EL827-Serie Photokoppler Datenblatt - 8-Pin DIP-Gehäuse - Isolationsspannung 5000Veff - CTR 50-600% - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL827-Serie stellt eine Familie von Phototransistor-basierten Photokopplern (Optokopplern) dar, die in einem industrieüblichen 8-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) untergebracht sind. Diese Bauteile sind dafür ausgelegt, elektrische Isolation und Signalübertragung zwischen Schaltungen mit unterschiedlichen Spannungspotenzialen oder Impedanzen zu gewährleisten. Die Kernfunktion wird durch eine infrarotemittierende Diode (IRED) erreicht, die optisch mit einem Silizium-Phototransistor-Detektor gekoppelt ist. Diese Konfiguration ermöglicht es, Steuersignale von der Eingangsseite zur Ausgangsseite zu übertragen, während ein hohes Maß an elektrischer Isolation aufrechterhalten wird, was für die Sicherheit und Störfestigkeit in vielen elektronischen Systemen von entscheidender Bedeutung ist.

Der primäre Vorteil dieser Serie liegt in der Kombination aus einem hohen Stromübertragungsverhältnis (CTR)-Bereich und einer robusten Isolationsspannungsfestigkeit. Das kompakte DIP-Gehäuse ist in mehreren Anschlussausführungen erhältlich, darunter Standard-, Breitabstands- und Oberflächenmontage-Typen, was Flexibilität für verschiedene Leiterplatten-Bestückungsprozesse bietet. Die Bauteile entsprechen den wichtigsten internationalen Sicherheits- und Umweltstandards und eignen sich somit für eine breite Palette globaler Anwendungen.

1.1 Kernmerkmale und Zielanwendungen

Die EL827-Serie ist mit mehreren Schlüsselmerkmalen entwickelt, die ihren Leistungsumfang und ihre Anwendungseignung definieren. Ein hohes Stromübertragungsverhältnis (CTR) im Bereich von 50 % bis 600 % (bei IF=5mA, VCE=5V) gewährleistet eine effiziente Signalübertragung mit guter Empfindlichkeit. Die Isolationsspannung zwischen Eingangs- und Ausgangssektion ist mit 5000 Veff spezifiziert, was eine starke Barriere gegen Hochspannungstransienten bietet und die Systemsicherheit erhöht.

Das Produkt entspricht den RoHS- und EU-REACH-Verordnungen. Es verfügt über Sicherheitszulassungen mehrerer renommierter internationaler Agenturen, darunter UL, cUL (Datei E214129), VDE (Datei 132249), SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC. Diese Zertifizierungen sind für Produkte, die für Märkte mit strengen Sicherheitsanforderungen bestimmt sind, unerlässlich.

Typische Anwendungen für die EL827-Serie umfassen:

• Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und industrielle Automatisierungssysteme.
• Systemgeräte und Präzisionsmessinstrumente, die störungsfreie Signalerfassung erfordern.
• Telekommunikationsgeräte für Signalisolierung und Schnittstellenschutz.
• Haushaltsgeräte, wie beispielsweise Heizlüfter und andere Steuerungssysteme.
• Allgemeine Signalübertragung zwischen Schaltungen unterschiedlicher Potenziale und Impedanzen, als grundlegendes Isolationsbauteil.

2. Technische Spezifikationen und detaillierte Interpretation

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte Aufschlüsselung der elektrischen und optischen Parameter des Bauteils. Das Verständnis dieser Spezifikationen ist entscheidend für einen korrekten Schaltungsentwurf und einen zuverlässigen Langzeitbetrieb.

2.1 Absolute Grenzwerte

Die absoluten Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen ist nicht garantiert und sollte im normalen Gebrauch vermieden werden. Die Grenzwerte sind bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C spezifiziert.

