8-Pin SOP Phototransistor-Optokoppler EL20X/EL21X Serie Datenblatt - Gehäuse SO-8 - Isolationsspannung 3750Veff - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL20X- und EL21X-Serien sind Familien von Phototransistor-basierten Optokopplern in einem standardmäßigen 8-Pin Small Outline Package (SOP). Diese Bauteile stellen eine elektrische Isolation zwischen zwei Schaltkreisen her, indem sie eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) verwenden, um ein Signal an einen Phototransistor-Detektor zu übertragen. Die Hauptfunktion besteht darin, elektrische Signale über eine Isolationsbarriere zu übertragen, ohne eine direkte elektrische Verbindung, wodurch verhindert wird, dass hohe Spannungen oder Störungen von einem Schaltkreis in einen anderen gelangen.

Der Kernvorteil dieser Serie liegt in der Kombination aus einem kompakten, industrieüblichen SO-8-Footprint mit einer robusten Isolationsleistung. Zu den Hauptmerkmalen gehören eine hohe Isolationsspannung von 3750 V_eff, ein breiter Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +110°C und eine hohe Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (BV_CEO) von 80V. Die Bauteile werden in mehreren Stromübertragungsverhältnis- (CTR) Klassen angeboten, sodass Entwickler ein für die spezifischen Verstärkungsanforderungen ihrer Anwendung optimiertes Teil auswählen können. Die Einhaltung von Umwelt- und Sicherheitsstandards, wie halogenfrei, bleifrei, RoHS-konform und mit UL/cUL-Zulassung, macht sie für eine Vielzahl von kommerziellen und industriellen Anwendungen geeignet.

1.1 Zielanwendungen

Diese Optokoppler sind für allgemeine Isolations- und Schaltaufgaben in elektronischen Systemen konzipiert. Typische Anwendungsbereiche sind:

• Rückkopplungssteuerkreise:Isolierung von Rückkopplungssignalen in Schaltnetzteilen (SMPS), um die Regelung aufrechtzuerhalten und den Steuer-IC zu schützen.
• Schnittstellensysteme:Kopplung digitaler oder analoger Signale zwischen Schaltkreisen mit unterschiedlichen Massepotenzialen oder Spannungspegeln, z. B. bei der Mikrocontroller-Anbindung an Motorantriebe oder industrielle I/O-Module.
• Allgemeine Schaltaufgaben:Ersatz mechanischer Relais für geräuschfreies, halbleiterbasiertes Schalten von Signalen.
• Überwachungs- und Detektionsschaltungen:Verwendung in Sicherheitsüberwachungen, Fehlererkennung oder Leitungsabfrage, wo Isolation kritisch ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt spezifizierten wichtigsten elektrischen und optischen Parameter.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F):60 mA (Dauerbetrieb). Der Spitzendurchlassstrom (I_FM) beträgt 1 A für einen sehr kurzen Impuls (10 µs), was für Einschaltstromspitzen relevant ist.
• Eingangs-Sperrspannung (V_R):6 V. Die Eingangs-LED hat eine relativ niedrige Sperr-Durchbruchspannung; im Schaltungsdesign muss darauf geachtet werden, eine Sperrvorspannung zu vermeiden.
• Ausgangs-Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):80 V. Dies ist die maximale Spannung, die zwischen Kollektor und Emitter des Phototransistors aufrechterhalten werden kann, wenn die Basis offen ist (kein Lichteinfall).
• Gesamtverlustleistung (P_TOT):240 mW. Dies ist die maximal kombinierte Leistung, die von der Eingangs-LED und dem Ausgangstransistor abgeführt werden kann. Die einzelnen Grenzwerte sind 90 mW für den Eingang (P_D) und 150 mW für den Ausgang (P_C).
• Isolationsspannung (V_ISO):3750 V_efffür 1 Minute. Dies ist ein kritischer Sicherheitsparameter, der durch Anlegen dieser Wechselspannung zwischen allen kurzgeschlossenen Eingangspins (1-4) und allen kurzgeschlossenen Ausgangspins (5-8) geprüft wird. Er zertifiziert die dielektrische Festigkeit der internen Isolierung.
• Betriebs- & Lagertemperatur:-55°C bis +110°C (Betrieb), -55°C bis +125°C (Lagerung). Der weite Bereich gewährleistet Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden unter Standardtestbedingungen (Ta=25°C, sofern nicht anders angegeben) gemessen und definieren die Leistung des Bauteils.

