EL2514-G Optokoppler Datenblatt - 4-Pin DIP-Gehäuse - Isolationsspannung 5000Veff - CTR 50-200% - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL2514-G-Serie stellt eine Familie von hochwertigen 4-Pin Dual-Inline-Package (DIP) Phototransistor-Optokopplern dar. Diese Bauteile sind für eine zuverlässige galvanische Trennung und Signalübertragung zwischen zwei Schaltkreisen konzipiert. Die Kernkomponente ist eine infrarot-emittierende Diode, die optisch mit einem Silizium-Phototransistor als Detektor gekoppelt ist. Ein wesentliches Designmerkmal des EL2514-G ist seine Optimierung für relativ hohe Schaltgeschwindigkeiten, die selbst mit Lastwiderständen im Kiloohm-Bereich erreichbar sind. Dies macht ihn geeignet für Anwendungen, die sowohl Isolation als auch moderate Bandbreite erfordern.

Die Serie zeichnet sich durch die Einhaltung strenger Umwelt- und Sicherheitsstandards aus. Sie wird als halogenfreies Produkt hergestellt, das spezifische Grenzwerte für Brom (Br) und Chlor (Cl) einhält. Darüber hinaus verfügt sie über Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden wie UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC, was ihre Eignung für globale Märkte und regulierte Anwendungen sicherstellt.

2. Detaillierte technische Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb spezifizierter Grenzen ausgelegt. Das Überschreiten dieser absoluten Grenzwerte kann zu dauerhaften Schäden führen. Zu den wichtigsten Grenzwerten gehören: ein Dauer-Durchlassstrom (I_F) von 50 mA für die Eingangs-LED, ein Spitzen-Durchlassstrom (I_FP) von 0,5 A für einen 1µs-Impuls und eine Sperrspannung (V_R) von 6 V. Auf der Ausgangsseite ist der Kollektorstrom (I_C) mit 20 mA spezifiziert, bei einer Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) von 40 V. Die gesamte Verlustleistung (P_TOT) des Bauteils beträgt 200 mW. Ein kritischer Sicherheitsparameter ist die Isolationsspannung (V_ISO) von 5000 V_eff, getestet für 1 Minute unter spezifischen Feuchtigkeitsbedingungen (40-60% r.F.) mit getrennt kurzgeschlossenen Eingangs- und Ausgangspins. Der Betriebstemperaturbereich ist umfangreich, von -55°C bis +110°C.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen bei 25°C.

2.2.1 Eingangskenngrößen (LED-Seite)

• Durchlassspannung (V_F):Typischerweise 1,2 V, maximal 1,4 V bei einem Betrieb mit I_F= 20 mA. Dies ist entscheidend für die Auslegung der Versorgungsspannung der Treiberschaltung.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 10 µA bei V_R= 4V, was auf gute Diodeneigenschaften hinweist.
• Eingangskapazität (C_in):Liegt typischerweise zwischen 30 pF und maximal 250 pF. Diese Kapazität kann die Hochfrequenz-Treibfähigkeit beeinflussen.

2.2.2 Ausgangskenngrößen (Phototransistor-Seite)

• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE= 10V mit ausgeschalteter LED. Dieser niedrige Leckstrom ist für einen guten \"Aus\"-Zustand wesentlich.
• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (BV_CEO):Mindestens 40 V, gemessen bei I_C= 0,1 mA.
• Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (BV_ECO):Mindestens 0,45 V, was relativ niedrig ist und die Asymmetrie des Phototransistors anzeigt.

