EL354N-G Serie Photokoppler Datenblatt - 4-Pin SOP Gehäuse - AC-Eingang - Isolierung 3750Veff - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL354N-G Serie stellt eine Familie kompakter, leistungsstarker Phototransistor-Photokoppler dar, die speziell für AC-Eingangsanwendungen entwickelt wurden. Diese Bauteile sind darauf ausgelegt, zuverlässige elektrische Isolierung und Signalübertragung in Umgebungen zu gewährleisten, in denen die Eingangspolarität unbekannt oder wechselnd sein kann. Der Kern des Bauteils besteht aus zwei in antiparalleler Schaltung verbundenen Infrarot-Emissionsdioden, die optisch mit einem Silizium-Phototransistor als Detektor gekoppelt sind. Diese einzigartige Konfiguration ermöglicht es dem Bauteil, auf Stromfluss in beide Richtungen durch die Eingangs-LEDs zu reagieren, wodurch es von Natur aus für AC-Signalüberwachungs- und Erfassungsanwendungen geeignet ist, bei denen die DC-Polarität nicht festgelegt ist.

Verpackt in einem platzsparenden 4-Pin Small Outline Package (SOP), sind diese Photokoppler ideal für moderne, hochintegrierte Leiterplatten (PCB)-Designs. Ein zentraler Designansatz hinter dieser Serie ist die Einhaltung globaler Umwelt- und Sicherheitsstandards. Die Bauteile sind halogenfrei und halten strenge Grenzwerte für Brom (Br<900 ppm), Chlor (Cl<900 ppm) und deren Gesamtsumme (Br+Cl<1500 ppm) ein. Darüber hinaus entsprechen sie der RoHS-Richtlinie (Beschränkung gefährlicher Stoffe) und der EU REACH-Verordnung, was sicherstellt, dass sie die aktuellen Umweltanforderungen für elektronische Bauelemente erfüllen.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der primäre Vorteil der EL354N-G Serie liegt in der Kombination aus AC-Eingangsfähigkeit, hoher Isolierung und kompakter Bauform. Die hohe Isolationsspannung von 3750 V_effzwischen Eingang und Ausgang bietet eine robuste Sicherheitsbarriere und schützt empfindliche Niederspannungssteuerkreise vor Hochspannungsnetzteilen oder verrauschten industriellen Leitungen. Dies macht sie unverzichtbar für Anwendungen, die galvanische Trennung erfordern.

Die Zielmärkte für dieses Bauteil sind vielfältig und umfassen Industrieautomation, Telekommunikation und Leistungsmanagement. Zu den Hauptanwendungsbereichen gehören die AC-Netzüberwachung in Netzteilen und Geräten, die Eingangsisolierung in speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), die Schnittstelle in Telefonleitungsschaltungen und die Verwendung als Sensoren für DC-Signale unbekannter Polarität. Die Zulassungen des Bauteils von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden – einschließlich UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC – erleichtern den Einsatz in Endprodukten für den globalen Markt und vereinfachen den Zertifizierungsprozess für Gerätehersteller.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Ein gründliches Verständnis der Grenzwerte und Leistungsmerkmale des Bauteils ist entscheidend für einen zuverlässigen Schaltungsentwurf. Die Parameter definieren den Betriebsbereich und stellen sicher, dass die Komponente innerhalb ihres sicheren Arbeitsbereichs (SOA) verwendet wird.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die Absolute Maximalwerte geben die Belastungsgrenzen an, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Dies sind keine Betriebsbedingungen.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F): ±50 mA (DC). Dieser Wert gilt für Strom in beide Richtungen durch die Eingangsdioden.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP): 1 A für einen 1 µs Impuls. Dies ermöglicht es dem Bauteil, kurze Stromspitzen zu überstehen.
• Verlustleistung: Die gesamte Bauteilverlustleistung (P_TOT) darf 200 mW nicht überschreiten. Die Eingangsseite (P_D) ist für 70 mW ausgelegt mit einem Derating-Faktor von 3,7 mW/°C über einer Umgebungstemperatur (T_a) von 90°C. Die Ausgangsseite (P_C) ist für 150 mW ausgelegt, mit Derating über 70°C T_a.
• Spannungsfestigkeiten: Die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) beträgt 80 V, während die Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO) 6 V beträgt. Die Asymmetrie ist auf die Struktur des Phototransistors zurückzuführen.
• Isolationsspannung (V_ISO): 3750 V_efffür 1 Minute bei 40-60% relativer Luftfeuchtigkeit. Dies ist ein kritischer Sicherheitsparameter.
• Temperaturbereich: Der Betriebstemperaturbereich (T_OPR) erstreckt sich von -55°C bis +100°C. Der Lagertemperaturbereich (T_STG) liegt zwischen -55°C und +125°C.
• Löttemperatur: Das Bauteil hält eine maximale Löttemperatur (T_SOL) von 260°C für 10 Sekunden stand, was mit bleifreien Reflow-Prozessen kompatibel ist.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen bei 25°C, sofern nicht anders angegeben.