2.2.1 Eingangs- (LED) Eigenschaften

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,3V, maximal 1,5V bei I_F= 10 mA. Dies wird zur Berechnung des erforderlichen Vorwiderstands für die LED-Ansteuerschaltung verwendet.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 100 µA bei V_R= 6V, was den Leckstrom der LED im ausgeschalteten Zustand angibt.

2.2.2 Ausgangs- (Phototransistor) Eigenschaften

• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 50 nA bei V_CE= 10V, I_F= 0mA. Dies ist der Leckstrom des Phototransistors, wenn kein Licht einfällt, wichtig für die Bestimmung des Signalpegels im "Aus"-Zustand.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Maximal 0,4V bei I_F= 10mA, I_C= 2mA. Eine niedrige Sättigungsspannung ist wünschenswert, wenn das Bauteil als Schalter verwendet wird, um den Spannungsabfall und die Verlustleistung zu minimieren.

2.2.3 Übertragungseigenschaften

Der kritischste Parameter für einen Optokoppler ist das Stromübertragungsverhältnis (CTR).

• Definition:CTR = (I_C/ I_F) * 100%, wobei I_Cder Kollektorstrom des Phototransistors und I_Fder Durchlassstrom der LED ist. Es stellt die Effizienz der Umwandlung eines Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom dar.
• Klassifizierungssystem:Die Serie ist in spezifische CTR-Bereiche unterteilt, was eine konsistente Auslegung ermöglicht.
  • EL20X Serie (Standard CTR bei I_F=10mA):EL205 (40-80%), EL206 (63-125%), EL207 (100-200%), EL208 (160-320%).
  • EL21X Serie (Mindest-CTR bei I_F=10mA):EL211 (>20%), EL212 (>50%), EL213 (>100%).
  • Niedrigstrom-CTR (bei I_F=1mA):Für den Betrieb bei niedrigeren LED-Strömen sind unterschiedliche Teilenummern (EL215, EL216, EL217) spezifiziert, was zeigt, dass CTR von I_F.
• abhängt.Schaltgeschwindigkeit:_{Typische Einschaltzeit (t}on_{) und Ausschaltzeit (t}off_r) betragen jeweils 3,0 µs, mit einer Anstiegszeit (t_f) von 1,6 µs und einer Abfallzeit (t_CC) von 2,2 µs unter spezifizierten Testbedingungen (V_C=10V, I_L=2mA, R
• =100Ω). Diese Parameter begrenzen die maximale Frequenz des übertragbaren Signals.Isolationsparameter:_IODer Isolationswiderstand (R¹¹) beträgt typisch 10_IOΩ, und die Eingangs-Ausgangs-Kapazität (C

) beträgt typisch 0,5 pF. Eine niedrige Kapazität ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer hohen Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) in störungsbehafteten Umgebungen.

3. Analyse der Kennlinien

Während der bereitgestellte PDF-Auszug typische Kennlinien erwähnt, aber nicht anzeigt, werden deren allgemeiner Zweck und Auswirkung auf das Design im Folgenden erläutert._F)

3.1 Stromübertragungsverhältnis (CTR) in Abhängigkeit vom Durchlassstrom (I_FEine typische Kurve würde zeigen, dass CTR nicht konstant ist. Sie erreicht normalerweise bei einem spezifischen I

(oft im Bereich von 1-10 mA für solche Bauteile) ein Maximum und nimmt sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Strömen ab. Entwickler müssen diese Kurve konsultieren, um einen optimalen Arbeitspunkt auszuwählen, der für ihre Anwendung ausreichende Verstärkung und Linearität bietet.

3.2 CTR in Abhängigkeit von der Temperatur

CTR hat einen negativen Temperaturkoeffizienten; es nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab. Diese Eigenschaft ist entscheidend für Designs, die über den gesamten Bereich von -55°C bis +110°C betrieben werden. Die Schaltung muss so ausgelegt sein, dass ein ordnungsgemäßer Betrieb (z. B. ausreichender Ausgangshub oder Schaltfähigkeit) bei der höchsten erwarteten Temperatur, bei der CTR minimal ist, gewährleistet ist.

