ELM8XL-G Serie Photokoppler Datenblatt - 5-Pin SOP-Gehäuse - 3,3V/5V Versorgung - 15MBit/s Geschwindigkeit - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Die ELM8XL-G Serie stellt eine Familie von Hochgeschwindigkeits-Logikgatter-Photokopplern (Optokopplern) dar, die für moderne digitale Isolationsanwendungen konzipiert ist. Die Kernfunktion dieses Bauteils ist die galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen bei gleichzeitiger Übertragung digitaler Logiksignale mit hoher Geschwindigkeit. Es integriert eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) auf der Eingangsseite, die optisch mit einem CMOS-Detektor-IC auf der Ausgangsseite gekoppelt ist. Diese optische Kopplungsmethode eliminiert die elektrische Verbindung und bietet hohe Spannungsisolierung sowie Störfestigkeit, was in Systemen mit unterschiedlichen Massepotenzialen oder in verrauschten elektrischen Umgebungen entscheidend ist.

Das Bauteil ist in einem kompakten, oberflächenmontierbaren 5-Pin Small Outline Package (SOP) untergebracht, was es für automatisierte Bestückungsprozesse und platzbeschränkte PCB-Designs geeignet macht. Sein primäres Entwicklungsziel ist die Ermöglichung einer zuverlässigen, hochgeschwindigen Datenübertragung über Isolationsbarrieren hinweg. Es dient in vielen Anwendungen als direkter Ersatz für Impulstransformatoren und bietet dabei Vorteile in Größe, Kosten und Integration.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die ELM8XL-G Serie bietet mehrere Schlüsselvorteile, die ihre Marktposition definieren. Erstens ist ihreHochgeschwindigkeitsfähigkeit, die Datenraten von bis zu 15 Megabit pro Sekunde (MBit/s) unterstützt. Dies macht sie geeignet für moderne Kommunikationsschnittstellen und schnelle Steuersignale. Zweitens ist ihreDual-Spannungs-Kompatibilität, die einen korrekten Betrieb mit sowohl 3,3V als auch 5V CMOS-Logikpegeln ermöglicht, was Designflexibilität für Mischspannungssysteme bietet. Drittens ist ihrehohe Isolationsfestigkeitvon 3750 V_eff, die Sicherheit und Zuverlässigkeit in Anwendungen gewährleistet, die Schutz vor Hochspannungstransienten oder Massepotenzialdifferenzen erfordern.

Das Bauteil wird zudem hergestellt, um strenge Umwelt- und Sicherheitsstandards zu erfüllen. Es isthalogenfrei(mit Brom <900ppm, Chlor <900ppm, Br+Cl <1500ppm), entspricht der EU REACH-Verordnung und ist sowohl bleifrei als auch RoHS-konform. Es verfügt über Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden wie UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO und FIMKO, was für Produkte, die auf globale Märkte abzielen, insbesondere in industriellen, telekommunikativen und Computeranwendungen, wesentlich ist.

Die Zielanwendungen sind vielfältig und konzentrieren sich auf die Notwendigkeit der Signalisolierung:

• Leitungstreiber und Datenübertragung:Isolierung serieller Kommunikationsleitungen (RS-232, RS-485, etc.) zur Vermeidung von Erdschleifen und Störungen.
• Datenmultiplexing:Bereitstellung von Isolierung in gemultiplexten Datenbussystemen.
• Schaltnetzteile:Isolierung von Rückkopplungssignalen in Sperrwandler- oder anderen isolierten Wandler-Topologien.
• Impulstransformator-Ersatz:Bietet eine kleinere, stärker integrierte Lösung für die Signalisolierung, die traditionell mit Transformatoren durchgeführt wurde.
• Computer-Peripherieschnittstellen:Isolierung von Signalen zu/von Druckern, industriellen I/Os und anderen Peripheriegeräten.
• Hochgeschwindigkeits-Logik-Massetrennung:Trennung digitaler Massen zwischen Subsystemen, z.B. zwischen einem Mikrocontroller und Motorsteuerungen, um Störkopplung zu verhindern.

