6-Pin DIP Photodarlington-Optokoppler Datenblatt - TIL113, 4NXX, H11BX Serie - Isolierung 5000Vrms - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die Serien TIL113, 4NXX und H11BX sind Familien von Photodarlington-Optokopplern (Optoisolatoren). Jedes Bauteil besteht aus einer infraroten Leuchtdiode (LED), die optisch mit einem Photodarlington-Transistordetektor gekoppelt ist. Diese Konfiguration bietet eine hohe Stromübertragungsrate (CTR), wodurch sie sich für die Anbindung von Steuersignalen mit niedrigem Strom an Lasten mit höherem Strom eignen. Die Bauteile sind in einem kompakten 6-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) untergebracht, mit Optionen für Standard-Durchsteckmontage, weiten Anschlussabstand und Oberflächenmontage (SMD). Der Kernvorteil dieser Serie ist die hohe elektrische Isolierung (5000 V_eff) zwischen den Ein- und Ausgangsschaltungen, was für die Sicherheit und Störfestigkeit in Systemen mit unterschiedlichen Massepotenzialen entscheidend ist.

2. Hauptmerkmale und Zulassungen

Die Serie bietet mehrere bedeutende Merkmale für einen robusten und zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Anwendungen. Die hohe Isolationsspannung von 5000 V_eff und ein Kriechstreckenabstand von über 7,62 mm gewährleisten einen sicheren Betrieb in Hochspannungsumgebungen. Diese Bauteile sind für einen erweiterten Betriebstemperaturbereich bis zu +110°C ausgelegt. Darüber hinaus entspricht die Produktserie wichtigen internationalen Sicherheits- und Umweltstandards, einschließlich UL-, cUL-, VDE-, SEMKO-, NEMKO-, DEMKO-, FIMKO- und CQC-Zulassungen. Die Bauteile sind auch mit den EU-REACH-Verordnungen konform und in RoHS-konformen Versionen erhältlich.

3. Anwendungen

Diese Optokoppler sind für eine Vielzahl von Anwendungen konzipiert, bei denen elektrische Isolierung und Signalkopplung erforderlich sind. Typische Einsatzgebiete sind:

• Anbindung von Logikschaltungen mit geringer Leistung und Pegelwandlung.
• Telekommunikationsgeräte zur Signalisolierung.
• Tragbare und batteriebetriebene Elektronik.
• Anbindungs- und Kopplungssysteme, die mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen und Impedanzen arbeiten, wie z.B. in industriellen Steuerungssystemen, Netzteilen und Messgeräten.

4. Pinbelegung und Schaltplan

Die Bauteile verwenden eine standardmäßige 6-Pin-DIP-Konfiguration. Die Pinbelegung ist wie folgt:

• Pin 1: Anode der Eingangs-LED.
• Pin 2: Kathode der Eingangs-LED.
• Pin 3: Nicht angeschlossen (NC).
• Pin 4: Emitter des Ausgangs-Photodarlington-Transistors.
• Pin 5: Kollektor des Ausgangs-Photodarlington-Transistors.
• Pin 6: Basis des Ausgangs-Photodarlington-Transistors (typischerweise offen gelassen oder für Beschleunigungsnetzwerke angeschlossen).

Der interne Schaltplan zeigt die Infrarot-LED zwischen Pin 1 und 2 angeschlossen und den Photodarlington-Transistor zwischen Pin 4 (Emitter), 5 (Kollektor) und 6 (Basis) angeschlossen.

5. Absolute Grenzwerte

Belastungen über diese Grenzwerte hinaus können das Bauteil dauerhaft beschädigen. Alle Grenzwerte gelten bei einer Umgebungstemperatur (T_a) von 25°C, sofern nicht anders angegeben.

• Eingang (LED):Durchlassstrom (I_F): 60 mA; Spitzen-Durchlassstrom (I_FP, 1µs Impuls): 1 A; Sperrspannung (V_R): 6 V; Verlustleistung (P_D): 120 mW (Reduzierung erforderlich oberhalb T_a= 100°C mit 3,8 mW/°C).
• Ausgang (Transistor):Verlustleistung (P_C): 150 mW (Reduzierung erforderlich oberhalb T_a= 80°C mit 6,5 mW/°C); Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO): 55 V; Kollektor-Basis-Spannung (V_CBO): 55 V; Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO): 7 V; Emitter-Basis-Spannung (V_EBO): 7 V.
• Gesamtbauteil:Gesamtverlustleistung (P_TOT): 200 mW; Isolationsspannung (V_ISO): 5000 V_eff(AC für 1 Minute, 40-60% rel. Luftfeuchte).
• Temperatur:Betriebstemperatur (T_OPR): -55°C bis +100°C; Lagertemperatur (T_STG): -55°C bis +125°C; Löttemperatur (T_SOL): 260°C (für 10 Sekunden).

