8-Pin DIP Hochgeschwindigkeits-Logikgatter-Photokoppler EL263X Serie Datenblatt - 10Mbps - 5000Vrms Isolierung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die EL263X-Serie stellt eine Familie von Hochgeschwindigkeits-Photokopplern (Optokopplern) mit Logikgatter-Ausgang dar. Diese Bauteile sind entwickelt, um eine elektrische Isolierung zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen zu gewährleisten, während digitale Logiksignale mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden. Die Kernfunktion besteht darin, einen Eingangslogikpegel (HIGH/LOW) in einen entsprechenden, jedoch elektrisch isolierten Ausgangslogikpegel umzuwandeln.

Die primäre Anwendung liegt in Szenarien, in denen die Beseitigung von Erdschleifen, Störfestigkeit und Pegelanpassung kritisch sind. Sie werden häufig als Ersatz für Impulstransformatoren in der Datenübertragung eingesetzt und bieten eine Halbleiterlösung, die potenziell zuverlässiger und kompakter ist.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die EL263X-Serie ist für Anwendungen konzipiert, die sowohl hohe Integrität digitaler Signale als auch robuste elektrische Isolierung erfordern. Ihre Schlüsselvorteile ergeben sich aus den spezifischen technischen Parametern.

• Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung:Mit einer maximalen Datenrate von 10 Mbit/s und typischen Laufzeiten von etwa 35-40 ns eignet sie sich für moderne digitale Kommunikationsschnittstellen, Computerperipheriegeräte und Multiplexsysteme, bei denen das Timing entscheidend ist.
• Überlegene Störfestigkeit:Eine minimale Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) von 10 kV/μs (für EL2631) gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb in elektrisch verrauschten Umgebungen, wie z.B. Schaltnetzteilen und Motorantrieben, wo große, schnelle Spannungsspitzen über die Isolationsbarriere hinweg üblich sind.
• Hohe Isolationsspannung:Die 5000 V_effIsolationsspannung bietet eine starke Sicherheits- und Schutzbarriere, geeignet für industrielle Steuerungssysteme, medizinische Geräte und andere Anwendungen, die verstärkte Isolierung erfordern.
• Breiter Temperaturbereich:Garantierte Leistung von -40°C bis +85°C macht sie geeignet für Automotive-, Industrie- und Outdoor-Anwendungen, in denen extreme Temperaturen auftreten.
• Logikgatter-Kompatibilität:Der Ausgang ist direkt kompatibel mit Standard-Logikfamilien (LSTTL, TTL, 5V CMOS), was die Schnittstellengestaltung vereinfacht, ohne zusätzliche Pufferschaltungen zu benötigen.

Der Zielmarkt umfasst Entwickler von Industrieautomatisierung, Netzteilen (AC-DC, DC-DC Wandler), Datenerfassungssystemen, Kommunikationsschnittstellen und jedem elektronischen System, bei dem die galvanische Trennung digitaler Signale aus Sicherheitsgründen, zur Rauschunterdrückung oder Pegelanpassung notwendig ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Das Datenblatt bietet umfassende elektrische und Schaltcharakteristiken. Eine detaillierte Interpretation ist für einen korrekten Schaltungsentwurf unerlässlich.

2.1 Absolute Maximalwerte

Dies sind Belastungsgrenzen, die unter keinen Umständen, auch nicht kurzzeitig, überschritten werden dürfen. Ein Betrieb des Bauteils über diese Werte hinaus kann dauerhafte Schäden verursachen.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F):20 mA. Die Eingangs-IR-LED muss mit einem strombegrenzenden Widerstand betrieben werden, um sicherzustellen, dass I_Funter diesem Wert bleibt.
• Ausgangs-Versorgungsspannung (V_CC):7,0 V. Dies ist die absolute Maximalspannung, die an den V_CC-Pin (Pin 8) der Ausgangsseite angelegt werden darf.
• Ausgangsspannung (V_O):7,0 V. Die Spannung an den Ausgangspins (6, 7) darf diesen Grenzwert nicht überschreiten.
• Isolationsspannung (V_ISO):5000 V_efffür 1 Minute. Dies ist ein Testparameter für die dielektrische Festigkeit der Isolationsbarriere zwischen dem Eingangs- (Pins 1-4) und dem Ausgangsbereich (Pins 5-8).
• Löttemperatur (T_SOL):260°C für 10 Sekunden. Dies gibt das Reflow-Lötprofil vor und zeigt die Spitzentemperatur an, die das Gehäuse aushalten kann.

