8-Pin SOP Dual-Channel Hochgeschwindigkeits-Logikgatter-Photokoppler EL063X Serie Datenblatt - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL063X-Serie stellt eine Familie von zweikanaligen, hochgeschwindigkeitsfähigen Logikgatter-Photokopplern (Optokopplern) dar. Diese Bauteile sind entwickelt, um eine robuste elektrische Isolation und eine schnelle digitale Signalübertragung zwischen zwei Schaltkreisen zu gewährleisten. Die Kernfunktion besteht darin, Logikpegel-Signale über eine Isolationsbarriere zu übertragen, indem eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) optisch mit einem hochintegrierten Fotodetektor mit Logikgatter-Ausgang gekoppelt ist. Dieses Design unterbricht effektiv Masseschleifen, verhindert die Übertragung von Störungen und schützt empfindliche Schaltungen vor Spannungsspitzen oder Massopotenzialunterschieden.

Die primären Anwendungsbereiche für dieses Bauteil liegen in der industriellen Automatisierung, Kommunikationsschnittstellen, Netzteilsteuerung und Computer-Peripherie, wo eine zuverlässige, störsichere Signalübertragung entscheidend ist. Die Zweikanal-Konfiguration in einem einzigen Gehäuse bietet platzsparende Vorteile und abgeglichene Kanaleigenschaften für Differenzsignalanwendungen oder zur Isolation mehrerer Steuerleitungen.

2. Detaillierte Betrachtung der technischen Parameter

Die elektrischen und optischen Parameter definieren die Betriebsgrenzen und die Leistungsfähigkeit des Photokopplers.

2.1 Absolute Grenzwerte

Dies sind Belastungsgrenzen, die unter keinen Umständen, auch nicht kurzzeitig, überschritten werden dürfen. Ein Betrieb des Bauteils jenseits dieser Werte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F): 20 mA DC/Durchschnitt. Dies begrenzt den maximalen Strom durch die Eingangs-LED.
• Eingangs-Sperrspannung (V_R): 5 V. Die maximale Sperrspannung, die die Eingangs-LED aushalten kann.
• Ausgangsstrom (I_O): 50 mA. Der maximale Strom, den der Ausgangstransistor sinken kann.
• Ausgangsspannung (V_O) & Versorgungsspannung (V_CC): 7,0 V. Die maximale Spannung, die an die Ausgangsseiten-Pins angelegt werden darf.
• Isolationsspannung (V_ISO): 3750 V_efffür 1 Minute. Dies ist ein wichtiger Sicherheitsparameter, der die dielektrische Festigkeit der Isolationsbarriere zwischen Eingangs- und Ausgangsseite angibt, getestet mit kurzgeschlossenen Pins 1-4 und kurzgeschlossenen Pins 5-8.
• Betriebstemperatur (T_OPR): -40°C bis +100°C. Der Umgebungstemperaturbereich, in dem die Funktionsfähigkeit des Bauteils garantiert ist.
• Lagertemperatur (T_STG): -55°C bis +125°C.

2.2 Elektrische Kenngrößen

Diese Parameter sind über die spezifizierten Betriebsbedingungen garantiert (Ta = -40°C bis 85°C, sofern nicht anders angegeben).

2.2.1 Eingangskenngrößen

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,4V, maximal 1,8V bei I_F= 10 mA. Dieser Wert wird zur Berechnung des benötigten Vorwiderstands für die Eingangs-LED-Ansteuerung verwendet.
• Temperaturkoeffizient von V_F: Ca. -1,8 mV/°C. Die LED-Durchlassspannung nimmt mit steigender Temperatur ab.
• Eingangskapazität (C_IN): Typisch 60 pF. Diese parasitäre Kapazität beeinflusst das Hochfrequenzverhalten auf der Eingangsseite.

