EL253X-Serie Photokoppler Datenblatt - 8-Pin DIP-Gehäuse - Hochgeschwindigkeit 1Mbit/s - 5000Vrms Isolierung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL253X-Serie umfasst zweikanalige, hochgeschwindigkeitsfähige Transistor-Photokoppler. Jedes Bauteil integriert eine infrarotemittierende Diode, die optisch mit einem hochgeschwindigkeitsfähigen Photodetektor-Transistor gekoppelt ist. Ein wesentliches architektonisches Merkmal ist die separate Anschlussmöglichkeit für die Photodiode-Vorspannung und den Kollektor des Ausgangstransistors. Dieses Design verbessert die Betriebsgeschwindigkeit erheblich, indem es die Basis-Kollektor-Kapazität des Eingangstransistors im Vergleich zu konventionellen Phototransistor-Kopplern reduziert. Die Bauteile werden in einem standardmäßigen 8-poligen Dual-Inline-Gehäuse (DIP) angeboten und sind mit Optionen für breiten Pinabstand und oberflächenmontierbare Bauformen erhältlich.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der primäre Vorteil der EL253X-Serie ist die Kombination aus hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit (bis zu 1 Megabit pro Sekunde) und robuster elektrischer Isolierung. Dies macht sie geeignet für Anwendungen, die eine zuverlässige Signalübertragung zwischen Schaltungen mit unterschiedlichen Massepotenzialen oder Spannungspegeln erfordern. Wichtige Merkmale, die dies unterstützen, sind eine hohe Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) von mindestens 10kV/µs für die Variante EL2611, die einen stabilen Betrieb in elektrisch verrauschten Umgebungen gewährleistet, sowie eine hohe Isolationsspannung von 5000 Vrms zwischen Eingang und Ausgang. Die Bauteile sind für einen weiten Temperaturbereich von -40°C bis +85°C spezifiziert, was industriellen und automotive Anwendungen entgegenkommt. Der Logikgatter-Ausgang vereinfacht die Schnittstelle zu digitalen Schaltungen. Die Konformität mit bleifreien und RoHS-Richtlinien sowie Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) unterstreichen ihre Zuverlässigkeit und Eignung für globale Märkte. Zielanwendungen umfassen Leitungsempfänger, Telekommunikationsgeräte, Isolierung für Leistungstransistoren in Motorantrieben, Rückkopplungsschleifen in Schaltnetzteilen (SMPS), Haushaltsgeräte und als Ersatz für langsamere Phototransistor-Koppler.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt spezifizierten elektrischen und Leistungsmerkmale.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie sind keine empfohlenen Betriebsbedingungen. Kritische Grenzwerte sind: ein Dauer-Durchlassstrom (I_F) von 25mA, ein Spitzen-Durchlassstrom (I_FP) von 50mA (50% Tastverhältnis, 1ms Impulsbreite) und ein sehr hoher transienter Spitzenstrom (I_Ftrans) von 1A für sehr kurze Impulse (≤1µs). Der Ausgang hält eine Spannung (V_O) von -0,5V bis 20V aus, und die Versorgungsspannung (V_CC) kann im Bereich von -0,5V bis 30V liegen. Die Isolationsspannung (V_ISO) ist mit 5000 Vrms für eine Minute spezifiziert, getestet unter spezifischen Feuchtigkeitsbedingungen. Das Bauteil kann in Umgebungstemperaturen (T_OPR) von -40°C bis +100°C betrieben und bei Lagertemperaturen (T_STG) von -40°C bis +125°C gelagert werden. Die Löttemperatur (T_SOL) ist mit 260°C für 10 Sekunden angegeben, was einem standardmäßigen bleifreien Reflow-Profil entspricht.

2.2 Elektrische Kenndaten

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen, typischerweise bei 25°C, sofern nicht anders angegeben.

2.2.1 Eingangskenndaten

Die Durchlassspannung (V_F) beträgt typischerweise 1,45V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 16mA. Sie hat einen negativen Temperaturkoeffizienten von etwa -1,9 mV/°C, was bedeutet, dass V_F mit steigender Temperatur leicht abnimmt. Die maximale Sperrspannung (V_R) beträgt 5V. Die Eingangskapazität (C_IN) beträgt typischerweise 60pF, was ein Faktor für das Hochgeschwindigkeitsschaltverhalten ist.