2.2.3 Übertragungskenngrößen

• Stromübertragungsverhältnis (CTR):Dies ist eine Kernleistungskennzahl, definiert als (I_C/ I_F) * 100%. Für den EL2514-G liegt der CTR unter Standardtestbedingungen von I_F= 5 mA und V_CE= 5V im Bereich von 50% bis 200%. Dieser weite Bereich erfordert eine geeignete Schaltungsauslegung, um die Bauteilestreuung zu berücksichtigen.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Maximal 0,35 V bei I_F= 5 mA und I_C= 0,4 mA. Eine niedrige Sättigungsspannung ist wünschenswert, um ein starkes Logik-Pegel-\"Low\" am Ausgang zu erreichen.
• Isolationswiderstand (R_IO):Mindestens 5 x 10¹⁰Ω bei 500 V_DC, was eine ausgezeichnete Gleichstromisolierung gewährleistet.
• Schwebekapazität (C_IO):Typischerweise 0,6 pF, maximal 1,0 pF. Diese niedrige Kapazität trägt zu einer hohen Störfestigkeit gegen Gleichtakt-Transienten bei.
• Schaltzeiten:Sowohl die Einschaltzeit (t_on) als auch die Ausschaltzeit (t_off) haben eine maximale Spezifikation von 25 µs unter den Testbedingungen V_CC= 5V, I_F= 5 mA und R_L= 5 kΩ. Dies definiert die Geschwindigkeit des Bauteils für die digitale Signalübertragung.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektro-optische Kennlinien. Während die spezifischen Grafiken im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, illustrieren solche Kurven typischerweise die Beziehung zwischen Schlüsselparametern. Entwickler können Kurven erwarten, die darstellen:

• CTR vs. Durchlassstrom (I_F):Zeigt, wie sich das Stromübertragungsverhältnis mit verschiedenen LED-Treiberströmen ändert.
• CTR vs. Umgebungstemperatur (T_A):Veranschaulicht die Temperaturabhängigkeit des CTR, der typischerweise mit steigender Temperatur abnimmt.
• Kollektorstrom (I_C) vs. Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE):Kurvenschar für verschiedene LED-Ströme, die die Ausgangskennlinien des Phototransistors zeigt.
• Schaltverläufe:Eine Testschaltung und zugehörige Signalverläufe werden bereitgestellt (Abbildung 7), um die Bedingungen für die Messung von t_onund t_offzu definieren. Dies beinhaltet typischerweise einen Impulsgenerator, der die LED ansteuert, und ein Oszilloskop, das den Phototransistor-Ausgang über den Lastwiderstand überwacht.

Die Analyse dieser Kurven ist wesentlich, um die Schaltungsleistung über den vorgesehenen Betriebstemperatur- und Strombereich zu optimieren.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäusevarianten und Abmessungen

Der EL2514-G wird in mehreren 4-Pin DIP-Gehäusevarianten angeboten, um verschiedenen Montageprozessen gerecht zu werden:

• Standard DIP:Das klassische Durchsteckgehäuse.
• Option M:Besitzt eine \"weite Anschlussbiegung\" mit einem Anschlussabstand von 0,4 Zoll (ca. 10,16 mm), was für spezifische PCB-Layouts oder Kriechstreckenanforderungen nützlich sein kann.
• Option S1:Eine oberflächenmontierbare (SMD) Anschlussform mit niedriger Bauhöhe. Sie wird mit zwei Tape-and-Reel-Optionen (TU, TD) angeboten, mit 1500 Einheiten pro Rolle.
• Option S2:Eine weitere oberflächenmontierbare Anschlussform, ebenfalls mit niedriger Bauhöhe, mit Tape-and-Reel-Optionen mit 2000 Einheiten pro Rolle.

Detaillierte Maßzeichnungen sind für jeden Gehäusetyp verfügbar, einschließlich kritischer Maße wie Gehäusegröße, Anschlusslänge, Anschlussabstand und Abstandshöhe. Der Kriechstreckenabstand zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite ist mit mehr als 7,62 mm spezifiziert, was zur hohen Isolationsfestigkeit beiträgt.

4.2 Pinbelegung und Polarität

Das Bauteil verwendet eine standardmäßige 4-Pin DIP-Belegung:

1. Anode (der Eingangs-LED)
2. Kathode (der Eingangs-LED)
3. Emitter (des Ausgangs-Phototransistors)
4. Kollektor (des Ausgangs-Phototransistors)

Die korrekte Ausrichtung ist kritisch. Die Bauteilkennzeichnung enthält den Code \"EL2514GYWWV\", wobei EL für den Hersteller steht, 2514 die Bauteilnummer ist, G halogenfrei kennzeichnet, Y ein einstelliger Jahrescode ist, WW ein zweistelliger Wochencode ist und V die optionale VDE-Zulassung anzeigt.