2.2.2 Ausgangs- und Übertragungskenngrößen

• Versorgungsstrom (I_CCH/I_CCL): Der Ruhestrom, den die Ausgangs-IC zieht. I_CCH(Ausgang High) ist typisch 13 mA (max. 18 mA). I_CCL(Ausgang Low) ist typisch 15 mA (max. 21 mA) bei V_CC= 5,5V. Dies ist wichtig für die Leistungsbudgetberechnung.
• High-Pegel-Ausgangsstrom (I_OH): Der Ausgang kann maximal 100 µA liefern, während ein hoher Logikpegel (V_Onahe V_CC) aufrechterhalten wird. Dies ist eine schwache Quellenfähigkeit.
• Low-Pegel-Ausgangsspannung (V_OL): Maximal 0,6V bei I_F= 5mA und I_CL= 13mA. Dies definiert den Spannungspegel, wenn der Ausgangstransistor aktiv Strom senkt, und gewährleistet die Kompatibilität mit TTL/CMOS-Logik-Low-Schwellenwerten.
• Eingangs-Schwellenstrom (I_FT): Maximal 5 mA. Dies ist der Eingangsstrom, der erforderlich ist, um sicherzustellen, dass der Ausgang unter den spezifizierten Bedingungen in einen gültigen Low-Zustand (V_O≤ 0,6V) schaltet. Entwickler müssen sicherstellen, dass die Ansteuerschaltung mindestens diesen Strom für zuverlässiges Schalten bereitstellt.

2.3 Schaltkenngrößen

Diese Parameter definieren die Hochgeschwindigkeits-Digitalleistung, gemessen unter Standardtestbedingungen (Ta=25°C, V_CC=5V, I_F=7,5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω).

• Laufzeitverzögerung (t_PHL, t_PLH): Jeweils maximal 100 ns. t_PHList die Verzögerung vom Einschalten der Eingangs-LED (Stromanstieg) bis zum Fallen des Ausgangs. t_PLHist die Verzögerung vom Ausschalten der Eingangs-LED (Stromabfall) bis zum Steigen des Ausgangs. Diese Verzögerungen begrenzen die maximale Datenrate.
• Pulsbreitenverzerrung (|t_PHL– t_PLH|): Maximal 35 ns. Diese Asymmetrie zwischen Anstiegs- und Abfallverzögerung kann das Tastverhältnis übertragener Pulse verzerren, was in zeitkritischen Anwendungen entscheidend ist.
• Ausgangs-Anstiegs-/Abfallzeit (t_r, t_f): t_rist typisch 40 ns (10% bis 90%), t_fist typisch 10 ns (90% bis 10%). Die schnellere Abfallzeit ist charakteristisch für die aktive Pull-Down-Ausgangsstufe.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI): Dies ist ein kritischer Parameter für die Störfestigkeit in rauschbehafteten Umgebungen wie Motorantrieben oder Schaltnetzteilen. Er misst die Fähigkeit des Bauteils, schnelle Spannungstransienten abzuweisen, die über die Isolationsbarriere auftreten.
  • EL0630: Mindestens 5000 V/µs.
  • EL0631: Mindestens 10000 V/µs. Diese höhere CMTI macht den EL0631 für anspruchsvollere Anwendungen mit starken elektrischen Störungen geeignet.
  • Die Immunität ist sowohl für den Ausgangs-High-Zustand (CM_H) als auch für den Ausgangs-Low-Zustand (CM_L) spezifiziert, um sicherzustellen, dass der Ausgang während eines Transientenereignisses nicht fälschlicherweise umschaltet.

3. Analyse der Kennlinien

Während der bereitgestellte PDF-Auszug "Typische elektro-optische Kennlinien" erwähnt, sind die spezifischen Grafiken im Text nicht enthalten. Typischerweise würden solche Kurven für einen Photokoppler umfassen:

• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom (I_F): Zeigt die Effizienz der optischen Kopplung (Ausgangsstrom / Eingangsstrom) über verschiedene Ansteuerpegel.
• Laufzeitverzögerung vs. Durchlassstrom (I_F): Veranschaulicht, wie die Schaltgeschwindigkeit mit dem LED-Ansteuerstrom variiert. Höheres I_Fverringert im Allgemeinen die Laufzeitverzögerung.
• Laufzeitverzögerung vs. Temperatur: Zeigt die Temperaturabhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit.
• Ausgangs-Sättigungsspannung vs. Ausgangsstrom: Charakterisiert die Leistung des Ausgangstransistors beim Senken von Strom.

Entwickler sollten das vollständige Datenblatt mit Grafiken konsultieren, um diese Zusammenhänge für die Optimierung ihrer spezifischen Anwendung zu verstehen, z.B. den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und LED-Strom/Verlustleistung.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil ist in einem standardmäßigen 8-Pin-Small-Outline-Package (SOP oder SOIC) untergebracht. Dieses Oberflächenmontagegehäuse entspricht dem gängigen SO8-Footprint und erleichtert das Leiterplattenlayout und die Montage.