2.2.2 Ausgangskenndaten

Der Logik-High-Ausgangsstrom (I_OH) ist sehr niedrig (typ. 0,001µA bei V_CC=5,5V), was auf ausgezeichnete Ausgangsleckströme im Sperrzustand hinweist. Der Versorgungsstrom unterscheidet sich signifikant zwischen den Logikzuständen: Der Logik-Low-Versorgungsstrom (I_CCL) beträgt typischerweise 140µA, wenn die Eingangs-LED angesteuert wird (I_F=16mA), während der Logik-High-Versorgungsstrom (I_CCH) typischerweise nur 0,01µA beträgt, wenn der Eingang ausgeschaltet ist. Dies unterstreicht den niedrigen Leistungsverbrauch im Ruhezustand.

2.3 Übertragungskenndaten

Dies definiert die Beziehung zwischen Eingang und Ausgang.

2.3.1 Stromübertragungsverhältnis (CTR)

Das CTR, ein Schlüsselparameter für Photokoppler, ist das Verhältnis von Ausgangskollektorstrom zu Eingangs-LED-Strom, ausgedrückt in Prozent. Der EL2530 hat einen CTR-Bereich von 7% bis 50%, während der EL2531 einen höheren Bereich von 19% bis 50% aufweist (jeweils bei I_F=16mA, V_O=0,4V, V_CC=4,5V, 25°C). Der EL2531 ist somit die Variante mit höherer Verstärkung. Minimale CTR-Werte sind unter leicht unterschiedlichen Bedingungen (V_O=0,5V) mit 5% für EL2530 und 15% für EL2531 garantiert.

2.3.2 Logik-Low-Ausgangsspannung (V_OL)

Dies ist die Spannung am Ausgang, wenn das Bauteil im 'EIN'- oder Low-Zustand ist. Für den EL2530 beträgt V_OL typischerweise 0,18V bei einem Ausgangsstrom (I_O) von 1,1mA. Für den EL2531 beträgt sie typischerweise 0,25V bei I_O=3mA. Der maximale V_OL für beide beträgt 0,5V unter ihren jeweiligen Testbedingungen, was solide Logik-Low-Pegel für die Schnittstellenanbindung sicherstellt.

2.4 Schaltkenndaten

Diese Parameter sind für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entscheidend. Die Tests werden bei I_F=16mA und V_CC=5V durchgeführt.

2.4.1 Laufzeitverzögerung

Die Laufzeitverzögerung zu Logik Low (t_PHL) und zu Logik High (t_PLH) wird gemessen. Für den EL2530 mit einem 4,1kΩ Lastwiderstand (R_L) beträgt t_PHL typischerweise 0,35µs (max. 2,0µs) und t_PLH typischerweise 0,5µs (max. 2,0µs). Für den EL2531 mit einem 1,9kΩ R_L betragen beide Verzögerungen typischerweise 0,35µs bzw. 0,3µs (max. 1,0µs). Der EL2531 zeigt schnellere Schaltzeiten, teilweise bedingt durch sein höheres CTR, das die Verwendung eines kleineren Pull-Up-Widerstands ermöglicht.

2.4.2 Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI)

