8-Pin DIP Wide Body Hochgeschwindigkeits-10Mbit/s-Logikgatter-Photokoppler ELW137-Serie Datenblatt - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die ELW137-, ELW2601- und ELW2611-Serie sind Hochgeschwindigkeits-Logikgatter-Photokoppler (Optokoppler), die für Anwendungen entwickelt wurden, die eine schnelle digitale Signalisolierung erfordern. Die Kernkomponente ist eine infrarot-emittierende Diode, die optisch mit einem hochintegrierten Fotodetektor mit Logikgatter-Ausgang gekoppelt ist. Das Bauteil ist in einem industrieüblichen 8-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) mit breitem Rumpf (Wide Body) verpackt; Optionen für Oberflächenmontage (SMD) sind verfügbar. Die Hauptfunktion besteht darin, eine elektrische Isolation zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen zu gewährleisten, während digitale Logiksignale mit Geschwindigkeiten von bis zu 10 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) übertragen werden.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die wesentlichen Vorteile dieser Serie umfassen ihre Hochgeschwindigkeitsfähigkeit, wodurch sie für moderne digitale Kommunikationsschnittstellen geeignet ist. Sie bietet eine hohe Isolationsspannung von 5000 V_eff, was die Systemsicherheit und Störfestigkeit erhöht. Das Bauteil ist für eine garantierte Leistung über einen weiten industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +85°C ausgelegt. Es verfügt über wichtige internationale Sicherheitszulassungen (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) und entspricht den EU-Richtlinien REACH und RoHS. Die Zielmärkte umfassen Industrieautomatisierung, Telekommunikation, Computerperipherie, Medizingeräte und Schaltnetzteile, wo eine zuverlässige Signalisolierung entscheidend ist.

2. Technische Parameter im Detail

Dieser Abschnitt bietet eine objektive Interpretation der im Datenblatt aufgeführten wesentlichen elektrischen und Leistungsparameter.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie gelten nicht für normale Betriebsbedingungen.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F): 50 mA. Eine Überschreitung kann die Eingangs-LED zerstören.
• Sperrspannung (V_R): 5 V. Die Eingangsdiode hat eine begrenzte Sperrspannungsfestigkeit.
• Versorgungsspannung (V_CC) & Ausgangsspannung (V_O): 7,0 V. Dies definiert die maximale Spannung, die an die Versorgungs- und Signalanschlüsse der Ausgangsseite angelegt werden darf.
• Isolationsspannung (V_ISO): 5000 V_efffür 1 Minute. Dies ist ein wichtiger Sicherheitsparameter, der die dielektrische Festigkeit zwischen Eingangs- und Ausgangsseite angibt.
• Betriebstemperatur (T_OPR): -40°C bis +85°C. Das Bauteil ist für industrielle Umgebungen ausgelegt.
• Löttemperatur (T_SOL): 260°C für 10 Sekunden. Dies ist wichtig für die Leiterplattenbestückung.

2.2 Elektrische Kenndaten

Dies sind garantierte Parameter unter spezifizierten Testbedingungen über den gesamten Betriebstemperaturbereich.

2.2.1 Eingangskenndaten

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,4V, maximal 1,8V bei I_F=10mA. Dieser Wert wird für die Auslegung des Eingangsstrombegrenzungswiderstands verwendet.
• Eingangskapazität (C_IN): Typisch 70 pF. Dies beeinflusst das Hochfrequenzverhalten der Eingangsstufe.

2.2.2 Ausgangs- & Übertragungskenndaten

• Versorgungsströme (I_CCH, I_CCL): Die Ausgangs-IC zieht 6,5-10mA (hoher Ausgang) und 8-13mA (niedriger Ausgang). Dies bestimmt den Leistungsbedarf auf der Ausgangsseite.
• Low-Pegel-Ausgangsspannung (V_OL): Maximal 0,6V bei einem Senkenstrom von 13mA. Dies gewährleistet die Kompatibilität mit TTL- und Niederspannungs-CMOS-Logikeingängen.
• Eingangs-Schwellstrom (I_FT): 3,0 bis 5,0 mA. Dies ist der minimale Eingangs-LED-Strom, der erforderlich ist, um unter ungünstigsten Bedingungen einen gültigen Logik-Low-Ausgang zu garantieren. Das Design sollte einen Strom oberhalb des Maximalwerts verwenden.

2.3 Schaltkenndaten

Diese Parameter definieren das für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung kritische Zeitverhalten.

• Laufzeiten (t_PHL, t_PLH): Jeweils maximal 100 ns. Dies begrenzt die maximale Datenrate. Das Datenblatt spezifiziert eine Fähigkeit von 10 Mbit/s.
• Pulsbreitenverzerrung |t_PHL- t_PLH|: Maximal 40 ns. Diese Asymmetrie kann das Tastverhältnis in übertragenen Signalen beeinflussen.
• Anstiegs-/Abfallzeiten (t_r, t_f): t_rist typisch 40 ns, t_fist typisch 10 ns. Eine schnellere Abfallzeit ist bei solchen Bauteilen üblich.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMH, CML): Dies ist ein kritischer Parameter für die Störfestigkeit. Der ELW2611 bietet die höchste Leistung (10.000 - 20.000 V/µs), was bedeutet, dass er sehr schnelle Spannungsspitzen zwischen Eingangs- und Ausgangsmassen ohne Ausgangsfehler unterdrücken kann. Der ELW137 hat eine nicht spezifizierte CMTI, während der ELW2601 5.000 V/µs bietet.

