6-Pin DIP 零交越三端雙向可控矽驅動器光耦合器 EL303X/304X/306X/308X 系列規格書 - 電壓 250V-800V - 隔離 5000Vrms - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

EL303X、EL304X、EL306X 及 EL308X 系列是專為零交越三端雙向可控矽驅動而設計的 6-Pin 雙列直插式封裝光耦合器家族。這些元件作為低壓邏輯控制電路與高壓交流電源線之間的關鍵介面，實現交流負載的安全高效開關。其核心功能是提供電氣隔離，並在交流電壓波形的零交越點觸發外部功率三端雙向可控矽，從而最大限度地減少電磁干擾和湧入電流。

此系列主要以其峰值阻斷電壓能力區分，範圍從 EL303X 的 250V 到 EL308X 的 800V，使其適用於從 110VAC 到 380VAC 的廣泛線路電壓。一個關鍵特點是整合了零交越偵測電路，確保輸出三端雙向可控矽僅在交流線路電壓接近零伏特時觸發。此元件常用作固態繼電器、馬達控制器以及各種工業和消費性家電控制的核心元件。

2. 技術參數深度客觀解讀

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。不保證在此條件下運作。

• 輸入順向電流 (IF)：流經紅外線 LED 的最大連續電流為 60 mA。超過此值可能導致 LED 性能下降或損壞。
• 輸入逆向電壓 (VR)：LED 可承受高達 6V 的反向偏壓。
• 輸入/輸出功率損耗：輸入側 (PD) 額定值為 100 mW，輸出側 (PC) 為 300 mW，並在環境溫度超過 85°C 時有指定的降額因子。元件總損耗 (PTOT) 為 330 mW。
• 關斷狀態輸出端電壓 (VDRM)：這是關鍵的區分參數。EL303X：250V，EL304X：400V，EL306X：600V，EL308X：800V。選擇的元件其 VDRM 額定值必須高於其將阻斷的峰值線路電壓。
• 隔離電壓 (VISO)：5000 Vrms 持續 1 分鐘。此規格定義了輸入與輸出側之間的介電強度，確保安全性並符合法規標準。

2.2 電氣光學特性

這些參數定義了元件在 25°C 正常操作條件下的性能。

2.2.1 輸入特性

• 順向電壓 (VF)：在 IF=30mA 時最大為 1.5V。此值用於計算 LED 驅動電路所需的限流電阻。
• 逆向漏電流 (IR)：在 VR=6V 時最大為 10 µA，表示反向偏壓下漏電流極低。

2.2.2 輸出特性

• 峰值阻斷電流 (IDRM)：當輸出在額定 VDRM 下處於關斷狀態時，漏電流極低（最大 100-500 nA）。漏電流越低，電源效率越好。
• 峰值導通電壓 (VTM)：當輸出三端雙向可控矽導通 100 mA 峰值電流時，最大為 3V。這代表了導通損耗。
• 關斷狀態電壓臨界上升率 (dv/dt)：最小值為 600-1000 V/µs。此參數表示元件抵抗交流線路上快速電壓瞬變導致誤觸發的能力。數值越高越好。
• 抑制電壓 (VINH)：最大值為 20V。如果輸出端之間的電壓超過此值，即使 LED 亮起，零交越電路也會阻止觸發。

2.3 傳輸特性

這些參數定義了輸入 LED 電流與輸出三端雙向可控矽觸發之間的關係。

• LED 觸發電流 (IFT)：這是保證輸出三端雙向可控矽導通所需的最大電流。此系列提供三種靈敏度等級：15 mA (ELxx1)、10 mA (ELxx2) 和 5 mA (ELxx3)。較低的 IFT 允許使用驅動能力較弱的驅動電路。
• 保持電流 (IH)：典型值為 280 µA。一旦觸發，只要流經輸出三端雙向可控矽的電流超過此值，它將保持導通。這對於確保電感性負載的鎖定行為非常重要。

建議的 LED 工作電流應介於所選等級的最大 IFT 與絕對最大 IF 60 mA 之間。工作電流高於 IFT 可確保可靠觸發，但低於 60 mA 可確保長期可靠性。

3. 分級系統說明

此產品家族基於兩個關鍵參數使用清晰的分級系統：

1. 電壓額定值 ('EL' 後的第一位數字)：這是主要分級。
   • EL303X：250V 阻斷電壓。
   • EL304X：400V 阻斷電壓。
   • EL306X：600V 阻斷電壓。
   • EL308X：800V 阻斷電壓。
2. 靈敏度等級 (料號最後一位數字，'X')：這定義了 LED 觸發電流需求。
   • 等級 '1'：最大觸發電流 (IFT) = 15 mA。靈敏度最低。
   • 等級 '2'：最大觸發電流 (IFT) = 10 mA。
   • 等級 '3'：最大觸發電流 (IFT) = 5 mA。靈敏度最高。