CMTI misst die Fähigkeit des Bauteils, schnelle Spannungstransienten zwischen den Eingangs- und Ausgangsmassen abzuweisen. Sie wird in Volt pro Mikrosekunde (V/µs) angegeben. Sowohl EL2530 als auch EL2531 haben eine minimale CMTI von 1000 V/µs und einen typischen Wert von 10.000 V/µs für sowohl den Logik-High- (CM_H) als auch den Logik-Low-Zustand (CM_L). Die Testbedingungen unterscheiden sich: EL2530 verwendet einen 10V p-p Gleichtaktimpuls, während EL2531 einen 1000V p-p Impuls verwendet, was auf potenziell robustere Tests für die letztere Variante in dieser Hinsicht hindeutet.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf typische elektro-optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Grafiken im bereitgestellten Text nicht reproduziert sind, umfassen sie typischerweise Diagramme des Stromübertragungsverhältnisses (CTR) über dem Durchlassstrom (I_F), CTR über der Umgebungstemperatur (T_A), Laufzeitverzögerung über dem Lastwiderstand (R_L) und Durchlassspannung (V_F) über I_F. Diese Kurven sind für Entwickler essenziell, um zu verstehen, wie sich Parameter unter nicht-idealen oder variierenden Bedingungen verschieben, wie z.B. niedrigeren Treiberströmen, höheren Temperaturen oder unterschiedlichen Lastkonfigurationen, was ein robustes Schaltungsdesign über den spezifizierten Betriebsbereich ermöglicht.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil verwendet ein 8-poliges DIP-Gehäuse. Die Pinbelegung ist wie folgt: Pin 1: Anode (Kanal 1), Pin 2: Kathode (Kanal 1), Pin 3: Kathode (Kanal 2), Pin 4: Anode (Kanal 2), Pin 5: Masse (GND), Pin 6: Ausgang 2 (V_OUT2), Pin 7: Ausgang 1 (V_OUT1), Pin 8: Versorgungsspannung (V_CC). Das Gehäuse ist in mehreren Anschlussausführungen erhältlich: Standard-DIP, breite Anschlussbiegung (0,4-Zoll-Abstand, Option 'M') und oberflächenmontierbare Anschlussformen (Optionen 'S' und flache 'S1').

5. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 260°C für 10 Sekunden. Dies entspricht typischen bleifreien Reflow-Lötprofilen. Für Wellenlöten oder Handlöten sollten Standardverfahren für Durchsteck- oder SMD-Bauteile befolgt werden, wobei die maximalen Temperatur- und Zeitgrenzen zu beachten sind, um Gehäuseschäden oder Verschlechterung der internen Materialien zu verhindern. Bauteile sollten innerhalb des Lagertemperaturbereichs (-40°C bis +125°C) und, falls für SMD-Varianten zutreffend, in feuchtigkeitsempfindlicher Verpackung gelagert werden, um 'Popcorning' während des Reflow zu verhindern.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Artikelnummer folgt dem Format: EL253XY(Z)-V. 'X' bezeichnet die Artikelnummer (0 für EL2530, 1 für EL2531). 'Y' gibt die Anschlussausführungsoption an: leer für Standard-DIP, 'M' für breite Anschlussbiegung, 'S' für Oberflächenmontage, 'S1' für flache Oberflächenmontage. 'Z' spezifiziert die Tape-and-Reel-Option: 'TA' oder 'TB' (verschiedene Spulentypen) oder leer für Röhrenverpackung. 'V' ist ein optionales Suffix für VDE-Zulassung. Die Packungsmengen betragen 45 Stück pro Röhre für Durchsteckversionen und 1000 Stück pro Spule für Tape-and-Reel-SMD-Versionen.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Leitungsempfänger:Isolierung digitaler Kommunikationsleitungen (z.B. RS-485, RS-422), um Masseschleifen und Störungen zu verhindern.
• Motorantriebsisolierung:Bereitstellung von Gate-Ansteuersignalen für Leistungstransistoren (IGBTs, MOSFETs) in Frequenzumrichtern, Isolierung der Niederspannungssteuerlogik von der Hochspannungs-Leistungsstufe.
• Rückkopplung in Schaltnetzteilen (SMPS):Isolierung des Rückkopplungsfehlersignals von der Sekundär- (Ausgangs-) zur Primär- (Eingangs-)seite des Controllers, eine kritische Sicherheits- und Funktionsanforderung.
• Logikmassentrennung:Trennung der Massen zwischen verrauschten digitalen Subsystemen (z.B. zwischen einem Mikrocontroller und einem Motor-Treiber-IC), um Störkopplung zu verhindern.
• Telekommunikationsgeräte:Signalisolierung in Klingelschaltungen, Leitungs-Schnittstellen oder Datenleitungsschutz.