3. Pinbelegung und Funktionsbeschreibung

Das Bauteil verwendet eine 8-Pin-DIP-Konfiguration. Die Pins 1 und 4 sind nicht belegt (NC). Die Eingangsseite besteht aus Pin 2 (Anode) und Pin 3 (Kathode) für die LED. Die Ausgangsseite umfasst Pin 5 (Masse), Pin 6 (V_OUT- Ausgang), Pin 7 (V_E- Enable) und Pin 8 (V_CC- Versorgungsspannung). Der Enable-Pin (V_E) steuert den Ausgang. Die Wahrheitstabelle zeigt die Logik: Wenn Enable auf High ist, ist der Ausgang das invertierte Eingangssignal (aktiv-low). Wenn Enable auf Low ist, wird der Ausgang unabhängig vom Eingang auf High gezwungen. Das Datenblatt schreibt einen 0,1µF-Entkopplungskondensator zwischen Pin 8 (V_CC) und Pin 5 (GND) für einen stabilen Betrieb vor.

4. Anwendungsempfehlungen

4.1 Typische Anwendungsszenarien

• Masseschleifen-Unterdrückung & Logikpegel-Isolierung: Isolierung digitaler Signale zwischen Subsystemen mit unterschiedlichen Massepotenzialen, um Störungen und Masseschleifen zu verhindern.
• Datenübertragung & Leitungsempfänger: Verwendung in seriellen Kommunikationsverbindungen (RS-232-, RS-485-Schnittstellen) zur Isolierung.
• Schaltnetzteile: Bereitstellung einer Rückkopplungsisolierung in Sperrwandler- oder anderen isolierten Wandler-Topologien.
• Computer-Peripherie-Schnittstellen: Isolierung von Signalen zu/von Druckern, industriellen I/O-Karten.
• Pulstransformator-Ersatz: Bietet eine Halbleiter-Alternative zur Signalisolierung mit einfacherer Treiberschaltung.

4.2 Design-Überlegungen

• Eingangsstrom-Einstellung: Der Eingangs-LED-Strom muss über einen Vorwiderstand eingestellt werden. Für garantiertes Schalten sollte I_Füber dem maximalen I_FT(5mA) liegen. Die typische Testbedingung verwendet 7,5mA. Der Widerstandswert beträgt (V_TREIBER- V_F) / I_F.
• Enable-Pin-Verwendung: Der Enable-Pin kann zur Ausgangssteuerung verwendet oder, falls nicht benötigt, an eine feste Spannung angeschlossen werden. Er darf V_CCnicht um mehr als 0,5V überschreiten.
• Ausgangslast: Der Ausgang kann bis zu 13mA senken, um ein gültiges V_OLzu erreichen. Zum Treiben höherer Ströme oder kapazitiver Lasten kann ein externer Puffer erforderlich sein.
• Störfestigkeit: Für Umgebungen mit hoher Störspannung ist die Variante ELW2611 aufgrund ihrer überlegenen Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) zu wählen. Die empfohlene Treiberschaltung in Abb. 15 für den ELW2611 verwendet einen Transistor, um die Flanken des Eingangs-LED-Stroms zu beschleunigen und die CMTI-Leistung weiter zu verbessern.
• Entkopplung: Der 0,1µF-Kondensator auf der Ausgangsseite ist wesentlich, um Versorgungsrauschen zu minimieren und einen stabilen Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu gewährleisten.

5. Technischer Vergleich und Auswahlhilfe

Die Serie umfasst drei Hauptvarianten: ELW137, ELW2601 und ELW2611. Der primäre Unterscheidungsfaktor ist die Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI). Der ELW137 bietet grundlegende Isolierung. Der ELW2601 bietet mittlere CMTI (5.000 V/µs). Der ELW2611 bietet hohe CMTI (10.000 - 20.000 V/µs). Die Auswahl sollte auf der elektrischen Störumgebung der Anwendung basieren. Für Motorantriebe, industrielle SPS oder störbehaftete Netzteile wird der ELW2611 empfohlen. Für weniger anspruchsvolle digitale Isolierung können der ELW2601 oder ELW137 ausreichend sein.

6. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

6.1 Welche maximale Datenrate ist erreichbar?

Obwohl das Bauteil für 10 Mbit/s spezifiziert ist, hängt die tatsächlich nutzbare maximale Rate von den Laufzeiten und Anstiegs-/Abfallzeiten ab. Bei einer maximalen Laufzeit von 100 ns ist die theoretische maximale Frequenz für eine Rechteckwelle niedriger. Für eine zuverlässige Datenübertragung sollten die gesamte Pulsverzerrung und die System-Zeitreserven berücksichtigt werden.

