EL121N-Serie Optokoppler Datenblatt - 4-Pin SOP-Gehäuse - 2,0 mm Bauhöhe - Isolationsspannung 3750 Vrms - CTR 50-400% - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL121N-Serie stellt eine Familie infrarot-optoelektronischer Bauelemente dar, die für die Signalisolierung und -übertragung konzipiert ist. Im Kern besteht sie aus einer Galliumarsenid-Infrarot-Leuchtdiode (IRED), die optisch mit einem Silizium-NPN-Phototransistor gekoppelt ist, alles eingebettet in ein kompaktes, oberflächenmontierbares 4-Pin-Small-Outline-Package (SOP). Die Hauptfunktion ist die Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei Schaltkreisen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen elektrischen Isolation, wodurch verhindert wird, dass Störungen, Masseschleifen oder Spannungsspitzen von einer Seite zur anderen gelangen.

Das Bauteil ist für Anwendungen ausgelegt, die zuverlässige Isolation auf begrenztem Bauraum erfordern. Seine niedrige Bauhöhe von 2,0 mm macht es geeignet für moderne, hochintegrierte Leiterplatten-Designs (PCB). Ein zentrales Designprinzip dieser Serie ist die Einhaltung globaler Umwelt- und Sicherheitsstandards, einschließlich Halogenfreiheit, Bleifreiheit (Pb-frei) sowie Konformität mit der RoHS- und der EU-REACH-Verordnung. Darüber hinaus verfügt es über bedeutende internationale Sicherheitszulassungen, darunter UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO und FIMKO, was seine Zuverlässigkeit und Eignung für den Einsatz in kommerziellen und industriellen Geräten weltweit unterstreicht.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen wird nicht garantiert.

• Eingang (LED-Seite):Der Durchlassstrom (I_F) ist mit 50 mA Dauerstrom spezifiziert. Ein kurzer Spitzendurchlassstrom (I_FP) von 1 A für 1 Mikrosekunde ist zulässig, was für den gepulsten Betrieb relevant ist. Die maximale Sperrspannung (V_R) beträgt 6 V, was die Notwendigkeit eines richtigen Polungsschutzes unterstreicht.
• Ausgang (Transistor-Seite):Der Kollektorstrom (I_C) ist mit 50 mA spezifiziert. Die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) beträgt 80 V, während die Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO) nur 7 V beträgt, was die asymmetrische Natur der Durchbrucheigenschaften des Phototransistors hervorhebt.
• Leistung und Wärme:Die gesamte Bauteilverlustleistung (P_TOT) beträgt 200 mW. Separate Derating-Faktoren werden angegeben: 2,9 mW/°C für den Eingang (LED) oberhalb einer Umgebungstemperatur von 100°C und 3,7 mW/°C für den Ausgang (Transistor) oberhalb von 70°C Umgebungstemperatur. Dies ist entscheidend für das Wärmemanagement in Hochtemperaturumgebungen.
• Isolation und Umgebung:Die Isolationsspannung (V_ISO) beträgt 3750 V_eff für 1 Minute, getestet mit kurzgeschlossenen Pins 1-2 und kurzgeschlossenen Pins 3-4. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -55°C und +110°C, die Lagertemperatur zwischen -55°C und +125°C.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

