EL847-Serie Photokoppler Datenblatt - 16-Pin DIP-Gehäuse - Isolationsspannung 5000Veff - CTR 50-600% - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL847-Serie stellt eine Familie von vierkanaligen Phototransistor-Photokopplern dar, die in einem standardmäßigen 16-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) untergebracht sind. Jeder Kanal integriert eine infrarotemittierende Diode, die optisch mit einem Phototransistor-Detektor gekoppelt ist und eine robuste elektrische Isolation zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen bietet. Dieses Bauteil ist für eine zuverlässige Signalübertragung in Umgebungen konzipiert, in denen Potenzialdifferenzen und Störfestigkeit kritische Anliegen sind.

Die Kernfunktion besteht darin, elektrische Signale mittels Licht zu übertragen und so eine galvanische Trennung zu erreichen. Dies verhindert Erdungsschleifen, unterdrückt Störungen und schützt empfindliche Schaltkreise vor Hochspannungstransienten. Die Serie ist sowohl in der Standard-Durchsteckbauform (DIP) als auch in Oberflächenmontage-Bauform (SMD) erhältlich und bietet Flexibilität für verschiedene Leiterplattenbestückungsprozesse.

2. Vertiefung der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F): 60 mA (Dauerbetrieb). Dies ist der maximale Gleichstrom, der an die Eingangs-LED angelegt werden kann.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP): 1 A für 1 μs Impuls. Ermöglicht kurze, hochstromige Impulse zum Ansteuern oder Testen.
• Sperrspannung (V_R): 6 V. Die maximale Sperrspannung, die die Eingangs-LED aushalten kann.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO): 80 V. Die maximale Spannung, die der Ausgangs-Phototransistor im gesperrten Zustand blockieren kann.
• Kollektorstrom (I_C): 50 mA. Der maximale Dauerstrom, den der Ausgangstransistor führen kann.
• Isolationsspannung (V_ISO): 5000 V_efffür 1 Minute. Ein wichtiger Sicherheitsparameter, der die Durchschlagsfestigkeit zwischen Eingangs- und Ausgangsseite angibt.
• Betriebstemperatur (T_OPR): -55°C bis +110°C. Gibt den Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb an.
• Löttemperatur (T_SOL): 260°C für 10 Sekunden. Definiert die Toleranz des Reflow-Lötprofils.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen (T_A= 25°C, sofern nicht anders angegeben).

2.2.1 Eingangseigenschaften (LED-Seite)

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,2V, maximal 1,4V bei I_F= 20 mA. Wird zur Berechnung des erforderlichen Vorwiderstands verwendet.
• Sperrstrom (I_R): Maximal 10 μA bei V_R= 4V. Zeigt einen sehr geringen Leckstrom an, wenn die LED in Sperrrichtung betrieben wird.
• Eingangskapazität (C_in): Typisch 30 pF, maximal 250 pF. Beeinflusst die Hochfrequenz-Schaltfähigkeit auf der Eingangsseite.

2.2.2 Ausgangseigenschaften (Phototransistor-Seite)

• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO): Maximal 100 nA bei V_CE= 20V, I_F= 0mA. Der Leckstrom, wenn die LED ausgeschaltet ist; ein niedrigerer Wert ist besser für die Störfestigkeit.
• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (BV_CEO): Mindestens 80V bei I_C= 0,1mA. Bestätigt die Hochspannungs-Sperrfähigkeit.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)): Typisch 0,1V, maximal 0,2V bei I_F= 20mA, I_C= 1mA. Der Spannungsabfall über dem Transistor, wenn er vollständig leitend (gesättigt) ist. Ein niedriger Wert ist wünschenswert, um Leistungsverluste zu minimieren.