6. Elektro-optische Kennwerte

Diese Parameter definieren die elektrische und optische Leistung unter normalen Betriebsbedingungen, typischerweise bei T_a=25°C.

6.1 Eingangskennwerte (LED)

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,2V, Maximal 1,5V bei I_F= 10mA (50mA für H11B3).
• Sperrstrom (I_R): Maximal 10 µA bei V_R= 6V.
• Eingangskapazität (C_in): Typisch 50 pF bei V=0, f=1MHz.

6.2 Ausgangskennwerte (Photodarlington)

• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO): Maximal 100 nA bei V_CE= 10V.
• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (BV_CEO): Mindestens 55 V bei I_C=1mA.
• Kollektor-Basis-Durchbruchspannung (BV_CBO): Mindestens 55 V bei I_C=0,1mA.
• Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (BV_ECO): Mindestens 7 V bei I_E=0,1mA.

6.3 Übertragungskennwerte

Diese Parameter definieren die Kopplungseffizienz und das Schaltverhalten.

• Stromübertragungsrate (CTR):Dies ist das Verhältnis von Ausgangskollektorstrom zu Eingangs-LED-Durchlassstrom, ausgedrückt in Prozent. Es variiert je nach Bauteilnummer:
  • 4N32, 4N33, H11B1: CTR ≥ 500% (bei I_F=10mA, V_CE=10V oder I_F=1mA, V_CE=5V).
  • 4N29, 4N30: CTR ≥ 100%.
  • 4N31, H11B3, H11B255: CTR ≥ 100%.
  • H11B2: CTR ≥ 200%.
  • TIL113: CTR ≥ 300% (bei I_F=10mA, V_CE=1V).
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Maximal 1,0V bis 1,2V je nach Serie, unter spezifizierten I_Fund I_C conditions.
• Isolationswiderstand (R_IO):Mindestens 10¹¹Ω bei V_IO=500V DC.
• Eingang-Ausgang-Kapazität (C_IO):Typisch 0,8 pF bei V_IO=0, f=1MHz.
• Schaltzeiten:Einschaltzeit (t_on) und Ausschaltzeit (t_off) sind für verschiedene Serien unter spezifischen Testbedingungen spezifiziert (V_CC=10V, mit spezifiziertem I_Fund Lastwiderstand R_L=100Ω). Zum Beispiel: H11Bx-Serie t_onist typisch 25µs und t_offist typisch 18µs. Die 4Nxx- und TIL113-Serien haben eine schnellere Einschaltzeit (max. 5µs), aber möglicherweise eine langsamere Ausschaltzeit (bis zu 100µs bei einigen Varianten).

7. Kennlinien und Schaltverhalten

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien (obwohl im bereitgestellten Text nicht detailliert). Diese Kurven veranschaulichen typischerweise die Beziehung zwischen CTR und Temperatur, Durchlassstrom oder Kollektorstrom. Sie sind für Entwickler wesentlich, um Leistungsabweichungen unter nicht standardmäßigen Bedingungen zu verstehen. Ein Schaltzeiten-Testschaltkreis ist definiert, der den Eingangsimpuls zeigt, der die LED ansteuert, und den resultierenden Ausgangsimpuls am Kollektor. Wichtige Zeitparameter wie Anstiegszeit (t_r), Abfallzeit (t_f), Einschaltverzögerung (t_on) und Ausschaltverzögerung (t_off) werden zwischen den 10%- und 90%-Punkten der jeweiligen Impulse gemessen.

8. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die Bauteile werden in mehreren Gehäusevarianten angeboten, um verschiedenen Montageprozessen gerecht zu werden.

• Standard-DIP-Typ:Das klassische Durchsteckgehäuse.
• Option M-Typ:Zeichnet sich durch einen weiten Anschlussbiegeradius aus und bietet einen Anschlussabstand von 0,4 Zoll (ca. 10,16 mm) für Anwendungen, die größere Kriechstrecken oder eine einfachere manuelle Bestückung erfordern.
• Option S-Typ:Oberflächenmontage-Anschlussform für Reflow-Löten.
• Option S1-Typ:Eine flache Oberflächenmontage-Anschlussformvariante.

