CNY17-X CNY17F-X Optokoppler Datenblatt - 6-Pin DIP-Gehäuse - Isolationsspannung 5000Vrms - CTR 40-320% - Technisches Dokument auf Deutsch

1. Produktübersicht

Die CNY17-X- und CNY17F-X-Serien sind Familien von 6-Pin-Dual-Inline-Package (DIP)-Optokopplern, auch bekannt als Opto-Isolatoren. Jedes Bauteil besteht aus einer Galliumarsenid-Infrarot-Leuchtdiode (LED), die optisch mit einem Silizium-NPN-Phototransistor gekoppelt ist. Die Hauptfunktion besteht darin, eine elektrische Trennung zwischen zwei Schaltkreisen zu gewährleisten, während die Signalübertragung über Licht erfolgt. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Serien ist die Verfügbarkeit eines externen Basis-Anschlusses (Pin 6) beim CNY17-X, der bei der CNY17F-X-Serie fehlt (No Connection). Letztere bietet dadurch eine geringere Störanfälligkeit.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Diese Bauteile sind für Anwendungen konzipiert, die eine zuverlässige Signalisolation erfordern. Ihre Kernvorteile umfassen eine hohe Isolationsspannung von 5000 V_eff, ein kompaktes DIP-Format für die Durchsteckmontage und ausgewählte Stromübertragungsverhältnis (CTR)-Gruppierungen für eine konsistente Auslegung. Sie sind von den wichtigsten internationalen Sicherheitsnormungsstellen (UL, cUL, VDE, SEMKO usw.) zugelassen und eignen sich daher für eine breite Palette von industriellen, konsumenten- und netzteilbezogenen Anwendungen, bei denen Sicherheit und Störfestigkeit entscheidend sind.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Dies sind keine empfohlenen Betriebsbedingungen.

• Eingang (LED-Seite):Der maximale Dauer-Durchlassstrom (I_F) beträgt 60 mA. Ein kurzzeitiger (10 µs) Spitzen-Durchlassstrom (I_FM) von 1 A ist zulässig. Die maximale Sperrspannung (V_R) an der LED beträgt 6 V. Die Eingangsverlustleistung (P_D) beträgt 100 mW bei 25°C und reduziert sich um 3,8 mW/°C oberhalb von 100°C.
• Ausgang (Phototransistor-Seite):Die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) und die Kollektor-Basis-Spannung (V_CBO, nur für CNY17-X) sind mit 80 V spezifiziert. Die Emitter-Kollektor- (V_ECO) und Emitter-Basis-Spannungen (V_EBO) betragen 7 V. Die Ausgangsverlustleistung (P_C) beträgt 150 mW bei 25°C und reduziert sich um 9,0 mW/°C oberhalb von 100°C.
• Gesamtbauteil:Die Gesamtverlustleistung des Bauteils (P_TOT) darf 200 mW nicht überschreiten.
• Isolation & Umgebung:Die Isolationsspannung (V_ISO) beträgt 5000 V_eff(AC für 1 Minute). Der Betriebstemperaturbereich (T_OPR) liegt zwischen -55°C und +110°C. Die maximale Löttemperatur beträgt 260°C für 10 Sekunden.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

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

2.2.1 Eingangskenngrößen (Infrarot-LED)

• Durchlassspannung (V_F):Maximal 1,65 V bei I_F= 60 mA. Dies ist der Spannungsabfall an der leitenden LED.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 10 µA bei V_R= 6 V. Dies ist der Leckstrom bei Sperrpolung der LED.
• Eingangskapazität (C_in):Typisch 18 pF. Dies beeinflusst das Hochfrequenz-Schaltverhalten auf der Eingangsseite.

