Technisches Datenblatt der ELM6XX-Serie: 5-Pin SOP Hochgeschwindigkeits-Logikgatter-Photokoppler mit 10 Mbit/s

1. Produktübersicht

Die ELM6XX-Serie stellt eine Familie von Hochleistungs-Hochgeschwindigkeits-Logikgatter-Photokopplern dar, die für anspruchsvolle digitale Isolationsanwendungen konzipiert ist. Diese Bauteile integrieren eine Infrarot-Emissionsdiode, die optisch mit einem hochintegrierten Fotodetektor mit Logikgatter-Ausgangsstufe gekoppelt ist und eine taktbare Ausgangsfähigkeit bietet. Verpackt in einem kompakten 5-Pin Small Outline Package (SOP) entsprechen sie einem standardisierten Industriestandard, was die einfache Integration in bestehende Designs und PCB-Layouts erleichtert.

Die Kernfunktion dieses Bauteils besteht darin, eine galvanische Trennung zwischen zwei elektrischen Schaltkreisen zu gewährleisten, während digitale Logiksignale übertragen werden. Diese Trennung ist entscheidend, um Masseschleifen zu unterbrechen, empfindliche Logikschaltungen vor Spannungsspitzen und Störungen in anderen Teilen eines Systems zu schützen und die Sicherheit in Anwendungen mit hohen Gleichtaktspannungen zu gewährleisten.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die ELM6XX-Serie wurde mit mehreren Schlüsselvorteilen entwickelt, die sie für moderne elektronische Systeme geeignet macht. Ihre Hochgeschwindigkeitsfähigkeit von 10 Mbit/s ermöglicht den Einsatz in schnellen Datenkommunikationsschnittstellen. Die Bauteile garantieren eine Leistung über einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C und gewährleisten so Zuverlässigkeit in industriellen und automobilen Umgebungen. Eine hohe Isolationsspannung von 3750 V_effbietet robusten Schutz. Darüber hinaus entspricht die Serie wichtigen Umwelt- und Sicherheitsstandards, einschließlich halogenfrei, bleifrei, RoHS-konform sowie Zulassungen von UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO und FIMKO.

Die primären Zielmärkte und Anwendungen umfassen:

• Industrieautomation:Zur Trennung von SPS-E/A, Motorantrieben und Sensor-Schnittstellen von der Steuerlogik.
• Telekommunikation & Datenübertragung:In Leitungseingängen und Datenmultiplexsystemen zur Eliminierung von Störungen.
• Leistungselektronik:Als zuverlässiger Ersatz für Impulstransformatoren in Rückkopplungsschleifen von Schaltnetzteilen.
• Computer-Peripheriegeräte:Für die Schnittstelle zwischen Systemen mit unterschiedlichen Massepotenzialen.
• Allgemeine digitale Schnittstelle:Für Pegelwandlung und Trennung zwischen Logikfamilien wie LSTTL, TTL und 5V-CMOS.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt spezifizierten Schlüsselparameter für elektrische Eigenschaften und Leistung. Das Verständnis dieser Parameter ist entscheidend für ein korrektes Schaltungsdesign und einen zuverlässigen Betrieb.

2.1 Absolute Grenzwerte

Die absoluten Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Dies sind keine Betriebsbedingungen.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F):50 mA. Das Überschreiten dieses Stroms wird wahrscheinlich die interne Infrarot-Emissionsdiode (IRED) zerstören.
• Eingangs-Sperrspannung (V_R):5 V. Die IRED ist empfindlich gegenüber Sperrspannung; dieser Grenzwert muss strikt eingehalten werden.
• Versorgungsspannung (V_CC) & Ausgangsspannung (V_O):7,0 V. Dies definiert die maximale Spannung, die an die Versorgung und den Ausgangspin der Ausgangsseite angelegt werden kann.
• Isolationsspannung (V_ISO):3750 V_efffür 1 Minute. Dies ist ein wichtiger Sicherheitsparameter, getestet mit kurzgeschlossenen Eingangspins (1,3) und kurzgeschlossenen Ausgangspins (4,5,6). Er zertifiziert die dielektrische Festigkeit der internen Isolationsbarriere.
• Betriebs- & Lagertemperatur:Das Bauteil ist für den Betrieb von -40°C bis +85°C und die Lagerung von -55°C bis +125°C ausgelegt.
• Löttemperatur:260°C für 10 Sekunden. Dies ist wichtig für PCB-Montageprozesse mit Reflow-Lötung.

