EL815-Serie Photodarlington-Optokoppler Datenblatt - 4-Pin-DIP-Gehäuse - Isolationsspannung 5000Veff - CTR 600-7500% - Betriebstemperatur -55 bis +110°C - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL815-Serie stellt eine Familie von hochwertigen Photodarlington-Optokopplern dar, die in einem kompakten 4-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) untergebracht sind. Die Kernfunktion dieses Bauteils ist die Bereitstellung einer elektrischen Isolation und Signalübertragung zwischen zwei Schaltkreisen mit unterschiedlichen Potenzialen oder Impedanzen. Dies wird durch eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) auf der Eingangsseite erreicht, die optisch mit einem Photodarlington-Transistor auf der Ausgangsseite gekoppelt ist. Dieses Design gewährleistet eine vollständige galvanische Trennung, verhindert Masseschleifen und schützt empfindliche Schaltungen vor Spannungsspitzen oder Störungen aus dem anderen Schaltkreis.

Die Photodarlington-Konfiguration bietet ein sehr hohes Stromübertragungsverhältnis (CTR), was sie hochempfindlich macht und für Anwendungen geeignet ist, bei denen ein kleiner Eingangsstrom einen größeren Ausgangsstrom steuern muss. Ein wesentlicher Vorteil dieser Serie ist ihre Konformität mit verschiedenen internationalen Sicherheits- und Umweltstandards, einschließlich halogenfreier Anforderungen, RoHS und EU REACH, was sie für globale Märkte und umweltbewusste Designs geeignet macht.

2. Detaillierte Betrachtung der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Limits, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F): 60 mA (DC). Dies ist der maximale Dauerstrom, der durch die Eingangs-Infrarot-LED getrieben werden kann.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP): 1 A für 1 µs Impuls. Die LED kann kurze, hochstromstarke Impulse verkraften, was für bestimmte Schalt- oder Transientenbedingungen nützlich ist.
• Eingangs-Sperrspannung (V_R): 6 V. Die maximale Sperrspannung, die an die Eingangs-LED angelegt werden kann.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO): 35 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter des Ausgangs-Photodarlington-Transistors aufrechterhalten werden kann, wenn die Basis offen ist.
• Kollektorstrom (I_C): 80 mA. Der maximale Dauerstrom, den der Ausgangstransistor führen kann.
• Gesamtverlustleistung (P_TOT): 200 mW. Die maximale kombinierte Verlustleistung, die von den Eingangs- und Ausgangssektionen des Bauteils abgeführt werden kann.
• Isolationsspannung (V_ISO): 5000 V_efffür 1 Minute. Dieser kritische Parameter spezifiziert die Hochspannungs-Isolationsfähigkeit zwischen Eingangs- und Ausgangsseite, getestet mit kurzgeschlossenen Pins 1-2 und kurzgeschlossenen Pins 3-4.
• Betriebstemperatur (T_OPR): -55°C bis +110°C. Der Umgebungstemperaturbereich, für den der Betrieb des Bauteils spezifiziert ist.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden unter festgelegten Testbedingungen (typischerweise T_a= 25°C) gemessen und definieren die Leistungsfähigkeit des Bauteils.

2.2.1 Eingangseigenschaften

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,2V, maximal 1,4V bei I_F= 20 mA. Dies ist der Spannungsabfall über der Infrarot-LED im leitenden Zustand.
• Sperrstrom (I_R): Maximal 10 µA bei V_R= 4V. Der geringe Leckstrom, wenn die LED in Sperrrichtung betrieben wird.

2.2.2 Ausgangseigenschaften

• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO): Maximal 1 µA bei V_CE= 10V, I_F= 0mA. Der Leckstrom des Ausgangstransistors, wenn die Eingangs-LED ausgeschaltet ist.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)): Typisch 0,8V, maximal 1,0V bei I_F= 20mA, I_C= 5mA. Die Spannung über dem Ausgangstransistor, wenn er vollständig eingeschaltet (gesättigt) ist. Ein niedrigerer Wert ist wünschenswert, um Leistungsverluste zu minimieren.