2.2.2 Ausgangskenngrößen (Phototransistor)

• Dunkelströme:Bei ausgeschalteter LED (I_F=0) existieren Leckströme. I_CEO(Kollektor-Emitter) beträgt typisch 50 nA bei V_CE=10V. I_CBO(Kollektor-Basis, nur CNY17-X) ist maximal 20 nA bei V_CB=10V.
• Durchbruchspannungen: BV_CEOund BV_CBOsind min. 80 V. BV_ECOist min. 7 V.
• Ausgangskapazität (C_CE):Typisch 8 pF. Dies beeinflusst die Ausgangs-Schaltgeschwindigkeit.

2.3 Übertragungskenngrößen

Dies sind die kritischsten Parameter für Signal-Kopplungsanwendungen.

• Stromübertragungsverhältnis (CTR):Dies ist das Verhältnis von Ausgangs-Kollektorstrom (I_C) zu Eingangs-LED-Durchlassstrom (I_F), ausgedrückt in Prozent. Die Bauteile sind in vier verschiedene CTR-Bereiche gruppiert:
  • CNY17-1 / CNY17F-1:CTR = 40% bis 80% (bei I_F=10mA, V_CE=5V)
  • CNY17-2 / CNY17F-2:CTR = 63% bis 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3:CTR = 100% bis 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4:CTR = 160% bis 320%
• CTR bei niedrigem Strom:Bei I_F= 1mA ist ein minimaler CTR spezifiziert (z.B. 13% für -1-Grade, 56% für -4-Grade), was für Low-Power- oder analoge Erfassungsanwendungen wichtig ist.
• Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Maximal 0,3 V bei I_F=10mA, I_C=2,5mA. Dies ist die Spannung am Transistor im vollständig "Eingeschaltet"-Zustand.
• Isolationswiderstand (R_IO):Mindestens 10¹¹Ω. Dies zeigt den extrem hohen Gleichstromwiderstand zwischen Eingangs- und Ausgangsseite an.
• Eingangs-Ausgangs-Kapazität (C_IO):Typisch 0,5 pF. Diese geringe Kapazität ist entscheidend für eine hohe Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI).

2.4 Schaltkenngrößen

Das dynamische Verhalten wird durch Ein-/Ausschalt- und Anstiegs-/Abfallzeiten definiert, die von den Testbedingungen abhängen.

• Bedingung 1 (V_CC=10V, I_C=2mA, R_L=100Ω):
  • Einschaltzeit (t_on): Typisch 10 µs, Max. 12 µs.
  • Ausschaltzeit (t_off): Typisch 9 µs, Max. 12 µs.
  • Anstiegszeit (t_r): Typisch 6 µs, Max. 10 µs.
  • Abfallzeit (t_f): Typisch 8 µs, Max. 10 µs.
• Bedingung 2 (V_CC=5V, I_F=10mA, R_L=75Ω):
  • Anstiegszeit (t_r): Typisch 2 µs, Max. 10 µs.
  • Abfallzeit (t_f): Typisch 3 µs, Max. 10 µs.

3. Erklärung des Klassifizierungssystems

Die primäre Klassifizierung dieser Optokoppler basiert auf demStromübertragungsverhältnis (CTR). Die vier Klassen (1, 2, 3, 4) bieten progressiv höhere minimale und maximale CTR-Werte. Dies ermöglicht es Entwicklern, ein Bauteil auszuwählen, das ihrem erforderlichen Signalverstärkungsbedarf entspricht und Konsistenz in Produktionschargen bietet. Beispielsweise könnte eine digitale Eingangsschaltung, die ein starkes, klar definiertes Signal benötigt, eine -3- oder -4-Klasse verwenden, während eine Schaltung, die empfindlich auf Variationen reagiert, eine engere, niedrigerverstärkende -1-Klasse spezifizieren könnte.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf "Typische elektro-optische Kennlinienkurven". Obwohl die spezifischen Grafiken im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, umfassen typische Kurven für solche Bauteile:

• CTR vs. Durchlassstrom (I_F):Zeigt, wie sich das Übertragungsverhältnis mit dem LED-Ansteuerstrom ändert, üblicherweise mit einem Maximum bei einem bestimmten Strom.
• CTR vs. Temperatur:Veranschaulicht die Abnahme des CTR bei steigender Umgebungstemperatur, was für Hochtemperaturbetrieb entscheidend ist.
• Kollektorstrom (I_C) vs. Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE):Die Ausgangskennlinie des Phototransistors, die den Sättigungs- und den aktiven Bereich zeigt.
• Durchlassspannung (V_F) vs. Durchlassstrom (I_F):Die IV-Kennlinie der Infrarot-LED.