2. Detaillierte Analyse technischer Parameter

Ein gründliches Verständnis der elektrischen und Schaltcharakteristiken ist entscheidend für den erfolgreichen Einsatz des ELM8XL-G Photokopplers in einem Schaltungsdesign.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert und sollte vermieden werden.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F):Maximal 15 mA. Der die interne LED treibende Strom darf diesen Wert nicht überschreiten.
• Eingangs-Sperrspannung (V_R):Maximal 5 V. Die über die LED angelegte Sperrspannung muss begrenzt werden.
• Eingangs-Verlustleistung (P_D):Maximal 35 mW für die Eingangsseite.
• Ausgangs-Verlustleistung (P_O):Maximal 85 mW für den Ausgangs-CMOS-IC.
• Ausgangsstrom (I_O):Maximal 20 mA Senken-/Quellenstrom vom Ausgangspin.
• Versorgungsspannung (V_CC):Maximal 5,5 V. Dies ist die absolute Maximalspannung, die an den Versorgungspin der Ausgangsseite angelegt werden darf.
• Gesamtverlustleistung (P_T):Maximal 100 mW für das gesamte Bauteil.
• Isolationsspannung (V_ISO):3750 V_efffür 1 Minute. Dies ist ein Sicherheitswert, der unter spezifischen Bedingungen (Pins 1 & 3 kurzgeschlossen, Pins 4, 5 & 6 kurzgeschlossen) bei 40-60% relativer Luftfeuchtigkeit geprüft wird.
• Betriebstemperatur (T_OPR):-40°C bis +85°C. Innerhalb dieses Bereichs wird garantiert, dass das Bauteil die veröffentlichten Spezifikationen erfüllt.
• Lagertemperatur (T_STG):-55°C bis +125°C.
• Löttemperatur (T_SOL):260°C für 10 Sekunden, konform mit typischen bleifreien Reflow-Profilen.

Designhinweis:Das Datenblatt spezifiziert, dass die V_CC-Versorgung mit einem 0,1µF oder größeren Kondensator (Keramik oder Festkörper-Tantal mit guten Hochfrequenzeigenschaften) entkoppelt werden muss, der so nah wie möglich an den V_CC- und GND-Pins des Bauteils platziert wird. Dies ist entscheidend für den stabilen Betrieb und die Störfestigkeit der Hochgeschwindigkeits-CMOS-Ausgangsstufe.

2.2 Elektrische Kenndaten

Diese Parameter definieren die garantierten Leistungsmerkmale des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen (T_A=25°C, sofern nicht anders angegeben).

2.2.1 Eingangskenndaten (LED-Seite)

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,4V, maximal 1,8V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 8mA. Dies wird zur Berechnung des erforderlichen strombegrenzenden Widerstandswerts auf der Eingangsseite verwendet: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
• Sperrspannung (V_R):Mindestens 5,0V. Die LED hält bis zu 5V in Sperrrichtung aus.
• Temperaturkoeffizient von V_F(ΔV_F/ΔT_A):Etwa -1,7 mV/°C. Die Durchlassspannung sinkt leicht mit steigender Temperatur.
• Eingangskapazität (C_IN):Typisch 60 pF. Dies beeinflusst das Hochfrequenzverhalten der Eingangsansteuerschaltung.