2.2 Elektrische und Übertragungseigenschaften

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen (T_A= -40°C bis 85°C).

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,4V bei I_F=10mA. Dies wird zur Berechnung des Eingangsvorwiderstands verwendet, wenn die Ansteuerung von einer Spannungsquelle erfolgt (z.B. R_limit= (V_source- V_F) / I_F).
• Low-Level-Ausgangsspannung (V_OL):Maximal 0,6V bei I_F=5mA und I_OL=13mA. Dies definiert die Fähigkeit des Ausgangs, Strom zu senken, während eine gültige Logik-LOW-Spannung aufrechterhalten wird.
• Eingangs-Schwellstrom (I_FT):Maximal 5mA. Dies ist der Eingangsstrom, der erforderlich ist, um sicherzustellen, dass der Ausgang in einen gültigen Logik-LOW-Zustand schaltet (V_O <0,6V). Das Design sollte einen I_Fdeutlich höher als diesen verwenden (z.B. 7,5mA oder 10mA wie in den Testbedingungen gezeigt), um eine Reserve zu haben.
• Versorgungsströme (I_CCH, I_CCL):Der Ruhestrom der Ausgangs-IC. I_CCL(Ausgang LOW) ist aufgrund des aktiven Ausgangstransistors etwas höher (~14,5mA typ.) als I_CCH(~12,5mA typ.).

2.3 Schaltcharakteristiken

Diese Parameter sind für die Zeitanalyse in Hochgeschwindigkeitsschaltungen kritisch. Testbedingungen: V_CC=5V, I_F=7,5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω.

• Laufzeiten (t_PLH, t_PHL):Die Zeit vom Überschreiten des Eingangsstroms von 3,75mA bis zum Überschreiten der Ausgangsspannung von 1,5V. t_PLH(Eingang HIGH-zu-LOW zu Ausgang LOW-zu-HIGH) ist typ. 35 ns, max. 100 ns. t_PHList typ. 40 ns, max. 100 ns. Die Asymmetrie (typ. 5 ns) trägt zur Pulsbreitenverzerrung bei.
• Pulsbreitenverzerrung (PWD):|t_PHL- t_PLH|, maximal 35 ns. Dies ist die Differenz der Laufzeiten, die dazu führen kann, dass die Ausgangspulsbreite von der Eingangspulsbreite abweicht. Dies ist bei der Übertragung von Takt- oder präzisen Timingsignalen entscheidend.
• Anstiegs-/Abfallzeiten (t_r, t_f): t_r(10% bis 90%) ist typ. 40 ns. t_f(90% bis 10%) ist typ. 10 ns. Die schnellere Abfallzeit ist typisch für aktive Pulldown-Schaltungen.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI):Dies ist ein Schlüsselparameter für die Isolierung. EL2631 garantiert mindestens 10.000 V/μs (typ. 20.000 V/μs), während EL2630 5.000 V/μs garantiert. Sie misst die Immunität des Ausgangszustands gegenüber schnellen Spannungstransienten zwischen den Eingangs- und Ausgangserden. Eine hohe CMTI verhindert Fehlschaltungen in verrauschten Umgebungen.

3. Analyse der Kennlinien

Während der bereitgestellte PDF-Auszug auf Seite 5 "Typische elektro-optische Kennlinien" erwähnt, sind die spezifischen Grafiken nicht im Text enthalten. Typischerweise würden solche Kurven für einen Photokoppler Folgendes umfassen:

• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom:Zeigt die Effizienz des gekoppelten Ausgangsstroms relativ zum Eingangs-LED-Strom, obwohl dies bei einem Logikgatter-Ausgang intern im IC liegt.
• Laufzeit vs. Temperatur:Veranschaulicht, wie sich die Signalzeitparameter über den Betriebstemperaturbereich ändern.
• Durchlassspannung vs. Temperatur:Zeigt den negativen Temperaturkoeffizienten (V_F/T_A≈ -1,8 mV/°C), der für den Entwurf einer Konstantstromansteuerung wichtig ist.
• Ausgangsspannung vs. Ausgangsstrom (Senken/Quellen):Würde die Fähigkeit des Ausgangstreibers detailliert darlegen.