2.2.1 Eingangskenngrößen

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,2 V, maximal 1,4 V bei einem Durchlassstrom (I_F) von ±20 mA. Dieser niedrige Spannungsabfall ist vorteilhaft für stromsparende Schaltungen.
• Eingangskapazität (C_in): Liegt zwischen 50 pF (typisch) und 250 pF (max) bei 1 kHz. Dieser Parameter beeinflusst das Hochfrequenzverhalten und potenzielle Koppelstörungen.

2.2.2 Ausgangskenngrößen

• Dunkelstrom (I_CEO): Der Leckstrom von Kollektor zu Emitter, wenn die Eingangs-LED ausgeschaltet ist (I_F=0) und V_CE=20V beträgt maximal 100 nA. Ein niedriger Dunkelstrom ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis im ausgeschalteten Zustand wesentlich.
• Durchbruchspannungen: BV_CEObeträgt mindestens 80 V, und BV_ECObeträgt mindestens 7 V. Diese definieren die maximalen haltbaren Sperrspannungen.

2.2.3 Übertragungskenngrößen

Diese Parameter beschreiben die Koppeleffizienz und Geschwindigkeit zwischen Eingang und Ausgang.

• Stromübertragungsverhältnis (CTR): Dies ist das Verhältnis von Ausgangskollektorstrom (I_C) zu Eingangs-Durchlassstrom (I_F), ausgedrückt in Prozent. Es ist der Schlüsselparameter für die Verstärkung. Der Standard-EL354N hat einen CTR-Bereich von 20% bis 300% bei I_F= ±1mA, V_CE= 5V. Die EL354NA-Variante bietet eine engere, höhere Binning-Klasse mit einem CTR-Bereich von 50% bis 150% unter denselben Bedingungen. Dieses Binning ermöglicht es Entwicklern, Bauteile für eine konsistentere Verstärkung in der Produktion auszuwählen.
• Sättigungsspannung (V_CE(sat)): Typisch 0,1 V, maximal 0,2 V, wenn I_F=±20mA und I_C=1mA. Eine niedrige Sättigungsspannung minimiert den Leistungsverlust, wenn der Ausgangstransistor vollständig leitend ist.
• Isolationswiderstand (R_IO): Mindestens 5×10¹⁰Ω, typisch 10¹¹Ω bei 500 V DC. Dieser extrem hohe Widerstand ist grundlegend für die Isolationsfunktion.
• Grenzfrequenz (f_c): Typisch 80 kHz (-3dB-Punkt) unter spezifizierten Testbedingungen. Dies definiert die maximal nutzbare Signalfrequenz.
• Schwebekapazität (C_IO): Typisch 0,6 pF, maximal 1,0 pF bei 1 MHz. Dies ist die parasitäre Kapazität über die Isolationsbarriere, die hochfrequente Störungen koppeln kann.
• Schaltgeschwindigkeit: Sowohl die Anstiegszeit (t_r) als auch die Abfallzeit (t_f) sind mit maximal 18 µs spezifiziert. Diese relativ moderate Geschwindigkeit eignet sich für Netzfrequenzüberwachung (50/60 Hz) und viele industrielle Steuersignale, jedoch nicht für Hochgeschwindigkeits-Digitalkommunikation.