3.3 Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung_FDieser Satz von Kurven, parametriert durch verschiedene I_CE-Werte, zeigt die Ausgangseigenschaften des Phototransistors. Er veranschaulicht den Sättigungsbereich (wo V_Cniedrig ist und I_Fhauptsächlich durch I

gesteuert wird) und den aktiven/linearen Bereich. Dies ist wesentlich für den Entwurf linearer Isolationsverstärker oder um sicherzustellen, dass das Bauteil bei Verwendung als Schalter vollständig gesättigt ist.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 PinbelegungDas 8-Pin SOP-Gehäuse hat folgende Pinbelegung:Pin 1:Anode,Pin 2:Kathode,Pins 3, 4, 8:Nicht verbunden (NC),Pin 5:Emitter,Pin 6:Kollektor,Pin 7:

Basis. Der Basis-Pin ist extern herausgeführt, was Designflexibilität bietet. Er kann offen gelassen werden für maximale Empfindlichkeit, über einen Widerstand mit dem Emitter verbunden werden, um die Empfindlichkeit zu verringern und die Schaltgeschwindigkeit zu verbessern, oder für Rückkopplung in speziellen Konfigurationen verwendet werden.

4.2 Gehäuseabmessungen und PCB-Layout

Das Bauteil entspricht dem standardmäßigen SO-8-Footprint. Das Datenblatt enthält detaillierte mechanische Zeichnungen mit Abmessungen in Millimetern. Ein empfohlenes Pad-Layout für die Oberflächenmontage wird ebenfalls bereitgestellt. Die Einhaltung dieses Landmusters ist entscheidend für zuverlässige Lötstellen und die Vermeidung von Problemen wie "Tombstoning" während des Reflow-Lötens. Die Gehäuseumrisse gewährleisten Kompatibilität mit automatischen Bestückungsgeräten.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Grenzwert für die Löttemperatur beträgt 260°C für 10 Sekunden. Dies ist ein typischer Wert für bleifreie (Pb-free) Reflow-Lötprozesse. Es sollten die standardmäßigen IPC/JEDEC J-STD-020-Richtlinien für Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufen (MSL) und Reflow-Profile befolgt werden. Bauteile sollten bis zur Verwendung in ihren original Feuchtigkeitssperrbeuteln gelagert werden. Wenn sie Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt werden, die über ihrer MSL-Einstufung liegt, ist vor dem Löten ein Trocknungsvorgang (Baking) erforderlich, um "Popcorning"-Schäden während des Reflow-Lötens zu verhindern.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 ModellnummernsystematikDie Teilenummer folgt dem Format:

• EL2XX(Y)-VXX:
• Teilenummer (05, 06, 07, 08, 11, 12, 13, 15, 16, 17). Definiert die CTR-Klasse.Y:
• Band- und Rollenoption (TA, TB, oder keine für Rohrverpackung).V:

Optionales Suffix, das angibt, dass die VDE-Sicherheitszulassung enthalten ist.

• 6.2 VerpackungsoptionenRohr:
• 100 Einheiten pro Rohr. Geeignet für Prototyping oder manuelle Montage in kleinen Stückzahlen.Band und Rolle:

2000 Einheiten pro Rolle. Konzipiert für automatisierte Montagelinien in großen Stückzahlen. Das Datenblatt enthält detaillierte Band- und Rollenspezifikationen (Abmessungen der Taschen, Bandbreite, Rolldurchmesser).

6.3 Bauteilkennzeichnung

Die Oberseite des Gehäuses ist mit "EL" (Herstellercode), der Teilenummer (z. B. 207), einem einstelligen Jahrescode (Y) und einem zweistelligen Wochencode (WW) gekennzeichnet. Für VDE-zugelassene Versionen kann optional ein "V" vorhanden sein. Diese Kennzeichnung ermöglicht die Rückverfolgbarkeit und Überprüfung des Bauteils.

7. Anwendungsdesign-Überlegungen

7.1 Ansteuerung der Eingangs-LED_{Die LED muss mit einem Vorwiderstand angesteuert werden. Der Wert wird berechnet als R}LIMIT_{= (V}TREIBER_F- V_F) / I_F. Verwenden Sie den maximalen V_F-Wert aus dem Datenblatt, um sicherzustellen, dass der mindestens erforderliche I_Funter allen Bedingungen erreicht wird. Für digitales Schalten muss sichergestellt sein, dass die Ansteuerschaltung den notwendigen I

bereitstellen kann, um den gewünschten Ausgangszustand innerhalb der erforderlichen Zeit zu erreichen, unter Berücksichtigung der Schaltgeschwindigkeit des Bauteils.