• Eingangsseite (Diode):Der kontinuierliche Durchlassstrom (IF) darf 60 mA nicht überschreiten. Ein kurzer Spitzendurchlassstrom (IFP) von 1 A für 1 Mikrosekunde ist zulässig. Die maximale Sperrspannung (VR) an der Diode beträgt 6 V. Die Verlustleistung auf der Eingangsseite (PD) ist auf 100 mW begrenzt.
• Ausgangsseite (Transistor):Der maximale Kollektorstrom (IC) beträgt 50 mA. Die Kollektor-Emitter-Spannung (VCEO) kann bis zu 80 V betragen, während die Emitter-Kollektor-Spannung (VECO) auf 7 V begrenzt ist. Die Ausgangsverlustleistung (PC) beträgt 150 mW.
• Gesamtbauteil und Umgebung:Die Gesamtverlustleistung des Bauteils (PTOT) beträgt 200 mW. Die Isolationsspannung (VISO) zwischen Eingangs- und Ausgangssektion beträgt 5000 Veff (getestet für 1 Minute bei 40-60 % relativer Luftfeuchtigkeit). Der Betriebstemperaturbereich (TOPR) liegt zwischen -55°C und +110°C, und der Lagertemperaturbereich (TSTG) reicht von -55°C bis +125°C. Die Löttemperatur (TSOL) sollte während der Bestückung 260°C für 10 Sekunden nicht überschreiten.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen, typischerweise bei Ta=25°C. Sie sind wesentlich für die Berechnung der Schaltungsleistung.

Eingangskenngrößen (Infrarot-Emissionsdiode):

• Durchlassspannung (VF):Typischerweise 1,2 V, maximal 1,4 V bei einem Durchlassstrom (IF) von 20 mA. Dieser Parameter wird zur Dimensionierung des strombegrenzenden Widerstands auf der Eingangsseite verwendet.
• Sperrstrom (IR):Maximal 10 µA bei einer Sperrspannung (VR) von 4 V, was den Leckstrom der Diode im gesperrten Zustand anzeigt.
• Eingangskapazität (Cin):Typischerweise 30 pF, maximal 250 pF (gemessen bei 0 V, 1 kHz). Dies beeinflusst das Hochfrequenz-Schaltverhalten.

Ausgangskenngrößen (Phototransistor):

• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (ICEO):Maximal 100 nA bei VCE=20 V und IF=0 mA. Dies ist der Leckstrom des Phototransistors, wenn kein Licht einfällt.
• Durchbruchspannungen:Die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (BVCEO) beträgt mindestens 80 V (IC=0,1 mA). Die Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (BVECO) beträgt mindestens 7 V (IE=0,1 mA).

Übertragungskenngrößen (Kopplungsleistung):

• Stromübertragungsverhältnis (CTR):Dies ist der Schlüsselparameter, definiert als (IC / IF) * 100 %. Für die EL827-Serie reicht er unter der Standardtestbedingung IF=5 mA und VCE=5 V von mindestens 50 % bis maximal 600 %. Dieser weite Bereich kann auf unterschiedliche Güteklassen oder Produktionsstreuungen hinweisen. Entwickler müssen den minimalen CTR berücksichtigen, um sicherzustellen, dass der Ausgangstransistor korrekt sättigt.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (VCE(sat)):Typischerweise 0,1 V, maximal 0,2 V bei IF=20 mA und IC=1 mA. Eine niedrige VCE(sat) ist für Schaltanwendungen am Ausgang wünschenswert, um den Spannungsabfall zu minimieren.
• Isolationswiderstand (RIO):Mindestens 5 x 10^10 Ω bei Anlegen von 500 V Gleichspannung zwischen den isolierten Seiten. Dies weist auf eine hervorragende Gleichstromisolierung hin.
• Koppelkapazität (CIO):Typischerweise 0,6 pF, maximal 1,0 pF (VIO=0 V, f=1 MHz). Diese geringe Kapazität trägt zu einer hohen Gleichtakt-Transientenfestigkeit bei.
• Grenzfrequenz (fc):Typischerweise 80 kHz (VCE=5 V, IC=2 mA, RL=100 Ω, -3 dB-Punkt). Dies definiert die Kleinsignal-Bandbreite des Bauteils.
• Schaltzeiten:Die Anstiegszeit (tr) beträgt typischerweise 3 µs (max. 18 µs) und die Abfallzeit (tf) typischerweise 4 µs (max. 18 µs) unter den spezifizierten Testbedingungen (VCE=2 V, IC=2 mA, RL=100 Ω). Diese Zeiten bestimmen die maximale digitale Schaltgeschwindigkeit.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektro-optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Grafiken im bereitgestellten Text nicht reproduziert sind, besteht ihr Zweck darin, zu veranschaulichen, wie sich Schlüsselparameter mit den Betriebsbedingungen ändern. Entwickler sollten für diese Grafiken das vollständige Datenblatt konsultieren.