2.2.3 Übertragungseigenschaften

• Stromübertragungsverhältnis (CTR): 600% (Min) bis 7500% (Max) bei I_F= 1mA, V_CE= 2V. Dies ist der wichtigste Parameter für einen Optokoppler, definiert als (I_C/ I_F) * 100%. Der extrem breite Bereich zeigt an, dass das Bauteil in mehreren Empfindlichkeitsklassen verfügbar ist. Ein hoher CTR ermöglicht eine effiziente Signalübertragung mit minimalem Eingangssteuerstrom.
• Isolationswiderstand (R_IO): Mindestens 5 x 10¹⁰Ω bei V_IO= 500V DC. Dies zeigt den extrem hohen Gleichstromwiderstand zwischen den isolierten Seiten an.
• Anstiegszeit (t_r): Typisch 60 µs, maximal 300 µs. Abfallzeit (t_f): Typisch 53 µs, maximal 250 µs. Diese Parameter, zusammen mit einer Grenzfrequenz (f_c) von typisch 6 kHz, definieren die Schaltgeschwindigkeit des Bauteils. Die Photodarlington-Struktur hat von Natur aus langsamere Schaltzeiten im Vergleich zu Phototransistoren oder Photo-IC-Kopplern, was sie eher für Gleichstrom- und niederfrequente Wechselstromanwendungen geeignet macht als für Hochgeschwindigkeits-Digitalisolation.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter nicht standardmäßigen Bedingungen wesentlich sind. Obwohl die spezifischen Grafiken nicht im Text wiedergegeben sind, sind ihre Auswirkungen für das Design entscheidend.

• CTR vs. Durchlassstrom (I_F): Typischerweise nimmt der CTR mit steigendem Durchlassstrom ab. Entwickler müssen diese Kurve konsultieren, um den optimalen Arbeitspunkt für ihren benötigten Ausgangsstrom und Übertragungswirkungsgrad auszuwählen.
• CTR vs. Umgebungstemperatur (T_a): Der CTR ist temperaturabhängig und nimmt normalerweise bei Temperaturextremen ab. Diese Kurve ist entscheidend, um einen zuverlässigen Betrieb über den spezifizierten Bereich von -55°C bis +110°C sicherzustellen. Designs für raue Umgebungen müssen die Leistung basierend auf diesen Daten reduzieren.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE): Diese Ausgangskennlinien, parametriert durch verschiedene Eingangsströme (I_F), zeigen die Arbeitsbereiche (Sättigung, aktiver Bereich) des Photodarlingtons. Sie werden verwendet, um die Arbeitsgerade zu bestimmen und sicherzustellen, dass das Bauteil innerhalb sicherer und funktionaler Grenzen arbeitet.
• Schaltzeit-Wellenformen: Die Testschaltung und das Wellenformdiagramm veranschaulichen, wie Anstiegszeit (t_r), Abfallzeit (t_f), Einschaltverzögerung (t_on) und Ausschaltverzögerung (t_off) gemessen werden. Das Verständnis dieser Parameter hilft bei der Gestaltung von Zeitsteuerungsschaltungen und der Vorhersage der Signalintegrität.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der EL815 wird in drei primären Anschlussausführungen angeboten, jeweils mit detaillierten mechanischen Zeichnungen, die alle kritischen Abmessungen in Millimetern spezifizieren.

• Standard-DIP-Typ: Das klassische Durchsteckgehäuse mit Standard-Pinabstand.
• Option M Typ: Zeichnet sich durch eine breite Anschlussbiegung aus, die einen Pinabstand von 0,4 Zoll (ca. 10,16 mm) bietet, was für Kriechstrecken- und Luftstreckenanforderungen auf Leiterplatten vorteilhaft sein kann.
• Option S1 Typ: Eine oberflächenmontierbare (SMD) Anschlussausführung mit niedriger Bauhöhe. Dies ist die SMD-Variante des Gehäuses.

Alle Gehäuse halten einen Kriechstreckenabstand von mehr als 7,62 mm ein, was zur hohen Isolationsspannungsfestigkeit beiträgt.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Markierung

Die Pinbelegung ist für einen 4-Pin-DIP-Optokoppler standardisiert:

1. Anode (Eingangs-LED positiv)
2. Kathode (Eingangs-LED negativ)
3. Emitter (Ausgangstransistor-Emitter)
4. Kollektor (Ausgangstransistor-Kollektor)

Das Bauteil ist oben mit "EL" (bezeichnet die Serie), "815" (die Bauteilnummer), gefolgt von einem einstelligen Jahrescode (Y), einem zweistelligen Wochencode (WW) und optional einem "V" für VDE-geprüfte Versionen markiert.

4.3 Empfohlene SMD-Lötflächengeometrie

Für die S1-Option (Oberflächenmontage) bietet das Datenblatt ein empfohlenes Lötflächenlayout-Diagramm. Die Abmessungen sind als Referenz angegeben, und der Hinweis weist ausdrücklich darauf hin, dass Entwickler die Lötflächenabmessungen basierend auf ihrem spezifischen Leiterplattenfertigungsprozess und Zuverlässigkeitsanforderungen anpassen sollten.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Die absoluten Grenzwerte spezifizieren eine Löttemperatur (T_SOL) von 260°C für 10 Sekunden. Dies ist ein kritischer Parameter für Reflow-Lötprozesse.