7.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzungswiderstand:Ein externer Widerstand muss in Reihe mit der Eingangs-LED verwendet werden, um den Durchlassstrom (I_F) einzustellen, typischerweise auf die empfohlenen 16mA für optimale Geschwindigkeit und CTR.
• Pull-Up-Widerstand:Der Ausgang erfordert einen Pull-Up-Widerstand (R_L) zu V_CC. Sein Wert beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit und den Leistungsverbrauch. Das Datenblatt spezifiziert Testbedingungen mit 4,1kΩ für EL2530 und 1,9kΩ für EL2531.
• Versorgungsspannungs-Entkopplung:Platzieren Sie einen Bypass-Kondensator (z.B. 0,1µF) nahe dem V_CC-Pin (Pin 8) und Masse, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und Schaltstörungen zu minimieren.
• Layout für hohe CMTI:Um die hohe CMTI aufrechtzuerhalten, minimieren Sie die parasitäre Kapazität zwischen den Eingangs- und Ausgangsbereichen des PCB-Layouts. Sorgen Sie für ausreichende Kriech- und Luftstrecken gemäß Sicherheitsnormen.
• Wahl zwischen EL2530 und EL2531:Wählen Sie EL2531 für Anwendungen, die schnellere Schaltgeschwindigkeiten erfordern oder bei denen ein niedrigerer Pull-Up-Widerstand akzeptabel ist. EL2530 kann für Anwendungen mit weniger strengen Geschwindigkeitsanforderungen oder bei denen ein niedrigerer Versorgungsstrom im EIN-Zustand (aufgrund höheren R_L) Priorität hat, gewählt werden.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die EL253X-Serie unterscheidet sich von Standard-Phototransistor-Kopplern hauptsächlich durch ihre hohe Geschwindigkeit (1Mbit/s gegenüber typisch <100kbit/s bei Standardtypen). Die separate Photodiode-Vorspannungsanschaltung ist der entscheidende architektonische Unterschied, der dies ermöglicht. Im Vergleich zu anderen Hochgeschwindigkeits-Optokopplern (wie solchen mit integrierten Logikgattern oder höhergeschwindigen digitalen Isolatoren) bietet die EL253X-Serie einen einfachen, robusten Transistorausgang, was in bestimmten analogen oder Pegelwandler-Anwendungen vorteilhaft sein kann und typischerweise zu geringeren Kosten angeboten wird. Ihre zweikanalige Konfiguration in einem einzigen 8-poligen Gehäuse spart Leiterplattenfläche im Vergleich zur Verwendung von zwei einkanaligen Bauteilen.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Hauptunterschied zwischen EL2530 und EL2531?

A: Der primäre Unterschied ist das garantierte minimale Stromübertragungsverhältnis (CTR). EL2531 hat ein höheres minimales CTR (15-19% je nach Testbedingung) im Vergleich zu EL2530 (5-7%). Dies ermöglicht es dem EL2531 im Allgemeinen, mit einem gegebenen Lastwiderstand schneller zu schalten oder für die gleiche Geschwindigkeit einen größeren Pull-Up-Widerstand zu verwenden, was den Leistungsverbrauch und die Treiberfähigkeit beeinflusst.

F: Kann ich die Eingangs-LED direkt mit einer Spannungsquelle ansteuern?

A: Nein. Die LED muss mit einer strombegrenzten Quelle angesteuert werden, typischerweise realisiert durch einen Reihenwiderstand an einer Spannungsversorgung. Das Datenblatt liefert Durchlassspannungs- (V_F) Kenndaten, um die Berechnung des geeigneten Widerstandswerts für den gewünschten I_F (z.B. 16mA) zu unterstützen.

F: Was bedeutet eine Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) von 10kV/µs?

A: Es bedeutet, dass der Ausgangszustand korrekt bleibt (nicht fälschlicherweise umschaltet), selbst wenn sich die Spannungsdifferenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsschaltungsmassen mit einer Rate von bis zu 10.000 Volt pro Mikrosekunde ändert. Dies ist entscheidend in Motorantrieben oder Netzteilen, wo schnelles Hochspannungsschalten große Massetransienten erzeugt.

