EL3H7U-G Optokoppler Datenblatt - 4-Pin SSOP-Gehäuse - Bauhöhe 2,0 mm - Isolationsspannung 3750 Vrms - CTR 100-560% - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL3H7U-G-Serie stellt eine Familie kompakter, oberflächenmontierbarer Fototransistor-Optokoppler dar, die für zuverlässige Signalisolierung in modernen elektronischen Schaltungen entwickelt wurden. Diese Bauteile erfüllen eine entscheidende Funktion, indem sie elektrische Signale zwischen zwei isolierten Stromkreisen mittels Licht übertragen und so verhindern, dass hohe Spannungen oder Masseschleifen in einem Stromkreis den anderen beeinflussen oder beschädigen.

Der Kernaufbau besteht aus einer Galliumarsenid-Infrarot-Leuchtdiode (IRED), die optisch mit einem Silizium-NPN-Fototransistor gekoppelt ist. Beide sind in einer grünen, halogenfreien Verbindung eingekapselt und in einem 4-Pin Small Outline Package (SSOP) mit einer niedrigen Bauhöhe von 2,0 mm untergebracht. Dieses Gehäuse ist ideal für platzbeschränkte Anwendungen auf Leiterplatten (PCBs).

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die primären Vorteile der EL3H7U-G-Serie umfassen ihre hohe Isolationsfähigkeit, kompakte Bauform und die Einhaltung internationaler Sicherheits- und Umweltnormen. Mit einer Isolationsspannung (Viso) von 3750 Vrms bietet sie robusten Schutz für empfindliche Schaltungen. Die halogenfreie Materialzusammensetzung entspricht Umweltvorschriften wie RoHS und REACH. Das Bauteil ist von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden zugelassen, darunter UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC, was es für globale Märkte geeignet macht, die zertifizierte Komponenten erfordern.

Die Zielanwendungen sind vielfältig und konzentrieren sich auf Bereiche, in denen elektrische Isolation und Störfestigkeit von größter Bedeutung sind. Zu den Hauptmärkten gehören Schaltnetzteile (SMPS), insbesondere DC-DC-Wandler, industrielle speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Telekommunikationsgeräte und allgemeine Signalübertragung zwischen Stromkreisen mit unterschiedlichen Massepotentialen oder Impedanzen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Das Verständnis der absoluten Maximalwerte und der elektrischen Eigenschaften ist für einen zuverlässigen Schaltungsentwurf und die langfristige Zuverlässigkeit des Optokopplers unerlässlich.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer eine dauerhafte Beschädigung des Bauteils auftreten kann. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Eingang (LED-Seite):Der Durchlassstrom (I_F) darf 20 mA nicht überschreiten. Die Sperrspannung (V_R) ist auf 5 V begrenzt, was die Notwendigkeit eines angemessenen Polungsschutzes unterstreicht, falls der Eingang einer Sperrvorspannung ausgesetzt sein könnte.
• Ausgang (Fototransistor-Seite):Der Kollektorstrom (I_C) ist mit 30 mA spezifiziert. Die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) hält bis zu 60 V stand, während die Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO) mit 5 V deutlich niedriger ist, was die Asymmetrie der Durchbrucheigenschaften des Fototransistors anzeigt.
• Thermisch und Isolation:Die gesamte Verlustleistung des Bauteils (P_TOT) beträgt 200 mW. Die Isolationsspannung (V_ISO) von 3750 Vrms wird für 1 Minute getestet, wobei die Pins 1-2 und 3-4 unter kontrollierter Luftfeuchtigkeit (40-60% RH) kurzgeschlossen sind. Der Betriebstemperaturbereich ist von -40°C bis +125°C spezifiziert.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

