EL3H4-G Serie Optokoppler Datenblatt - 4-Pin SSOP-Gehäuse - AC-Eingang - Isolierung 3750Veff - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL3H4-G Serie ist eine Familie von AC-Eingang-Phototransistor-Optokopplern, die für Anwendungen entwickelt wurde, die elektrische Isolierung und Signalübertragung von AC- oder unbekannten Gleichspannungsquellen erfordern. Das Bauteil ist in einem kompakten, oberflächenmontierbaren 4-Pin Small Outline Package (SSOP) untergebracht, was es für platzbeschränkte Leiterplattenlayouts geeignet macht.

Die Kernkomponente besteht aus zwei in antiparalleler Schaltung verbundenen Infrarot-Leuchtdioden (LEDs). Diese Konfiguration ermöglicht es dem Eingang, Wechselstromsignale (AC) zu akzeptieren, da eine Diode während jeder Halbwelle des Eingangssignals leitet. Das emittierte Infrarotlicht ist optisch mit einem Silizium-Phototransistor gekoppelt, der das isolierte Ausgangssignal liefert. Die gesamte Baugruppe ist mit einer grünen, halogenfreien Vergussmasse verkapselt.

1.1 Kernvorteile

• AC-Eingangsfähigkeit:Die antiparallele LED-Konfiguration ermöglicht die direkte Anbindung an AC-Signalquellen ohne externe Gleichrichterschaltung.
• Hohe Isolationsspannung:Bietet eine sicherheitszertifizierte Isolierung von 3750 V_effzwischen Ein- und Ausgangsseite, entscheidend für den Schutz empfindlicher Schaltungen vor Hochspannungs-Transienten.
• Kompakte Bauform:Das SSOP-Gehäuse bietet einen kleinen Platzbedarf, ideal für moderne, hochintegrierte Elektronikbaugruppen.
• Umweltkonformität:Das Bauteil ist halogenfrei und entspricht relevanten Umweltrichtlinien wie RoHS und REACH.
• Sicherheitszulassungen:Das Produkt verfügt über Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsagenturen wie UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC.

1.2 Zielanwendungen

Dieser Optokoppler ist für den Einsatz in verschiedenen industriellen und Kommunikationsanwendungen konzipiert, wo zuverlässige Isolierung und AC-Signalerfassung erforderlich sind.

• AC-Netzüberwachung:Erkennung der An- oder Abwesenheit von AC-Netzspannung in Netzteilen, Geräten und Industrieanlagen.
• Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS):Bereitstellung isolierter digitaler Eingangskanäle zur Erfassung von AC-Signalen von Sensoren und Schaltern.
• Telefonleitungsschnittstelle:Isolierung von Ruf- oder Abhebeerfassungsschaltungen in Telekommunikationsgeräten.
• Erfassung unbekannter Gleichspannungspolarität:Anbindung an DC-Signale, deren Polarität nicht festgelegt oder im Voraus bekannt ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Diese sind nicht für normale Betriebsbedingungen vorgesehen.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F):±50 mA (Dauerbetrieb). Das ±-Zeichen zeigt die AC-/bidirektionale Fähigkeit an.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FM):1 A für eine kurze Pulsdauer von 10 µs. Dieser Wert ist wichtig, um kurze Stoßströme zu überstehen.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):80 V. Dies ist die maximale Spannung, die am Ausgangs-Phototransistor anliegen darf.
• Gesamtverlustleistung (P_TOT):200 mW. Dies ist die maximale kombinierte Verlustleistung, die das Bauteil von Ein- und Ausgangsseite zusammen abführen kann.
• Isolationsspannung (V_ISO):3750 V_efffür 1 Minute. Diese Hochspannungsfestigkeit ist ein wichtiger Sicherheitsparameter.
• Betriebstemperatur (T_OPR):-55°C bis +100°C. Der weite Bereich gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb in rauen Umgebungen.
• Löttemperatur (T_SOL):260°C für 10 Sekunden, konform mit typischen bleifreien Reflow-Lötprofilen.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die elektrische und optische Leistung des Bauteils unter spezifizierten Testbedingungen (typischerweise bei T_a= 25°C).

2.2.1 Eingangskenngrößen

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,2V, maximal 1,4V bei einem Durchlassstrom von ±20 mA. Dieser niedrige Spannungsabfall ist vorteilhaft für stromsparende Schaltungen.
• Eingangskapazität (C_in):Typisch 50 pF, maximal 250 pF. Dieser Parameter beeinflusst das Hochfrequenzverhalten der Eingangsseite.

