6-Pin DIP Phototransistor-Optokoppler Datenblatt - 4N2X, 4N3X, H11AX Serie - Isolationsspannung 5000Vrms - Betriebstemperatur -55 bis +110°C - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die Serien 4N2X, 4N3X und H11AX sind Familien von 6-Pin Dual-Inline-Gehäuse (DIP) Phototransistor-Optokopplern (auch bekannt als Optokoppler oder Opto-Isolatoren). Jedes Bauteil besteht aus einer Galliumarsenid-Infrarot-Leuchtdiode (LED), die optisch mit einem Silizium-Phototransistor-Detektor gekoppelt ist. Diese Konfiguration bietet eine vollständige galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen, was sie zu unverzichtbaren Komponenten für Sicherheit, Störfestigkeit und Pegelanpassung in elektronischen Systemen macht.

Die Kernfunktion ist die Signalübertragung via Licht, wodurch eine direkte elektrische Verbindung entfällt. Der Eingangsstrom versorgt die Infrarot-LED, die Licht proportional zum Strom emittiert. Dieses Licht trifft auf die Basisregion des Phototransistors, erzeugt einen Basisstrom und ermöglicht einen Kollektor-Emitter-Stromfluss, wodurch das Eingangssignal auf der isolierten Ausgangsseite reproduziert wird.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Diese Optokoppler sind für Anwendungen konzipiert, die eine zuverlässige Signalisolation erfordern. Ihre Hauptvorteile umfassen eine hohe Isolationsspannung von 5000V_eff, was entscheidend ist, um Niederspannungssteuerkreise (wie Mikroprozessoren) vor Hochspannungsnetzteilen oder Motorantriebssektionen zu schützen. Der erweiterte Kriechstreckenabstand von >7,62mm erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit in Hochspannungsumgebungen weiter. Mit einem Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +110°C sind sie für industrielle, automotive und raue Umgebungsanwendungen geeignet.

Das kompakte DIP-Gehäuse ist in Standard-, Breitabstands- (0,4 Zoll) und Oberflächenmontage- (SMD) Varianten erhältlich und bietet Flexibilität für Durchsteck- und automatisierte Bestückungsprozesse. Die Bauteile verfügen über Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden wie UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC, was ihren Einsatz in weltweit vermarkteten Geräten erleichtert, die strenge Sicherheitsstandards einhalten müssen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Das Datenblatt liefert umfassende elektrische und optische Spezifikationen, die für einen korrekten Schaltungsentwurf und die Zuverlässigkeitsgewährleistung entscheidend sind.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Bauteilschäden auftreten können. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Eingangsseite (LED):Der maximale Dauer-Durchlassstrom (I_F) beträgt 60mA. Ein kurzer Spitzen-Durchlassstrom (I_FM) von 1A für 10µs ist zulässig, was für die Transientenunterdrückung relevant ist. Die maximale Sperrspannung (V_R) ist mit 6V moderat, was darauf hinweist, dass die LED nicht für hohe Sperrspannung ausgelegt ist und bei Verwendung in Wechselstromschaltungen geschützt werden muss.
• Ausgangsseite (Phototransistor):Die Kollektor-Emitter- und Kollektor-Basis-Durchbruchsspannungen (V_CEO, V_CBO) betragen jeweils 80V und definieren die maximale Spannung, die im gesperrten Zustand am Transistor anliegen darf. Die Emitter-Basis- und Emitter-Kollektor-Spannungen (V_EBO, V_ECO) sind auf 7V begrenzt.
• Leistung und thermische Aspekte:Die gesamte Bauteilverlustleistung (P_TOT) beträgt bei 25°C 200mW. Derating-Faktoren werden angegeben: 3,8 mW/°C für die Eingangsseite über 100°C und 9,0 mW/°C für die Ausgangsseite über 100°C. Diese sind entscheidend, um die maximal zulässige Leistung bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu berechnen und einen thermischen Durchbruch zu verhindern.
• Isolation:Die Isolationsspannung (V_ISO) von 5000V_eff für 1 Minute ist ein wichtiger Sicherheitsparameter, getestet mit kurzgeschlossenen Pins 1-2-3 und kurzgeschlossenen Pins 4-5-6.

2.2 Elektro-optische Kennwerte

Diese Parameter werden unter typischen Bedingungen (T_a=25°C) gemessen und definieren die Leistung des Bauteils.