3. Analyse der Leistungskurven

Während das Datenblatt auf typische elektro-optische Kennlinienkurven verweist, sind deren spezifische Diagramme (z.B. CTR vs. Temperatur, CTR vs. Durchlassstrom) für ein detailliertes Design unerlässlich. Diese Kurven zeigen typischerweise, dass der CTR mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt und möglicherweise eine nichtlineare Beziehung zum Durchlassstrom aufweist. Entwickler müssen diese Diagramme konsultieren, um die Leistung für ihre spezifische Betriebsumgebung angemessen zu dimensionieren und sicherzustellen, dass die Schaltung über den beabsichtigten Temperaturbereich hinreichende Verstärkung beibehält. Die Beziehung zwischen Ausgangsstrom und Durchlassstrom ist ebenfalls entscheidend, um den erforderlichen Treiberstrom zu bestimmen, um einen gewünschten Ausgangszustand zu erreichen, insbesondere bei Betrieb nahe den Grenzen der CTR-Spezifikation.

4. Mechanische, Gehäuse- und Montageinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen und Polarität

Das Bauteil ist in einem 4-Pin SOP-Gehäuse untergebracht. Die Pinbelegung ist wie folgt: Pin 1 ist Anode/Kathode, Pin 2 ist Kathode/Anode (für das antiparallele LED-Paar), Pin 3 ist der Emitter des Phototransistors und Pin 4 ist der Kollektor. Diese Pinbelegung ist entscheidend für das korrekte PCB-Layout. Die Gehäusezeichnung liefert präzise mechanische Abmessungen einschließlich Gehäuselänge, -breite, -höhe, Rastermaß und Anschlussabmessungen, die für das genaue Design des PCB-Footprints eingehalten werden müssen.

4.2 Empfohlenes PCB-Pad-Layout

Ein empfohlenes Oberflächenmontage-Pad-Layout wird bereitgestellt. Es wird betont, dass es sich um ein Referenzdesign handelt und basierend auf individuellen Fertigungsprozessen, PCB-Material und thermischen Anforderungen angepasst werden sollte. Das Ziel des Pad-Designs ist es, eine zuverlässige Lötstellenbildung während des Reflow-Prozesses zu gewährleisten und gleichzeitig die thermische Belastung der Komponente zu managen.

4.3 Löt- und Reflow-Richtlinien

Detaillierte Reflow-Lötbedingungen sind spezifiziert, unter Bezugnahme auf IPC/JEDEC J-STD-020D. Das Profil ist entscheidend für die bleifreie Montage:

• Vorwärmen: 150°C bis 200°C über 60-120 Sekunden.
• Aufheizen: Maximal 3°C/Sekunde von 200°C bis zum Spitzenwert.
• Zeit über Liquidus (217°C): 60-100 Sekunden.
• Spitzentemperatur: Maximal 260°C.
• Zeit innerhalb 5°C der Spitze: Maximal 30 Sekunden.
• Abkühlrate: Maximal 6°C/Sekunde.
• Gesamtzykluszeit: 25°C bis Spitze in maximal 8 Minuten.
• Reflow-Durchläufe: Das Bauteil hält maximal 3 Reflow-Zyklen stand.

Die Einhaltung dieses Profils verhindert thermische Schäden am Kunststoffgehäuse und den internen Bonddrähten.

5. Bestellung, Verpackung und Kennzeichnung

5.1 Artikelnummern- und Binning-System

Die Artikelnummer folgt der Struktur: EL354N(X)(Y)-VG.

• X: CTR-Rang-Option. 'A' bezeichnet die 50-150% Binning-Klasse (EL354NA). Kein Buchstabe bezeichnet die Standard-20-300% Klasse (EL354N).
• Y: Tape-and-Reel-Option. 'TA' oder 'TB' spezifiziert den Reel-Typ und die Ausrichtung. Das Fehlen dieser Angabe deutet auf Röhrchenverpackung (100 Stück) hin.
• V: Optionales Suffix, das die VDE-Zulassung angibt, ist enthalten.
• G: Bezeichnet halogenfreie Konstruktion.

Verpackungsoptionen umfassen Röhrchen (100 Stück) oder Tape-and-Reel (3000 Stück pro Rolle für beide TA- und TB-Optionen). Die 'TA'- und 'TB'-Optionen unterscheiden sich in der Ausrichtung der Bauteile auf der Trägerfolie, was den Anforderungen des Bestückungsautomaten an den Zuführer entsprechen muss.