Entwickler sollten für diese Grafiken das vollständige Datenblatt des Herstellers konsultieren, um Leistungsgrenzen und Derating zu verstehen.

4. Mechanische, Gehäuse- und Montageinformationen

4.1 Pinbelegung und Schaltplan

Das Bauteil ist in einem standardmäßigen 8-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) untergebracht.

• Pinbelegung:
  1. Anode 1
  2. Kathode 1
  3. Kathode 2
  4. Anode 2
  5. Masse (GND)
  6. Ausgangsspannung 2 (V_OUT2)
  7. Ausgangsspannung 1 (V_OUT1)
  8. Versorgungsspannung (V_CC)
• Wahrheitstabelle (Positive Logik):Eingang HIGH = Ausgang LOW; Eingang LOW = Ausgang HIGH. Die doppelten Anoden-/Kathodenpins ermöglichen eine flexible Verbindung der Eingangs-LED.
• Kritische Entkopplung:Ein Keramikkondensator mit 0,1 µF (oder größer) und guten Hochfrequenzeigenschaftenmusszwischen V_CC(Pin 8) und GND (Pin 5) angeschlossen werden, und zwar so nah wie möglich an den Bauteilpins. Dies ist für einen stabilen Betrieb und zur Minimierung von Schaltrauschen unerlässlich.

4.2 Löten und Handhabung

Der absolute Maximalwert für das Löten beträgt 260°C für 10 Sekunden. Dies entspricht einem Standard-bleifreien Reflow-Profil. Für Wellen- oder Handlötung sollten Kontaktzeit und Temperatur kontrolliert werden, um Gehäuseschäden zu vermeiden. Während der Handhabung sind Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) zu beachten.

5. Anwendungsrichtlinien und Designüberlegungen

5.1 Typische Anwendungsschaltungen

Der EL263X ist vielseitig einsetzbar. Wichtige Anwendungen umfassen:

• Digitale Schnittstellenisolierung:Isolierung von UART-, SPI- oder I2C-Leitungen zwischen einem Mikrocontroller und einem Peripheriegerät in einer anderen Stromversorgungsdomäne oder einer verrauschten Umgebung.
• Rückkopplung in Schaltnetzteilen:Isolierung des Rückkopplungs-Fehlersignals von der Sekundär- (Ausgangs-) Seite zum Primärseiten-Controller, wodurch Sicherheitsisolierung und Störfestigkeit gegenüber Schalttransienten der Stromversorgung gewährleistet werden.
• Erdschleifenunterbrecher in Datenleitungen:Verhinderung von Zirkulationsströmen und Rauschen in Kommunikationsverbindungen zwischen Systemen mit separaten Massen.
• Logikpegelwandler mit Isolierung:Anpassung von Spannungspegeln (z.B. 3,3V auf 5V) bei gleichzeitiger galvanischer Trennung.

5.2 Kritische Designaspekte

• Eingangsstrom-Einstellung:Wählen Sie I_Fbasierend auf Geschwindigkeit und Reserve. Die Testbedingung ist 7,5mA. Die Verwendung von 10-16 mA ermöglicht schnelleres Schalten und eine bessere Rauschreserve, erhöht jedoch die Verlustleistung. Immer einen Vorwiderstand verwenden: R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F. Beachten Sie, dass V_Fmit der Temperatur abnimmt.
• Ausgangslast:Die Testlast beträgt 350Ω zu V_CC. Der Ausgang kann mindestens 13mA senken (I_OL-Bedingung), während V_OL <0,6V aufrechterhalten wird. Den maximalen Ausgangsstrom (I_O= 50 mA) nicht überschreiten.
• Stromversorgungsentkopplung:Der 0,1 µF-Entkopplungskondensator istnicht verhandelbar. Sein Fehlen kann zu Schwingungen, Fehlauslösungen oder einer verschlechterten CMTI-Leistung führen.
• Layout für hohe CMTI:Um die spezifizierte CMTI zu erreichen, minimieren Sie die parasitäre Kapazität über die Isolationsbarriere. Halten Sie Eingangs- und Ausgangsleitungen auf der Leiterplatte physisch getrennt. Halten Sie die vom Hersteller empfohlenen Kriech- und Luftstrecken für 5000V_eff isolation.
• ein.Wahl zwischen EL2630 und EL2631:

Der Hauptunterschied liegt in der garantierten CMTI. Verwenden Sie den EL2631 in Anwendungen mit extrem hohem dV/dt-Rauschen, wie z.B. in Motorantrieben oder Hochleistungswechselrichtern. Der EL2630 ist für weniger anspruchsvolle Umgebungen geeignet.