2.2.2 Ausgangskenndaten (CMOS-IC-Seite)

• Versorgungsstrom (I_CCH, I_CCL):Typisch 1,3mA, maximal 6mA, unabhängig davon, ob der Ausgang auf High (I_F=0mA) oder Low (I_F=8mA) liegt. Dies ist der Ruhestrom, den der Ausgangs-IC aus V_CC.
• High-Pegel Ausgangsspannung (V_OH):Bei einer 3,3V Versorgung ist garantiert, dass V_OHmindestens V_CC- 1V (d.h. 2,3V) beträgt und typischerweise V_CC- 0,3V (3,0V) bei einem Senkestrom von 4mA. Bei einer 5V Versorgung sind es mindestens V_CC- 1V (4,0V), typischerweise V_CC- 0,2V (4,8V). Dies gewährleistet solide Logik-High-Pegel.
• Low-Pegel Ausgangsspannung (V_OL):Bei einer 3,3V Versorgung beträgt V_OLtypisch 0,21V, maximal 0,6V bei einem Quellstrom von 4mA (I_F=8mA). Bei einer 5V Versorgung sind es typisch 0,17V, max. 0,6V. Dies gewährleistet solide Logik-Low-Pegel.
• Eingangs-Schwellstrom (I_FT):Der LED-Strom, der erforderlich ist, um einen Logik-Low-Ausgang zu garantieren. Er beträgt typisch 2,5mA (max. 5mA) bei V_CC=3,3V mit einer sehr leichten Last (I_OL=20µA). Das Design sollte einen I_Fdeutlich über diesem Wert verwenden (z.B. 8mA wie in den Testbedingungen gezeigt), um zuverlässiges Schalten und Störabstand zu gewährleisten.

2.3 Schaltkenndaten

Diese Parameter definieren das Zeitverhalten, das für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung entscheidend ist.

• Laufzeit zum Ausgang High (t_PHL):Die Zeit vom Ausschalten der Eingangs-LED (I_Fgeht von 8mA auf 0mA) bis der Ausgang einen gültigen Logik-HIGH erreicht. Typisch sind 30ns (max. 65ns) bei V_CC=3,3V und typisch 33ns bei V_CC=5V.
• Laufzeit zum Ausgang Low (t_PLH):Die Zeit vom Einschalten der Eingangs-LED (I_Fgeht von 0mA auf 8mA) bis der Ausgang einen gültigen Logik-LOW erreicht. Typisch sind 48ns (max. 65ns) bei V_CC=3,3V und typisch 52ns bei V_CC=5V.
• Pulsbreitenverzerrung (|t_PHL– t_PLH|):Der absolute Unterschied zwischen den beiden Laufzeiten. Dies ist entscheidend für die Wahrung der Pulsbreitenintegrität. Er beträgt typisch 20ns (max. 50ns) bei 3,3V und typisch 22ns bei 5V. Ein niedrigerer Wert ist besser.
• Ausgangs-Anstiegs-/Abfallzeit (t_r, t_f):Typisch jeweils 7ns. Dies definiert die Flankensteilheit des Ausgangssignals.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI):Dies ist ein wichtiger Isolationsparameter. Er misst die Fähigkeit des Bauteils, schnelle Spannungstransienten zwischen den Eingangs- und Ausgangsmassen zu ignorieren. Es werden zwei Ausführungen spezifiziert: M80L mit mindestens 5.000 V/µs und M81L mit mindestens 10.000 V/µs. Dies wird mit einer 1000V Spitze-Spitze Gleichtaktspannung (V_CM) getestet und stellt sicher, dass der Ausgangszustand nicht fälschlicherweise durch Störungen umschaltet.

3. Mechanische und Gehäuseinformationen

3.1 Pinbelegung und Wahrheitstabelle

Das Bauteil verwendet ein 5-Pin SOP-Gehäuse, obwohl sechs Pinnummern referenziert werden (1-6, wobei Pin 2 vermutlich "No Connect" oder eine interne Verbindung ist). Die funktionalen Pins sind:

• Pin 1: Anodeder Eingangs-LED.
• Pin 3: Kathodeder Eingangs-LED.
• Pin 4: GNDfür den Ausgangs-CMOS-IC.
• Pin 5: V_OUT, das digitale Ausgangssignal.
• Pin 6: V_CC, die Versorgungsspannung (3,3V oder 5V) für den Ausgangs-CMOS-IC.