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

• Eingangskenngrößen:Die Durchlassspannung (V_F) beträgt typischerweise 1,2 V bei einem Prüfstrom von 20 mA, maximal 1,4 V. Diese niedrige Spannung ist vorteilhaft für logische Schnittstellenschaltungen mit geringem Leistungsbedarf. Der Sperrstrom (I_R) beträgt maximal 10 µA bei 4 V.
• Ausgangskenngrößen:Der Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO), also der Leckstrom bei ausgeschalteter LED, beträgt maximal 100 nA bei V_CE=20 V. Die Durchbruchspannungen (BV_CEO=80 V,BV_ECO=7 V) bestätigen die Grenzwerte.
• Übertragungskenngrößen:Dies ist das Herzstück der Bauteilspezifikation.
  • Stromübertragungsverhältnis (CTR):Dies ist das Verhältnis von Ausgangskollektorstrom zu Eingangs-LED-Durchlassstrom, ausgedrückt in Prozent. Die EL121N-Serie bietet einKlassifizierungs-/Binning-System:
    • EL121N (Standard):CTR-Bereich 50 % bis 400 % bei I_F=5 mA, V_CE=5 V.
    • EL121N B:Eine engere Klasse von 130 % bis 260 %.
    • EL121N C:Eine leistungsstärkere Klasse von 200 % bis 400 %.
    • EL121N BC:Eine breite Klasse von 130 % bis 400 %.
    Diese Klassifizierung ermöglicht es Entwicklern, Bauteile basierend auf erforderlicher Verstärkung und Konsistenz auszuwählen und so Schaltungsleistung und Kosten zu optimieren.
  • Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Typischerweise 0,1 V (max. 0,2 V) bei Ansteuerung mit I_F=20 mA und Belastung mit I_C=1 mA. Dieser niedrige Wert ist hervorragend für digitale Schaltanwendungen geeignet und minimiert den Spannungsabfall.
  • Isolationswiderstand (R_IO):Mindestens 5 x 10¹⁰ Ω, was auf einen extrem hohen Gleichstrom-Isolationswiderstand hinweist.
  • Schaltgeschwindigkeit:Die Anstiegszeit (t_r) beträgt typischerweise 6 µs (max. 18 µs) und die Abfallzeit (t_f) typischerweise 8 µs (max. 18 µs) unter spezifizierten Testbedingungen (V_CE=2 V, I_C=2 mA, R_L=100 Ω). Dies definiert die Fähigkeit des Bauteils zur Übertragung mittelschneller digitaler Signale.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektro-optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Grafiken hier nicht wiedergegeben werden, zeigen sie typischerweise die folgenden für das Design entscheidenden Zusammenhänge:

• CTR vs. Durchlassstrom (I_F):CTR ist nicht konstant; er nimmt im Allgemeinen mit steigendem I_F ab. Entwickler müssen diese Kurve konsultieren, um einen Arbeitspunkt zu wählen, der die gewünschte Verstärkung liefert, ohne die LED zu übersteuern.
• CTR vs. Umgebungstemperatur (T_a):Der CTR von Optokopplern hat einen negativen Temperaturkoeffizienten; er nimmt mit steigender Temperatur ab. Diese Kurve ist entscheidend, um die Schaltungsstabilität über den vorgesehenen Betriebstemperaturbereich sicherzustellen.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE):Diese Ausgangskennlinien zeigen den Phototransistor in seinem linearen (aktiven) und gesättigten Bereich, ähnlich einem Standard-Bipolartransistor, jedoch mit I_F als Steuerparameter anstelle des Basisstroms.
• Durchlassspannung vs. Durchlassstrom (V_F-I_F):Diese LED-Kennlinie ist wichtig für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung.

Abbildung 10 im Datenblatt zeigt den Standard-Testschaltkreis und die Wellenformdefinitionen zur Messung der Schaltzeiten (t_on, t_off, t_r, t_f), unter Verwendung eines ohmschen Lastwiderstands (R_L) und eines definierten Eingangsimpulses.

4. Mechanische, Gehäuse- und Bestückungsinformationen

4.1 Pinbelegung und Gehäuseabmessungen

Das 4-Pin-SOP-Gehäuse hat eine klare Pinbelegung:

1. Anode (A) der Infrarot-LED
2. Kathode (K) der Infrarot-LED
3. Emitter (E) des Phototransistors
4. Kollektor (C) des Phototransistors

Die Gehäusezeichnung liefert präzise Abmessungen einschließlich Gehäusegröße, Anschlussabstand und Gesamthöhe, die die Bauhöhe von 2,0 mm bestätigen. Ein empfohlenes PCB-Land-Pattern (Pad-Layout) wird ebenfalls bereitgestellt, um zuverlässiges Löten und mechanische Stabilität während der Oberflächenmontage zu gewährleisten.

4.2 Löt- und Bestückungsrichtlinien

Das Bauteil ist für eine maximale Löttemperatur (T_SOL) von 260°C für 10 Sekunden ausgelegt. Darüber hinaus wird ein detailliertes Reflow-Lötprofil bereitgestellt, das mit IPC/JEDEC J-STD-020D konform ist. Zu den Schlüsselparametern dieses Profils gehören:

• Vorwärmen:150°C bis 200°C über 60-120 Sekunden.
• Zeit oberhalb der Liquidus-Temperatur (217°C):60-100 Sekunden.
• Spitzentemperatur:Maximal 260°C.
• Zeit innerhalb von 5°C der Spitzentemperatur:Maximal 30 Sekunden.
• Maximale Anzahl von Reflow-Zyklen:3 Mal.

