優勢，因為它降低了表面漏電痕跡的風險。
高隔離電壓 (5000V_rms)): 這是一個穩固的隔離額定值，適用於工業市電連接設備(例如240V/480V系統)。
符合無鹵素規範: 滿足減少鹵素含量的環境與法規要求，這在綠色電子產品中越來越重要。
寬廣工作溫度範圍 (-55°C 至 +125°C): 超越典型的商業範圍(0°C至70°C)，使其適用於工業、汽車及軍規級應用。
待核准的安全認證: 規格書將UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO及CQC的認證列為"待核准"。這表示該元件設計符合這些嚴格的國際安全標準。

10. 常見問題解答 (基於技術參數)

Q1: 長爬電距離的目的是什麼？

A1: 爬電距離是兩個導電部件(輸入與輸出腳位)之間沿著絕緣封裝表面的最短路徑。8mm的距離增加了對高壓電弧或沿封裝表面漏電痕跡的保護，特別是在潮濕或受污染的環境中，從而增強了長期可靠性與安全性。

Q2: 我該如何選擇正確的CTR等級？

A2: 根據您可用的驅動電流與所需的輸出電流來選擇。如果您的微控制器只能提供5mA，請選擇高CTR等級(例如EL1019H)以獲得足夠的輸出電流。如果您有充足的驅動電流，較低的等級可能更具成本效益。設計時始終應考慮最壞情況(最高溫度下的最小CTR)。

Q3: 這可以用於交流訊號隔離嗎？

A3: 光電晶體輸出是單向的(電流從集極流向射極)。要隔離交流訊號，通常會使用兩個元件以反向並聯配置，或使用專用的交流輸入光耦合器。對於數位交流過零檢測，可以與輸入端的橋式整流器一起使用。

Q4: 隔離電壓與集極-射極電壓額定值有什麼區別？

A4: 隔離電壓(5000V_rms)是封裝輸入與輸出側之間的介電耐壓。集極-射極電壓(80V)是正常工作期間可以施加在輸出電晶體本身兩端的最大電壓。它們是完全不同的參數。

11. 實務設計案例分析

情境：在工業PLC模組中，隔離一個3.3V微控制器GPIO訊號，以控制位於獨立電源域的24V繼電器線圈。

設計步驟：

輸入側：MCU GPIO為3.3V。假設期望的I_F為5mA，典型的V_F為1.2V，計算R_limit= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω。使用標準430Ω電阻。
CTR選擇：繼電器線圈驅動電晶體的基極需要約5mA。在I_F=5mA時，所需的最小CTR = (5mA / 5mA)*100% = 100%。為確保在125°C下運作(此時CTR較低)，選擇一個有足夠餘裕的等級。EL1018H(最小CTR 130%)是一個不錯的選擇。
輸出側：將光電晶體集極透過一個上拉電阻(R_L)連接到24V電源。射極連接到繼電器驅動電晶體(一個NPN BJT或N通道MOSFET的閘極)的基極。當MCU輸出為高電位時，LED導通，光電晶體飽和，將基極拉至接近地電位，關閉驅動器。當MCU輸出為低電位時，LED關閉，光電晶體關閉，一個獨立的偏壓電阻將驅動器基極拉高以啟動繼電器。繼電器線圈兩端需要一個緩衝二極體。
佈局：在PCB上保持輸入與輸出走線實體分離。將旁路電容放置在靠近元件腳位的位置。遵循推薦的焊墊佈局以確保可靠的焊接。

此設計提供了穩固的隔離，保護敏感的微控制器免受電感性繼電器線圈產生的暫態影響。

12. 工作原理

光耦合器(或光隔離器)是一種利用光在兩個隔離電路之間傳輸電氣訊號的元件。在EL101XH-G系列中：

施加到輸入腳位(陽極與陰極)的電流會使內建的紅外線發光二極體(LED)發射光子。
這些光子在封裝內部的透明絕緣材料(通常是模封環氧樹脂)中傳播。
光子撞擊矽光電晶體的基極區域，該晶體位於輸出側.
。此光能在基極產生電子-電洞對，有效地充當基極電流，並使電晶體在其 pins.
集極與射極_C之間導通。_F輸出集極電流(I

)的量與輸入LED電流(I

)成正比，比例常數即為電流傳輸比(CTR)。

關鍵在於輸入與輸出之間唯一的連接是一束光，提供了由絕緣屏障特性以及LED與光電晶體晶片之間的內部距離所決定的優異電氣隔離。

13. 產業趨勢光耦合器等隔離元件的市場正因幾個關鍵趨勢而演變：
更高速度與頻寬：對於能夠在隔離網路中支援如USB、CAN FD及乙太網路等通訊協定的數位隔離器與高速光耦合器的需求正在增長，將資料傳輸率推向數十及數百Mbps。
整合：趨勢是將多個隔離通道整合到單一封裝中，或將隔離與其他功能(如功率MOSFET/IGBT的閘極驅動器)結合。
增強的安全與可靠性標準：工業、汽車(ISO 26262)及醫療設備的法規持續收緊，要求元件具有更高的認證隔離額定值、更長的爬電/間隙距離以及經過驗證的可靠性數據。
小型化：在維持或改善隔離性能的同時，封裝正變得越來越小(例如寬體SOIC、DSOP)以節省電路板空間。

替代技術：

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。

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