Diese Kurven sind wesentlich, um das Bauteilverhalten unter nicht-standardisierten Bedingungen zu verstehen und den Schaltungsentwurf zu optimieren.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die Bauteile werden in einem standardmäßigen 6-Pin-DIP-Gehäuse mit mehreren Anschlussausführungsoptionen angeboten.

5.1 Gehäuseabmessungen und Optionen

• Standard DIP:Das Standard-Durchsteckgehäuse.
• Option M:Merkmale eine "weite Anschlussbiegung" mit einem Anschlussabstand von 0,4 Zoll (ca. 10,16 mm) für die Kompatibilität mit breiteren Leiterplattenlayouts.
• Option S:Oberflächenmontage-Anschlussform. Für Reflow-Lötprozesse ausgelegt.
• Option S1:Oberflächenmontage-Anschlussform mit "niedriger Bauhöhe" für Anwendungen mit Höhenbeschränkungen.

Detaillierte Maßzeichnungen (in mm) sind für jede Option verfügbar, die Gehäusegröße, Anschlusslänge, Anschlussabstand und Auflageebene spezifizieren.

5.2 Pinbelegung und Polarität

Eine klare Pinidentifikation ist für die korrekte Installation entscheidend.

• CNY17-X (mit Basis-Pin):
  1. Anode (LED +)
  2. Kathode (LED -)
  3. Kein Anschluss
  4. Emitter (Phototransistor)
  5. Kollektor (Phototransistor)
  6. Basis (Phototransistor, externer Anschluss)
• CNY17F-X (ohne Basis-Pin):
  1. Anode (LED +)
  2. Kathode (LED -)
  3. Kein Anschluss
  4. Emitter (Phototransistor)
  5. Kollektor (Phototransistor)
  6. Kein Anschluss

6. Löt- und Montagerichtlinien

Das Datenblatt spezifiziert eine maximale Löttemperatur von 260°C für 10 Sekunden. Dies gilt typischerweise für Wellen- oder Handlötung der Durchsteckanschlüsse. Für Oberflächenmontage-Optionen (S, S1) sollten Standard-Infrarot- oder Konvektions-Reflow-Profile mit einer Spitzentemperatur von maximal 260°C verwendet werden. Es sollten Vorkehrungen getroffen werden, um übermäßige mechanische Belastung des Gehäuses während der Handhabung zu vermeiden. Die Lagerung sollte in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -55°C bis +125°C erfolgen.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Modellnummernregel

Die Artikelnummer folgt dem Format:CNY17-XY(Z)-VoderCNY17F-XY(Z)-V

• X:Artikelnummer / CTR-Klasse (1, 2, 3 oder 4).
• Y:Anschlussausführungsoption (S, S1, M oder keine für Standard DIP).
• Z:Tape-and-Reel-Option (TA, TB oder keine). Gilt nur für S- und S1-Optionen.
• V:Optionale VDE-Zulassungskennzeichnung.

7.2 Verpackungsspezifikationen

• Röhrenverpackung:Standard DIP und Option M werden in Röhren mit jeweils 65 Einheiten geliefert.
• Tape and Reel:Die Optionen S und S1 sind auf Tape and Reel erhältlich. Sowohl TA- als auch TB-Optionen enthalten 1000 Einheiten pro Rolle.

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsschaltungen

Das Datenblatt listet häufige Anwendungen auf: Netzteilregler (für Rückkopplungsisolation), digitale Logikeingänge (für Pegelverschiebung und Störisolation) und Mikroprozessoreingänge (für die Schnittstelle zu verrauschten externen Signalen). Eine spezifische Testschaltung für Schaltzeiten wird gezeigt (Abbildung 11), die einen Eingangsstrombegrenzungswiderstand (R_IN), einen optionalen Basis-Emitter-Widerstand für den CNY17-X (R_BE) und einen Kollektor-Lastwiderstand (R_L) enthält.