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

• Eingangseigenschaften:Die Durchlassspannung (V_F) beträgt typischerweise 1,3V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 1 mA, was für den Treiberschaltungsentwurf wichtig ist. Die Eingangskapazität (C_in) beträgt bis zu 250 pF, was die Hochfrequenz-Schaltleistung beeinflussen kann.
• Ausgangseigenschaften:Der Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO) ist sehr niedrig (max. 100 nA bei V_CE=20V) und repräsentiert den Leckstrom, wenn die LED ausgeschaltet ist. Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)) beträgt maximal 0,4V unter spezifizierten Testbedingungen (I_F=3mA, I_C=1,6mA), was auf einen niedrigen Spannungsabfall hinweist, wenn der Transistor vollständig leitend ist.
• Isolationsparameter:Der Isolationswiderstand (R_IO) beträgt mindestens 5 x 10¹⁰Ω, und die Isolationskapazität (C_IO) maximal 1,0 pF. Diese Werte sind entscheidend für die Bestimmung der Gleichtaktunterdrückung und der Hochfrequenzstörkopplung über die Isolationsbarriere.

2.3 Übertragungseigenschaften und Klassifizierungssystem

Der Stromübertragungsfaktor (CTR) ist der kritischste Parameter eines Optokopplers, definiert als das Verhältnis von Ausgangskollektorstrom (I_C) zu Eingangs-LED-Durchlassstrom (I_F), ausgedrückt als Prozentsatz: CTR = (I_CF) * 100%.

Die EL3H7U-G-Serie verwendet ein CTR-Klassifizierungssystem, um Entwicklern konsistente Leistungsbereiche bereitzustellen:

• EL3H7U (Standard):CTR-Bereich von 50% bis 600% bei I_F= 0,5 mA, V_CE= 5V.
• EL3H7UA:CTR-Bereich von 100% bis 200%.
• EL3H7UB:CTR-Bereich von 150% bis 300%.
• EL3H7UC:CTR-Bereich von 200% bis 400%.

Diese Klassifizierung ermöglicht einen präziseren Entwurf, insbesondere in Schaltungen, bei denen eine konstante Verstärkung wichtig ist, wie z.B. in Rückkopplungsschleifen von Netzteilen. Das Standardbauteil bietet den breitesten Bereich und eignet sich für universelle Anwendungen, bei denen der genaue CTR weniger kritisch ist.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die wichtige Leistungstrends veranschaulichen. Es ist entscheidend zu beachten, dass diese Kurven typisches Verhalten darstellen und nicht durch die Produktionstests garantiert werden.

3.1 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abbildung 1)

Dieses Diagramm zeigt die I-V-Kennlinie der Eingangs-IRED bei verschiedenen Umgebungstemperaturen (-40°C, 25°C, 125°C). Die Durchlassspannung (V_F) hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, d.h. sie nimmt bei einem gegebenen Strom mit steigender Temperatur ab. Dies ist ein typisches Verhalten für Dioden und muss im thermischen Management und im Entwurf von Konstantstromtreibern berücksichtigt werden.

3.2 Kollektorstrom vs. Durchlassstrom (Abbildung 2) und CTR vs. Durchlassstrom (Abbildung 3)

Abbildung 2 stellt den Ausgangskollektorstrom (I_C) über dem Eingangs-LED-Strom (I_F) für zwei verschiedene Kollektor-Emitter-Spannungen (V_CE=0,4V und 5V) dar. Die Beziehung ist bei niedrigeren Strömen linear, zeigt aber bei höheren I_F-Werten Sättigung, insbesondere bei der niedrigeren V_CE. Abbildung 3 zeigt, wie der normalisierte CTR mit steigendem I_Fabnimmt. Dies zeigt, dass das Bauteil bei niedrigeren Treiberströmen, typischerweise um die Testbedingung von 0,5 mA herum, am effizientesten (höchster CTR) ist.

3.3 Temperaturabhängigkeit (Abbildungen 6 & 7)

Abbildung 6 zeigt, dass der Kollektorstrom (I_C) für einen festen I_Fmit der Temperatur zunimmt. Abbildung 7 zeigt, dass der normalisierte CTR bei Raumtemperatur seinen Höchstwert erreicht und sowohl bei höheren als auch bei niedrigeren Temperaturen abnimmt. Diese Temperaturabhängigkeit des CTR ist ein kritischer Entwurfsfaktor. Schaltungen müssen so ausgelegt sein, dass sie über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich korrekt funktionieren und die Verstärkungsänderung berücksichtigen.