Die Einhaltung dieses Profils ist entscheidend, um Gehäuserisse, Delamination oder Schäden am internen Chip und den Bonddrähten zu verhindern.

5. Bestellung, Verpackung und Kennzeichnung

5.1 Artikelnummernsystem

Die Artikelnummer folgt dem Format:EL121N(X)(Y)-V

• EL121N:Basis-Bauteilenummer.
• X:CTR-Klasse (B, C, BC oder leer für die Standardklasse).
• Y:Band- und Rolle-Option (TA oder TB, unterscheiden sich in der Zuführrichtung).
• -V:Optionales Suffix, das die VDE-Zulassung kennzeichnet.

Beispiele: EL121NBC-TA, EL121NC-TB-V.

5.2 Verpackungsspezifikationen

Die Bauteile werden auf Band und Rolle für die automatisierte Bestückung geliefert. Die Bandabmessungen (Breite, Taschengröße, Teilung) und Rollenspezifikationen sind detailliert angegeben. Sowohl die TA- als auch die TB-Option enthalten 3000 Einheiten pro Rolle.

5.3 Bauteilkennzeichnung

Jedes Bauteil ist oben mit einem Laser- oder Tintenaufdruck gekennzeichnet:EL 121N RYWWV

• EL:Herstellercode.
• 121N:Bauteilenummer.
• R:CTR-Klassen-Code (z.B. B oder C).
• Y:Ein-stelliger Jahrescode.
• WW:Zwei-stelliger Wochencode.
• V:Vorhandensein des VDE-Zulassungszeichens.

Diese Kennzeichnung ermöglicht die Rückverfolgbarkeit und Überprüfung des Bauteiltyps.

6. Anwendungshinweise und Design-Überlegungen

6.1 Typische Anwendungen

Die EL121N-Serie eignet sich für eine Vielzahl von Isolations- und Schnittstellenanforderungen:

• Schaltnetzteile (SMPS):Bereitstellung von Rückkopplungsisolation in DC-DC-Wandlern, entscheidend für die Regelung der Ausgangsspannung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Sicherheitsisolation von der Primärseite.
• Industrielle Steuerungssysteme:Schnittstelle zwischen Niederspannungs-Logiksteuerungen (SPS) und höherspannigen/-stromstarken industriellen Aktoren oder Sensoren, um Masseschleifenstörungen zu verhindern.
• Telekommunikationsgeräte:Isolierung von Signalleitungen oder Bereitstellung galvanischer Trennung in Modem-, Router- oder Line-Card-Schnittstellen.
• Allgemeine Schaltungsisolation:Jede Anwendung, die Signaltübertragung zwischen Schaltkreisen mit unterschiedlichen Massepotentialen oder Impedanzen erfordert.

6.2 Kritische Design-Überlegungen

• CTR-Degradation:Der CTR von Optokopplern kann im Laufe der Zeit abnehmen, insbesondere bei Betrieb mit hohen LED-Strömen und hohen Temperaturen. Eine Reduzierung des LED-Stroms und die Wahl eines Bauteils mit einem anfänglichen CTR, der deutlich über dem minimal erforderlichen liegt, schaffen einen Sicherheitsspielraum für die Lebensdauer.
• Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Strom:Die Schaltgeschwindigkeit verbessert sich mit höherem LED-Treiberstrom, jedoch auf Kosten eines höheren Leistungsverbrauchs und einer möglichen beschleunigten Alterung. Die Testbedingung (I_F=10 mA typ.) gibt einen Referenzwert; für schnellere Geschwindigkeiten kann ein höherer I_F erforderlich sein.
• Auswahl des Lastwiderstands:Der Wert des Lastwiderstands (R_L am Kollektor) beeinflusst sowohl die Schaltgeschwindigkeit als auch den Ausgangsspannungshub. Ein kleinerer R_L verbessert die Geschwindigkeit, verringert jedoch die Verstärkung und den Ausgangsspannungsbereich.
• Störfestigkeit:Für digitale Anwendungen ist es entscheidend, eine ausreichende "Störabstand" zu gewährleisten, indem die Empfängerschaltung so ausgelegt wird, dass sie eindeutig zwischen Ein- und Aus-Zustand des Phototransistors unterscheiden kann.
• Isolations-Kriechstrecke und Luftstrecke:Beim Entwurf des PCB-Layouts sind die spezifizierten Kriech- und Luftstrecken (implizit durch die 3750 V_eff-Bewertung) zwischen den Leiterbahnen der Ein- und Ausgangsseite einzuhalten, um die Isolationsintegrität zu bewahren.