• Reflow-Löten: Für die SMD-Montage (S1-Option) sollte ein Standard-Bleifrei-Reflow-Profil mit einer Spitzentemperatur von maximal 260°C für die angegebene Zeit verwendet werden. Das Profil muss kontrolliert werden, um thermischen Schock zu vermeiden.
• Wellen-/Handlöten: Für Durchsteckgehäuse (Standard- und M-Option) können Standard-Wellen- oder Handlöttechniken verwendet werden, jedoch sollte darauf geachtet werden, die Expositionszeit des Bauteilkörpers gegenüber hoher Temperatur zu begrenzen.
• Lagerbedingungen: Der Lagertemperaturbereich ist mit -55°C bis +125°C spezifiziert. Bauteile sollten in einer trockenen, antistatischen Umgebung gelagert werden. Für SMD-Teile, die auf Band und Rolle geliefert werden, sollte die Rolle in ihrer original Feuchtigkeitssperrbeutel mit Trockenmittel gelagert werden, wenn die Bauteile feuchtigkeitsempfindlich sind (obwohl in diesem Datenblatt nicht explizit als MSL-klassifiziert angegeben).

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Struktur der Bestellnummer

Die Artikelnummer folgt dem Format:EL815X(Z)-V

• X: Anschlussausführungsoption.
  • Keine: Standard DIP-4 (100 Stück/Röhrchen).
  • M: Breite Anschlussbiegung, 0,4" Abstand (100 Stück/Röhrchen).
  • S1: Oberflächenmontage-Anschlussausführung, niedrige Bauhöhe.
• Z: Band- und Rollenoption (nur bei S1 anwendbar).
  • TA, TB, TU, TD: Unterschiedliche Band- und Rollenspezifikationen, die die Packungsmenge und die Zuführrichtung beeinflussen.
• V: Optionales Suffix, das die VDE-Sicherheitszulassung kennzeichnet.

6.2 Spezifikationen für Band und Rolle

Detaillierte Maßzeichnungen und Tabellen werden für das Band (Trägerband, Deckband) und die Rolle bereitgestellt. Wichtige Abmessungen umfassen Taschengröße (A, B), Lochdurchmesser (D0), Bauteilabstand (P0), Bandbreite (W) und Rollennabenabmessungen. Die Optionen TA und TB unterscheiden sich in der Zuführrichtung von der Rolle, die in automatischen Bestückungsanlagen korrekt konfiguriert werden muss.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Das Datenblatt listet mehrere Anwendungsbereiche auf: Telefone/Vermittlungsstellen, Ablaufsteuerungen, Systemgeräte, Messinstrumente und Signalübertragung zwischen Schaltkreisen unterschiedlicher Potenziale/Impedanzen. Der hohe CTR und die hohe Isolationsspannung machen ihn besonders geeignet für:

• Mikrocontroller-I/O-Isolation: Schutz eines Niederspannungs-Mikrocontrollers vor höherer Spannung oder störbehafteten industriellen Steuersignalen.
• Netzspannungs-Erfassung: Verwendung des Optokopplers zur Bereitstellung einer isolierten Rückmeldung von einem Triac oder Relais, das eine AC-Last ansteuert.
• Masseschleifen-Unterbrechung: Unterbrechung von Masseschleifen in analogen Signalketten zwischen Sensoren und Datenerfassungssystemen.
• Logikpegelwandlung mit Isolation: Verbindung von Logikschaltungen, die mit unterschiedlichen Spannungspegeln arbeiten, unter Aufrechterhaltung der Isolation.