6. Technischer Vergleich und Differenzierung

• Im Vergleich zu Standard-4N25/4N35-Serien-Photokopplern (mit Transistorausgang) bietet die EL263X-Serie entscheidende Vorteile für digitale Systeme:Geschwindigkeit:<10 Mbit/s gegenüber typisch
• 100 kbit/s bei Transistorausgangskopplern.Ausgangstyp:
• Logikgatterausgang mit aktivem Pull-up und Pull-down bietet saubere, schnelle Flanken und direkte Logikkompatibilität, im Gegensatz zum Open-Collector-Transistorausgang, der einen externen Pull-up-Widerstand benötigt und langsamer ist.CMTI:

Spezifizierte und garantierte hohe CMTI (10 kV/µs) ist eine kritische Kennzahl für industrielle Robustheit, die bei einfachen Kopplern oft nicht spezifiziert oder viel niedriger ist.

Im Vergleich zu anderen Hochgeschwindigkeitskopplern oder digitalen Isolatoren (basierend auf kapazitiver oder magnetischer Kopplung) bieten Photokoppler wie die EL263X-Serie den Vorteil, auf gut verstandener optischer Technologie zu basieren und eine hohe inhärente Immunität gegenüber Magnetfeldern zu haben.

7. Häufig gestellte Fragen (basierend auf Parametern)

F: Welche maximale Datenrate kann ich erreichen?_PHLA: Das Bauteil ist für einen Betrieb mit 10 Mbit/s charakterisiert. Die begrenzenden Faktoren sind die Laufzeiten und die Pulsbreitenverzerrung. Für ein Rechtecksignal mit 50% Tastverhältnis ist die maximale Frequenz ungefähr 1/(2 * t_PLH) oder 1/(2 * t

), je nachdem, welcher Wert kleiner ist. Unter Verwendung der maximalen Laufzeiten (100 ns) ergibt dies ~5 MHz. Für Non-Return-to-Zero (NRZ)-Daten ist jedoch die Rate von 10 Mbit/s gültig.

F: Warum ist ein Entkopplungskondensator zwingend erforderlich?_CCA: Das Hochgeschwindigkeitsschalten der internen Ausgangsstufe verursacht plötzliche Stromspitzen auf der V

-Leitung. Ohne einen lokalen, induktionsarmen Kondensator können diese Spitzen dazu führen, dass die interne Versorgungsspannung einbricht oder ansteigt, was zu unregelmäßigem Betrieb, reduzierter Rauschreserve und dem Nichterreichen der CMTI-Spezifikation führt.

F: Kann ich den Eingang direkt von einem Mikrocontroller-Pin ansteuern?A: Ja, aber Siemüssen_Feinen strombegrenzenden Widerstand verwenden. Ein typischer Mikrocontroller-Pin mit 3,3V oder 5V kann genug Strom liefern/aufnehmen. Um beispielsweise I

≈ 10mA von einem 3,3V-Pin zu erhalten: R = (3,3V - 1,4V) / 0,01A = 190Ω (verwenden Sie 180Ω oder 200Ω als Normwert). Überprüfen Sie immer die Stromfähigkeit des MCU-Pins.

F: Was bedeutet die "strobable output"-Funktion?

A: Dies bezieht sich auf die Fähigkeit, den Ausgang in einen hochohmigen Zustand zu zwingen. Während die bereitgestellte Wahrheitstabelle keine Deaktivierungsfunktion zeigt, haben einige Logikgatter-Photokoppler einen Ausgangs-Freigabe-Pin. Die EL263X-Beschreibung erwähnt dies, aber die Pinbelegung und Tabelle zeigen keinen dedizierten Pin dafür. Entwickler sollten die Implementierung dieser Funktion in der spezifischen Variante bestätigen.

8. Praktische Design-FallstudieSzenario:

Isolierung eines 1 Mbit/s UART-Signals zwischen einem 3,3V-Sensorknoten und einem 5V-Systemcontroller in einer industriellen Umgebung mit Motorrauschen.