2.2.3 Übertragungseigenschaften

• Stromübertragungsverhältnis (CTR): 50% bis 600% bei I_F= 5mA, V_CE= 5V. Dies ist der kritischste Parameter, definiert als (I_C/ I_F) * 100%. Er stellt die Effizienz der Umwandlung von Eingangsstrom in Ausgangsstrom dar. Der breite Bereich zeigt an, dass das Bauteil in verschiedenen Verstärkungsstufen erhältlich ist.
• Isolationswiderstand (R_IO): Mindestens 5 x 10¹⁰Ω bei V_IO= 500V DC. Extrem hoher Widerstand zwischen den isolierten Seiten, der minimalen Leckstrom gewährleistet.
• Koppelkapazität (C_IO): Typisch 0,6 pF, maximal 1,0 pF. Die parasitäre Kapazität über die Isolationsbarriere, die die Gleichtakt-Transientenfestigkeit und die Hochfrequenz-Störkopplung beeinflusst.
• Grenzfrequenz (f_c): Typisch 80 kHz bei V_CE= 5V, I_C= 2mA, R_L= 100Ω. Die -3dB-Bandbreite, die die maximal nutzbare digitale Signalfrequenz angibt.
• Anstiegszeit (t_r) & Abfallzeit (t_f): Typisch 6 μs bzw. 8 μs (max. jeweils 18 μs) unter spezifizierten Testbedingungen. Diese Schaltgeschwindigkeitsparameter sind entscheidend für die Bestimmung der maximalen Datenraten in digitalen Anwendungen.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien (obwohl im bereitgestellten Text nicht detailliert). Diese würden typischerweise die Beziehung zwischen Schlüsselparametern veranschaulichen und geben Entwicklern ein tieferes Verständnis des Bauteilverhaltens über die tabellierten Min./Typ./Max.-Werte hinaus.

• CTR vs. Durchlassstrom (I_F): Zeigt, wie sich die Effizienz mit dem Treiberstrom ändert, oft mit einem Peak bei einem spezifischen I_F.
• CTR vs. Temperatur: Veranschaulicht den negativen Temperaturkoeffizienten des CTR, der typischerweise mit steigender Temperatur abnimmt. Dies ist entscheidend für das Design stabiler Schaltungen über den gesamten Temperaturbereich.
• Ausgangsstrom (I_C) vs. Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE): Kennlinienschar, die die Ausgangseigenschaften des Phototransistors für verschiedene Eingangsströme zeigt, ähnlich den Ausgangskennlinien eines Bipolartransistors.
• Sättigungsspannung (V_CE(sat)) vs. Kollektorstrom (I_C): Zeigt, wie der Durchlassspannungsabfall mit dem Laststrom zunimmt.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil wird in zwei primären Anschlussbauformen angeboten:

1. Standard-DIP-Typ: Durchsteckgehäuse mit 16 Pins auf einem Rastermaß von 2,54mm (100-mil). Detaillierte Maßzeichnungen spezifizieren Gehäuselänge, -breite, -höhe, Pinlänge und -abstände.
2. Option S Typ (Oberflächenmontage): Gullwing-Anschlussform für SMD-Bestückung. Die Abmessungen umfassen Fußabdruckempfehlungen für das Leiterplatten-Land-Pattern-Design.

Ein wichtiges sicherheitsrelevantes mechanisches Merkmal ist derKriechstreckevon >7,62 mm zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite des Gehäuses. Dies ist der kürzeste Abstand entlang der Oberfläche des isolierenden Gehäuses zwischen leitenden Teilen und ist wesentlich für die Einhaltung von Sicherheitsnormen bei hoher Isolationsspannung.

4.2 Pinbelegung und Schaltplan

Die Pin-Konfiguration ist einfach und über alle Kanäle hinweg konsistent:

• Pin 1, 3, 5, 7: Anode für Kanal 1-4 jeweils.
• Pin 2, 4, 6, 8: Kathode für Kanal 1-4 jeweils.
• Pin 9, 11, 13, 15: Emitter für Kanal 1-4 jeweils.
• Pin 10, 12, 14, 16: Kollektor für Kanal 1-4 jeweils.

Diese Anordnung gruppiert alle Eingänge auf einer Seite (Pin 1-8) und alle Ausgänge auf der gegenüberliegenden Seite (Pin 9-16) und verstärkt physikalisch die Isolationsbarriere.

4.3 Bauteilkennzeichnung

Bauteile sind oben mit \"EL847\" (Bauteilenummer) gekennzeichnet, gefolgt von einem einstelligen Jahrescode (Y), einem zweistelligen Wochencode (WW) und einem optionalen \"V\"-Suffix, das die VDE-Zulassung für diese Einheit kennzeichnet.