Das Bauteil implementiert einenicht-invertierende Logikgatter-Funktion (Positive Logik):

• Eingang HIGH (LED EIN, I_F> I_FT):Ausgang = LOW
• Eingang LOW (LED AUS, I_F= 0):Ausgang = HIGH

Dies ist ein stromsenkender Eingang; ein Strom muss in die LED getrieben werden, um einen Low-Ausgang zu erzeugen.

3.2 Gehäuseabmessungen und PCB-Layout

Das Datenblatt enthält detaillierte mechanische Zeichnungen für das 5-Pin SOP-Gehäuse. Wichtige Abmessungen sind Gehäusegröße, Rastermaß und Abstandshöhe. Einempfohlenes Lötpastenlayoutfür die Oberflächenmontage wird ebenfalls bereitgestellt. Dieses Layout ist darauf ausgelegt, eine zuverlässige Lötstellenbildung während des Reflow-Lötens zu gewährleisten. Das Datenblatt merkt an, dass diese Pad-Abmessungen Vorschläge sind und basierend auf spezifischen PCB-Fertigungsprozessen oder thermischen Anforderungen angepasst werden müssen, sie dienen jedoch als ausgezeichneter Ausgangspunkt für das Design.

3.3 Bauteilkennzeichnung

Die Oberseite des Gehäuses ist mit einem Laser- oder Tintenaufdruck zur Identifikation gekennzeichnet. Die Kennzeichnung folgt dem Format:EL M81L YWW V.

• EL:Herstellercode.
• M81L:Bauteilnummer (spezifisch für die CMTI-Ausführung und Variante).
• Y:Einziffriger Jahrescode.
• WW:Zweiziffriger Wochencode.
• V:Optionale Kennzeichnung, die die VDE-Zulassung anzeigt.

4. Anwendungsrichtlinien und Designüberlegungen

4.1 Eingangsschaltungsdesign

Die Eingangsschaltung muss einen geregelten Strom für die LED bereitstellen. Ein einfacher Vorwiderstand ist ausreichend. Der Wert wird basierend auf der Treiberspannung und dem gewünschten I_Fberechnet. Zum Beispiel, um I_F= 8mA aus einem 5V Logiksignal mit einer typischen V_Fvon 1,4V zu treiben: R_limit= (5V - 1,4V) / 0,008A = 450Ω. Ein Standard-470Ω-Widerstand wäre geeignet. Stellen Sie sicher, dass die Treiberquelle den notwendigen Strom liefern kann. Für die Ansteuerung von einem Mikrocontroller-GPIO-Pin überprüfen Sie die Stromquellenfähigkeit des Pins. Falls unzureichend, kann ein einfacher Transistorpuffer (z.B. ein NPN- oder N-Kanal-MOSFET) erforderlich sein.

4.2 Ausgangsschaltungsdesign

Der Ausgang ist ein standardmäßiger CMOS-Digitalausgang. Er kann direkt CMOS-, TTL- oder LVCMOS-Eingänge ansteuern. Die Hauptanforderungen sind:

1. Versorgungsentkopplung:Wie im Datenblatt betont, muss ein 0,1µF Keramikkondensator direkt zwischen Pin 6 (V_CC) und Pin 4 (GND) platziert werden. Dies ist für einen stabilen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und zur Vermeidung von Störungen am Ausgang unabdingbar.
2. Lastüberlegungen:Der Ausgang kann bis zu 20mA senken/quellen, aber für beste Geschwindigkeit und Signalintegrität sollten die Lasten hauptsächlich kapazitiv sein (z.B. die Eingangskapazität eines anderen Gatters). Das Treiben schwerer ohmscher Lasten oder langer Leiterbahnen erhöht die Anstiegs-/Abfallzeiten und kann die Zeitreserven beeinträchtigen.
3. Pull-up-Widerstände:Nicht erforderlich, da der Ausgang sowohl High- als auch Low-Zustände aktiv treibt.