例如，EL3062 是一個額定電壓 600V、最大觸發電流 10 mA 的光耦合器。

4. 性能曲線分析

規格書中引用了典型的性能曲線，這些曲線對於理解元件在非標準條件下（例如溫度變化）的行為至關重要。雖然提供的文本中未詳細說明具體圖表，但此類元件的典型曲線包括：

• 順向電流 vs. 順向電壓 (IF-VF)：顯示輸入 LED 的非線性關係，對驅動器設計至關重要。
• 觸發電流 vs. 溫度 (IFT vs. Ta)：觸發輸出所需的 LED 電流通常隨著溫度降低而增加。這對於設計在寒冷環境中運作的可靠系統至關重要。
• 導通電壓 vs. 導通電流 (VTM-ITM)：說明輸出三端雙向可控矽的導通特性。

設計師應查閱完整的規格書圖表，針對其特定的工作溫度範圍適當降額參數。

5. 電路圖與接腳配置

內部電路圖顯示一個紅外線 GaAs LED 透過光耦合到一個包含光敏三端雙向可控矽和零交越偵測電路的矽晶片。

接腳配置 (6-Pin DIP)：

1. 陽極：輸入 LED 的正極端。
2. 陰極：輸入 LED 的負極端。
3. 空接腳 (NC)：此接腳內部未連接。
4. 主端子 2 (MT2)：輸出三端雙向可控矽的主端子之一。
5. 基板：內部連接。請勿外部連接。
6. 主端子 1 (MT1)：輸出三端雙向可控矽的另一個主端子。這通常是閘極觸發訊號的參考點。

輸出端（接腳 4 和 6）設計為與外部更高功率、實際切換負載電流的三端雙向可控矽的閘極串聯連接。

6. 量測方法：靜態 dv/dt

規格書提供了詳細的測試電路和程序，用於量測關斷狀態電壓臨界上升率 (dv/dt)。此測試對於量化元件的抗雜訊能力至關重要。

測試電路：高壓脈衝源透過串聯 RC 網路 (RTEST, CTEST) 連接到待測元件輸出端。LED 關閉 (IF=0)。

程序：施加一個峰值 (VPEAK) 等於額定 VDRM 的脈衝。改變電阻 RTEST 以改變 RC 網路的時間常數 (τ = R*C)，進而改變施加到待測元件的電壓斜坡斜率 (dv/dt)。增加斜率直到待測元件誤觸發。然後降低斜率直到觸發剛好停止。此閾值下的 dv/dt 值計算為 0.632 * VPEAK / τRC。

此量測值必須達到或超過最小 dv/dt 規格（例如，EL308X 為 600 V/µs）。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 固態繼電器：主要應用，為加熱器、燈具和電磁閥等交流負載提供隔離和零交越開關。
• 工業控制：用於連接 PLC 輸出與馬達啟動器、接觸器和閥門致動器。
• 消費性家電：用於智慧插座、調光器和家電控制板，實現安全的交流開關。
• 溫度控制：在恆溫器和烤箱中切換加熱元件。

7.2 設計考量

1. 電壓選擇：選擇 VDRM 額定值高於峰值交流線路電壓並留有安全餘量。對於 240VAC 線路（峰值約 340V），EL304X (400V) 是最低要求，但 EL306X (600V) 能為瞬變提供更好的餘量。
2. LED 驅動電路：計算串聯電阻：R = (Vcc - VF) / I_F_operating。確保 I_F_operating 介於最大 IFT（針對您選擇的等級）和 60mA 之間。對於等級 1 和 2，典型工作電流為 10-20 mA。
3. 緩衝電路：雖然光耦合器本身具有良好的 dv/dt 額定值，但外部功率三端雙向可控矽可能需要在兩端跨接一個 RC 緩衝網路，以抑制來自電感性負載的電壓尖峰，防止誤觸發或損壞。
4. 散熱：遵守功率降額曲線。輸出功率損耗 (PC) 主要來自導通電壓 (VTM) 乘以外部三端雙向可控矽的閘極電流。確保在最高環境溫度下，元件總損耗 (PTOT) 在限制範圍內。