• Eingangs-LED-Kennwerte:Die Durchlassspannung (V_F) beträgt typischerweise 1,2V bei I_F=10mA, maximal 1,5V. Dies wird zur Berechnung des erforderlichen Vorwiderstands verwendet. Der Sperrstrom (I_R) ist sehr niedrig (<10µA bei V_R=6V). Die Eingangskapazität (C_in) beträgt typischerweise 30pF.
• Ausgangs-Phototransistor-Kennwerte:Dunkelströme (I_CBO, I_CEO) liegen im Nanoampere-Bereich, was auf sehr geringe Leckströme hinweist, wenn die LED ausgeschaltet ist. Durchbruchsspannungen (BV_CEO, BV_CBO, etc.) bestätigen die 80V- und 7V-Grenzwerte aus den absoluten Grenzwerten.

2.3 Übertragungskennwerte

Diese Parameter beschreiben die Kopplungseffizienz und Schaltleistung zwischen Eingang und Ausgang.

• Stromübertragungsverhältnis (CTR):Dies ist der kritischste Parameter, definiert als (I_C/ I_F) * 100%. Er variiert stark je nach Bauteilnummer und bildet ein Leistungsgradierungssystem:
  • Hoher CTR (>100%):4N35, 4N36, 4N37.
  • Mittelhoher CTR (50%): H11A1.
  • Mittlerer CTR (30%): H11A5.
  • Standard CTR (20%):4N25, 4N26, 4N38, H11A2, H11A3.
  • Niedriger CTR (10%):4N27, 4N28, H11A4.
  Diese Abstufung ermöglicht es Entwicklern, ein Bauteil mit der für ihre spezifische Anwendung und den gewünschten Ausgangsstrompegel erforderlichen Empfindlichkeit auszuwählen.
• Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Dies ist der Spannungsabfall am Phototransistor, wenn er vollständig eingeschaltet ist. Niedrigere Werte (z.B. max. 0,3V für die 4N3X-Serie bei I_F=10mA, I_C=0,5mA) deuten auf eine bessere Leistung hin und minimieren den Leistungsverlust in der Ausgangsstufe.
• Schaltgeschwindigkeit:Einschalt- (t_on) und Ausschaltzeiten (t_off) sind für verschiedene Serien unter spezifischen Testbedingungen (V_CC=10V, R_L=100Ω) spezifiziert. Die 4N2X/H11AX-Serien sind typischerweise schneller (typ. 3µs) im Vergleich zur 4N3X-Serie (typ. 10µs für t_on, typ. 9µs für t_off). Dies ist entscheidend für digitale Signalübertragung und PWM-Anwendungen.
• Isolationsparameter:Der Isolationswiderstand (R_IO) ist extrem hoch (>10¹¹Ω), und die Eingangs-Ausgangs-Kapazität (C_IO) ist sehr niedrig (typ. 0,2pF), was die kapazitive Kopplung von hochfrequentem Rauschen über die Isolationsbarriere minimiert.

3. Analyse der Kennlinien

Während das PDF Platzhaltertext für "Typische elektro-optische Kennlinien" zeigt, sind solche Kurven für Optokoppler Standard und umfassen typischerweise:

• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom (I_F):Zeigt, wie sich die Effizienz mit dem LED-Ansteuerstrom ändert, oft mit einem Peak bei einem bestimmten Strom.
• CTR vs. Temperatur:Veranschaulicht die Verschlechterung des CTR bei hohen Temperaturen, was ein kritischer Derating-Faktor für Hochtemperaturbetrieb ist.
• Kollektorstrom (I_C) vs. Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE):Ausgangskennlinien, die das Verhalten des Phototransistors in verschiedenen Bereichen (Sättigung, aktiver Bereich) zeigen.
• Schaltzeit vs. Lastwiderstand (R_L):Zeigt, wie die Wahl des Pull-up-Widerstands die Anstiegs- und Abfallzeiten beeinflusst.

Entwickler sollten diese Kurven aus dem vollständigen Datenblatt konsultieren, um Parameter wie LED-Strom, Lastwiderstand und Betriebstemperatur für ihre spezifischen Geschwindigkeits- und Ausgangsanforderungen zu optimieren.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die Bauteile werden in mehreren 6-Pin DIP-Gehäusevarianten angeboten, um unterschiedlichen Bestückungsanforderungen gerecht zu werden.