4.3 Geschwindigkeits- und Zeitüberlegungen

Für eine Datenrate von 15 MBit/s beträgt die Bitperiode etwa 66,7ns. Die gesamte Signallaufzeit durch den Photokoppler ist die Summe von t_PLHoder t_PHLplus einem Teil der Anstiegs-/Abfallzeit. Mit typischen Laufzeiten um 30-50ns besteht für diese Datenrate ausreichend Reserve. Allerdings ist diePulsbreitenverzerrungwichtig. Eine Verzerrung von 20ns bedeutet, dass ein Puls nach dem Durchlaufen des Isolators um diesen Betrag verengt oder verbreitert wird. Für sehr schmale Pulse könnte dies dazu führen, dass sie verschwinden, wenn die Verzerrung größer als die Pulsbreite ist. Berücksichtigen Sie für zeitkritische Designs stets die Maximal-, nicht die typischen Werte.

4.4 Isolations- und Sicherheitsdesign

Die 3750V_effIsolationsfestigkeit ist eine Sicherheitsanforderung. Um diese Festigkeit im Endprodukt aufrechtzuerhalten, ist das PCB-Layout entscheidend. Stellen Sie sicher, dass dieKriech- und Luftstreckenauf der Leiterplatte zwischen allen Leiterbahnen/Bauteilen der Eingangsseite und allen Leiterbahnen/Bauteilen der Ausgangsseite den Anforderungen für die Arbeitsisolationsspannung des Systems (die niedriger ist als die 3750V_effPrüfspannung) entsprechen oder diese übertreffen. Dies bedeutet oft, einen breiten Schlitz oder eine Barriere in der Leiterplatte unter dem Photokopplergehäuse einzufügen. Konsultieren Sie relevante Sicherheitsnormen (z.B. IEC 60950, IEC 61010) für spezifische Abstandsanforderungen basierend auf Spannung, Verschmutzungsgrad und Materialgruppe.

5. Bestellinformationen und Verpackung

Die Artikelnummer folgt der Struktur:ELM8XL(Z)-V.

• ELM8XL:Basis-Artikelnummer.
• (Z):Band- und Rollenoption. Kann "TA", "TB" sein oder für Rohrverpackung weggelassen werden.
• -V:Optionales Suffix, das die enthaltene VDE-Zulassung kennzeichnet.

Verpackungsoptionen:

• Rohr:100 Einheiten pro Rohr. Standard für manuelle oder Kleinserienbestückung.
• Band und Rolle (TA oder TB):3000 Einheiten pro Rolle. Die "TA" und "TB" beziehen sich wahrscheinlich auf unterschiedliche Rollengrößen oder Bandbreiten (z.B. 8mm vs. 12mm). Diese Option ist für automatisierte Pick-and-Place-Bestückung.

Das Datenblatt enthält detaillierte Band- und Rollenspezifikationen, einschließlich Taschenabmessungen (A, B, D0, D1), Teilung (P0, P1, P2), Bandstärke (t) und Rollenbreite (W). Diese Abmessungen sind wesentlich für die Programmierung des Zuführers auf einer automatischen Bestückungsmaschine.

6. Leistungskurven und typische Kennlinien

Während der PDF-Auszug "Typische elektro-optische Kennlinienkurven" erwähnt, sind die spezifischen Grafiken im bereitgestellten Text nicht enthalten. Typischerweise enthalten solche Datenblätter Kurven, die zeigen:

• Durchlassstrom (I_F) vs. Durchlassspannung (V_F):Zeigt die diodenähnliche Charakteristik der Eingangs-LED bei verschiedenen Temperaturen.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom:Obwohl es sich um ein digitales Bauteil handelt, existiert eine Form von CTR – die Beziehung zwischen I_Fund dem resultierenden Ausgangszustand. Der Schwellstrom I_FTist der Schlüsselparameter.
• Laufzeit vs. Versorgungsspannung (V_CC):Wie sich Zeitparameter mit V_CC.
• Laufzeit vs. Temperatur:Wie sich Zeitparameter über den Betriebstemperaturbereich ändern.
• Versorgungsstrom (I_CC) vs. Temperatur:Variation des Ruhestroms mit der Temperatur.