8. 技術比較與差異

與非零交越類型或基本光三端雙向可控矽相比，此零交越三端雙向可控矽驅動器光耦合器系列的關鍵優勢包括：

• 降低電磁干擾：透過在零交越點進行開關，最小化了電流突變 (di/dt)，從而大幅降低了傳導和輻射的電磁干擾。
• 降低湧入電流：在切換白熾燈或加熱元件等電阻性負載時，防止高湧入電流，延長其使用壽命。
• 整合解決方案：將隔離、偵測和觸發功能整合到一個可靠的 6-Pin 封裝中，與離散的零交越電路相比簡化了設計。
• 電壓範圍：廣泛的阻斷電壓範圍（250V 至 800V）涵蓋了單一產品家族中大多數全球交流電源應用。
• 法規符合性：這些元件獲得主要國際安全機構（UL、cUL、VDE 等）的認證，簡化了終端產品的認證流程。

9. 基於技術參數的常見問題

1. 問：我可以在 120VAC 線路上使用 EL303X (250V) 嗎？
   
   答：可以。120VAC 的峰值電壓約為 170V，低於 250V 額定值。然而，為了提高對線路突波的可靠性，通常建議使用更高額定值的元件，例如 EL304X。
2. 問：基板（請勿連接）接腳的用途是什麼？
   
   答：此接腳是矽晶片的內部連接。在外部保持不連接至關重要。連接它可能會短路內部電路並損壞元件。
3. 問：我如何在靈敏度等級 1、2 和 3 之間選擇？
   
   答：等級 3 (5mA) 允許使用阻值更高的限流電阻或驅動能力較弱的驅動 IC（例如來自微控制器），從而節省電力並減輕驅動元件的壓力。如果驅動電路強健且驅動器成本較不考慮，或者應用需要在輸入側具有更高抗雜訊能力，則可選擇等級 1 (15mA)。
4. 問：輸出電流額定值 (IT(RMS)) 僅為 100mA。它能切換 10A 的負載嗎？
   
   答：不能。此元件是一個驅動器。100mA 的輸出設計用於觸發外部更大功率的三端雙向可控矽或閘流體（例如 10A 或 40A 的三端雙向可控矽）的閘極。外部元件處理全部的負載電流。

10. 實務設計案例

情境：設計一個固態繼電器，用 5V 微控制器來切換一個 240VAC、5A 的電阻性加熱元件。

1. 光耦合器選擇：選擇 EL3062。600V 額定值相對於 340V 峰值提供了良好的餘量。等級 2 (10mA IFT) 在靈敏度和驅動能力之間取得了良好的平衡。
2. LED 驅動器：微控制器接腳（5V，最大 20mA）驅動 LED。VF 約 1.3V。R = (5V - 1.3V) / 0.015A = 約 247 歐姆。使用 220 歐姆電阻，結果 IF 約 17mA，遠高於 10mA IFT 且低於 60mA 最大值。
3. 外部功率三端雙向可控矽：選擇一個 600V、10A+ 的三端雙向可控矽（例如 BTA16-600）。將其閘極連接到光耦合器的接腳 6 (MT1)。將光耦合器的接腳 4 (MT2) 透過一個 100-200 歐姆的電阻串聯到交流線路（經由負載）。此電阻限制了功率三端雙向可控矽的閘極電流。
4. 緩衝器：在 BTA16 三端雙向可控矽的主端子 (A1/A2) 兩端跨接一個串聯的 100 歐姆電阻和 0.1µF 電容。
5. 隔離：光耦合器的 5000Vrms 隔離安全地將低壓微控制器電路與危險的交流電源分開。

11. 工作原理

此元件基於光耦合原理運作。當電流通過輸入端的紅外線發光二極體時，它會發射光子。這些光子穿過隔離間隙，照射到輸出側的光敏矽晶片上。該晶片包含一個光觸發三端雙向可控矽和一個零交越偵測電路。偵測電路監測輸出端 (MT1-MT2) 之間的電壓。僅當此電壓低於某個閾值（通常約 20V，即抑制電壓 VINH）且LED 被點亮時，電路才會允許內部三端雙向可控矽觸發。這確保了導通開始於非常接近交流正弦波過零點的時刻。一旦觸發，只要負載電流超過其保持電流 (IH)，三端雙向可控矽就會保持鎖定導通狀態，直到下一個電流零交越點。

12. 訂購資訊

料號遵循格式：EL30XY(Z)-V

• X：電壓系列 (3,4,6,8)。
• Y：靈敏度等級 (1,2,3)。
• 接腳形式選項：
  • 無/M：穿孔式 DIP，管裝。
  • S / S1：表面黏著接腳形式。S1 是薄型版本。
• 捲帶包裝選項 (Z)：SMD 元件使用 TA 或 TB，指定捲帶類型。
• V：表示包含 VDE 安全認證。

範例：EL3062S-TA-V 是一個 600V、等級 2、採用 TA 捲帶包裝的表面黏著元件，並具有 VDE 認證。