4.1 Gehäuseabmessungen und Varianten

Das Datenblatt enthält detaillierte mechanische Zeichnungen für jede Option. Wichtige Abmessungen umfassen Gesamtlänge, Breite, Pinabstand und Anschlussabmessungen.

• Standard-DIP-Typ:Das klassische Durchsteckgehäuse mit 0,1-Zoll (2,54mm) Reihenabstand.
• Option M Typ:Bietet eine "breite Anschlussbiegung" mit 0,4-Zoll (10,16mm) Anschlussabstand. Dies erhöht den Kriechstrecken- und Luftstreckenabstand zwischen Eingangs- und Ausgangspins und verbessert die Isolationszuverlässigkeit für Hochspannungsanwendungen.
• Option S & S1 Typen:Oberflächenmontage (SMD) Versionen. Option S1 ist eine "Low-Profile"-Variante mit reduzierter Gehäusehöhe im Vergleich zur Standard-S-Option, vorteilhaft für platzbeschränkte Anwendungen.

Alle Gehäuse verfügen über einen vergossenen Körper, der die notwendige Isolierung bietet. Die Pinbelegung ist standardisiert: Pin 1 (Anode), Pin 2 (Kathode), Pin 3 (NC), Pin 4 (Emitter), Pin 5 (Kollektor), Pin 6 (Basis). Der Basis-Pin (6) bleibt oft unverbunden, kann aber in einigen Schaltungen zur Bandbreitenverbesserung oder Vorspannungssteuerung verwendet werden.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Die absoluten Grenzwerte spezifizieren eine Löttemperatur (T_SOL) von 260°C für 10 Sekunden. Dies ist ein typischer Wert für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse. Für SMD-Optionen (S, S1) sind Standard-Infrarot- oder Konvektions-Reflow-Profile mit einer Spitzentemperatur um 260°C anwendbar. Es ist entscheidend, diese Zeit-Temperatur-Grenze nicht zu überschreiten, um Schäden am Kunststoffgehäuse und den internen Bonddrähten zu vermeiden. Bauteile sollten innerhalb des Lagertemperaturbereichs (-55°C bis +125°C) und, falls für SMD-Teile spezifiziert, in feuchtigkeitsempfindlicher Verpackung gelagert werden, um "Popcorning" während des Reflow-Lötens zu verhindern.

6. Verpackung und Bestellinformationen

Das Bauteilkennzeichnungssystem ist klar definiert:4NXXY(Z)-VoderH11AXY(Z)-V.

• XX / X:Spezifische Bauteilnummer (z.B. 25, 35, 1, 5).
• Y (Anschlussform):
  • Keine: Standard DIP (65 Einheiten/Röhrchen).
  • M: Breite Anschlussbiegung (65 Einheiten/Röhrchen).
  • S: Oberflächenmontage-Anschlussform.
  • S1: Low-Profile Oberflächenmontage-Anschlussform.
• Z (Tape & Reel):Gilt nur für SMD-Optionen.
  • TA oder TB: Unterschiedliche Tape-&-Reel-Spezifikationen (1000 Einheiten/Rolle).
• V:Optionaler Suffix, der die VDE-Sicherheitszulassung anzeigt.

Dieses flexible System ermöglicht die Beschaffung der exakten mechanischen Variante, die für die Produktion benötigt wird.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Wie im Datenblatt aufgeführt, gehören zu den Hauptanwendungen:

• Netzteilregler:Bereitstellung von Rückkopplungsisolation in Schaltnetzteilen (SMPS) zwischen der Sekundär- (Ausgangs-) Seite und dem Primärseiten-Controller. Dies ist für Sicherheit und Störunterdrückung unerlässlich.
• Digitale Logikeingänge / Mikroprozessoreingänge:Isolierung von verrauschten industriellen Sensorsignalen (z.B. von Endschaltern, Encodern) oder verschiedenen Massebereichen, bevor sie in empfindliche digitale Logik oder Mikrocontroller-Pins gelangen.
• Allgemeine Signalisolation:Jede Schaltung, in der zwei Subsysteme kommunizieren müssen, ohne eine gemeinsame Masse zu teilen, um Masseschleifen zu unterbrechen, Gleichtaktrauschen zu eliminieren oder Pegelanpassung bereitzustellen.