4.1 Pinbelegung

Die Pinbelegung ist wie folgt:

• Pin 1: Anode (Kanal 1 Eingangs-LED)
• Pin 2: Kathode (Kanal 1 Eingangs-LED)
• Pin 3: Kathode (Kanal 2 Eingangs-LED)
• Pin 4: Anode (Kanal 2 Eingangs-LED)
• Pin 5: Masse (GND) - Ausgangsseitige Masse.
• Pin 6: V_OUT2 (Ausgang für Kanal 2)
• Pin 7: V_OUT1 (Ausgang für Kanal 1)
• Pin 8: V_CC(Versorgungsspannung für Ausgangsseite, typ. +5V)

Wichtiger Hinweis:Die Eingangs- und Ausgangsseiten sind vollständig voneinander isoliert. Die Pins 1-4 befinden sich auf der isolierten Eingangsseite, und die Pins 5-8 auf der isolierten Ausgangsseite. Das Leiterplattenlayout muss ausreichende Kriech- und Luftstrecken zwischen diesen beiden Pinsätzen und ihren zugehörigen Leiterbahnen einhalten, um die Isolationsfestigkeit zu bewahren.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Das Bauteil ist für Standard-Oberflächenmontageprozesse geeignet.

• Löttemperatur: Die maximal zulässige Löttemperatur beträgt 260°C für 10 Sekunden. Dies ist mit typischen bleifreien Reflow-Lötprofilen kompatibel.
• Feuchtigkeitsempfindlichkeit: Obwohl im Auszug nicht explizit angegeben, haben die meisten kunststoffverkapselten SMD-Bauteile eine Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL). Eine sachgemäße Handhabung, ggf. Trocknung und Lagerung gemäß Herstellervorgaben sind unerlässlich, um "Popcorning" während des Reflow-Lötens zu verhindern.
• Ausgangsentkopplung: Eine kritische Designnotiz (*3) spezifiziert, dass der V_CC-Versorgungspin (8) mit einem 0,1 µF oder größeren Kondensator (Keramik oder Festkörper-Tantal mit guten HF-Eigenschaften) entkoppelt werden muss. Dieser Kondensator muss so nah wie möglich zwischen Pin 8 (V_CC) und Pin 5 (GND) platziert werden, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und Schaltstörungen auf der Versorgungsleitung zu minimieren.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Das Datenblatt listet mehrere wichtige Anwendungen auf:

• Masseschleifenunterbrechung: Die Hauptfunktion, die Massen zweier Subsysteme zu isolieren, um Zirkulationsströme und Störungen zu verhindern.
• Logikpegelwandlung/Schnittstelle: Kann zwischen verschiedenen Logikfamilien (z.B. LSTTL zu TTL oder 5V CMOS) vermitteln und gleichzeitig Isolation bieten.
• Datenübertragung & Leitungsempfänger: Geeignet für isolierte serielle Datenverbindungen (z.B. RS-232-, RS-485-Isolation), digitale I/O-Isolation und Multiplexing.
• Schaltnetzteil-Rückführung: Isolierung des Rückkopplungssignals von der Sekundär- (Ausgangs-) zur Primär- (Regler-) Seite in Sperrwandler- oder anderen isolierten Wandler-Topologien.
• Ersatz für Pulstransformatoren: Bietet eine halbleiterbasierte, potenziell zuverlässigere und kompaktere Alternative zur Übertragung digitaler Pulse über eine Isolationsbarriere.
• Computer-Peripherie-Schnittstelle: Isolierung von Signalen zu/von Druckern, industriellen I/O-Karten oder anderen Peripheriegeräten.

6.2 Design-Überlegungen

• Eingangs-Ansteuerschaltung: Ein Vorwiderstand muss basierend auf der Eingangs-Versorgungsspannung (V_IN), dem gewünschten Durchlassstrom I_Fund der LED-V_Fberechnet werden. R_{Vorwiderstand}= (V_IN- V_F) / I_F. I_Fmuss ≥ I_FTsein, um sicheres Schalten zu garantieren, und kann bis zum absoluten Grenzwert erhöht werden, um die Geschwindigkeit zu verbessern, auf Kosten einer höheren Verlustleistung.
• Ausgangslast: Der Ausgang ist zum Treiben von Standard-Logiklasten ausgelegt. Der Pull-Up-Widerstand R_L(zwischen V_CCund dem Ausgangspin geschaltet) legt den Logik-High-Pegel und die Anstiegszeit fest. Ein kleinerer R_Lermöglicht schnellere Anstiegszeiten, erhöht aber den Stromverbrauch, wenn der Ausgang Low ist. Die Testbedingung verwendet R_L=350Ω.
• Verlustleistung: Berechnen Sie die Gesamtverlustleistung auf beiden Seiten (Eingang: P_D= V_F* I_F; Ausgang), um sicherzustellen, dass sie innerhalb der Grenzen bleibt, insbesondere bei hohen Temperaturen.
• Kanalauswahl: Wählen Sie EL0631 gegenüber EL0630 für Anwendungen, die eine höhere Immunität gegen Gleichtaktstörungen erfordern (CMTI ≥ 10.000 V/µs vs. 5.000 V/µs).