7. Technischer Vergleich und Positionierung

Innerhalb des Marktes für Phototransistor-Optokoppler positioniert sich die EL121N-Serie durch mehrere Schlüsselattribute:

• Gehäuse:Das 4-Pin-SOP-Gehäuse bietet einen kompakteren Bauraumbedarf als ältere 4-Pin-DIP-Gehäuse und ist gleichzeitig einfacher zu handhaben und zu löten als ultra-miniaturisierte 4-Pin-Gehäuse, was eine gute Balance zwischen Größe und Fertigbarkeit darstellt.
• CTR-Klassifizierung:Das Angebot mehrerer, klar definierter CTR-Klassen (B, C, BC) bietet eine Flexibilität, die bei generischen Bauteilen nicht immer verfügbar ist, und ermöglicht so ein optimiertes Design.
• Umfassende Zertifizierungen:Die Ansammlung von UL-, cUL-, VDE- und nordischen SEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO-Zulassungen in einem einzigen Bauteil vereinfacht die Bauteilauswahl für Produkte, die auf globale Märkte mit strengen Sicherheitsanforderungen abzielen.
• Ausgewogene Leistung:Mit einem CTR von bis zu 400 %, einer Sättigungsspannung unter 0,2 V und Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich bietet es eine ausgewogene Leistung, die für ein breites Spektrum analoger und digitaler Isolationsaufgaben geeignet ist, von einfachen Ein/Aus-Signalen bis hin zu PWM-Rückkopplungen.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

8.1 Was ist der Unterschied zwischen den TA- und TB-Bandoptionen?

Der Hauptunterschied liegt in derZuführrichtungvon der Rolle. TA und TB haben die Bauteiltaschen unterschiedlich auf dem Trägerband ausgerichtet. Der Entwickler muss die korrekte Option basierend auf der Ausrichtung spezifizieren, die das Zuführsystem seiner spezifischen Bestückungsmaschine erfordert. Beide enthalten 3000 Einheiten.

8.2 Wie wähle ich zwischen den B-, C- und BC-CTR-Klassen?

Wählen Sie basierend auf dem Verstärkungsbedarf und den Konsistenzanforderungen Ihrer Schaltung.

• Verwenden SieKlasse C (200-400 %)für Anwendungen, die hohe Empfindlichkeit erfordern oder bei denen die Treiberschaltung nur einen niedrigen LED-Strom liefern kann.
• Verwenden SieKlasse B (130-260 %)für Anwendungen, bei denen eine moderate, eng kontrollierte Verstärkung für eine vorhersehbare Leistung über alle Einheiten hinweg benötigt wird.
• Verwenden Sie dieStandardklasse (50-400 %)oder dieBC-Klasse (130-400 %)für kostenbewusste Anwendungen, bei denen das Schaltungsdesign eine größere Variation des CTR tolerieren kann, oft durch die Verwendung von Rückkopplung oder weniger kritischen Signalpegeln.

8.3 Kann dieses Bauteil für die galvanische Trennung analoger Signale verwendet werden?

Ja, aber mit wichtigen Einschränkungen. Die Nichtlinearität des Phototransistors, die Temperaturabhängigkeit des CTR und die inhärente Bauteil-zu-Bauteil-Variation machen es im Vergleich zu speziellen linearen Optokopplern (die eine Photodiode und einen Operationsverstärker enthalten) weniger ideal für hochpräzise analoge Isolation. Für analoge Signale mit geringerer Präzision oder in Schaltungen, die externe Linearisierung und Temperaturkompensation verwenden, kann es effektiv eingesetzt werden.

8.4 Welchen Zweck hat der Isolationsspannungstest (Pins 1-2 mit 3-4 kurzgeschlossen)?

Dieser Test überprüft die Integrität der internen Isolationsbarriere zwischen dem Eingangs- (LED) und dem Ausgangsbereich (Phototransistor) des Gehäuses. Das Kurzschließen der Pins auf jeder Seite stellt sicher, dass die Prüfspannung über die gesamte Isolationsgrenze angelegt wird, um mögliche Durchschlagspfade durch die Vergussmasse oder entlang des Leadframes zu prüfen.