7.2 Designüberlegungen und Best Practices

• LED-Strombegrenzung:Immer einen Vorwiderstand verwenden, um den Durchlassstrom (I_F) einzustellen. Berechne R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F. Innerhalb des empfohlenen I_F-Bereichs (oft 5-20mA) für optimalen CTR und Langlebigkeit betreiben.
• Ausgangsseitige Vorspannung:Der Phototransistor benötigt einen Pull-up-Widerstand (R_L), der vom Kollektor zu V_{CC_output} verbunden ist. Sein Wert ist ein Kompromiss: Ein kleinerer R_L ermöglicht schnelleres Schalten, aber höheren Stromverbrauch und geringeren Ausgangsspannungshub; ein größerer R_L bietet eine bessere Störabstandsmarge, aber langsamere Geschwindigkeit.
• Geschwindigkeitsoptimierung:Für schnelleres Schalten ein Bauteil aus der schnelleren Serie (4N2X/H11AX) verwenden, R_L minimieren und für ausreichenden I_F-Ansteuerstrom sorgen. Das Anschließen eines Widerstands (z.B. 100kΩ bis 1MΩ) zwischen Basis (Pin 6) und Emitter kann helfen, gespeicherte Ladung abzuleiten und die Ausschaltzeit zu reduzieren.
• Störfestigkeit:Der hohe Isolationswiderstand und die niedrige Kapazität unterdrücken inhärent Gleichtaktrauschen. Für zusätzliche Robustheit in elektrisch verrauschten Umgebungen werden Entkopplungskondensatoren (z.B. 0,1µF) empfohlen, die nahe an den Versorgungspins des Bauteils auf Eingangs- und Ausgangsseite platziert werden.

8. Technischer Vergleich und Auswahlhilfe

Die drei Serien (4N2X, 4N3X, H11AX) bieten eine Bandbreite an Leistung, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen:

• 4N3X-Serie (4N35-38):Bieten im Allgemeinen die höchsten CTR-Werte (>100% für 4N35-37), was sie für Anwendungen geeignet macht, die hohen Ausgangsstrom benötigen oder bei denen minimaler Eingangsansteuerstrom erwünscht ist. Ihre Sättigungsspannung ist ebenfalls sehr niedrig.
• 4N2X-Serie (4N25-28) & H11AX-Serie (H11A1-A5):Bieten eine abgestufte Bandbreite an CTR von 10% bis 50%. Die 4N2X-Serie hat typischerweise schnellere Schaltzeiten. Dies sind vielseitige, universelle Isolatoren. Die H11A5 (30% CTR) und H11A1 (50% CTR) decken spezifische Leistungspunkte ab.
• Auswahlkriterien:Auswahl basierend auf erforderlichem CTR (Ausgangsstromverstärkung), Schaltgeschwindigkeit, Sättigungsspannung und Kosten. Beispielsweise kann ein Mikroprozessoreingang, der einen langsamen Schalter liest, ein kostengünstiges Bauteil mit niedrigerem CTR wie den H11A4 verwenden. Eine Rückkopplungsschleife in einem Netzteil, die gute Linearität und Verstärkung benötigt, könnte einen 4N35 oder 4N36 verwenden.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Zweck des Basis-Pins (Pin 6)?

A: Der Basis-Pin ermöglicht den Zugang zur Basisregion des Phototransistors. Ihn offen (unverbunden) zu lassen, ist Standard. Das Anschließen eines Widerstands von Basis zu Emitter kann die Schaltgeschwindigkeit verbessern, indem es einen Pfad zum Ableiten gespeicherter Ladung bietet. In einigen Designs kann er für Vorspannung oder zum Anschluss eines Beschleunigungsnetzwerks verwendet werden.

F: Wie stelle ich langfristige Zuverlässigkeit sicher?

A: Die LED innerhalb ihrer absoluten Grenzwerte, vorzugsweise gederated, betreiben. Die Sperrschichttemperatur niedrig halten, indem die Leistungs-Derating-Kurven beachtet werden. Ausreichende Kriech-/Luftstrecken auf der Leiterplatte einhalten, insbesondere für die Hochspannungsisolationsbarriere, die der 7,62mm-Fähigkeit des Gehäuses entspricht oder sie übertrifft.

F: Kann ich dies für Wechselstromsignalisolation verwenden?