5.2 Bauteilkennzeichnung

Bauteile sind auf der Oberseite mit einem Code gekennzeichnet:EL 354N RYWWV.

• EL: Herstellercode.
• 354N: Basis-Bauteilenummer.
• R: CTR-Rang (z.B. 'A' oder leer).
• Y: 1-stelliger Jahrescode.
• WW: 2-stelliger Wochencode.
• V: Vorhandensein deutet auf VDE-Zulassung hin (optional).

5.3 Tape-and-Reel-Spezifikationen

Detaillierte Abmessungen für die embossierte Trägerfolie werden bereitgestellt, einschließlich Taschenabmessungen (A, B, D0, D1), Folienbreite (W), Rastermaß (P0) und Abmessungen der Deckfolienversiegelung. Diese sind notwendig, um automatisierte Bestückungsgeräte korrekt einzurichten.

6. Anwendungsrichtlinien und Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die primäre Anwendung ist die AC-Netzspannungserfassung oder Nulldurchgangserkennung. Eine typische Schaltung beinhaltet das Anschließen der Eingangspins (1 & 2) in Reihe mit einem strombegrenzenden Widerstand über die AC-Leitung. Der Widerstandswert muss so berechnet werden, dass der Spitzen-Durchlassstrom (I_F) auf einen sicheren Wert unter 50 mA begrenzt wird, unter Berücksichtigung der AC-Spitzenspannung. Der Ausgangstransistor kann in einer Emitterschaltung (Emitter an Masse, Kollektor über einen Lastwiderstand an eine Logikversorgung gezogen) angeschlossen werden, um ein digitales Signal bereitzustellen, das mit dem AC-Zyklus schaltet. Für die Erfassung von DC-Signalen unbekannter Polarität kann das Bauteil direkt in die Erfassungsleitung platziert werden, da es unabhängig von der Stromrichtung leitet.

6.2 Kritische Designfaktoren

• Strombegrenzung: Der kritischste Aspekt des Eingangsschaltungsdesigns. Der Widerstand muss den Strom unter Worst-Case-Bedingungen (maximale Netzspannung, minimale Widerstandstoleranz) begrenzen.
• CTR-Degradation: CTR kann sich im Laufe der Zeit verschlechtern, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen und -strömen. Das Design sollte eine Reserve einplanen (z.B. Verwendung des minimalen CTR-Werts aus dem Datenblatt und anschließende Anwendung eines weiteren Derating-Faktors für die Lebensdauer).
• Störfestigkeit: Die parasitäre Kapazität (C_IO) kann hochfrequente Transienten (wie ESD oder EMI) über die Isolationsbarriere koppeln. In verrauschten Umgebungen können zusätzliche Filterung auf der Ausgangsseite oder die Verwendung eines schnelleren digitalen Filters im Mikrocontroller erforderlich sein.
• Schaltgeschwindigkeitsbegrenzung: Die 18 µs Anstiegs-/Abfallzeit beschränkt das Bauteil auf niederfrequente Anwendungen. Es ist nicht für die Isolierung von Hochgeschwindigkeits-Digitaldatenleitungen geeignet.
• WärmeableitungStellen Sie sicher, dass die gesamte Verlustleistung (Eingangs-LED-Verlust + Ausgangstransistor-Verlust) 200 mW nicht überschreitet, unter Berücksichtigung des Derating mit der Temperatur.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Das Hauptunterscheidungsmerkmal des EL354N-G ist sein integrierter antiparalleler LED-Eingang, der externe Brückengleichrichter oder komplexe Schaltungen zur Handhabung von AC- oder DC-Signalen unbekannter Polarität überflüssig macht. Im Vergleich zu Standard-DC-Eingangs-Photokopplern vereinfacht dies die Stückliste und spart Leiterplattenfläche. Innerhalb des Segments der AC-Eingangs-Photokoppler stellt seine Kombination aus 3750Veff-Isolierung, halogenfreiem Material und umfassenden internationalen Sicherheitszulassungen (UL, VDE, etc.) in einem kompakten SOP-Gehäuse ein starkes Wertversprechen für kostensensitive, aber sicherheitskritische globale Anwendungen dar. Die Verfügbarkeit einer engeren CTR-Binning-Klasse (EL354NA) bietet einen Vorteil für Designs, die eine konsistentere Verstärkung ohne manuelle Sortierung oder Kalibrierung erfordern.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Kann ich dieses Bauteil verwenden, um direkt 120VAC oder 230VAC Netzspannung zu erfassen?