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die EL063X-Serie differenziert sich auf dem Markt durch mehrere Schlüsselmerkmale:

• Hohe Geschwindigkeit: Die 10 Mbit/s-Fähigkeit und Laufzeitverzögerungen ≤100 ns platzieren sie in der Kategorie der Hochgeschwindigkeits-Photokoppler, geeignet für schnelle digitale Kommunikation.
• Zweikanalig in SOP-8: Integriert zwei isolierte Kanäle in einem kompakten, standardisierten Gehäuse und spart so Leiterplattenfläche im Vergleich zu zwei einkanaligen Bauteilen.
• Hohe CMTI: Insbesondere die minimale CMTI von 10 kV/µs des EL0631 ist ein bedeutender Vorteil in elektrisch rauschbehafteten Umgebungen wie industriellen Motorantrieben, wo Optokoppler mit niedrigerer CMTI versagen könnten.
• Breiter Temperaturbereich: Garantierte Leistung von -40°C bis 85°C, mit einem Betriebsbereich bis zu 100°C, geeignet für industrielle und automotive Anwendungen.
• Umfassende Sicherheitszulassungen: Das Bauteil verfügt über Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden (UL, cUL, VDE, SEMKO usw.), was oft eine zwingende Voraussetzung für Endprodukte in regulierten Märkten ist.
• Umweltkonformität: Es ist halogenfrei (Br/Cl-Grenzwerte), bleifrei, RoHS-konform und REACH-konform und erfüllt damit moderne Umweltvorschriften.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Welche maximale Datenrate kann ich mit diesem Photokoppler erreichen?

A: Die 10 Mbit/s-Spezifikation und die maximale Laufzeitverzögerung von 100 ns deuten auf eine maximale theoretische Datenrate von etwa 5-10 Mbps für NRZ-Daten hin. In der Praxis hängt die erreichbare Rate von der spezifischen Wellenform, den Anstiegs-/Abfallzeiten und der Pulsbreitenverzerrung ab. Für einen zuverlässigen Betrieb ist ein konservatives Designziel von 1-5 Mbps typisch.

F: Wie wähle ich zwischen EL0630 und EL0631?

A: Der primäre Unterschied ist die Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI). Wenn Ihre Anwendung signifikante Schaltstörungen beinhaltet (z.B. in der Nähe von Motorantrieben, Hochleistungs-Umrichtern, störbehafteten Netzteilen), bietet der EL0631 (10 kV/µs) eine überlegene Störfestigkeit. Für weniger rauschbehaftete Umgebungen kann der EL0630 (5 kV/µs) ausreichend sein.

F: Warum ist ein Entkopplungskondensator an V_CC?

A: Das Hochgeschwindigkeitsschalten der Ausgangsstufe kann momentane Stromspitzen auf der V_CC-Leitung verursachen. Der lokale Entkopplungskondensator stellt eine niederohmige Quelle für diesen Strom bereit und verhindert Spannungseinbrüche oder -spitzen auf V_CC, die zu fehlerhaftem Betrieb oder Störaussendung führen könnten. Eine Platzierung nahe den Pins ist für die Wirksamkeit entscheidend.

F: Kann ich dieses Bauteil zur Isolation analoger Signale verwenden?

A: Nein. Dies ist einLogikgatter-Photokoppler. Der Ausgang ist ein digitaler Logikpegel (High oder Low), keine lineare Darstellung des Eingangsstroms. Für analoge Isolation ist ein linearer Optokoppler (mit Fototransistor- oder Fotodioden-Ausgang) erforderlich.

F: Was ist der Zweck des in der Beschreibung erwähnten "strobierbaren Ausgangs"?