Typische Kennlinien umfassen:

• CTR über Durchlassstrom (IF):Zeigt, wie sich das Stromübertragungsverhältnis mit dem Eingangsdiodenstrom ändert. CTR erreicht oft bei einem bestimmten IF ein Maximum und kann bei sehr hohen Strömen aufgrund von Erwärmung oder anderen Effekten abnehmen.
• CTR über Umgebungstemperatur (Ta):Veranschaulicht die Temperaturabhängigkeit der Kopplungseffizienz. CTR nimmt typischerweise mit steigender Temperatur ab.
• Ausgangsstrom (IC) über Kollektor-Emitter-Spannung (VCE):Kennlinienschar mit IF als Parameter, ähnlich den Ausgangskennlinien eines Standardtransistors. Dies zeigt die Arbeitsbereiche (Sättigung, aktiver Bereich).
• Sättigungsspannung (VCE(sat)) über Durchlassstrom (IF):Zeigt die Beziehung zwischen Eingangsansteuerung und Sättigung des Ausgangstransistors.

3.1 Testschaltung für Schaltzeiten

Abbildung 10 im Datenblatt zeigt die Standardtestschaltung und die Wellenformdefinitionen zur Messung der Schaltzeiten (ton, toff, tr, tf). Der Test wird mit einem gepulsten Eingangsstrom durchgeführt, der die IRED ansteuert. Der Ausgang wird über einen Lastwiderstand (RL) überwacht, der zwischen Kollektor und einer Versorgungsspannung (VCC) geschaltet ist. Die Anstiegszeit (tr) wird von 10 % bis 90 % des Endwerts des Ausgangsimpulses gemessen, und die Abfallzeit (tf) wird von 90 % bis 10 % gemessen. Das Verständnis dieses Testaufbaus hilft Entwicklern, die Bedingungen nachzubilden, falls sie das Bauteil in ihrer spezifischen Anwendungsschaltung charakterisieren müssen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Der EL827 wird in einem 8-Pin-DIP-Gehäuse mit mehreren Anschlussausführungen angeboten, um unterschiedlichen Leiterplatten-Designs und Bestückungsmethoden gerecht zu werden.

4.1 Pinbelegung und Schaltplan

Der interne Schaltplan zeigt eine infrarotemittierende Diode, die zwischen den Pins 1/3 (Anode) und 2/4 (Kathode) angeschlossen ist. Der Emitter des Phototransistors ist mit den Pins 5/7 verbunden, und sein Kollektor ist mit den Pins 6/8 verbunden. Pins mit gleicher Funktion sind intern verbunden, um mechanische Festigkeit und möglicherweise eine geringere Anschlussinduktivität zu bieten. Die Standardverbindung besteht darin, einen Pin von jedem Paar zu verwenden.

Pinbelegung:

• Pin 1, 3: Anode (A)
• Pin 2, 4: Kathode (K)
• Pin 5, 7: Emitter (E)
• Pin 6, 8: Kollektor (C)

4.2 Gehäuseabmessungen und Optionen

Detaillierte mechanische Zeichnungen sind für jede Gehäusevariante verfügbar:

• Standard-DIP-Typ:Das konventionelle Durchsteckgehäuse.
• Option M Typ:Besitzt einen \"weiten Anschlussbiegeabstand\" mit einem Pinabstand von 0,4 Zoll (ca. 10,16 mm), was für Steckbretter oder spezielle Layoutanforderungen nützlich sein kann.
• Option S Typ:Oberflächenmontage-Anschlussausführung für Reflow-Lötung.
• Option S1 Typ:Eine \"niedrige\" Oberflächenmontage-Anschlussausführung, wahrscheinlich mit einer reduzierten Bauhöhe im Vergleich zur S-Option.