8.2 Entwurfsüberlegungen

• LED-Strombegrenzung:Immer einen Vorwiderstand verwenden, um I_Fauf den gewünschten Wert zu begrenzen, typischerweise zwischen 1 mA und 20 mA für einen Kompromiss aus Geschwindigkeit, CTR und Leistung.
• Lastwiderstand (R_L):Der Wert von R_Lam Kollektor beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit, den Ausgangsspannungshub und den Leistungsverbrauch. Ein kleinerer R_Lergibt schnellere Abfallzeiten, reduziert aber den Ausgangsspannungshub.
• Störfestigkeit (CNY17F-X):Die CNY17F-X-Serie ohne externen Basis-Anschluss ist weniger anfällig für Störeinkopplung in die Basis des Phototransistors, was sie in elektrisch verrauschten Umgebungen bevorzugt.
• Geschwindigkeit vs. Strom-Kompromiss:Ein höherer I_Fverbessert im Allgemeinen die Schaltgeschwindigkeit, erhöht aber die Verlustleistung. Siehe die Schaltzeitspezifikationen unter verschiedenen Testbedingungen.
• CTR-Degradation:Der CTR kann über die Lebensdauer des Bauteils abnehmen, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen und -strömen. Entsprechend für langfristige Zuverlässigkeit auslegen.

9. Technischer Vergleich

Der Hauptunterschied innerhalb dieser Familie ist das Vorhandensein (CNY17-X) oder Fehlen (CNY17F-X) des externen Basis-Pins. Der CNY17-X bietet mehr Entwurfsflexibilität; der Basis-Pin kann offen bleiben, über einen Widerstand mit dem Emitter verbunden werden (um die Geschwindigkeit durch Abführen gespeicherter Ladung zu verbessern) oder in spezifischen Vorspannungskonfigurationen verwendet werden. Der CNY17F-X bietet eine überlegene Störfestigkeit, da die Basis des Phototransistors vollständig intern und unzugänglich ist, was ein bedeutender Vorteil in hochverrauschten Industrieumgebungen ist. Beide Serien teilen identische Isolations-, Spannungs- und CTR-Spezifikationen.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Hauptunterschied zwischen den Klassen -1, -2, -3 und -4?

A: Der Unterschied ist der garantierte Bereich des Stromübertragungsverhältnisses (CTR). Klasse -4 hat die höchste Verstärkung (160-320%), während Klasse -1 die niedrigste hat (40-80%). Wählen Sie basierend auf der erforderlichen Signalverstärkung in Ihrer Schaltung.

F: Wann sollte ich den CNY17F-X anstelle des CNY17-X verwenden?

A: Verwenden Sie den CNY17F-X, wenn Sie in Umgebungen mit erheblicher elektrischer Störung arbeiten (z.B. Motorantriebe, Industrie-Steuerungen). Das Fehlen eines externen Basis-Anschlusses macht ihn inhärent weniger anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI), die in die empfindliche Basisregion einkoppeln.

F: Wie berechne ich den Eingangsvorwiderstand für die LED?

A: Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz: R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F. Nehmen Sie V_F≈ 1,2V typisch (max. 1,65V) an. Beispiel: Bei einer 5V-Versorgung und einem gewünschten I_Fvon 10mA: R_IN= (5V - 1,2V) / 0,01A = 380Ω. Verwenden Sie einen Standard-390Ω-Widerstand.

F: Kann ich dies für AC-Signalisolation verwenden?

A: Ja, aber mit Einschränkungen. Der Phototransistor-Ausgang ist unidirektional (DC). Zur Übertragung von AC-Signalen benötigen Sie typischerweise zwei Optokoppler (einen für jede Halbwelle) oder zusätzliche Schaltungen, um den Ausgang für analoge Übertragung in seinen linearen Bereich vorzuspannen, obwohl Linearität kein spezifizierter Parameter für dieses Bauteil ist.