A: Ja, aber die Eingangs-LED hat eine niedrige Sperrspannungsfestigkeit (6V). Um ein Wechselstromsignal zu isolieren, muss die LED vor Sperrspannung geschützt werden, typischerweise durch eine Standarddiode in antiparalleler Schaltung über den LED-Eingang oder durch eine Brückengleichrichterschaltung vor der LED.

F: Warum ist CTR als Mindestwert spezifiziert?

A: CTR unterliegt aufgrund von Fertigungstoleranzen in der LED-Effizienz und der Phototransistor-Verstärkung einer großen Streuung. Das Datenblatt garantiert einen Mindest-CTR unter spezifizierten Bedingungen. Das Design muss auf diesem Mindestwert basieren, um die Schaltungsfunktionalität über alle Produktionseinheiten und über den Temperaturbereich hinweg sicherzustellen.

10. Praktisches Designbeispiel

Szenario:Isolierung eines 24V-Digitalsignals von einer SPS-Ausgabe zu einem 3,3V-Mikrocontrollereingang.

1. Bauteilauswahl:Wähle ein universelles Bauteil wie den 4N25 (20% min CTR). Seine Geschwindigkeit ist für digitale E/A ausreichend.
2. Eingangsschaltung:SPS-Ausgabe ist 24V. Ziel I_F= 10mA. V_F≈ 1,2V. R_limit= (24V - 1,2V) / 0,01A = 2280Ω. Verwende einen Standard-2,2kΩ-Widerstand. Füge eine Sperrschutzdiode über den LED-Eingang hinzu.
3. Ausgangsschaltung:Mikrocontroller V_CC= 3,3V. Wähle R_L= 1kΩ. Wenn der Phototransistor ausgeschaltet ist, wird der Ausgang auf 3,3V (Logik 1) hochgezogen. Wenn er eingeschaltet ist, und unter der Annahme I_C= CTR * I_F= 0,2 * 10mA = 2mA, beträgt die Ausgangsspannung V_CE(sat)(max. 0,5V), ein solides Logik 0. Der 1kΩ Pull-up bietet für diese Anwendung einen guten Kompromiss aus Geschwindigkeit und Stromverbrauch.

11. Funktionsprinzip

Ein Optokoppler arbeitet nach dem Prinzip der elektro-optisch-elektrischen Wandlung. Ein elektrisches Signal wird auf die Eingangsseite gegeben, wodurch Strom durch eine Infrarot-LED fließt. Dieser Strom ist direkt proportional zur emittierten Lichtintensität. Das Licht durchquert einen transparenten Isolationsspalt (typischerweise vergossener Kunststoff) und trifft auf das Halbleitermaterial eines Photodetektors – in diesem Fall die Basis-Kollektor-Sperrschicht eines NPN-Phototransistors. Die Photonen erzeugen Elektronen-Loch-Paare und erzeugen einen Basisstrom. Dieser photogenerierte Basisstrom wird dann durch die Stromverstärkung (h_FE) des Transistors verstärkt, was zu einem größeren Kollektorstrom führt, der das ursprüngliche Eingangssignal auf dem elektrisch isolierten Ausgangsschaltkreis reproduziert. Das vollständige Fehlen einer galvanischen Verbindung ist es, was die hohe Spannungsisolation und Störfestigkeit bietet.

12. Technologietrends

Phototransistor-basierte Optokoppler wie die 4NXX-Serie repräsentieren eine ausgereifte und kosteneffektive Isolationstechnologie. Aktuelle Trends im Optokopplermarkt umfassen die Entwicklung von Bauteilen mit höherer Geschwindigkeit (für digitale Kommunikationsbusse wie SPI, I2C, isoliert mit speziell dafür entwickelten ICs), höherer Integration (Kombination mehrerer Kanäle oder Hinzufügen zusätzlicher Funktionen wie Gate-Treiber) und verbesserten Zuverlässigkeitsmetriken (höhere Betriebstemperatur, längere Lebensdauer). Es gibt auch Wachstum bei alternativen Isolationstechnologien wie kapazitiven Isolatoren und Isolatoren auf Basis von Riesenmagnetowiderstand (GMR), die für bestimmte Anwendungen Vorteile in Größe, Geschwindigkeit und Stromverbrauch bieten können. Dennoch bleiben Phototransistor-Koppler aufgrund ihrer Einfachheit, bewährten Zuverlässigkeit und ausgezeichneten Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) für universelle, kostenbewusste und Hochspannungsisolationsanwendungen dominant.