2.2.2 Ausgangskenngrößen

• Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=20V und I_F=0. Dies ist der Leckstrom des Phototransistors, wenn kein Licht vorhanden ist.
• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (BV_CEO):Mindestens 80V. Dies stellt sicher, dass der Ausgang typische Logik- oder Mittelspannungspegel verarbeiten kann.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Typisch 0,1V, maximal 0,2V bei I_F=±20mA und I_C=1mA. Eine niedrige Sättigungsspannung ist für Ausgangsstufen, die Logikeingänge ansteuern, wünschenswert.

2.2.3 Übertragungskenngrößen

Diese Parameter definieren die Effizienz und Qualität der Signalübertragung vom Eingang zum Ausgang.

• Stromübertragungsverhältnis (CTR):Dies ist das Verhältnis von Ausgangskollektorstrom (I_C) zu Eingangs-Durchlassstrom (I_F), ausgedrückt in Prozent. Es ist der Schlüsselparameter für die Verstärkung. Die EL3H4-G Serie wird in verschiedenen CTR-Klassen angeboten:
  • EL3H4:CTR min. 20% bis max. 300% bei I_F= ±1 mA, V_CE= 5V.
  • EL3H4A:CTR min. 50% bis max. 150%.
  • EL3H4B:CTR min. 100% bis max. 300%.
  Die Auswahl ermöglicht es Konstrukteuren, die passende Verstärkung für ihre Anwendung zu wählen und dabei Empfindlichkeit gegen mögliche Sättigung abzuwägen.
• CTR-Symmetrie:Verhältnis von CTR gemessen mit positivem I_Fzu CTR gemessen mit negativem I_F. Spezifiziert zwischen 0,5 und 2,0. Ein Wert nahe 1,0 zeigt eine gute Symmetrie im AC-Verhalten der beiden Eingangs-LEDs an.
• Isolationswiderstand (R_IO):Mindestens 5×10¹⁰Ω, typisch 10¹¹Ω bei 500V DC. Dieser extrem hohe Widerstand ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Isolationsintegrität.
• Schwebekapazität (C_IO):Typisch 0,6 pF, maximal 1,0 pF. Diese niedrige Kapazität minimiert die kapazitive Kopplung über die Isolationsbarriere, was wichtig für die Unterdrückung hochfrequenter Gleichtaktstörungen ist.
• Schaltzeiten:Sowohl Anstiegszeit (t_r) als auch Abfallzeit (t_f) haben unter den spezifizierten Testbedingungen (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω) einen Maximalwert von 18 µs. Diese Zeiten definieren die Geschwindigkeit des Bauteils und seine Eignung für verschiedene Frequenzsignale.

3. Erklärung des Klassifizierungssystems

Die EL3H4-G Serie verwendet ein Klassifizierungssystem, das hauptsächlich auf dem Stromübertragungsverhältnis (CTR) basiert.

• Standardklasse (Kein Suffix):Bietet den weitesten CTR-Bereich (20-300%), geeignet für universelle Anwendungen, bei denen eine präzise Verstärkung nicht kritisch ist.
• A-Klasse (Suffix 'A'):Bietet einen engeren, mittleren CTR-Bereich (50-150%) und damit eine vorhersehbarere Leistung.
• B-Klasse (Suffix 'B'):Bietet einen engen, hohen CTR-Bereich (100-300%), ideal für Anwendungen, die hohe Empfindlichkeit und Verstärkung erfordern, wie z.B. die Erfassung schwacher Signale.

Diese Binning ermöglicht es Herstellern, ihre Designs für Konsistenz zu optimieren oder Bauteile für spezifische Empfindlichkeitsanforderungen auszuwählen.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf typische elektro-optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Grafiken im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, umfassen sie typischerweise Folgendes, was für das Design entscheidend ist:

• CTR über Durchlassstrom (I_F):Zeigt, wie sich das Übertragungsverhältnis mit dem Eingangsstrompegel ändert. CTR nimmt bei sehr hohem I_Foft aufgrund des LED-Effizienzabfalls ab.
• CTR über Temperatur:Veranschaulicht die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Bauteils. CTR nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab.
• Durchlassspannung (V_F) über Durchlassstrom (I_F):Die Dioden-Strom-Spannungs-Kennlinie.
• Ausgangskollektorstrom (I_C) über Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE):Die Ausgangskennlinien des Phototransistors für verschiedene Eingangslichtpegel (I_F).
• Schaltzeit über Lastwiderstand (R_L):Zeigt, wie die Anstiegs- und Abfallzeiten durch den gewählten Lastwiderstand am Ausgang beeinflusst werden.