1. Designschritte:Bauteilauswahl:
2. Wählen Sie EL2631 für seine höhere garantierte CMTI (10 kV/µs), um Rauschen von nahen Motoren standzuhalten.Eingangsschaltung:_FDer TX-Pin des 3,3V-Sensors steuert den Photokopplereingang. Berechnen Sie den Vorwiderstand für I_IN= 10mA: R
3. = (3,3V - 1,4V) / 0,01A = 190Ω. Verwenden Sie einen 180Ω-Widerstand. Verbinden Sie die Anode (Pin 1 oder 4) mit dem Widerstand, die Kathode (Pin 2 oder 3) mit der Sensor-Masse.Ausgangsschaltung:_CCVersorgen Sie V_CC= 5V von der Controllerseite. Platzieren Sie einen 0,1 µF-Keramikkondensator direkt zwischen Pin 8 (V
4. ) und Pin 5 (GND). Verbinden Sie den Ausgangspin (6 oder 7) mit dem RX-Pin des 5V-Controllers. Ein Vorwiderstand (z.B. 100Ω) kann bei Bedarf hinzugefügt werden, um den Strom zu begrenzen, ist aber für einen Logikeingang nicht zwingend erforderlich.PCB-Layout:_{Platzieren Sie den Photokoppler über dem Isolationsspalt auf der Leiterplatte. Stellen Sie >8mm Kriech-/Luftstrecke (siehe Sicherheitsnormen für 5000V}eff
5. ) zwischen allen Kupferflächen, Bauteilen und Leitungen der Eingangs- und Ausgangsseite sicher. Halten Sie die Anschlüsse des Entkopplungskondensators sehr kurz.Verifizierung:

0,6V) geht, was der 5V-Controller als Logik-LOW liest. Das Signal ist invertiert, was bei Bedarf in der Software korrigiert werden kann.

9. Funktionsprinzip_CCDer EL263X arbeitet nach dem Prinzip der optischen Kopplung. Ein elektrisches Eingangssignal steuert eine Infrarot-Leuchtdiode (LED). Im Durchlassbetrieb emittiert die LED Infrarotlicht. Dieses Licht durchquert eine transparente Isolationsbarriere (typischerweise einen gegossenen Kunststoffspalt). Auf der anderen Seite detektiert ein monolithischer Silizium-Fotodetektor und eine integrierte Schaltung dieses Licht. Der IC enthält einen hochverstärkenden Verstärker, einen Schmitt-Trigger zur Rauschunterdrückung und eine Totem-Pole-Ausgangstreiberstufe. Der Treiber zieht den Ausgangspin aktiv auf HIGH (in Richtung V

) oder LOW (in Richtung GND), basierend auf dem Vorhandensein oder Fehlen von Licht, und erzeugt so ein sauberes, gepuffertes Logiksignal, das elektrisch vom Eingang isoliert ist. Die Isolationsbarriere bietet hohe Spannungsfestigkeit und verhindert Erdschleifen.

10. Technologietrends

• Die Photokopplertechnologie entwickelt sich weiter. Trends, die für Bauteile wie die EL263X relevant sind, umfassen:Höhere Geschwindigkeiten:
• Laufende Entwicklungen zielen auf Datenraten jenseits von 50 Mbit/s und sogar in den Bereich von 100+ Mbit/s für moderne Hochgeschwindigkeits-Serialschnittstellen ab.Geringerer Stromverbrauch:_FReduzierung des erforderlichen Eingangs-LED-Stroms (I_CC) und des Ausgangsversorgungsstroms (I
• ), um den Anforderungen tragbarer und energieeffizienter Geräte gerecht zu werden.Verbesserte Integration:
• Kombination mehrerer Isolationskanäle (dual, quad) in einem einzigen Gehäuse, um Platz auf der Leiterplatte und Kosten in Mehrleiterschnittstellen wie SPI oder isolierten GPIO zu sparen.Verbesserte CMTI:
• Da die Schaltgeschwindigkeiten in der Leistungselektronik zunehmen (z.B. mit SiC- und GaN-Transistoren), wächst die Nachfrage nach Isolatoren mit noch höheren CMTI-Werten (25-100 kV/µs), um die Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten.Gehäuseminiaturisierung:

Übergang von Durchsteck-DIP-Gehäusen zu oberflächenmontierbaren Optionen wie SOIC-8 und noch kleineren Wide-Body-SOIC-Gehäusen, um dichtere Leiterplattendesigns zu ermöglichen.