5. Löt- & Bestückungsrichtlinien

5.1 Reflow-Lötprofil

Das Datenblatt enthält ein detailliertes Reflow-Profil, das mit IPC/JEDEC J-STD-020D für bleifreies Löten konform ist:

• Vorwärmen: 150°C bis 200°C über 60-120 Sekunden.
• Zeit oberhalb Liquidus (T_L=217°C): 60-100 Sekunden.
• Spitzentemperatur (T_P): Maximal 260°C.
• Zeit innerhalb 5°C der Spitze: Maximal 30 Sekunden.
• Maximale Aufheizrate: 3°C/Sekunde von T_smaxbis T_p.
• Maximale Abkühlrate: 6°C/Sekunde.
• Gesamtzykluszeit: Maximal 8 Minuten von 25°C bis zur Spitze.
• Anzahl der Reflow-Zyklen: Das Bauteil kann bis zu 3 Reflow-Zyklen aushalten.

Die Einhaltung dieses Profils ist entscheidend, um Rissbildung im Gehäuse, Delamination oder Schäden am internen Chip und den Bonddrähten aufgrund von thermischer Belastung zu verhindern.

6. Verpackung & Bestellinformationen

Die EL847-Serie wird mit folgender Artikelnummernstruktur bestellt:EL847X-V.

• X: Anschlussbauform-Option. \"S\" für Oberflächenmontage, leer (keine) für Standard-DIP.
• V: Optionales Suffix, das angibt, dass die VDE-Sicherheitszulassung für diese spezifische Einheit enthalten ist.

Verpackung: Beide Varianten werden in Tubes geliefert, die jeweils 20 Einheiten enthalten.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Der EL847 ist vielseitig und kann in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt werden:

1. Digitale Signalisolierung: Schalten Sie die Eingangs-LED in Reihe mit einem Vorwiderstand an einen Mikrocontroller-GPIO-Pin. Der Ausgangskollektor kann über einen Widerstand an die Logikspannung der isolierten Seite gezogen werden. Der Emitter wird typischerweise geerdet. Dies ermöglicht eine störsichere Übertragung von EIN/AUS-Signalen, z.B. in SPS-E/A-Modulen.
2. Analoge Signalisolierung (Linearer Betrieb): Durch Betrieb des Phototransistors in seinem linearen Bereich (nicht gesättigt) kann der Ausgangsstrom annähernd proportional zum Eingangs-LED-Strom gemacht werden. Dies erfordert eine sorgfältige Vorspannung und unterliegt CTR-Schwankungen und Temperaturdrift. Es wird oft für niederfrequente, ungenaue analoge Isolation verwendet.
3. Ansteuern kleiner Lasten: Der Ausgang kann kleine Lasten wie Relais, LEDs oder Optotriac-Treiber direkt ansteuern, sofern die Kollektorstrom- und Spannungsgrenzwerte nicht überschritten werden.

7.2 Designüberlegungen & Best Practices

• CTR-Auswahl und Schaltungsdesign: Der breite CTR-Bereich (50-600%) erfordert ein sorgfältiges Design. Für digitales Schalten wählen Sie eine CTR-Stufe, die die Sättigung des Ausgangstransistors beim minimal spezifizierten CTR mit Ihrem gewählten I_Fund Lastwiderstand (R_L) garantiert. Die Bedingung I_C= CTR_min* I_Fmuss größer sein als V_CC/R_Lum Sättigung sicherzustellen.
• Geschwindigkeit vs. Strom-Kompromiss: Ein höherer I_Fverbessert im Allgemeinen die Schaltgeschwindigkeit (verringert t_r/t_f), verringert aber den CTR über die Zeit aufgrund von LED-Alterung. Ein Design sollte den niedrigsten I_Fverwenden, der Geschwindigkeits- und Störfestigkeitsanforderungen erfüllt.
• Störfestigkeit und Entkopplung: Um die Gleichtakt-Transientenfestigkeit (CMTI) zu verbessern, verwenden Sie einen Entkopplungskondensator (z.B. 0,1 μF) zwischen Versorgung und Masse auf beiden Seiten, möglichst nah an den Bauteilpins platziert. Dies hilft, die Auswirkungen der internen Koppelkapazität (C_IO) auszugleichen.
• Wärmeableitung: Beachten Sie die Grenzwerte für die Gesamtverlustleistung (P_TOT= 200 mW). Die Leistung wird berechnet als (I_F* V_F) auf der Eingangsseite plus (I_C* V_CE) auf der Ausgangsseite.