3.4 Schaltverhalten (Abbildung 9)

Das Diagramm für die Schaltzeit über dem Lastwiderstand (R_L) zeigt, dass sowohl die Anstiegszeit (t_r) als auch die Abfallzeit (t_f) mit abnehmendem Lastwiderstand abnehmen. Schnelleres Schalten wird mit kleineren Lastwiderständen erreicht, jedoch auf Kosten einer höheren Verlustleistung in der Ausgangsstufe. Die Testschaltung (Abbildung 13) definiert t_rals die Zeit von 10% bis 90% des Ausgangsimpulses und t_fals die Zeit von 90% bis 10%.

4. Mechanische, Verpackungs- und Montageinformationen

4.1 Pinbelegung und Polarität

Das Bauteil verwendet einen standardmäßigen 4-Pin-SSOP-Fußabdruck. Die Pinbelegung ist wie folgt: Pin 1: Anode der IRED, Pin 2: Kathode der IRED, Pin 3: Emitter des Fototransistors, Pin 4: Kollektor des Fototransistors. Während des PCB-Layouts und der Montage muss die korrekte Polarität beachtet werden, um Beschädigungen zu vermeiden.

4.2 Löt- und Handhabungsrichtlinien

Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur (T_SOL) beträgt 260°C für 10 Sekunden. Dies entspricht typischen bleifreien Reflow-Lötprofilen. Es sollten die standardmäßigen IPC/JEDEC J-STD-020-Richtlinien für feuchtigkeitsempfindliche Bauteile befolgt werden. Das Bauteil sollte unter kontrollierten Bedingungen in seiner original feuchtigkeitsdichten Verpackung mit Trockenmittel gelagert und vor dem Löten getrocknet werden, wenn die Verpackung geöffnet wurde oder die Expositionszeitgrenze überschritten ist.

5. Bestellinformationen und Verpackung

Die Artikelnummer folgt der Struktur: EL3H7U(X)(Y)-VG.

• X:CTR-Klasse (A, B, C oder leer für Standardklasse).
• Y:Band- und Rollenoption (TA, TB oder leer). TA und TB beziehen sich wahrscheinlich auf unterschiedliche Rollengrößen oder Verpackungsorientierungen, beide enthalten 5000 Einheiten pro Rolle.
• V:Optionale VDE-Zulassungskennzeichnung.
• G:Kennzeichnet halogenfreies Material.

Beispiele: EL3H7UB-TA-VG wäre ein B-Klasse-CTR-Bauteil, verpackt auf einem TA-Band und einer Rolle, mit VDE-Zulassung und halogenfreiem Material.

6. Anwendungsrichtlinien und Entwurfsüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die Hauptanwendung ist die Signalisolierung. Eine typische Schaltung beinhaltet das Ansteuern der Eingangs-LED mit einem strombegrenzenden Widerstand von einer digitalen Signalquelle (z.B. einem Mikrocontroller-GPIO). Der Ausgangsfototransistor kann in einer Emitterschaltung (Kollektor mit einem Pull-up-Widerstand verbunden, Emitter geerdet) verwendet werden, um ein invertiertes Ausgangssignal zu erzeugen, oder in einer Kollektorschaltung für ein nicht-invertiertes Signal.