Detaillierte Maßzeichnungen werden für jeden Gehäusetyp bereitgestellt, einschließlich Gehäuselänge, -breite, -höhe, Anschlussabstand und Anschlussabmessungen. Ein empfohlenes Pad-Layout für die Oberflächenmontage-Optionen ist ebenfalls enthalten, um zuverlässige Lötstellen während der Leiterplattenmontage zu gewährleisten.

9. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Grenzwert gibt eine Löttemperatur von 260°C für 10 Sekunden an. Dies ist ein kritischer Parameter für Reflow- oder Wellenlötprozesse. Entwickler müssen sicherstellen, dass das thermische Profil während der Montage diesen Grenzwert nicht überschreitet, um Schäden am internen Halbleiterchip oder am Kunststoffgehäuse zu vermeiden. Für die Oberflächenmontage-Varianten ist die Einhaltung des empfohlenen Pad-Layouts entscheidend, um "Tombstoning" oder schlechte Lötstellen zu verhindern. Richtige Lagerbedingungen gemäß der Lagertemperaturangabe (-55°C bis +125°C) sollten eingehalten werden, um die Integrität des Bauteils vor der Verwendung zu bewahren.

10. Verpackung und Bestellinformationen

Das Bauteilnummernsystem ist so strukturiert, dass es die Serie, die spezifische Bauteilnummer, die Anschlussformoption, die Tape-&-Reel-Option und optionale Sicherheitszertifizierungen angibt.

Bauteilnummernformat:[Serie][Teilenummer][Anschlussform][TapeReel]-[Sicherheit]

• Serie: 4NXX, H11BX oder TIL113.
• Teilenummer: Für 4NXX: 29,30,31,32,33. Für H11BX: 1,2,3,255.
• Anschlussform (Y): S (SMD), S1 (Flachbau-SMD), M (Weiter Anschluss) oder keine (Standard DIP).
• TapeReel (Z): TA, TB (für SMD-Optionen) oder keine.
• Sicherheit (V): Optionale VDE-Zertifizierung.

Packungsmengen:

• Standard DIP und M-Optionen: 65 Einheiten pro Tube.
• S- und S1-Optionen mit TA/TB: 1000 Einheiten pro Rolle.

11. Anwendungsentwurfsaspekte

Bei der Entwicklung mit diesen Photodarlington-Optokopplern müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Die hohe CTR ermöglicht es, den Ausgangstransistor mit relativ niedrigem LED-Strom in Sättigung zu treiben, was für die Anbindung an Mikrocontroller vorteilhaft ist. Allerdings hat die Photodarlington-Struktur von Natur aus langsamere Schaltgeschwindigkeiten im Vergleich zu Phototransistor- oder Photo-IC-Kopplern, was sie für Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen geeigneter macht (typischerweise bis in den Bereich von einigen zehn kHz, abhängig von den Lastbedingungen). Der Basis-Pin (Pin 6) kann verwendet werden, um einen externen Widerstand anzuschließen, um einen Teil des photogenerierten Basisstroms gegen Masse abzuleiten, was die Ausschaltzeit erheblich verbessern kann, allerdings auf Kosten einer reduzierten CTR. Der Entwickler muss sicherstellen, dass die Spannungsgrenzwerte des Ausgangstransistors (V_CEO, V_CBO) durch die Lastschaltung nicht überschritten werden. Ein strombegrenzender Widerstand ist immer in Reihe mit der Eingangs-LED erforderlich. Der Wert wird basierend auf der Versorgungsspannung, dem gewünschten I_F und der V_F.

der LED berechnet.

12. Technischer Vergleich und Auswahlhilfe

Die primäre Unterscheidung innerhalb dieser Serie ist die Stromübertragungsrate (CTR). Bauteile wie die 4N32/33 und H11B1 bieten eine sehr hohe Empfindlichkeit (CTR ≥ 500%), was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen das Ansteuersignal sehr schwach ist. Die 4N29/30 und H11B2 bieten mittlere Empfindlichkeit. Die 4N31, H11B3 und H11B255 bieten eine Standard-CTR von 100%. Der TIL113 bietet mit 300% eine gute Balance. Die Wahl zwischen DIP- und SMD-Gehäusen hängt vom Fertigungsprozess ab. Die Option mit weitem Anschluss (M) ist vorteilhaft für Hochspannungsanwendungen, die einen erhöhten Kriechstreckenabstand auf der Leiterplatte erfordern. Im Vergleich zu einfacheren Phototransistor-Kopplern bieten Photodarlingtons eine viel höhere Verstärkung, sind aber langsamer. Für sehr schnelle digitale Isolierung wären andere Technologien wie digitale Isolatoren (basierend auf kapazitiver oder magnetischer Kopplung) oder schnellere Optokoppler mit Logikgatter-Ausgängen besser geeignet.

13. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Hauptvorteil eines Photodarlington gegenüber einem Standard-Phototransistor?

A: Der primäre Vorteil ist eine viel höhere Stromübertragungsrate (CTR), oft um den Faktor 10 bis 100. Das bedeutet, dass ein sehr kleiner Eingangs-LED-Strom einen viel größeren Ausgangsstrom steuern kann, was die Ansteuerschaltung vereinfacht.

F: Warum sind die Schaltzeiten bei Photodarlingtons langsamer?

A: Die Darlington-Paar-Konfiguration hat eine zusätzliche Transistorstufe, was die Ladungsspeicherung erhöht und die Schaltgeschwindigkeit verringert, insbesondere während des Ausschaltens.

F: Wie kann ich die Ausschaltzeit des Photodarlington verbessern?

A: Das Anschließen eines externen Widerstands (typischerweise im Bereich von 10kΩ bis 100kΩ) zwischen dem Basis-Pin (6) und dem Emitter-Pin (4) bietet einen Pfad zum Ableiten der gespeicherten Ladung und reduziert die Ausschaltzeit erheblich._{F: Was bedeutet die 5000 V}eff

Isolationsbewertung für meinen Entwurf?

A: Diese Bewertung bescheinigt, dass das Bauteil eine 5000 Volt AC-Potenzialdifferenz zwischen Ein- und Ausgangsseite für eine Minute ohne Durchbruch standhalten kann. Sie definiert die Sicherheitsbarriere für Ihr System und schützt Benutzer und Niederspannungsschaltungen vor Hochspannungsfehlern.

F: Kann ich diese für AC-Eingangssignale verwenden?

A: Der Eingang ist eine LED, also eine Diode. Sie leitet nur während der positiven Halbwelle eines AC-Signals. Für echte AC-Eingangserfassung ist eine Brückengleichrichter- oder eine spezielle AC-Eingangs-Optokopplerschaltung erforderlich.

14. Entwurfs- und AnwendungsbeispieleBeispiel 1: Mikrocontroller-Relais-Treiber:_FEine häufige Anwendung ist die Isolierung eines 3,3V- oder 5V-Mikrocontrollers von einer 12V- oder 24V-Relais-Spule. Der Mikrocontroller-GPIO-Pin treibt über einen strombegrenzenden Widerstand (z.B. 220Ω für 5V Versorgung und ~10mA I

) die LED-Seite an. Der Kollektor des Photodarlington ist mit der Relaisspule verbunden und der Emitter mit Masse. Eine Freilaufdiode muss über die Relaisspule geschaltet werden. Die hohe CTR stellt sicher, dass das Relais auch dann vollständig erregt wird, wenn der Mikrocontroller-Pin nur einen moderaten Strom liefern kann.Beispiel 2: Netzspannungs-Nulldurchgangserkennung:

Obwohl nicht für den direkten Netzanschluss gedacht, können diese Koppler im isolierten Rückkopplungspfad eines Schaltnetzteils oder in einer Nulldurchgangserkennungsschaltung verwendet werden, wo ein höherspanniges, isoliertes Signal an eine Niederspannungslogikschaltung übermittelt werden muss. Die hohe Isolationsspannung ist hier entscheidend.Beispiel 3: Industrielles Digital-Eingangsmodul:

In einem PLC-Eingangsmodul können diese Optokoppler Feldsensorsignale (z.B. 24V DC-Näherungsschalter) von der internen Logikschaltung isolieren, Störfestigkeit bieten und den Zentralcontroller vor Spannungstransienten auf der Feldseite schützen.

15. Funktionsprinzip_FDas grundlegende Prinzip ist die elektro-optisch-elektrische Wandlung. Wenn ein Durchlassstrom (I_C) an die Eingangs-Infrarot-LED angelegt wird, emittiert sie Photonen (Licht). Dieses Licht durchquert einen transparenten Isolationsspalt innerhalb des Gehäuses und trifft auf die Basisregion des Ausgangs-Silizium-Photodarlington-Transistors. Die absorbierten Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare, wodurch ein Fotostrom entsteht, der als Basisstrom für den ersten Transistor des Darlington-Paars wirkt. Dieser kleine Fotostrom wird durch die hohe Verstärkung der beiden Transistoren verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom (I

) führt, der eine externe Last schalten kann. Der Schlüssel ist, dass die einzige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang der Lichtstrahl ist, der die elektrische Isolierung bereitstellt.

16. Technologietrends