8. Technischer Vergleich & Hauptvorteile

Der EL847 unterscheidet sich auf dem Markt durch mehrere Schlüsselmerkmale:

• Hohe Isolationsspannung (5000 V_eff): Übertrifft die Anforderungen vieler industrieller Steuerungs- und Stromversorgungsanwendungen und bietet eine erhebliche Sicherheitsmarge.
• Breiter Betriebstemperaturbereich (-55°C bis +110°C): Geeignet für raue industrielle und automotive Umgebungen, in denen Temperatur-Extreme häufig sind.
• Umfassende Sicherheitszulassungen: UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC-Zulassungen vereinfachen die Integration des Bauteils in Endprodukte, die für verschiedene globale Märkte zertifiziert werden müssen.
• Vier Kanäle in einem Gehäuse: Bietet Platzeinsparung auf der Leiterplatte und Kosteneffizienz im Vergleich zur Verwendung von vier einkanaligen Optokopplern für Mehrfachsignal-Isolierungsaufgaben.
• Zwei Gehäuseoptionen: Verfügbarkeit sowohl in Durchsteck- (DIP) als auch Oberflächenmontage-Bauform (SMD) bietet Flexibilität für Prototyping und automatisierte Serienbestückung.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F1: Wie wähle ich den richtigen Vorwiderstand für die Eingangs-LED?

A1: Verwenden Sie die Formel: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F. Verwenden Sie den maximalen V_F-Wert aus dem Datenblatt (1,4V) für ein Worst-Case-Design, um sicherzustellen, dass I_Fnicht überschritten wird. Wählen Sie I_Fbasierend auf erforderlichem CTR und Geschwindigkeit; 5-20 mA ist typisch.

F2: Meine Schaltung schaltet nicht vollständig durch. Die Ausgangsspannung wird nicht niedrig genug. Was ist falsch?

A2: Der Phototransistor erreicht wahrscheinlich keine Sättigung. Dies ist meist ein CTR-Problem. Überprüfen Sie, ob Ihr Design den minimalen CTR (50%) für die Berechnungen verwendet. Erhöhen Sie I_Foder erhöhen Sie den Wert des Pull-Up-Widerstands R_Lam Kollektor, um den für die Sättigung erforderlichen I_Czu verringern (I_C(sat)≈ V_CC/R_L).

F3: Kann ich dies zur Isolierung analoger Signale wie Sensorausgänge verwenden?

A3: Es ist möglich, aber herausfordernd. Die Linearität des Phototransistors ist schlecht und der CTR variiert stark mit Temperatur und von Bauteil zu Bauteil. Für genaue analoge Isolation werden dringend dedizierte Isolationsverstärker oder lineare Optokoppler (die eine Rückkopplung zur Kompensation von Nichtlinearitäten enthalten) empfohlen.

F4: Was bedeutet die Kriechstrecke >7,62 mm?

A4: Kriechstrecke ist der kürzeste Weg entlang der Oberfläche des isolierenden Gehäuses zwischen leitenden Teilen (z.B. Eingangspin 1 und Ausgangspin 9). Eine längere Kriechstrecke verhindert Kriechstrom (Überschlag über die Oberfläche aufgrund von Verschmutzung oder Feuchtigkeit) und ist eine zwingende Voraussetzung für Sicherheitszertifizierungen bei hohen Isolationsspannungen wie 5000 V_eff.

10. Praktische Design-Fallstudie

Szenario: Isolierung von vier digitalen Steuersignalen von einem Mikrocontroller zu einem 24V-Industrieaktor-Treiber.