Konstrukteure sollten diese Kurven konsultieren, um das Bauteilverhalten unter nicht standardmäßigen Bedingungen zu verstehen und Parameter wie Eingangsstrom und Lastwiderstand für gewünschte Geschwindigkeit und Ausgangsspannungshub zu optimieren.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Pinbelegung

Das 4-Pin SSOP-Gehäuse hat folgende Pinbelegung:

1. Pin 1:Anode einer LED / Kathode der anderen (aufgrund der antiparallelen Verbindung).
2. Pin 2:Kathode der ersten LED / Anode der zweiten.
3. Pin 3:Emitter des Phototransistors.
4. Pin 4:Kollektor des Phototransistors.

Diese Konfiguration bedeutet, dass der AC-Eingang zwischen Pin 1 und 2 angelegt wird und der Ausgang von Pin 3 und 4 abgenommen wird (typischerweise mit Pin 3 als Masse/Common).

5.2 Gehäuseabmessungen und Leiterplattenlayout

Das Datenblatt enthält detaillierte mechanische Zeichnungen für das SSOP-Gehäuse. Wichtige Abmessungen sind Gehäusegröße, Rastermaß und Abstandshöhe. Ein empfohlenes Pad-Layout für die Oberflächenmontage ist ebenfalls enthalten, mit dem Hinweis, dass es als Referenz dient und basierend auf spezifischen Leiterplattenfertigungsprozessen und thermischen Anforderungen angepasst werden sollte. Ein korrektes Pad-Design ist für zuverlässiges Löten und mechanische Festigkeit unerlässlich.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Das Bauteil ist mit bleifreien Reflow-Lötprozessen kompatibel. Das empfohlene maximale Bauteiltemperaturprofil basiert auf IPC/JEDEC J-STD-020D:

• Vorwärmen:150°C bis 200°C über 60-120 Sekunden.
• Zeit oberhalb Liquidus (T_L=217°C):60-100 Sekunden.
• Spitzentemperatur (T_P):Maximal 260°C.
• Zeit innerhalb 5°C der Spitze:Maximal 30 Sekunden.
• Maximale Reflow-Zyklen: 3.

Die Einhaltung dieses Profils verhindert thermische Schäden am Kunststoffgehäuse und den internen Bonddrähten.

6.2 Vorsichtsmaßnahmen

• Vermeiden Sie es, das Bauteil während der Handhabung und des Lötens Temperaturen auszusetzen, die die absoluten Maximalwerte überschreiten.
• Stellen Sie sicher, dass die Isolationsbarriere nicht durch Verunreinigungen (z.B. Flussmittel, Schmutz) zwischen der Ein- und Ausgangsseite des Gehäuses beeinträchtigt wird.
• Befolgen Sie während der Handhabung Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung), da die internen LEDs und Transistoren empfindlich gegenüber statischer Elektrizität sind.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Modellnummernregel

Die Artikelnummer folgt dem Format:EL3H4(Y)(Z)-VG

• EL3H4:Basis-Artikelnummer.
• Y:CTR-Klasse (A, B oder leer für Standard).
• Z:Tape-and-Reel-Option (TA, TB, EA, EB oder leer für Tube). TA/TB-Spulen enthalten 5000 Einheiten; EA/EB-Spulen enthalten 1000 Einheiten. Der Unterschied zwischen A- und B-Optionen betrifft typischerweise die Bandbreite oder die Zuführrichtung.
• V:Optionales Suffix, das angibt, dass das Bauteil eine VDE-Zulassung besitzt.
• G:Kennzeichnet halogenfreies Material.

Beispiel: EL3H4A-TA-VG ist ein Bauteil der 'A'-Klasse, geliefert auf einer 5000-Stück TA-Spule, mit VDE-Zulassung und halogenfrei.

7.2 Verpackungsspezifikationen

Das Bauteil kann in Tubes (150 Einheiten) oder auf Tape and Reel geliefert werden. Detaillierte Bandabmessungen (Taschengröße, Raster, Bandbreite) werden für die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsgeräten bereitgestellt.

7.3 Bauteilkennzeichnung

Die Oberseite des Gehäuses ist mit einem Code gekennzeichnet:EL 3H4 RYWWV

• EL:Herstellercode.
• 3H4:Bauteilnummer.
• R:CTR-Klasse (A, B oder leer).
• Y:Einziffriger Jahrescode.
• WW:Zweiziffriger Wochencode.
• V:VDE-Zulassungsmarke (falls vorhanden).