Entwickler sollten dieMinimal- und Maximalwerteaus den Tabellen für ein robustes Design verwenden und die typischen Kurven nur zum Verständnis von Trends und Verhaltensweisen heranziehen.

7. Vergleich und Technologiekontext

Der ELM8XL-G gehört zur Kategorie der Hochgeschwindigkeits-Digital-Photokoppler. Im Vergleich zu älteren Photokopplern mit Transistor- oder Darlington-Ausgängen bietet sein CMOS-Logikgatter-Ausgang viel schnellere Schaltgeschwindigkeiten, schärfere Flanken und klar definierte Logikpegel. Im Vergleich zu Impulstransformatoren bietet er einen kleineren Platzbedarf, Gleichspannungskopplungsfähigkeit (Transformatoren können keine DC-Signale übertragen) und oft niedrigere Kosten. Im Vergleich zu neueren Isolierungstechnologien wie kapazitiven (digitale Isolatoren) oder GMR-Isolatoren bieten Photokoppler wie der ELM8XL-G den Vorteil bewährter Zuverlässigkeit, sehr hoher intrinsischer Isolationsfestigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern. Der Kompromiss ist im Allgemeinen eine geringere Geschwindigkeit und ein höherer Stromverbrauch (aufgrund des LED-Treiberstroms) im Vergleich zu den neuesten halbleiterbasierten Isolatoren. Die Wahl hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen an Geschwindigkeit, Leistung, Kosten und Störfestigkeit ab.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Kann ich dies mit einem 3,3V Eingangssignal zur Ansteuerung der LED verwenden?

A: Ja, aber Sie müssen den strombegrenzenden Widerstand neu berechnen. Für eine 3,3V Ansteuerung und V_F~1,4V, um I_F=8mA zu erhalten: R = (3,3V - 1,4V) / 0,008A = 237,5Ω. Verwenden Sie einen 240Ω Widerstand. Stellen Sie sicher, dass die 3,3V Quelle 8mA liefern kann.

F: Was ist der Unterschied zwischen den M80L- und M81L-Versionen?

A: Der Hauptunterschied ist die Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI). Die M81L-Version garantiert mindestens 10.000 V/µs, während die M80L-Version 5.000 V/µs garantiert. Wählen Sie die M81L für stärker verrauschte Umgebungen, wie Motorsteuerungen oder industrielle Stromversorgungssysteme.

F: Wird ein externer Pull-up-Widerstand am Ausgang benötigt?

A: Nein. Der Ausgang ist eine aktive Push-Pull-CMOS-Stufe, die sowohl High- als auch Low-Pegel treibt. Ein externer Pull-up ist unnötig und würde nur den Stromverbrauch erhöhen.

F: Wie stelle ich sicher, dass die hohe Isolationsfestigkeit in meinem PCB-Design erhalten bleibt?

A: Sie müssen ausreichende Kriechstrecken (Abstand entlang der Oberfläche) und Luftstrecken (Luftspalt) zwischen allen Leitern auf der Eingangsseite und allen Leitern auf der Ausgangsseite einhalten. Dies erfordert typischerweise einen physischen Spalt oder Schlitz in der Leiterplatte unter dem Photokopplergehäuse. Die spezifischen Abstände hängen von der Arbeitsspannung Ihrer Anwendung und den einzuhaltenden Sicherheitsnormen ab.

F: Kann der Ausgangspin (5) direkt mit dem Eingang eines anderen Bauteils verbunden werden, oder benötige ich einen Serienwiderstand?

A: Er kann direkt verbunden werden. Der Ausgang ist dafür ausgelegt, Standard-Digitaleingänge anzusteuern. Ein Serienwiderstand ist im Allgemeinen nicht erforderlich und würde die Signalanstiegszeiten verlangsamen.