6.2 Wichtige Entwurfsüberlegungen

• LED-Treiberstrom:Wählen Sie I_Fbasierend auf der erforderlichen Schaltgeschwindigkeit und dem CTR. Niedrigerer I_Fbietet höheren CTR, aber langsameres Schalten. Ein Vorwiderstand muss mit R = (V_quelle- V_F) / I_F.
• berechnet werden._LAusgangslastwiderstand (R):_LDieser Widerstand bestimmt den Ausgangsspannungshub, die Schaltgeschwindigkeit und die Verlustleistung. Ein kleinerer R_C.
• ermöglicht schnelleres Schalten, aber einen geringeren Ausgangsspannungshub und einen höheren I._FCTR-Degradation:
• Der CTR von Optokopplern kann mit der Zeit abnehmen, insbesondere bei Betrieb bei hohen Temperaturen und hohen LED-Strömen. Für langlebige Entwürfe sollte der Betriebs-Ireduziert und ein angemessenes thermisches Management sichergestellt werden.

Störfestigkeit:

Für störbehaftete Umgebungen kann ein kleiner Entkopplungskondensator (z.B. 0,1 μF) über den Eingangspins, nahe am Bauteil, hilfreich sein. Auf der Ausgangsseite ist ein sorgfältiges PCB-Layout zur Minimierung der Streukapazität für Hochgeschwindigkeitssignale wichtig.

7. Technischer Vergleich und FAQs

7.1 Abgrenzung zu anderen Optokopplern

Die EL3H7U-G-Serie grenzt sich durch die Kombination aus kompaktem SSOP-Gehäuse, hoher Isolationsspannung von 3750 Vrms, breitem Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C und umfassenden internationalen Sicherheitszertifizierungen ab. Viele konkurrierende Bauteile bieten möglicherweise ähnlichen CTR oder Geschwindigkeit, aber nicht die vollständige Palette an Zulassungen oder die Hochtemperaturfähigkeit.

7.2 Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Was ist der Unterschied zwischen der Standardklasse und den A/B/C-Klassen?

A: Die Standardklasse hat einen sehr breiten CTR-Bereich (50-600%). Die A-, B- und C-Klassen sind in engere, garantierte CTR-Bereiche eingeteilt (z.B. 200-400% für C-Klasse). Verwenden Sie klassifizierte Bauteile für Entwürfe, die eine vorhersagbare Verstärkung erfordern.

F: Kann ich dies für die Isolierung von AC-Eingangssignalen verwenden?

A: Nicht direkt. Der Eingang ist eine IRED, also eine Diode, die nur in eine Richtung leitet. Um ein AC-Signal zu isolieren, müssten Sie es zunächst gleichrichten oder einen speziellen AC-Eingangs-Optokoppler verwenden._rF: Wie berechne ich die maximale Datenrate?_fA: Die maximale Datenrate ist durch die Summe aus Anstiegs- und Abfallzeit (t_r+ t_r) begrenzt. Eine grobe Schätzung für ein Digitalsignal ist Bandbreite ≈ 0,35 / (t

). Bei einer typischen t

von 8 μs beträgt die Bandbreite etwa 44 kHz. Für eine zuverlässige digitale Kommunikation wird die praktische Datenrate niedriger sein._IOF: Warum ist die Isolationskapazität wichtig?_IOA: Eine niedrige Isolationskapazität (C

) ist entscheidend für die Unterdrückung von hochfrequentem Gleichtaktrauschen. In Anwendungen mit schnellen Spannungstransienten über die Isolationsbarriere (wie in Motorantrieben) kann ein hohes C

Rauschen von der Primär- auf die Sekundärseite koppeln und möglicherweise Fehlfunktionen verursachen.

8. Funktionsprinzip und Technologietrends

8.1 Grundlegendes Funktionsprinzip

Ein Optokoppler arbeitet nach dem Prinzip der elektro-optisch-elektrischen Wandlung. Ein elektrisches Signal auf der Eingangsseite veranlasst die IRED, infrarotes Licht proportional zum Strom auszusenden. Dieses Licht durchquert eine transparente Isolationsbarriere innerhalb des Gehäuses. Auf der Ausgangsseite detektiert der Fototransistor dieses Licht, erzeugt einen Basisstrom, der wiederum einen viel größeren Kollektorstrom steuert. Die beiden Stromkreise sind elektrisch isoliert, mit nur optischer Kopplung zwischen ihnen.