6N138 6N139 光耦合器規格書 - 8腳DIP封裝 - 高增益分離式達靈頓 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

6N138與6N139為高性能、低輸入電流之光耦合器，其特色在於採用分離式達靈頓光電晶體輸出級。這些元件旨在提供極高的電流傳輸比（CTR），能以極小的輸入驅動電流實現可靠的訊號傳輸。它們封裝於標準的8腳雙列直插式封裝（DIP）中，並提供寬腳距與表面黏著型配置選項。其主要功能是提供輸入與輸出電路之間的電氣隔離，保護敏感的邏輯電路免受電壓突波與接地迴路干擾。

1.1 核心優勢與目標市場

此類光耦合器的關鍵優勢在於其典型CTR值極高，達2000%，這使得它們能直接與低電流邏輯訊號介接，無需額外的放大電路。它們已通過主要國際安全機構認證（UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO），並提供高達5000 Vrms的隔離電壓。這些特性使其成為工業、電信與運算應用的理想選擇，在這些應用中，抗雜訊能力、安全隔離與訊號完整性至關重要。目標市場包括工業自動化、電源供應器回授迴路、數位介面隔離以及通訊線路接收器。

2. 技術參數深度解析

本節針對規格書中列出的關鍵電氣與光學參數，提供客觀的詮釋。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致永久損壞的應力極限。輸入端紅外線LED的最大連續順向電流（IF）為20 mA，並可承受1 A的峰值暫態電流，適用於極短脈衝（<1 µs）。輸出電晶體的最大集極電流（IO）為60 mA，其功率消耗（PO）限制在100 mW。元件可在-40°C至+85°C的環境溫度範圍內工作。5000 Vrms的隔離電壓是一項關鍵安全參數，測試時需將所有輸入腳位短路在一起，並將所有輸出腳位短路在一起。

2.2 電氣特性

電氣特性保證在0°C至70°C的商業溫度範圍內有效。對於輸入LED，在IF = 1.6 mA時，典型的順向電壓（VF）為1.3V。6N138與6N139的輸出端參數略有不同。在相同條件下（IF=0mA，VCC=18V），6N139通常提供較低的邏輯高準位輸出電流（IOH）漏電流，為0.01 µA，而6N138則為100 µA。當LED以1.6 mA驅動時，兩者在邏輯低準位狀態下的供應電流（ICCL）典型值均為0.6 mA。

2.3 傳輸特性

電流傳輸比（CTR）是最關鍵的參數，定義為（IC / IF）* 100%。6N139在IF=0.5mA時的最小CTR為400%，在IF=1.6mA時為500%。6N138在IF=1.6mA時的最小CTR為300%。兩者的典型值為2000-2500%，顯示其高靈敏度。邏輯低準位輸出電壓（VOL）在不同負載條件下均有規定，最大值為0.4V，確保與標準TTL及CMOS邏輯準位相容。

2.4 開關特性

開關速度取決於輸入驅動電流與負載電阻。傳播延遲時間（tPLH、tPHL）是針對特定測試條件提供的。例如，在IF=0.5mA且RL=4.7kΩ的條件下，6N139的典型tPHL為5 µs，tPLH為16 µs。將IF增加至12mA並搭配RL=270Ω，可大幅提升速度，分別達到0.2 µs和1.7 µs。6N138在其指定的測試條件下（IF=1.6mA，RL=2.2kΩ）通常較慢。兩者在邏輯高與低準位狀態下的共模暫態耐受度（CMTI）最小值均為1000 V/µs，表示對於跨越隔離屏障的快速電壓暫態具有良好的雜訊抑制能力。

3. 機械與封裝資訊

元件採用標準的8腳DIP封裝。腳位配置如下：腳位1：空腳（NC），腳位2：陽極（Anode），腳位3：陰極（Cathode），腳位4：空腳（NC），腳位5：接地（Gnd），腳位6：輸出（Vout），腳位7：基極（VB），腳位8：供應電壓（VCC）。基極腳位（7）提供了存取光電晶體基極的途徑，可用於連接加速電阻或電容，以在頻寬與穩定性之間進行取捨。封裝選項包括標準DIP、寬腳距彎腳（0.4英吋間距）以及表面黏著型引腳形式（S型與薄型S1型）。

4. 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。這適用於波焊或迴焊製程。應遵守處理靜電放電（ESD）敏感元件的標準預防措施。元件應儲存在規定的儲存溫度範圍-55°C至+125°C內的環境中。

5. 包裝與訂購資訊

料號格式為：6N13XY(Z)-V。'X'為料號（6N138為8，6N139為9）。'Y'表示引腳形式選項：無標示為標準DIP（45顆/管），'M'為寬腳距彎腳（45顆/管），'S'為表面黏著型，'S1'為薄型表面黏著型。'Z'指定SMD元件的捲帶包裝選項：'TA'或'TB'（1000顆/捲）。'V'為VDE認證的可選後綴。使用者必須根據組裝需求選擇正確的組合。

6. 應用建議

6.1 典型應用場景

規格書列出了幾個關鍵應用：數位邏輯接地隔離、RS-232C線路接收器、低輸入電流線路接收器、微處理器匯流排隔離以及電流迴路接收器。其高CTR特性使其非常適合直接介接微控制器GPIO腳位、在嘈雜環境中隔離感測器訊號，或在如RS-232或RS-485等序列通訊線路中提供電氣隔離。