7.2 Designüberlegungen

• Eingangsstrombegrenzung: Ein Vorwiderstand muss immer mit der Eingangs-LED verwendet werden, um den Durchlassstrom (I_F) auf den gewünschten Wert zu begrenzen, berechnet als (Versorgungsspannung - V_F) / I_F.
• Ausgangslast: Der Ausgangs-Photodarlington fungiert als Stromsenke. Ein Pull-up-Widerstand wird typischerweise vom Kollektor zu einer positiven Versorgungsspannung (V_CC) geschaltet. Der Wert dieses Widerstands und der Last bestimmen den Ausgangsspannungshub und die Schaltgeschwindigkeit.
• Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Empfindlichkeit: Der hohe CTR geht auf Kosten langsamerer Schaltgeschwindigkeiten. Dieses Bauteil ist nicht für Hochfrequenzkommunikation geeignet (z.B. digitale Isolatoren für USB, SPI > 10 kHz). Es ist ideal für Zustandserkennung, langsame Steuersignale und Netzsynchronisation (50/60 Hz).
• Thermische Überlegungen:** Obwohl die Verlustleistung gering ist, kann der Betrieb bei der maximalen Sperrschichttemperatur (abgeleitet aus T_OPRbis zu 110°C) eine Reduzierung der maximal zulässigen Ströme oder Verlustleistung erfordern.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die EL815-Serie nimmt als Photodarlington-Koppler im Vergleich zu anderen Optokopplertypen eine spezifische Nische ein:

• vs. Standard-Phototransistor-Koppler: Photodarlington-Koppler bieten einen viel höheren CTR (oft 10-100x höher), sind aber deutlich langsamer. Wählen Sie einen Phototransistor für moderate Geschwindigkeit (Zehntel kHz) und einen Photodarlington für maximale Empfindlichkeit mit niedrigem Eingangsstrom bei niedrigen Frequenzen.
• vs. Photo-IC- (Logikausgang-) Koppler: Photo-IC-Koppler haben einen digitalen Ausgang (sauberes Schalten) und können sehr schnell sein (MBd-Bereich), haben aber eine feste, oft niedrigere Stromübertragungsfunktion und benötigen eine spezifische Versorgungsspannung auf der Ausgangsseite. Der EL815 bietet einen analogen Stromausgang und kann über einen weiten Bereich von Ausgangsspannungen (bis zu V_CEO) arbeiten.
• vs. Andere Photodarlingtons: Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale des EL815 sind seine hohe 5000V_eff-Isolation, der weite Betriebstemperaturbereich (-55°C bis +110°C) und die Konformität mit wichtigen internationalen Sicherheitszulassungen (UL, VDE, cUL, SEMKO usw.). Die breite CTR-Klassifizierung (600-7500%) ermöglicht die Beschaffung von Teilen, die auf spezifische Empfindlichkeitsanforderungen zugeschnitten sind.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck der hohen Isolationsspannung (5000Veff)?

A: Sie gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb und Sicherheit in Anwendungen, bei denen die isolierten Schaltkreise eine große Potenzialdifferenz aufweisen, wie z.B. in netzfernen Stromversorgungen, industriellen Motorsteuerungen oder medizinischen Geräten. Sie schützt vor Hochspannungstransienten und verhindert Durchschlag.

F: Meine Schaltung muss bei 1 kHz schalten. Ist der EL815 geeignet?

A: Ja, absolut. Mit einer typischen Grenzfrequenz (f_c) von 6 kHz und Anstiegs-/Abfallzeiten im Bereich von Zehnermikrosekunden kann der EL815 problemlos bei 1 kHz schalten. Die Ausgangswellenform wird abgerundet, nicht rechteckig sein, aber für Ein/Aus-Steuerung bei dieser Frequenz ist er vollkommen ausreichend.

F: Wie wähle ich die richtige CTR-Klasse?

A: Wählen Sie einen minimalen CTR, der sicherstellt, dass Ihr Ausgangstransistor mit Ihrem ungünstigsten (niedrigsten) geplanten Eingangsstrom sättigt (vollständig einschaltet). Wenn Ihr Design beispielsweise I_F= 1mA treibt und Sie I_C> 5mA benötigen, um die Last zu sättigen, benötigen Sie einen CTR > 500%. Die Wahl eines Teils aus einer höheren CTR-Klasse bietet mehr Designreserve. Konsultieren Sie stets die CTR-vs.-Temperatur-Kurve für Ihre Betriebsbedingungen.

F: Kann ich diesen für analoge Signalisolierung verwenden?

A: Während möglich, ist es nicht ideal. Der CTR von Photodarlingtons ist nichtlinear und variiert stark mit Temperatur und Durchlassstrom. Für präzise analoge Isolation werden dedizierte lineare Optokoppler oder Isolationsverstärker empfohlen. Der EL815 eignet sich am besten für digitale (Ein/Aus) oder ungenaue analoge Isolation.

10. Praktische Design-Fallstudie

Szenario: Isolierter Digital-Eingang für ein 24V-PLC-Modul.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) muss ein 24V-DC-Sensorsignal lesen, während sie 4000V Isolation für Sicherheit und Störfestigkeit bereitstellt.