F: Ist ein Kühlkörper erforderlich?

A: Unter normalen Betriebsbedingungen innerhalb der absoluten Maximalwerte für die Verlustleistung (P_IN=45mW, P_O=35mW) ist kein Kühlkörper erforderlich. Die abgegebene Verlustleistung ist relativ gering. Ein ordnungsgemäßes PCB-Layout für die Wärmeableitung ist normalerweise ausreichend.

10. Praktische Design- und Anwendungsbeispiele

Fall 1: Isolierter GPIO-Expander.Ein Mikrocontroller muss 12V-Endschalter in einem Industrie-Panel überwachen. Unter Verwendung von sechs EL2531-Kanälen können die 3,3V-GPIOs des Mikrocontrollers die LEDs über strombegrenzende Widerstände ansteuern. Die Ausgänge, auf 12V hochgezogen, liefern ein sauberes Logiksignal zu den Schaltern. Die 5000Vrms-Isolierung schützt den Mikrocontroller vor potenziellen Transienten auf den 12V-Industrieleitungen.

Fall 2: Gate-Treiber für einen Halbbrücken-MOSFET.In einem leistungsschwachen Gleichstrommotor-Controller kann ein einzelner EL2531-Kanal verwendet werden, um den High-Side-MOSFET anzusteuern. Der Eingang wird vom PWM-Signal des Controllers angesteuert. Der Ausgang, über einen geeigneten Gate-Widerstand mit dem MOSFET-Gate verbunden und auf eine Bootstrap-Versorgung hochgezogen, liefert die isolierte Gate-Ansteuerung. Die hohe CMTI stellt sicher, dass das Gate-Signal während des schnellen Schaltens der Halbbrücke stabil bleibt.

11. Funktionsprinzip

Das grundlegende Prinzip ist die optoelektronische Umwandlung. Ein elektrischer Strom, der an die infrarotemittierende Eingangsdiode (IRED) angelegt wird, veranlasst sie, Licht zu emittieren. Dieses Licht durchquert eine optisch transparente, aber elektrisch isolierende Barriere (typischerweise Silikon oder ähnliches Material). Das Licht trifft auf die Photodiode des integrierten Detektors und erzeugt einen Photostrom. In der EL253X-Serie steuert dieser Photostrom direkt die Basis des Ausgangs-NPN-Transistors, schaltet ihn ein und zieht den Ausgangspin (Kollektor) auf Low. Die separate Anschlussmöglichkeit für die Photodiode ermöglicht es, den Photostrom effizienter für das Schalten zu nutzen, anstatt dass er teilweise durch die Basis-Kollektor-Kapazität des Transistors abgeleitet wird, was der geschwindigkeitsbegrenzende Faktor in traditionellen Phototransistoren ist.

12. Technologietrends

Das Feld der Signalisolierung entwickelt sich weiter. Während Transistorausgangs-Photokoppler wie die EL253X-Serie aufgrund ihrer Einfachheit, Robustheit und Kosteneffektivität hochrelevant bleiben, sind mehrere Trends bemerkenswert. Es gibt eine Bewegung hin zu höherer Integration, wie z.B. Bauteile mit integrierten Treibern für IGBTs/GaN-FETs. Digitale Isolatoren auf Basis von CMOS-Technologie und RF- oder kapazitiver Kopplung bieten deutlich höhere Datenraten (Zehner bis Hunderte von Mbps), niedrigeren Leistungsverbrauch und höhere Zuverlässigkeit (keine LED-Alterung). Photokoppler behalten jedoch Vorteile in bestimmten Bereichen: sehr hohe Isolationsspannungsfähigkeit, ausgezeichnete Gleichtakt-Transienten-Immunität und inhärente Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern. Der Entwicklungsfokus für Photokoppler umfasst die weitere Verbesserung der Geschwindigkeit, die Verringerung der Gehäusegröße (insbesondere für SMD), die Verbesserung der Hochtemperaturleistung und die Erhöhung von Zuverlässigkeitsmetriken wie der langfristigen CTR-Stabilität.