1. Anforderungen: Signalfrequenz < 1 kHz, hohe Störfestigkeit, Isolation für Sicherheit und Vermeidung von Erdungsschleifen.
2. Design-Entscheidungen:
   • Bauteil: EL847 (Standard DIP).
   • Eingangsseite: Mikrocontroller-GPIO (3,3V, 20mA-fähig). Wählen Sie I_F= 10 mA für gute Geschwindigkeit und Lebensdauer. R_limit= (3,3V - 1,4V) / 0,01A = 190Ω. Verwenden Sie einen Standard-200Ω-Widerstand.
   • Ausgangsseite: Der Aktortreiber erwartet ein 24V-Logik-High, wird für EIN auf Masse gezogen. Verbinden Sie den Kollektor über einen Pull-Up-Widerstand mit der 24V-Versorgung. Wählen Sie R_Lso, dass Sättigung bei minimalem CTR sichergestellt ist. Erforderlicher I_C(sat)> 24V / R_L. Mit CTR_min=50% und I_F=10mA, I_C>= 5mA. Daher muss R_L< 24V / 0,005A = 4,8 kΩ sein. Ein 3,3 kΩ-Widerstand wird gewählt, was I_C(sat)≈ 7,3mA ergibt, was gut innerhalb der 50mA-Bewertung des Bauteils liegt und eine gute Marge bietet.
   • Entkopplung: Fügen Sie einen 0,1 μF-Keramikkondensator zwischen Pin 10 (Kollektor 1) und Pin 9 (Emitter 1) hinzu, und ähnlich für andere Kanäle, um die Störfestigkeit zu verbessern.
3. Ergebnis: Eine robuste, elektrisch isolierte Schnittstelle, die in der Lage ist, Steuersignale in einer elektrisch gestörten industriellen Umgebung zuverlässig zu übertragen.

11. Funktionsprinzip

Die Funktion eines Photokopplers basiert auf elektro-optisch-elektrischer Wandlung. Wenn ein Durchlassstrom (I_F) an die Eingangs-Infrarot-Emissionsdiode (IRED) angelegt wird, emittiert sie Photonen (Licht) mit einer Wellenlänge von typischerweise etwa 940 nm. Dieses Licht durchquert einen transparenten Isolationsspalt (oft aus Vergussmasse oder Luft) innerhalb des Gehäuses. Das Licht trifft auf die Basisregion des Ausgangs-Silizium-Phototransistors. Die absorbierten Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare, was einen Basisstrom erzeugt, der den Transistor einschaltet und einen Kollektorstrom (I_C) fließen lässt. Der entscheidende Punkt ist, dass die einzige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang der Lichtstrahl ist, was die galvanische Trennung bereitstellt. Das Verhältnis I_C/I_Fist das Stromübertragungsverhältnis (CTR), das von der Lumenausbeute der LED, der Empfindlichkeit des Phototransistors und der optischen Kopplungseffizienz zwischen ihnen abhängt.

12. Branchentrends & Kontext

Photokoppler wie der EL847 bleiben grundlegende Komponenten in der Leistungselektronik, industriellen Automatisierung und erneuerbaren Energiesystemen, wo Hochspannungsisolation unverzichtbar ist. Der Trend in diesem Sektor geht zu:

• Höherer Geschwindigkeit: Entwicklung digitaler Isolatoren basierend auf CMOS-RF- oder kapazitiver Kopplungstechnologie mit Datenraten im Mbps- bis Gbps-Bereich, die die ~100 kHz-Grenze traditioneller Phototransistor-Koppler bei weitem übertreffen.
• Höherer IntegrationKombination von Isolation mit anderen Funktionen wie Gate-Treibern, ADC-Schnittstellen oder USB/I2C/SPI-Isolatoren in einzelnen Gehäusen.
• Verbesserte Zuverlässigkeit & Lebensdauer: Fokus auf LED-Technologie mit geringerem Degradationsverhalten über Zeit und Temperatur, was zu einem stabileren CTR über die Lebensdauer des Produkts führt.
• Miniaturisierung: Bewegung hin zu kleineren, oberflächenmontierbaren Gehäusen wie SOIC-8 und noch kleiner, bei gleichzeitiger Beibehaltung oder Verbesserung der Isolationswerte.

Trotz dieser Trends behalten Phototransistor-basierte Photokoppler aufgrund ihrer Einfachheit, Robustheit, hohen Isolationsspannungsfähigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Kosteneffektivität für Anwendungen, die mittlere bis niedrige Signalisolierungsgeschwindigkeiten erfordern – wie die im EL847-Datenblatt aufgeführten programmierbaren Steuerungen, Haushaltsgeräte und Telekommunikationsausrüstung – eine starke Relevanz. Ihre umfassenden Sicherheitszertifizierungen machen sie zu einer vertrauenswürdigen Wahl für Designs, die regulatorische Zulassungen erfordern.