1. Schaltungsdesign: Der 24V-Sensorausgang ist in Reihe mit einem strombegrenzenden Widerstand und der Eingangs-LED des EL815 (Pins 1-2) geschaltet. Der Widerstandswert wird für I_F≈ 5-10 mA bei 24V berechnet. Auf der Ausgangsseite ist der Kollektor (Pin 4) über einen 10kΩ Pull-up-Widerstand mit der internen 3,3V-Logikversorgung der SPS verbunden. Der Emitter (Pin 3) ist mit dem internen Masseanschluss der SPS verbunden. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor abgenommen.
2. Bauteilauswahl: Ein EL815 mit einer CTR-Klasse, die Sättigung bei I_F= 5mA sicherstellt, wird gewählt. Die 5000V_eff-Isolation und Sicherheitszulassungen (UL, VDE) erfüllen Industriestandards. Das S1 (SMD)-Gehäuse wird für die hochdichte Leiterplattenbestückung ausgewählt.
3. Leistung: Wenn der 24V-Sensor aktiv ist, leuchtet die LED auf, wodurch der Photodarlington leitet und die Kollektor-Ausgangsspannung niedrig zieht (auf V_CE(sat)≈ 0,8V), was von der SPS als Logik-'0' gelesen wird. Wenn der Sensor aus ist, ist der Photodarlington aus, und der Pull-up-Widerstand zieht den Ausgang auf 3,3V (Logik-'1'). Die Isolationsbarriere schützt die empfindliche SPS-Logik vor Fehlern oder Transienten auf der 24V-Sensorleitung.

11. Funktionsprinzip

Der EL815 arbeitet nach dem grundlegenden Prinzip der optoelektronischen Wandlung. Ein auf die Eingangsseite angelegtes elektrisches Signal verursacht einen Stromfluss (I_F) durch die Infrarot-Leuchtdiode (LED). Diese LED emittiert Infrarotlicht mit einer Intensität proportional zum Durchlassstrom. Das Licht durchquert einen transparenten Isolationsspalt innerhalb des Gehäuses und trifft auf die Basisregion eines Photodarlington-Transistors auf der Ausgangsseite.

Ein Photodarlington besteht im Wesentlichen aus zwei Bipolartransistoren, die in einer Darlington-Konfiguration verbunden sind, wobei der in der Basis-Kollektor-Sperrschicht des ersten Transistors (als Photodiode wirkend) erzeugte Photostrom durch den zweiten Transistor verstärkt wird. Diese Struktur bietet eine sehr hohe Stromverstärkung (h_FE), was sich in dem beobachteten hohen Stromübertragungsverhältnis (CTR) niederschlägt. Der Ausgangskollektorstrom (I_C) wird somit durch die Eingangslichtintensität und damit durch das Eingangssignal gesteuert, ohne jegliche elektrische Verbindung zwischen den beiden Seiten.

12. Technologietrends

Die Optokopplertechnologie entwickelt sich weiter. Während traditionelle Bauteile wie der EL815 für kostensensitive, hochisolierende und hoch-CTR-Anwendungen entscheidend bleiben, sind mehrere Trends bemerkenswert:

• Integration: Neuere Bauteile integrieren zusätzliche Komponenten wie Basis-Emitter-Widerstände am Ausgangstransistor, um die Temperaturstabilität und Schaltgeschwindigkeit zu verbessern.
• Hochgeschwindigkeits-Digitalisolation: Technologien basierend auf RF-Kopplern, Riesenmagnetowiderstand (GMR) oder kapazitiver Kopplung fordern Optokoppler in der Hochgeschwindigkeits-Datenisolation (≥1 Mbps) aufgrund ihrer überlegenen Geschwindigkeit, Stabilität und Langlebigkeit heraus.
• Miniaturisierung: Es gibt einen kontinuierlichen Trend zu kleineren SMD-Gehäusen (z.B. SO-4, SO-5) mit gleichen oder besseren Isolationswerten, angetrieben durch den Bedarf an höherer Leiterplatendichte.
• Erhöhte Zuverlässigkeit: Fokus auf die Verbesserung der langfristigen CTR-Degradation, insbesondere unter Hochtemperatur- und Hochstrom-Belastungsbedingungen, um den Anforderungen von Automobil- und Industrieanwendungen mit längeren Lebensdauern gerecht zu werden.

Trotz dieser Trends behält der grundlegende Photodarlington-Koppler, wie er durch die EL815-Serie verkörpert wird, aufgrund seiner Einfachheit, Robustheit, hohen Isolationsfähigkeit und hervorragenden Leistung in seinem vorgesehenen Nieder- bis Mittelfrequenzbereich eine starke Marktposition.