2.2 Elektrische Kenngrößen

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

2.2.1 Eingangskenngrößen (IRED-Seite)

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,45V, maximal 1,8V bei I_F=10mA. Dies wird zur Berechnung des erforderlichen strombegrenzenden Widerstands auf der Eingangsseite verwendet.
• Temperaturkoeffizient von V_F:Ca. -1,9 mV/°C. Die Durchlassspannung sinkt leicht mit steigender Temperatur.
• Eingangskapazität (C_IN):Typisch 70 pF. Dies beeinflusst das Hochfrequenzverhalten und die Ansteuerungsanforderungen der Eingangsschaltung.

2.2.2 Ausgangs- und Übertragungskenngrößen

• Versorgungsströme: I_CCH(Ausgang High) beträgt typisch 6,0 mA, und I_CCL(Ausgang Low) beträgt typisch 7,5 mA bei V_CC=5,5V. Diese Werte bestimmen den Stromverbrauch auf der Ausgangsseite.
• High-Pegel-Ausgangsstrom (I_OH):Der Ausgang kann im High-Zustand einen sehr kleinen Strom (typ. 2,1 µA) liefern. Dieses Bauteil ist dafür ausgelegt, hochohmige CMOS-Eingänge anzusteuern, nicht um signifikanten Strom zu liefern.
• Low-Pegel-Ausgangsspannung (V_OL):Typisch 0,4V, maximal 0,6V bei einem Senkenstrom von 13mA. Dies definiert einen soliden Logik-'0'-Pegel.
• Eingangs-Schwellenstrom (I_FT):Typisch 2,4 mA, maximal 5 mA. Dies ist der minimale Eingangsstrom, der erforderlich ist, um sicherzustellen, dass der Ausgang unter den spezifizierten Lastbedingungen in einen gültigen Low-Zustand (V_OL≤ 0,6V) schaltet. Es ist ein kritischer Parameter für die Gewährleistung der Störfestigkeit.

2.3 Schaltkenngrößen

Diese Parameter definieren das dynamische Verhalten des Photokopplers, gemessen unter Standardbedingungen (V_CC=5V, I_F=7,5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω).

• Laufzeitverzögerungen (t_PHL, t_PLH):Die Zeit vom 50%-Punkt des Eingangsstromübergangs zum entsprechenden Punkt des Ausgangsspannungsübergangs. t_PLH(nach High) beträgt typisch 50 ns, und t_PHL(nach Low) beträgt typisch 41 ns, beide mit einem Maximum von 100 ns. Diese Verzögerungen begrenzen die maximale Datenrate.
• Pulsbreitenverzerrung (|t_PHL– t_PLH|):Typisch 9 ns, max. 35 ns. Diese Asymmetrie in den Anstiegs-/Abfallverzögerungen kann Ausgangsimpulse bei hohen Frequenzen verengen.
• Anstiegs-/Abfallzeiten (t_r, t_f):Die Ausgangsanstiegszeit beträgt typisch 40 ns, die Abfallzeit typisch 10 ns. Schnellere Flanken sind im Allgemeinen besser für die Signalintegrität.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMH, CML):Dies ist ein kritischer Parameter für Isolationsbauteile. Er misst die Immunität des Ausgangszustands gegenüber schnellen Spannungstransienten über die Isolationsbarriere. Der ELM601 kann beispielsweise eine dV/dt von 5.000 V/µs mit einem 50V Spitze-Spitze-Gleichtaktsignal tolerieren, ohne den Zustand fälschlicherweise zu ändern. Der ELM611 bietet eine noch höhere Immunität (20.000 V/µs bei 1000V_ss).

3. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil ist in einem 5-Pin Small Outline Package (SOP) untergebracht. Die Pin-Konfiguration ist wie folgt:

• Pin 1:Anode des Eingangs-IRED.
• Pin 2:Nicht angeschlossen (NC).
• Pin 3:Kathode des Eingangs-IRED.
• Pin 4:Masse (GND) für die Ausgangsseite.
• Pin 5:Ausgangsspannung (V_OUT).
• Pin 6:Versorgungsspannung (V_CC) für die Ausgangsseite.

Das Datenblatt enthält eine detaillierte Gehäuseabmessungszeichnung (in Millimetern), die für das PCB-Footprint-Design konsultiert werden muss. Ein empfohlenes Pad-Layout für die Oberflächenmontage wird ebenfalls bereitgestellt, um eine zuverlässige Lötung und mechanische Stabilität zu gewährleisten.

4. Richtlinien für Lötung und Montage

Eine ordnungsgemäße Handhabung und Montage ist für die Zuverlässigkeit unerlässlich. Das Bauteil ist für eine maximale Löttemperatur von 260°C für 10 Sekunden ausgelegt, was mit Standard-bleifreien Reflow-Lötprofilen (z.B. IPC/JEDEC J-STD-020) übereinstimmt.

Wichtige Überlegungen:

• Verwenden Sie das empfohlene Pad-Layout, um "Tombstoning" oder Fehlausrichtung während des Reflow zu verhindern.
• Halten Sie sich an das spezifizierte Temperaturprofil, um thermische Schäden am internen Chip und am Kunststoffgehäuse zu vermeiden.
• Befolgen Sie während der Handhabung Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung), da das Bauteil empfindliche Halbleiterkomponenten enthält.
• Lagern Sie Bauteile in einer trockenen, kontrollierten Umgebung gemäß der Lagertemperaturangabe (-55°C bis +125°C).

5. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die ELM6XX-Serie ist in verschiedenen Verpackungsoptionen erhältlich, um Produktionsanforderungen gerecht zu werden:

• Standardoption (Keine):Bauteile werden in antistatischen Röhrchen geliefert, mit 100 Einheiten pro Röhrchen.
• Tape-and-Reel-Option (TA/TB):Bauteile werden auf Tape-and-Reel für automatisierte Pick-and-Place-Montage geliefert, mit 3000 Einheiten pro Rolle. 'TA' und 'TB' beziehen sich wahrscheinlich auf unterschiedliche Rollengrößen oder Band-Spezifikationen.

Teilenummernsystem:ELM6XX(Z)-V

• XX:Spezifische Teilenummer (00, 01 oder 11). Diese unterscheiden Varianten, wahrscheinlich basierend auf den Gleichtakt-Transienten-Immunitätsratings (z.B. ELM600, ELM601, ELM611).
• Z:Tape-and-Reel-Option (TA, TB oder keine für Röhrchen).
• V:Optionale VDE-Zulassungskennzeichnung.

6. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die primäre Anwendung ist die digitale Signalisolierung. Eine typische Schaltung beinhaltet einen strombegrenzenden Widerstand in Reihe mit dem Eingangs-IRED, verbunden mit einem Logiksignal. Der Ausgangspin (V_OUT) ist über einen Pull-up-Widerstand (R_CC) mit V_Lverbunden und steuert den Eingang des empfangenden Logikgatters. Der Wert von R_L(z.B. 350Ω) und die Lastkapazität beeinflussen die Schaltgeschwindigkeit.

6.2 Kritische Designhinweise

• Eingangsstrom:Stellen Sie sicher, dass der Eingangsstrom (I_F) den maximalen Eingangs-Schwellenstrom (I_FT) erreicht oder überschreitet, um einen garantierten Low-Ausgang zu gewährleisten, diesen aber nicht überschreitet. Ein typischer Betriebsstrom I_Fvon 7,5mA bis 10mA ist üblich.
• Störfestigkeit:Für verrauschte Umgebungen wählen Sie eine Variante (ELM601 oder ELM611) mit höherer Gleichtakt-Transienten-Immunität, die für die erwarteten Störpegel in der Anwendung geeignet ist.
• Stromversorgungs-Entkopplung:Verwenden Sie Bypass-Kondensatoren (z.B. 0,1 µF) in der Nähe der V_CC- und GND-Pins auf der Ausgangsseite, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und Schaltstörungen zu minimieren.
• Wahrheitstabelle:Das Bauteil fungiert als nicht-invertierender Puffer. Ein Logik-High (H) am Eingang (IRED ein) erzeugt ein Logik-Low (L) am Ausgang. Ein Logik-Low (L) am Eingang (IRED aus) erzeugt ein Logik-High (H) am Ausgang (aufgrund des Pull-up-Widerstands).