4.3 Empfohlenes PCB-Pad-Layout

Für die oberflächenmontierbaren Optionen (S1 und S2) stellt das Datenblatt vorgeschlagene Pad-Layouts bereit. Dies sind Referenzdesigns, die zuverlässiges Löten und mechanische Stabilität gewährleisten sollen. Die Dokumentation weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Abmessungen basierend auf individuellen Fertigungsprozessen und Anforderungen, wie Lotpastenvolumen und Wärmeableitungsüberlegungen, angepasst werden sollten.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Das Bauteil ist für eine Löttemperatur (T_SOL) von 260°C für maximal 10 Sekunden ausgelegt. Dies entspricht typischen bleifreien Reflow-Lötprofilen. Für Wellenlöten von Durchsteckgehäusen sollten Standard-Industriepraktiken befolgt werden, wobei darauf zu achten ist, die maximale Gehäusetemperatur nicht zu überschreiten. Der Lagertemperaturbereich beträgt -55°C bis +125°C. Es wird empfohlen, Bauteile für die SMD-Montage in feuchtigkeitssensitiver Verpackung zu lagern und geeignete Trocknungsverfahren zu befolgen, wenn der Feuchtigkeitsexpositionsgrad überschritten wird.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Der Bestellcode folgt dem Muster: EL2514X(Y)-VG.

• X:Anschlussform-Option (S1, S2, M oder keine für Standard DIP).
• Y:Tape-and-Reel-Option (TU, TD oder keine für Röhrenverpackung).
• V:Kennzeichnet die VDE-Sicherheitszulassung (optional).
• G:Kennzeichnet halogenfreie Bauweise.

Die Packungsmengen variieren: 100 Einheiten pro Röhre für Durchsteckoptionen und 1500 oder 2000 Einheiten pro Rolle für die SMD-Tape-and-Reel-Optionen. Detaillierte Tape-and-Reel-Spezifikationen, einschließlich Taschenabmessungen (A0, B0), Bandbreite (W), Teilung (P0) und Rollenkerndurchmesser, werden für die Programmierung automatisierter Bestückungsmaschinen bereitgestellt.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Der EL2514-G eignet sich gut für Anwendungen, die galvanische Trennung, Störfestigkeit oder Pegelanpassung erfordern. Genannte spezifische Anwendungen umfassen:

• Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS):Zur Trennung digitaler E/A-Module von der Zentraleinheit und Feldgeräten.
• Systemgeräte & Messinstrumente:Trennung von Sensorsignalen oder Kommunikationsleitungen in Industrieanlagen.
• Elektronische Stromzähler:Bereitstellung von Isolation in Messschaltungen für Sicherheit und Störunterdrückung.
• Telekommunikationsgeräte:Signaltrennung in Datenleitungen oder Netzteil-Rückkopplungsschleifen.
• Netzteile:Häufig verwendet in Rückkopplungsschleifen von Schaltnetzteilen (SMPS), um das Rückkopplungssignal der Sekundärseite vom Controller der Primärseite zu trennen, was Sicherheit und Stabilität erhöht.

7.2 Designüberlegungen

• CTR-Streuung:Entwerfen Sie die Empfangsschaltung (z.B. Komparatorschwellen, Pull-up-Widerstandswerte) so, dass sie über den gesamten CTR-Bereich von 50-200% zuverlässig funktioniert.
• Geschwindigkeit vs. Last:Die Schaltgeschwindigkeit ist mit einer 5 kΩ Last spezifiziert. Die Verwendung eines kleineren Lastwiderstands verbessert im Allgemeinen die Schaltgeschwindigkeit, verringert jedoch den Ausgangshub und erhöht den Leistungsverbrauch. Ein größerer Widerstand verlangsamt die Reaktion, insbesondere die Ausschaltzeit, aufgrund der Speicherzeit des Phototransistors.
• LED-Strombegrenzung:Verwenden Sie stets einen Vorwiderstand, um den Durchlassstrom (I_F) auf den empfohlenen Betriebsbereich (typisch 5-7 mA) oder unter den absoluten Maximalwert zu begrenzen. Dies gewährleistet langfristige Zuverlässigkeit und stabilen CTR.
• Störfestigkeit:Während Optokoppler eine ausgezeichnete Gleichtaktunterdrückung bieten, sorgen Sie für ein geeignetes PCB-Layout, indem Sie die Eingangs- und Ausgangsleitungen getrennt halten und Entkopplungskondensatoren in der Nähe der Bauteilanschlüsse verwenden, um hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken.