6.2 設計考量

1. 輸入電流限制：必須使用外部串聯電阻來限制LED順向電流（IF），使其在絕對最大額定值與期望的工作範圍內。所需電阻值為（驅動電壓 - VF）/ IF。輸出負載：輸出電晶體作為電流汲極使用。應選擇負載電阻（連接於VCC與腳位6之間）以設定所需的輸出電壓擺幅與開關速度。較小的電阻可提高速度，但也會增加功耗。速度與穩定性權衡：從基極腳位（7）連接一個電阻（通常為10kΩ至1MΩ）到地，可以提高穩定性與抗雜訊能力，但會降低CTR並減慢開關速度。可並聯一個電容以進行進一步濾波。電源去耦：良好的實務做法是在VCC腳位（8）附近放置一個0.1 µF的陶瓷電容接地，以抑制雜訊。

7. 技術比較與差異化

6N138/6N139系列的主要差異化在於其分離式達靈頓配置與極高的CTR。相較於標準單電晶體光耦合器（例如4N25系列），這些元件提供了顯著更高的靈敏度，使其能直接被低電流CMOS邏輯驅動。相較於較新的數位隔離器，它們提供了一種更簡單、類比的解決方案，對於需要基本隔離但無需超高速度或複雜協定的應用而言，具有極高的成本效益。可用的基極腳位為設計人員提供了獨特的自由度，可據此調整頻率響應與抗雜訊能力。

8. 常見問題（基於技術參數）

Q1：6N138與6N139的主要區別是什麼？

A1：關鍵區別在於其電氣規格。6N139通常提供更好的性能：更高的最小CTR（在IF=1.6mA時為500%對比300%）、關斷狀態下更低的輸出漏電流，以及測試條件下略有不同的開關特性。6N138是規格較低的型號。

Q2：如何選擇輸入限流電阻的值？

A2：根據您的應用需求確定所需的順向電流（IF）（例如，1.6 mA可在速度與CTR之間取得良好平衡）。測量或使用規格書中的典型VF值（1.3V）。如果您的驅動電壓為5V，則電阻 R = (5V - 1.3V) / 0.0016A = 2312.5Ω。選擇一個標準的2.2kΩ電阻是合適的。

Q3：為什麼我的光耦合器開關速度很慢？

A3：開關速度受IF和負載電阻RL的影響很大。要提高速度，您可以：a) 增加LED驅動電流（IF）。b) 減小輸出集極上的負載電阻（RL）值。c) 可選地，使用基極腳位（7）連接一個小電阻到地以釋放儲存電荷，但這會降低CTR。

Q4：共模暫態耐受度是什麼意思？

A4：它衡量元件忽略同時出現在隔離屏障輸入端與輸出端的快速電壓突波的能力。高CMTI值（如1000 V/µs）意味著輸出不會因此類雜訊而誤觸發，這在嘈雜的電源環境中至關重要。

9. 實務設計案例

案例：為RS-232通訊隔離微控制器UART訊號。

微控制器的3.3V UART TX線路在連接到不同接地層的RS-232收發器晶片之前需要隔離。可以使用一個6N139。微控制器腳位透過一個1kΩ電阻驅動LED（IF ~ (3.3V-1.3V)/1k = 2mA）。輸出集極（腳位6）透過一個4.7kΩ上拉電阻連接到RS-232晶片的輸入腳位，該上拉電阻另一端接至RS-232晶片的VCC（5V）。基極腳位（7）保持開路或透過一個大電阻（例如1MΩ）接地以提高穩定性。這個簡單的電路提供了穩健的隔離，保護微控制器免受RS-232線路上的接地偏移或突波影響，並維持訊號完整性。

10. 工作原理

該元件基於光電耦合原理運作。施加到輸入腳位（陽極與陰極）的電流會使紅外線發光二極體（LED）發光。此光線穿過透明的隔離間隙，照射到分離式達靈頓對矽光電晶體的光敏基極區域。入射光產生基極電流，並由兩個電晶體級放大，從而在輸出端產生更大的集極電流。分離式配置通常意味著第一個電晶體的基極是可存取的（腳位7），允許外部偏置。輸入LED與輸出電晶體之間的完全電氣隔離由具有高介電強度的模製塑膠封裝提供。

11. 產業趨勢與背景

像6N138/139這樣的光耦合器代表了一種成熟可靠的隔離技術。當前訊號隔離的趨勢包括基於CMOS及射頻或電容耦合的數位隔離器的發展，它們提供了更優異的速度、功率效率與整合度（單一封裝內含多個通道）。然而，光耦合器在某些領域仍保持強大優勢：它們提供非常高的工作電壓隔離（數千伏特）、出色的共模暫態耐受度、簡單性以及對高壓dv/dt應力的穩健性。它們通常在高雜訊工業環境、電源供應器回授迴路以及已驗證的可靠性和安全認證至關重要的應用中更受青睞。新型LED與偵測器材料的發展持續改善光耦合器的速度與CTR，確保其與新技術並存仍具相關性。