Das Datenblatt enthält auch ein empfohlenes Lötflächenlayout für die Oberflächenmontage-Optionen (S und S1), das für das Erreichen zuverlässiger Lötstellen und einer korrekten mechanischen Ausrichtung während der Reflow-Lötung entscheidend ist.

4.3 Bauteilkennzeichnung

Die Bauteile sind oben mit \"EL827\" gekennzeichnet, was die Serie bezeichnet, gefolgt von einem einstelligen Jahrescode (Y), einem zweistelligen Wochencode (WW) und einem optionalen \"V\"-Suffix, wenn die Einheit VDE-zugelassen ist. Diese Kennzeichnung ermöglicht die Rückverfolgbarkeit des Herstellungsdatums und der Variante.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

5.1 Lötbedingungen

Das Datenblatt enthält kritische Informationen für den Bestückungsprozess, insbesondere für Oberflächenmontage-Varianten. Die maximal zulässige Bauteiltemperatur während des Lötens wird durch ein Reflow-Profil definiert, das auf IPC/JEDEC J-STD-020D Bezug nimmt. Zu den Schlüsselparametern dieses Profils gehören:

• Vorwärmtemperatur:Minimum (Tsmin) 150°C, Maximum (Tsmax) 200°C.
• Zeit in der Vorwärmphase:Das Profil zeigt eine spezifische Zeit (ts) in diesem Temperaturbereich, um Bauteil und Leiterplatte allmählich zu erwärmen und thermischen Schock zu minimieren.
• Spitzentemperatur & Zeit:Das Profil darf die maximale Löttemperatur (TSOL) von 260°C nicht überschreiten, und die Zeit über 260°C sollte begrenzt sein (typischerweise auf 10 Sekunden, wie in den absoluten Grenzwerten angegeben).

Die Einhaltung dieses Profils ist wesentlich, um Schäden am Kunststoffgehäuse, den internen Bonddrähten oder dem Halbleiterchip selbst zu verhindern. Für Durchsteckbauteile sollten Wellenlöten oder Handlöten ebenfalls die Grenze von 260°C für 10 Sekunden einhalten.

6. Verpackung und Bestellinformationen

6.1 Struktur der Bestellnummer

Die Artikelnummer folgt dem Format: EL827X(Z)-V

• X:Anschlussausführungsoption: Keine (Standard DIP), M (Weiter Anschlussbiegeabstand), S (Oberflächenmontage), S1 (Niedrige Oberflächenmontage).
• Z:Band- und Spulenoption: Keine (Röhrchenverpackung), TA oder TB (unterschiedliche Bandzuführrichtungen).
• V:Optionale VDE-Sicherheitszulassungskennzeichnung.

6.2 Packungsmengen

• Standard DIP und Option M: 45 Einheiten pro Röhrchen.
• Optionen S(TA), S(TB), S1(TA), S1(TB): 1000 Einheiten pro Spule.

6.3 Band- und Spulenspezifikationen

Detaillierte Abmessungen für die Trägerbahn sind für die S- und S1-Optionen (TA und TB) angegeben. Parameter umfassen Taschenabmessungen (A, B, Do, D1), Bandteilung (Po, P1), Bandstärke (t) und Gesamtbandbreite (W). Die Optionen TA und TB unterscheiden sich in der Zuführrichtung von der Spule, die in der Bestückungsmaschine korrekt konfiguriert werden muss. Diagramme zeigen die Ausrichtung des Bauteils innerhalb der Bandtasche.