11. Praktisches Entwurfsbeispiel

Szenario:Isolation eines 3,3V-Mikrocontroller-GPIO-Pins von einem 24V-Industriesensorsignal.

1. Bauteilauswahl:Wählen Sie CNY17F-3 für gute Verstärkung (100-200% CTR) und hohe Störfestigkeit.
2. Eingangsseite (Mikrocontroller):Der GPIO-Pin steuert die LED über einen Strombegrenzungswiderstand an. Mit V_{GPIO_HIGH}≈ 3,3V und einem Ziel-I_F= 5mA: R_IN= (3,3V - 1,2V) / 0,005A = 420Ω. Verwenden Sie 430Ω.
3. Ausgangsseite (Sensor-Schnittstelle):Verbinden Sie den Phototransistor-Kollektor über einen Pull-up-Widerstand (R_L) mit der 24V-Versorgung. Der Emitter wird mit Masse verbunden. Wählen Sie R_Lso, dass der Ausgang im eingeschalteten Zustand sättigt und im ausgeschalteten Zustand ein gültiges logisches High liefert. Mit I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5mA = 7,5mA (typisch) und einem gewünschten logischen High-Ausgang von ~20V im ausgeschalteten Zustand: R_L≤ (24V - 20V) / (I_CEO). Mit I_CEOmax ~50nA funktioniert fast jeder Wert für den Leckstrom. Für die Schaltgeschwindigkeit ist ein 10kΩ-Widerstand ein üblicher Ausgangspunkt. Der Ausgang (Kollektor-Knoten) liefert nun eine isolierte, invertierte Kopie des Eingangssignals.

12. Funktionsprinzip

Ein Optokoppler arbeitet, indem er ein elektrisches Signal in Licht umwandelt, es über eine elektrisch isolierende Barriere überträgt und das Licht dann wieder in ein elektrisches Signal umwandelt. In der CNY17-X/F-X-Serie fließt ein elektrischer Strom (I_F) durch die Infrarot-LED, wodurch sie Photonen emittiert. Diese Photonen durchdringen eine transparente, isolierende Vergussmasse und treffen auf die Basisregion des Silizium-Phototransistors. Die Photonenenergie erzeugt Elektron-Loch-Paare in der Basis, erzeugt einen Basisstrom, der den Transistor einschaltet und einen Kollektorstrom (I_C) fließen lässt. Das Verhältnis I_C/I_Fist der CTR. Es besteht keine elektrische Verbindung zwischen Eingang und Ausgang, was eine galvanische Trennung bietet, die durch die dielektrische Festigkeit der Vergussmasse und den internen Pinabstand (Kriechstrecke >7,6mm) bestimmt wird.

13. Technologietrends

Die Optokoppler-Technologie entwickelt sich weiter. Während traditionelle, auf Phototransistoren basierende Koppler wie die CNY17-Serie für kostengünstige, universelle Isolation beliebt bleiben, bewegen sich die Trends in Richtung:

Höhere Geschwindigkeit:Entwicklung schnellerer Koppler mit Photodiode und integriertem Verstärker (z.B. digitale Isolatoren) für Multi-Mbps-Datenübertragung.

Höhere Integration:Kombination mehrerer Isolationskanäle oder Integration von Isolation mit anderen Funktionen wie Gate-Treibern oder ADC-Schnittstellen in einem einzigen Gehäuse.

Verbesserte Zuverlässigkeit & Lebensdauer:Fokus auf Materialien und Designs, die die CTR-Degradation über Zeit und Temperatur minimieren.

Miniaturisierung:Übergang zu kleineren Oberflächenmontage-Gehäusen (SOIC, SSOP) mit gleichen oder besseren Isolationswerten. Die S- und S1-Optionen der CNY17-Serie spiegeln diesen Trend zur Oberflächenmontage wider.