A: Ja, aber Sie müssen einen externen Reihen-Strombegrenzungswiderstand verwenden. Berechnen Sie seinen Wert basierend auf der Netzspitzenspannung (z.B. 230VAC Effektivwert hat einen Spitzenwert von ~325V) und dem gewünschten LED-Strom, wobei sicherzustellen ist, dass der Spitzenstrom deutlich unter dem absoluten Maximalwert von 50 mA bleibt.

F: Was ist der Unterschied zwischen EL354N und EL354NA?

A: Der Unterschied liegt im Binning des Stromübertragungsverhältnisses (CTR). Der EL354N hat einen breiteren Bereich (20-300%), während der EL354NA einen engeren, höheren Mindestbereich (50-150%) hat. Verwenden Sie die 'NA'-Version für Anwendungen, die eine konsistentere Verstärkung von Einheit zu Einheit erfordern.

F: Der Ausgang ist ein Phototransistor. Kann ich ihn verwenden, um direkt ein Relais anzusteuern?

A: Es wird nicht empfohlen. Die Stromtragfähigkeit des Phototransistors ist begrenzt (bezogen auf seine Verlustleistungsbewertung). Er ist als Signalpegel-Bauteil ausgelegt. Um ein Relais anzusteuern, verwenden Sie den Photokoppler-Ausgang, um einen größeren Leistungstransistor oder ein MOSFET-Gate anzusteuern.

F: Wie stelle ich eine zuverlässige Isolierung in meinem Design sicher?

A: Halten Sie auf der Leiterplatte zwischen den Eingangs- und Ausgangsschaltungen angemessene Kriech- und Luftstrecken gemäß dem relevanten Sicherheitsstandard (z.B. IEC 60950-1, IEC 62368-1) ein. Die 3750Veff-Bewertung der Komponente selbst muss durch ausreichende Abstände auf der Platine unterstützt werden.

9. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip der optoelektronischen Wandlung und Isolierung. Wenn ein Strom durch eine der beiden Eingangs-Infrarot-LEDs fließt (abhängig von der Polarität), emittiert diese Licht. Dieses Licht durchquert eine transparente Isolationsbarriere (typischerweise ein Kunststoffgehäuse) und trifft auf die Basisregion des Silizium-Phototransistors auf der Ausgangsseite. Die Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in der Basis, die effektiv als Basisstrom wirken und den Transistor einschalten, wodurch ein viel größerer Kollektorstrom fließen kann. Der Schlüssel ist, dass die einzige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang optisch ist, was die galvanische Trennung bereitstellt. Die antiparallele LED-Konfiguration bedeutet, dass Strom, der in Pin 1 (Anode) fließt und aus Pin 2 (Kathode) austritt, eine LED zum Leuchten bringt, während Strom in der entgegengesetzten Richtung die andere LED leuchten lässt, wodurch der Betrieb mit AC oder bidirektionalem DC sichergestellt wird.

10. Branchentrends

Der Trend bei Optokopplern und Isolierungstechnologie geht in Richtung höherer Integration, schnellerer Geschwindigkeiten und geringeren Stromverbrauchs. Während traditionelle phototransistorbasierte Koppler wie der EL354N-G für kosteneffektive, mittelschnelle Isolierung in Leistungs- und Industrieanwendungen nach wie vor entscheidend sind, entstehen neue Technologien. Dazu gehören digitale Isolatoren auf CMOS-Technologie- und RF-Kopplungsbasis, die deutlich höhere Datenraten, geringeren Stromverbrauch und höhere Zuverlässigkeit bieten. Für grundlegende AC-Netzüberwachung und Spannungsmonitoring, bei denen Einfachheit, hohe Isolationsspannung und bewährte Robustheit von größter Bedeutung sind, bleiben Phototransistor-AC-Koppler jedoch eine bevorzugte und zuverlässige Lösung. Der Schritt hin zu halogenfreien und verbesserten Umweltstandards, wie in der '-G'-Serie zu sehen, ist eine direkte Reaktion auf globale regulatorische Trends.