8. Technischer Vergleich und Positionierung

Der EL2514-G differenziert sich auf dem Markt durch eine Kombination von Schlüsselattributen. Seine hohe Isolationsspannung (5000 Veff) und lange Kriechstrecke machen ihn zu einem starken Kandidaten für Anwendungen mit strengen Sicherheitsanforderungen. Die halogenfreie Bauweise adressiert Umweltvorschriften und Kundenpräferenzen für \"grüne\" Elektronik. Das breite Zulassungsportfolio (UL, VDE usw.) reduziert Qualifizierungshürden für Endprodukte, die auf globale Märkte abzielen. Während seine Schaltgeschwindigkeit (25 µs) für viele digitale Isolations- und Netzteil-Rückkopplungsanwendungen geeignet ist, ist er nicht als Ultrahochgeschwindigkeitskoppler für Datenkommunikation positioniert; solche Anwendungen würden Bauteile mit Schaltzeiten im Nanosekundenbereich erfordern. Daher ist der EL2514-G am besten als robuster, universeller Optokoppler zu betrachten, der auf Zuverlässigkeit, Sicherheitskonformität und moderate Leistung optimiert ist.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was bedeutet der CTR-Bereich von 50-200% für mein Schaltungsdesign?

A: Es bedeutet, dass der Ausgangsstrom nur halb so groß wie der Eingangsstrom oder bis zu doppelt so groß sein kann. Ihre Schaltung muss an beiden Extremen korrekt funktionieren. Bei einer digitalen Schnittstelle beeinflusst dies die Wahl des Pull-up-Widerstands und den Eingangsschwellwert des nachfolgenden Gatters oder Mikrocontrollers.

F: Kann ich die LED direkt mit einer Spannungsquelle ansteuern?

A: Nein. Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Sie müssen stets einen strombegrenzenden Widerstand in Reihe mit der LED verwenden, um den gewünschten I_Feinzustellen und Schäden durch Überstrom zu verhindern, selbst wenn Ihre Versorgungsspannung der typischen V_F.

F: Die Isolationsspannung beträgt 5000 Veff. Bedeutet das, ich kann kontinuierlich 5000V zwischen Eingang und Ausgang anlegen?

A: Nein. Dies ist eine Prüfspannung, die für eine Minute unter kontrollierten Bedingungen getestet wird. Die kontinuierliche Betriebsspannung in einer Anwendung sollte deutlich niedriger sein, wie von den relevanten Sicherheitsstandards für die Endausrüstung definiert.

F: Was ist der Unterschied zwischen den Optionen S1 und S2?

A: Der Hauptunterschied liegt im Gehäuse-Footprint und den Bandmaßen. S2 ist etwas breiter im Gehäuse (B0-Maß) und verwendet ein breiteres Band (24 mm vs. 16 mm für S1), was mehr Einheiten pro Rolle ermöglicht (2000 vs. 1500). Die Wahl hängt von Ihren PCB-Platzbeschränkungen und der Kompatibilität mit den Zuführern der Bestückungslinie ab.

10. Praktisches Designbeispiel

Szenario: Trennung eines digitalen Signals von einem Mikrocontroller zu einem Hochspannungsabschnitt.

Ein Mikrocontroller (3,3V-Logik) muss ein EIN/AUS-Signal an einen Schaltkreis senden, der auf einem anderen und störbehafteten Hochspannungspotential arbeitet. Ein EL2514-G kann zur Trennung verwendet werden.



Designschritte:

1. Eingangsseite:Verbinden Sie den Mikrocontroller-GPIO-Pin über einen strombegrenzenden Widerstand (R_limit) mit der Anode des Optokopplers. Berechnen Sie R_limit= (V_{CC_MCU}- V_F) / I_F. Für V_{CC_MCU}=3,3V, V_F~1,2V und einem Ziel-I_F=5mA ergibt sich R_limit= (3,3-1,2)/0,005 = 420Ω. Verwenden Sie einen Standard-470Ω-Widerstand. Verbinden Sie die Kathode mit Masse.
2. Ausgangsseite:Verbinden Sie den Kollektor mit einem Pull-up-Widerstand (R_L) an der getrennten Hochspannungsversorgung (z.B. 12V). Der Emitter wird mit der getrennten Masse verbunden. Der Wert von R_Lbeeinflusst Geschwindigkeit und Strom. Die Verwendung der Datenblatt-Testbedingung von 5kΩ liefert die spezifizierte Schaltzeit. Das Signal vom Kollektorknoten kann dann einen MOSFET-Gate oder einen anderen Logikeingang auf der getrennten Seite ansteuern.
3. Layout:Trennen Sie die Eingangs- und Ausgangsabschnitte physikalisch auf der PCB. Halten Sie den Kriechstreckenabstand von >7,62 mm gemäß der Gehäusefähigkeit ein. Platzieren Sie einen kleinen Entkopplungskondensator (z.B. 0,1µF) zwischen Versorgung und Masse auf beiden Seiten des Kopplers, nahe den Bauteilanschlüssen.

Dieser Aufbau verhindert Masseschleifen, blockiert Störungen und schützt den Mikrocontroller vor Spannungstransienten auf der Hochspannungsseite.

11. Funktionsprinzip

Ein Optokoppler ist ein Bauteil, das ein elektrisches Signal zwischen zwei getrennten Schaltkreisen mittels Licht überträgt. Beim EL2514-G verursacht ein elektrischer Strom an den Eingangsanschlüssen (1 und 2), dass die infrarote Leuchtdiode (LED) Photonen emittiert. Diese Photonen wandern über einen transparenten Isolationsspalt (typischerweise aus Vergussmasse) und treffen auf die Basisregion des Silizium-Phototransistors auf der Ausgangsseite (Pins 3 und 4). Das einfallende Licht erzeugt Elektron-Loch-Paare in der Basis, die effektiv als Basisstrom wirken. Dieser photogenerierte Basisstrom wird dann durch die Verstärkung des Transistors verstärkt, was zu einem Kollektorstrom (I_C) führt, der proportional zum Eingangs-LED-Strom (I_F) ist. Das Verhältnis I_C/I_Fist das Stromübertragungsverhältnis (CTR). Der entscheidende Aspekt ist, dass die einzige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang der Lichtstrahl ist, der die galvanische Trennung bereitstellt.

12. Technologietrends

Der Optokopplermarkt entwickelt sich weiter. Trends, die Bauteile wie den EL2514-G beeinflussen, umfassen:

• Erhöhte Integration:Kombination mehrerer Isolationskanäle oder Integration zusätzlicher Funktionen wie Gate-Treiber oder Fehlerverstärker in ein einziges Gehäuse.
• Höhere Geschwindigkeit:Entwicklung von Kopplern mit schnelleren Detektoren wie Fotodioden mit integrierten Verstärkern, um digitale Kommunikationsprotokolle (USB, CAN, RS-485) mit Mbps-Datenraten zu unterstützen.
• Verbesserte Zuverlässigkeit und Lebensdauer:Fokus auf die Verbesserung der Langzeitstabilität des CTR, der sich über die Zeit aufgrund von LED-Alterung, insbesondere bei hohen Temperaturen und Strömen, verschlechtern kann.
• Strengere Umweltkonformität:Über RoHS und halogenfrei hinaus wächst die Aufmerksamkeit für Substanzen wie PFAS und breitere Nachhaltigkeitsmetriken in der Lieferkette.
• Alternative Isolierungstechnologien:Während Optokoppler für viele Anwendungen dominant bleiben, konkurrieren Technologien wie kapazitive Isolation (unter Verwendung von SiO₂-Barrieren) und magnetische Isolation (unter Verwendung von Transformatoren) in Bereichen, die sehr hohe Geschwindigkeit, niedrigen Leistungsverbrauch oder hohe Integrationsdichte erfordern. Optokoppler behalten Vorteile in Einfachheit, hoher Störfestigkeit gegen Gleichtakt-Transienten (CMTI) und etablierten Sicherheitszertifizierungen.

Der EL2514-G, mit seinem Fokus auf Sicherheitszertifizierungen, Umweltkonformität und robuster Leistung, adressiert die anhaltenden Bedürfnisse der Industrie-, Energie- und Gerätemärkte, wo diese Trends von entscheidender Bedeutung sind.