7.2 Ausgangsschaltungsdesign_LDer Lastwiderstand (R_CC), der zwischen dem Kollektor und V_Lgeschaltet ist, bestimmt den Ausgangsspannungshub und die Schaltgeschwindigkeit. Ein kleinerer R_Lermöglicht schnelleres Schalten (aufgrund kleinerer RC-Zeitkonstante), führt aber zu einem kleineren Ausgangsspannungshub und höherer Verlustleistung. Ein größerer R_Fergibt einen größeren Hub, aber langsamere Geschwindigkeit. Der gewählte I

und CTR müssen gewährleisten, dass der Phototransistor genügend Strom senken kann, um die Ausgangsspannung im eingeschalteten Zustand unter die Logik-Pegel-Schwelle (Low) des empfangenden Schaltkreises zu ziehen.

7.3 Verwendung des Basis-Pins_{Das Offenlassen des Basis-Pins (Pin 7) bietet das höchste CTR und die höchste Empfindlichkeit. Das Anschließen eines Widerstands (typischerweise im Bereich von 100 kΩ bis 1 MΩ) zwischen Basis und Emitter (Pin 5) leitet einen Teil des photogenerierten Basisstroms ab, reduziert die effektive Verstärkung (CTR), verbessert aber deutlich die Schaltgeschwindigkeit, insbesondere die Ausschaltzeit (t}off

). Dies ist ein üblicher Kompromiss in Hochgeschwindigkeits-Digitalisolationsanwendungen.

7.4 Gewährleistung einer zuverlässigen Isolation

Um die spezifizierte Isolationsspannung aufrechtzuerhalten, ist ein korrektes PCB-Layout unerlässlich. Halten Sie auf der Leiterplatte ausreichende Kriech- und Luftstrecken zwischen den Kupferleitungen der Eingangs- und Ausgangsseite ein, wie in den relevanten Sicherheitsnormen (z. B. IEC 60950, IEC 60601) festgelegt. Die Isolationsbarriere innerhalb des Bauteils selbst ist zertifiziert, aber das PCB-Layout darf diese nicht beeinträchtigen.

8. Technischer Vergleich und Auswahlhilfe_{Die EL20X/EL21X-Serie zeichnet sich durch ihre hohe Isolationsspannung von 3750V}eff_Fin einem standardmäßigen SO-8-Gehäuse aus, die höher ist als bei vielen einfachen 4-Pin-Optokopplern. Im Vergleich zu fortschrittlicheren digitalen Isolatoren (die CMOS-Technologie verwenden) sind Phototransistor-Optokoppler wie diese im Allgemeinen langsamer, haben ein niedrigeres CTR, und CTR verschlechtert sich mit der Zeit. Sie bieten jedoch eine ausgezeichnete Gleichtaktunterdrückung, Einfachheit und Robustheit für die Gleichstrom- und Niederfrequenz-Wechselstromsignal-Isolierung. Die wichtigsten Auswahlkriterien sind: erforderliche Isolationsspannung, notwendiges CTR beim Betriebs-I

, akzeptable Schaltgeschwindigkeit und Betriebstemperaturbereich.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

9.1 Was ist der Unterschied zwischen der EL20X- und der EL21X-Serie?

Die EL20X-Serie (EL205-EL208) spezifiziert CTR mit einem Mindest- und einem Maximalwert (ein "gebinnter" Bereich), was eine engere Parameterkontrolle bietet. Die EL21X-Serie (EL211-EL213) spezifiziert nur einen Mindest-CTR-Wert, was zu einer breiteren Verteilung der tatsächlichen Werte führen kann, aber möglicherweise zu geringeren Kosten.

9.2 Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung?

CTR nimmt mit steigender Temperatur ab. Für einen zuverlässigen Betrieb über den gesamten Temperaturbereich sollten die Designberechnungen den minimal erwarteten CTR bei der maximalen Betriebstemperatur verwenden. Das Datenblatt stellt typischerweise Entwertungskurven oder einen Temperaturkoeffizienten für diesen Zweck bereit.

9.3 Kann dieses Bauteil zur analogen Signalisolierung verwendet werden?_FJa, aber mit Einschränkungen. Die Antwort des Phototransistors ist nichtlinear, und CTR variiert mit I

und Temperatur. Für lineare analoge Isolierung sind zusätzliche externe Schaltungen (Operationsverstärker, Rückkopplung) erforderlich, um die Antwort zu linearisieren, oder es sollte ein spezieller linearer Optokoppler in Betracht gezogen werden.