8. Anwendungsdesign-Überlegungen

8.1 Eingangsschaltungsdesign

Für AC-Betrieb muss ein strombegrenzender Widerstand in Reihe mit den Eingangspins (1 und 2) geschaltet werden. Sein Wert sollte basierend auf der Spitzeneingangsspannung und dem gewünschten Durchlassstrom (I_F) berechnet werden, wobei sicherzustellen ist, dass I_Fden Dauerbetriebswert von 50 mA nicht überschreitet. Zum Beispiel, um den Eingang von einer 120V_effAC-Leitung anzusteuern, muss der Widerstand den Spitzenstrom begrenzen (≈170V / R). Die Leistungsaufnahme und Spannungsfestigkeit dieses Widerstands sind zu berücksichtigen.

8.2 Ausgangsschaltungsdesign

Der Ausgangs-Phototransistor kann in einer Emitterschaltung (Lastwiderstand zwischen V_CCund Kollektor, Emitter an Masse) oder als Schalter verwendet werden. Der Wert des Lastwiderstands (R_L) beeinflusst:

Ausgangsspannungshub:Ein höherer R_Lergibt einen größeren Spannungsabfall für einen gegebenen I_C.

Schaltgeschwindigkeit:Ein höherer R_Lerhöht die RC-Zeitkonstante, was die Anstiegs- und Abfallzeiten verlangsamt (wie durch die t_r/t_f-Spezifikation mit R_L=100Ω angegeben).

Ein Pull-up-Widerstand ist oft erforderlich, wenn ein Logikeingang angesteuert wird. Stellen Sie sicher, dass die Ausgangsspannung im 'EIN'-Zustand (V_CE(sat)) niedrig genug ist, um als Logik-'0' erkannt zu werden.

8.3 Gewährleistung zuverlässiger Isolierung

Um die spezifizierte 3750V_effIsolierung aufrechtzuerhalten, ist das Leiterplattenlayout entscheidend. Halten Sie auf der Platine ausreichende Kriech- und Luftstrecken zwischen den Kupferleitungen und Pads der Eingangsseite (Pins 1,2) und der Ausgangsseite (Pins 3,4) ein. Dies bedeutet oft, einen physischen Schlitz oder einen breiten Abstand in der Leiterplatte unter dem Bauteilgehäuse vorzusehen. Vermeiden Sie es, Ein- und Ausgangsleitungen parallel und dicht beieinander zu führen.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primären Unterscheidungsmerkmale der EL3H4-G Serie im Vergleich zu Standard-DC-Eingang-Optokopplern sind:

• Integrierter AC-Eingang:Macht externe Brückengleichrichter oder duale Optokoppler zur Handhabung von AC-Signalen überflüssig, spart Leiterplattenplatz und Bauteile.
• CTR-Symmetrie:Ein spezifizierter Parameter, der eine ausgeglichene Reaktion auf beiden AC-Halbwellen sicherstellt, was bei DC-Eingangsbauteilen keine Rolle spielt.
• Halogenfreie Konstruktion:Erfüllt strenge Umweltanforderungen, die nicht von allen älteren Optokopplermodellen erfüllt werden.

Im Vergleich zu anderen AC-Eingang-Optokopplern liegen seine Vorteile in der Kombination aus hoher Isolationsspannung, kompaktem SSOP-Gehäuse und der Verfügbarkeit mehrerer CTR-Klassen.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F1: Kann ich dies verwenden, um direkt 230V AC Netzspannung zu erfassen?

A: Ja, aber Sie müssen einen geeigneten externen strombegrenzenden Widerstand in Reihe mit dem Eingang verwenden, um den Durchlassstrom innerhalb der 50mA-Grenze zu halten. Der Widerstand muss auch für die hohe Spannung und Verlustleistung ausgelegt sein.

F2: Was ist der Unterschied zwischen der Standard-, A- und B-Klasse?

A: Der Unterschied ist das garantierte minimale und maximale Stromübertragungsverhältnis (CTR). Die B-Klasse hat die höchste Mindestempfindlichkeit (100%), was sie für die Erfassung schwächerer Signale geeignet macht. Die A-Klasse bietet einen gemäßigteren, vorhersehbareren Bereich. Die Standardklasse hat den weitesten Bereich und bietet eine kostengünstige universelle Verwendung.