6.2 Wie berechne ich den Wert des Eingangswiderstands?

Verwenden Sie die Formel: R_IN= (V_TREIBER- V_F) / I_F. Nehmen Sie für eine Auslegung unter ungünstigsten Bedingungen V_Fals Maximalwert (1,8V) an. Für eine 5V-Treiberspannung und I_F= 10mA, R_IN= (5V - 1,8V) / 0,01A = 320 Ohm. Verwenden Sie den nächstgelegenen Normwert (z.B. 330 Ohm).

6.3 Kann ich es mit 3,3V-Logik verwenden?

Die Ausgangsseite V_CCkann mit 3,3V versorgt werden. Allerdings werden die elektrischen Kenndaten mit V_CC=5,5V getestet. Parameter wie V_OL, I_OHund Laufzeiten können bei 3,3V abweichen. Die Eingangsseite ist unabhängig; die LED kann von einer 3,3V-Quelle getrieben werden, solange der korrekte I_Ferreicht wird.

6.4 Welchen Zweck hat der Enable-Pin?

Der Enable-Pin (V_E) bietet eine dritte Zustandssteuerung. Wenn er auf Low (<0,8V) gezogen wird, zwingt er den Ausgang auf High und deaktiviert effektiv den Signalpfad vom Eingang zum Ausgang. Dies kann zum Multiplexen mehrerer Isolatorausgänge auf eine einzige Busleitung oder für Energiesparmodi verwendet werden.

7. Praktisches Designbeispiel

Szenario:Isolierung eines 1 Mbit/s UART-Signals zwischen einem 3,3V-Mikrocontroller und einem 5V-RS-485-Transceiver in einem industriellen Sensorknoten.

Designschritte:

1. Variantenauswahl:Wählen Sie ELW2611 für hohe Störfestigkeit in der industriellen Umgebung.
2. Eingangsschaltung:Der Mikrocontroller-GPIO (3,3V) treibt die LED. Widerstandsberechnung: R_IN= (3,3V - 1,8V) / 0,01A = 150 Ohm. Verwenden Sie einen 150Ω-Widerstand in Reihe mit der LED-Anode (Pin 2). Kathode (Pin 3) an Mikrocontroller-GND.
3. Ausgangsschaltung:Versorgen Sie die Ausgangsseite mit 5V (V_CCPin 8). Schließen Sie einen 0,1µF-Keramikkondensator zwischen Pin 8 und Pin 5 (GND) an. Verbinden Sie den Ausgang Pin 6 direkt mit dem Eingangspin des RS-485-Transceivers. Die Eingangsimpedanz des Transceivers dient als Last. Der Enable-Pin 7 kann über einen 10kΩ-Widerstand an V_CC(5V) gelegt werden für daueraktiven Betrieb oder von einem anderen GPIO zur Steuerung angesteuert werden.
4. Layout:Halten Sie die Leiterbahnen von Eingangs- und Ausgangsseite physisch getrennt. Platzieren Sie den Entkopplungskondensator so nah wie möglich an Pin 8 und Pin 5.

8. Funktionsprinzip

Ein Photokoppler arbeitet nach dem Prinzip der optischen Kopplung. Ein elektrisches Eingangssignal treibt eine infrarote Leuchtdiode (LED). Das emittierte Licht wird von einer Fotodiode oder einem Fototransistor auf der isolierten Ausgangsseite detektiert. Bei diesem Logikgatter-Photokoppler enthält die Ausgangsseite eine komplexere integrierte Schaltung. Der Strom des Fotodetektors wird verstärkt und von einem digitalen Logikgatter (typischerweise ein Schmitt-Trigger) verarbeitet, um ein sauberes, wohldefiniertes digitales Ausgangssignal zu erzeugen. Der optische Pfad bildet die elektrische Isolationsbarriere, da Licht eine physikalische Lücke (durch transparentes Isoliermaterial) überbrücken kann, wo Strom dies nicht kann, wodurch Masseschleifen und Hochspannungstransienten blockiert werden.

9. Branchentrends

Der Trend in der Signalisolierung geht zu höheren Geschwindigkeiten, geringerem Stromverbrauch, kleineren Gehäusen und integrierter Funktionalität. Während traditionelle Photokoppler wie dieses DIP-Gehäuse weiterhin weit verbreitet sind, gewinnen neuere Technologien an Bedeutung. Digitale Isolatoren auf CMOS-Basis mit kapazitiver oder magnetischer Kopplung bieten deutlich höhere Datenraten (bis zu Hunderten von Mbit/s), geringere Laufzeiten, bessere Zeit-Symmetrie und höhere Zuverlässigkeit über Temperatur und Zeit. Sie integrieren auch mehrere Kanäle in winzigen Gehäusen. Photokoppler behalten jedoch in bestimmten Bereichen Vorteile, wie z.B. sehr hohe Isolationsspannungsfähigkeit, Einfachheit und Kosteneffizienz für viele Standardgeschwindigkeitsanwendungen. Die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Photokopplern mit hoher CMTI (wie beim ELW2611) ist eine Antwort auf den Bedarf an robuster Isolierung in störbehafteten Leistungselektronik- und Motorantriebsumgebungen.