7. Anwendungsvorschläge und Entwurfsüberlegungen

Beim Entwurf mit dem EL827-Photokoppler müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Eingangsschaltungsentwurf:Ein strombegrenzender Widerstand muss in Reihe mit der Eingangs-IRED geschaltet werden. Sein Wert wird basierend auf der Versorgungsspannung (Vcc_in), dem gewünschten Durchlassstrom (IF) und der Durchlassspannung der Diode (VF) berechnet: R_in = (Vcc_in - VF) / IF. Der gewählte IF beeinflusst CTR, Schaltgeschwindigkeit und Bauteillebensdauer. Ein Betrieb bei oder unterhalb des empfohlenen Wertes von 20 mA für Dauerbetrieb ist ratsam.

Ausgangsschaltungsentwurf:Der Phototransistor kann entweder im Schalt- (Sättigungs-) oder im linearen (aktiven) Modus verwendet werden. Für digitales Schalten wird ein Pull-up-Widerstand (RL) zwischen Kollektor und der Ausgangsseiten-Versorgungsspannung (Vcc_out) geschaltet. Der Wert von RL beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit (niedriger RL = schneller, aber höherer IC) und den Stromverbrauch. Stellen Sie sicher, dass der Ausgangsstrom (IC) das Maximum von 50 mA nicht überschreitet. Für lineare Anwendungen arbeitet das Bauteil in seinem aktiven Bereich, jedoch müssen die Nichtlinearität des CTR in Bezug auf IF und seine starke Temperaturabhängigkeit sorgfältig berücksichtigt werden.

Isolation und Layout:Um die hohe Isolationsfestigkeit aufrechtzuerhalten, sind auf der Leiterplatte zwischen den Kupferbahnen der Eingangs- und Ausgangsseite ausreichende Kriech- und Luftstrecken gemäß relevanten Sicherheitsnormen (z. B. IEC 60950-1, IEC 62368-1) einzuhalten. Platzieren Sie den Photokoppler im Layout so, dass er die Isolationsbarriere überspannt.

Entkopplung und Störungen:Für störungsempfindliche Anwendungen oder zur Verbesserung der Stabilität in Schaltkreisen kann die Platzierung eines kleinen Entkopplungskondensators (z. B. 0,1 µF) in der Nähe der Versorgungsanschlüsse sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite des Bauteils in Betracht gezogen werden.

8. Technischer Vergleich und häufige Fragen

8.1 Abgrenzung zu anderen Photokopplern

Die primären Unterscheidungsmerkmale des EL827 sind seine hohe Isolationsspannung von 5000 Veff und der weite CTR-Bereich (50-600 %). Im Vergleich zu einfachen 4-Pin-Photokopplern bietet das 8-Pin-DIP doppelte Pins für jeden Anschluss, was die mechanische Haftung auf der Platine verbessern und möglicherweise eine etwas bessere thermische Leistung bieten kann. Die Verfügbarkeit von Oberflächenmontage- (S, S1) und Breitabstands- (M) Optionen bietet mehr Flexibilität als viele Einzelgehäuse-Angebote. Der umfassende Satz internationaler Sicherheitszulassungen (UL, VDE usw.) ist ein bedeutender Vorteil für kommerzielle und industrielle Produkte, die eine Zertifizierung benötigen.

8.2 Häufig gestellte Fragen (basierend auf Parametern)

F: Was bedeutet ein CTR-Bereich von 50-600 % für meinen Entwurf?

A: Er deutet auf Produktionsstreuungen hin. Sie müssen Ihre Schaltung so auslegen, dass sie zuverlässig mit demgarantiertenminimalen CTR (in diesem Fall 50 %) funktioniert, um sicherzustellen, dass der Ausgang unter allen Bedingungen korrekt schaltet. Wenn Ihr Entwurf eine bestimmte Empfindlichkeit erfordert, müssen Sie möglicherweise Bauteile basierend auf gemessenem CTR (Binning) auswählen oder eine Schaltung verwenden, die die Streuung kompensiert.

F: Kann ich diesen für analoge Signalisolierung verwenden?