A: Obwohl in diesem Auszug nicht detailliert beschrieben, bedeutet ein strobierbarer Ausgang typischerweise, dass die Ausgangsstufe eine Freigabe- oder Strobe-Steuerung hat. Dies ermöglicht es, den Ausgang durch ein drittes Steuersignal ein-/auszuschalten oder zu sperren, was für Multiplexing-Anwendungen oder zur Reduzierung des Stromverbrauchs nützlich sein kann. Die hier gezeigte Pinbelegung zeigt keinen separaten Strobe-Pin, daher könnte diese Funktionalität intern in einem speziellen Modus integriert sein oder sich darauf beziehen, dass der Ausgang durch das Eingangssignal selbst freigegeben wird.

9. Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip basiert auf der optoelektronischen Umwandlung. Wenn ein ausreichender Durchlassstrom (I_F) an die Eingangs-Infrarot-Leuchtdiode (IRED) angelegt wird, emittiert sie Lichtphotonen. Diese Photonen durchqueren die transparente Isolationsbarriere (typischerweise eine Kunststoff-Formmasse). Auf der Ausgangsseite empfängt ein hochintegrierter Silizium-Fotodetektor-Schaltkreis dieses Licht. Dieser IC enthält eine Fotodiode, die das Licht wieder in einen Fotostrom umwandelt. Dieser Fotostrom wird dann von einer internen Verstärker- und Komparatorschaltung (dem "Logikgatter") verarbeitet, um eine saubere, wohldefinierte digitale Ausgangsspannung zu erzeugen. Wenn die Eingangs-LED EIN ist, wird der Ausgang in einen Logik-LOW-Zustand getrieben (typischerweise durch einen aktiven Pull-Down-Transistor). Wenn die Eingangs-LED AUS ist, zieht die Ausgangsschaltung den Pin auf einen Logik-HIGH-Zustand (über den externen Pull-Up-Widerstand R_L). Diese positive Logik-Operation ist in der bereitgestellten Wahrheitstabelle zusammengefasst: Eingang High = Ausgang Low, Eingang Low = Ausgang High.

10. Branchentrends und Kontext

Die Entwicklung von Photokopplern wie der EL063X-Serie wird durch mehrere Schlüsseltrends in der Elektronik vorangetrieben:

• Nachfrage nach höherer Geschwindigkeit und Bandbreite: Da industrielle Netzwerke (EtherCAT, PROFINET IRT) und Kommunikationsschnittstellen schneller werden, müssen Isolatoren Schritt halten. Der Übergang von Kilobit zu Megabit und nun zu 10+ Megabit-Geschwindigkeiten ist deutlich erkennbar.
• Erhöhte StörfestigkeitIndustrielle und automotive Umgebungen werden elektrisch komplexer, was Isolatoren mit höheren CMTI-Werten erfordert, um einen zuverlässigen Betrieb trotz Störungen von Motorantrieben, Schaltnetzteilen und RF-Quellen zu gewährleisten.
• Miniaturisierung und IntegrationDas Zweikanal-Design in einem SOP-8-Gehäuse spiegelt den Bedarf wider, Leiterplattenfläche zu sparen und die Bauteilanzahl zu reduzieren. Weitere Trends umfassen die Integration mehrerer Kanäle (Quad-Isolatoren) oder die Kombination von Isolation mit anderen Funktionen wie ADC-Treibern oder I²C-Pegelwandlung.
• Verschärfte Sicherheits- und ZuverlässigkeitsstandardsStrengere Sicherheitsvorschriften in allen Branchen fördern Komponenten mit höheren Isolationsspannungen, längerer Betriebsdauer und robusten Zertifizierungen von Behörden wie UL, VDE und CQC.
• Alternative IsolierungstechnologienWährend Optokoppler ausgereift sind, stehen sie in Konkurrenz zu kapazitiven Isolatoren (mit SiO₂-Barrieren) und magnetischen (Giant-Magnetoresistance- oder transformatorbasierten) Isolatoren, die Vorteile in Geschwindigkeit, Stromverbrauch und Integrationsdichte bieten können. Optokoppler behalten jedoch aufgrund ihrer hohen CMTI, Einfachheit und gut verstandenen Zuverlässigkeit eine starke Position.

Die EL063X-Serie ist mit ihrer ausgewogenen Kombination aus Geschwindigkeit, Zweikanal-Integration, hoher CMTI und Sicherheitszertifizierungen positioniert, um diesen anhaltenden Marktanforderungen an robuste, leistungsstarke Signal-Isolation gerecht zu werden.