F3: Wie schnell ist dieses Bauteil? Kann es für Kommunikation verwendet werden?

A: Mit typischen Anstiegs-/Abfallzeiten von bis zu 18 µs ist die Bandbreite auf etwa einige zehn kHz begrenzt. Es eignet sich für die Erfassung von AC-Netzfrequenz (50/60 Hz), langsame digitale Signale oder Zustandserkennung in SPS, ist aber nicht für Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation wie digitale Isolatoren konzipiert.

F4: Warum ist der Isolationswiderstand so hoch (10^11 Ω)?

A: Dieser extrem hohe Widerstand minimiert den Leckstrom über die Isolationsbarriere. Dies ist entscheidend für die Sicherheit, um gefährliche Ströme zwischen isolierten Schaltungen zu verhindern, und für die Signalintegrität in Präzisionsmessanwendungen.

11. Praktisches Designbeispiel

Szenario: Isolierter 120V AC Netzspannungs-Präsenzdetektor.

Ziel:Bereitstellung eines 3,3V Logik-Low-Signals für einen Mikrocontroller, wenn 120V AC vorhanden ist.

Designschritte:

1. Berechnung des Eingangswiderstands:Für 120V_effbeträgt die Spitzenspannung ~170V. Um I_Fauf einen sicheren Wert von 10mA (deutlich unter 50mA) zu begrenzen, ist R_limit= 170V / 0,01A = 17kΩ. Verwenden Sie einen Standard-18kΩ-Widerstand mit 1/2W oder höherer Belastbarkeit.

2. Ausgangsschaltung:Verbinden Sie den Phototransistor-Kollektor (Pin 4) über einen Pull-up-Widerstand (z.B. 10kΩ) mit der 3,3V-Versorgung des Mikrocontrollers. Verbinden Sie den Emitter (Pin 3) mit Masse. Der Kollektorknoten wird mit einem digitalen Eingangspin am Mikrocontroller verbunden.

3. Betrieb:Wenn AC vorhanden ist, schaltet der Ausgang des Optokopplers während jeder Halbwelle ein und zieht die Kollektorspannung nahe an V_CE(sat)(~0,2V) herunter, was als Logik-'0' gelesen wird. Wenn AC abwesend ist, ist der Phototransistor aus, und der Pull-up-Widerstand bringt die Kollektorspannung auf 3,3V (Logik-'1'). Software muss dieses Signal möglicherweise entprellen, aufgrund der 50/60 Hz Nulldurchgänge.

12. Funktionsprinzip

Der EL3H4-G arbeitet nach dem Prinzip der optoelektronischen Kopplung. Ein elektrisches Signal auf der Eingangsseite veranlasst die Infrarot-LEDs, Licht proportional zum Strom zu emittieren. Dieses Licht durchquert eine transparente Isolationsbarriere innerhalb des Gehäuses. Auf der Ausgangsseite trifft das Licht auf die Basisregion eines Silizium-Phototransistors und erzeugt Elektronen-Loch-Paare. Dieser Fotostrom wirkt als Basisstrom und veranlasst den Transistor, einen viel größeren Kollektorstrom zu führen, wodurch das Eingangssignal auf der isolierten Ausgangsseite reproduziert wird. Die antiparallele LED-Konfiguration ermöglicht es, dass während beider Polaritäten eines AC-Eingangssignals Strom fließt und Licht emittiert wird.

13. Technologietrends

Optokoppler wie der EL3H4-G repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Isolierungstechnologie. Aktuelle Trends im Bereich der Signalisolierung umfassen:

Integration:Kombination mehrerer Isolationskanäle oder Integration zusätzlicher Funktionen (wie Treiber oder Schutz) in ein einzelnes Gehäuse.

Höhere Geschwindigkeit:Entwicklung von Optokopplern mit schnelleren Schaltzeiten für digitale Kommunikationsanwendungen, obwohl sie im Allgemeinen langsamer sind als Technologien basierend auf kapazitiver oder magnetischer Kopplung.

Verschärfte Sicherheitsstandards:Kontinuierliche Weiterentwicklung internationaler Sicherheitsstandards (UL, VDE, IEC), die Anforderungen für höhere Betriebsspannungen, verstärkte Isolierung und verbesserte Zuverlässigkeitskennzahlen vorantreiben.

Materialwissenschaft:Entwicklung neuer Vergussmassen mit besserer thermischer Stabilität, Feuchtigkeitsbeständigkeit und optischer Klarheit, um Leistung und Lebensdauer zu verbessern.