9.4 Welchen Zweck hat die "V"-Option in der Teilenummer?

Das "-V"-Suffix zeigt an, dass die spezifische Einheit getestet und zertifiziert wurde, um den VDE-Sicherheitsstandard (Verband der Elektrotechnik) für verstärkte Isolierung zu erfüllen. Dies ist oft eine Anforderung für Produkte, die auf dem europäischen Markt verkauft werden.

10. Praktisches DesignbeispielSzenario:

Isolierung eines 3,3V-Mikrocontroller-GPIO-Pins zur Steuerung einer 12V-Relais-Spule in einem separaten Schaltkreis. Die Relaisspule benötigt 50mA zum Aktivieren.

1. Designschritte:Schnittstellenauswahl:
2. Verwenden Sie den Optokoppler als Low-Side-Schalter für das Relais. Der Mikrocontroller steuert die LED-Seite. Der Phototransistor wird den Relaisspulenstrom senken.Teileauswahl:_CWählen Sie ein Teil mit ausreichendem CTR. Erforderlicher I_F= 50mA. Wenn ein I
3. = 5mA vom MCU angestrebt wird, ist ein minimal erforderliches CTR = (50mA / 5mA)*100% = 1000%. Ein Standard-Phototransistor kann dies nicht liefern. Daher muss der Optokoppler einen kleinen Transistor (einen "Nachschalttransistor") ansteuern, der dann das Relais schaltet. Wählen Sie einen EL207 (CTR 100-200%) für eine gute Verstärkung.Eingangsschaltung:
4. MCU GPIO (3,3V) -> Vorwiderstand R1 -> EL207 Pins 1 (Anode) und 2 (Kathode). R1 = (3,3V - 1,5V) / 0,005A = 360Ω (verwende 330Ω Standard).Ausgangsschaltung:
5. 12V Versorgung -> Relaisspule -> Kollektor (Pin 6) des EL207. Emitter (Pin 5) an Masse. Eine Freilaufdiode muss antiparallel zur Relaisspule geschaltet werden, um den Phototransistor vor Spannungsspitzen beim Abschalten zu schützen. Ein Basis-Emitter-Widerstand (z. B. 1 MΩ) kann an Pin 7 angeschlossen werden, um die Ausschaltgeschwindigkeit zu verbessern.Überprüfung:_FBei I_C=5mA ergibt ein minimales CTR von 100% einen I

= 5mA. Dies reicht aus, um einen kleinen BJT (z. B. 2N3904) mit hoher Verstärkung zu sättigen, der dann die 50mA-Relais-Spule schalten kann.

11. Funktionsprinzip_FEin Optokoppler besteht aus zwei Hauptkomponenten, die in einem lichtdichten Gehäuse untergebracht sind. Auf der Eingangsseite wandelt eine Infrarot-Galliumarsenid (GaAs)-Leuchtdiode (LED) elektrischen Strom in Infrarotlicht um. Die Intensität dieses Lichts ist direkt proportional zum Durchlassstrom (I_FE) durch die LED. Dieses Licht durchquert einen transparenten Isolationsspalt (oft mit einem dielektrischen Gel gefüllt) und trifft auf den Silizium-Phototransistor auf der Ausgangsseite. Die Basisregion des Phototransistors ist für diese spezifische Lichtwellenlänge empfindlich ausgelegt. Die einfallenden Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in der Basis-Kollektor-Sperrschicht und erzeugen einen Fotostrom, der als Basisstrom wirkt. Dieser photogenerierte Basisstrom wird dann durch die Stromverstärkung (h_C) des Transistors verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom (I_C) führt. Das Verhältnis I_F/I

ist das Stromübertragungsverhältnis (CTR). Der entscheidende Punkt ist, dass das Signal durch Licht übertragen wird, was eine galvanische Trennung bietet, die durch die physikalischen Eigenschaften des internen Isoliermaterials und den Abstand zwischen LED und Transistor bestimmt wird.

12. TechnologietrendsPhototransistor-basierte Optokoppler wie die EL20X/EL21X repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Isolierungstechnologie. Aktuelle Trends in der Signalisolierung umfassen die zunehmende Verbreitung vondigitalen Isolatoren