A: Obwohl möglich (Verwendung im linearen Modus), ist es aufgrund der Nichtlinearität des CTR in Bezug auf IF und seiner starken Temperaturabhängigkeit nicht ideal. Für präzise analoge Isolierung werden dedizierte lineare Optokoppler oder Isolationsverstärker empfohlen.

F: Wie wähle ich zwischen den S- und S1-Oberflächenmontage-Optionen?

A: Die S1-\"Low-Profile\"-Option ist für Anwendungen mit strengen Höhenbeschränkungen auf der Leiterplattenbestückung konzipiert. Konsultieren Sie die Gehäuseabmessungszeichnungen im Datenblatt, um die Bauhöhe und die Gesamtabmessungen zu vergleichen. Die elektrischen Eigenschaften sind identisch.

F: Die Schaltzeiten scheinen langsam zu sein (bis zu 18 µs). Ist das für meine Hochgeschwindigkeits-Digitalkommunikation geeignet?

A: Für die Standard-Digital-I/O-Isolierung in SPS oder Mikrocontroller-Schnittstellen sind diese Geschwindigkeiten typischerweise ausreichend. Für Hochgeschwindigkeits-Seriellkommunikation (z. B. USB-, RS-485-Isolierung) sollten viel schnellere digitale Isolatoren (basierend auf kapazitiver oder magnetischer Kopplung) oder Hochgeschwindigkeits-Optokoppler, die speziell für Datenraten im Mbps-Bereich entwickelt wurden, in Betracht gezogen werden.

9. Funktionsprinzipien und Trends

9.1 Grundlegendes Funktionsprinzip

Ein Photokoppler arbeitet, indem er ein elektrisches Signal in Licht umwandelt, dieses Licht über einen elektrisch isolierenden Spalt überträgt und dann das Licht wieder in ein elektrisches Signal zurückwandelt. Beim EL827 verursacht ein elektrischer Strom, der an die Eingangs-Infrarot-Emissionsdiode (IRED) angelegt wird, dass diese Photonen (Licht) mit einer Infrarotwellenlänge emittiert. Dieses Licht durchdringt eine transparente, isolierende Vergussmasse und trifft auf die Basisregion des Silizium-Phototransistors auf der Ausgangsseite. Das einfallende Licht erzeugt Elektronen-Loch-Paare in der Basis, die effektiv als Basisstrom wirken, was einen viel größeren Kollektorstrom fließen lässt. Dieser Kollektorstrom ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts, die wiederum proportional zum Eingangsdiodenstrom ist, was das Stromübertragungsverhältnis (CTR) festlegt. Der entscheidende Punkt ist, dass die einzige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang der Lichtstrahl ist, der die elektrische Isolation bereitstellt.

9.2 Branchentrends

Der Markt für Optokoppler entwickelt sich weiter. Zu den wichtigsten Trends gehört das Streben nach höheren Datenraten, um schnellere industrielle Kommunikationsprotokolle und digitale Stromversorgungssteuerung zu ermöglichen. Es besteht auch eine Nachfrage nach höherer Integration, wie z. B. die Kombination mehrerer Isolationskanäle in einem einzigen Gehäuse oder die Integration zusätzlicher Funktionen wie Gate-Treiber für IGBTs/MOSFETs. Darüber hinaus treibt der Bedarf an verbesserter Zuverlässigkeit, insbesondere in Automobil- und Industrieanwendungen, Verbesserungen der Hochtemperaturleistung und der Langzeitstabilität des CTR voran. Während traditionelle Phototransistor-basierte Koppler wie der EL827 aufgrund ihrer Einfachheit, Kosteneffektivität und Hochspannungsfähigkeit für grundlegende Isolierung weiterhin Standardbausteine bleiben, gewinnen neuere Technologien wie kapazitive und magnetische (Riesenmagnetowiderstands-) Isolatoren in Anwendungen an Bedeutung, die sehr hohe Geschwindigkeit, niedrigen Stromverbrauch und robuste Störfestigkeit erfordern.