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-4N25/4N35-Serien-Photokopplern bietet die ELM6XX-Serie eine deutlich höhere Geschwindigkeit (10 Mbit/s vs. ~100 kbit/s) und eine überlegene Gleichtaktunterdrückung. Ihr Logikgatter-Ausgang liefert saubere digitale Wellenformen ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Schmitt-Trigger-Schaltungen, die oft bei Fototransistor-Ausgängen erforderlich sind. Das 5-Pin SOP-Gehäuse ist kompakter als ältere DIP-Gehäuse. Die wesentliche Differenzierung innerhalb der ELM6XX-Serie selbst ist die abgestufte Gleichtakt-Transienten-Immunität, die es Designern ermöglicht, das angemessene Kosten-/Leistungsniveau für ihre spezifische Störumgebung auszuwählen.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F1: Welche maximale Datenrate kann ich mit diesem Photokoppler erreichen?

A: Die typischen Laufzeitverzögerungen ermöglichen Datenraten bis zu 10 Mbit/s, wie spezifiziert. Die tatsächliche maximale zuverlässige Rate in einem System wird jedoch aufgrund von Pulsbreitenverzerrung und Einrichtungs-/Haltezeiten der empfangenden Logik niedriger sein. Ein konservatives Design könnte 5-8 Mbit/s anstreben.

F2: Wie wähle ich zwischen ELM600, ELM601 und ELM611?

A: Die Wahl basiert primär auf der erforderlichen Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI). Verwenden Sie ELM600 für grundlegende Isolierung mit geringem Rauschen. ELM601 (5.000 V/µs) ist geeignet für industrielle Motorantriebe und Stromversorgungsanwendungen. ELM611 (20.000 V/µs) ist für Umgebungen mit sehr hohem Rauschen wie Hochleistungs-Wechselrichter.

F3: Kann ich dieses Bauteil verwenden, um eine LED oder ein Relais direkt anzusteuern?

A: Nein. Der Ausgang ist dafür ausgelegt, hochohmige CMOS- oder TTL-Logikeingänge anzusteuern. Seine Stromquellen-/Senkenfähigkeit ist begrenzt (I_OHist sehr niedrig, I_OList mit 13mA spezifiziert). Zum Ansteuern von Lasten mit höherem Strom ist eine zusätzliche Puffer- oder Transistorstufe erforderlich.

F4: Welchen Wert sollte ich für den Pull-up-Widerstand (R_L) verwenden?

A: Das Datenblatt spezifiziert Testbedingungen mit R_L=350Ω. Dies ist ein guter Ausgangspunkt. Ein kleinerer Widerstand ermöglicht schnellere Anstiegszeiten, erhöht aber den Stromverbrauch und den Ausgangsstrom. Ein größerer Widerstand spart Strom, verlangsamt aber die Anstiegszeit. Der Wert muss unter Berücksichtigung der Lastkapazität und der erforderlichen Geschwindigkeit gewählt werden.

9. Praktische Anwendungsfallstudie

Szenario: Isolierung einer Mikrocontroller-UART von einem RS-485-Transceiver.

In einem industriellen Sensorknoten muss die UART-TX-Leitung eines 3,3V-Mikrocontrollers von einem 5V-RS-485-Transceiver isoliert werden, der mit einem verrauschten Langstreckenbus verbunden ist. Ein ELM601 kann hierfür verwendet werden. Der Mikrocontroller-Pin steuert den IRED über einen strombegrenzenden Widerstand an (z.B. (3,3V - 1,45V)/7,5mA ≈ 247Ω). Die Ausgangsseite wird von der 5V-Schiene des RS-485-Transceivers versorgt. Der V_OUT-Pin, über einen 350Ω-Widerstand auf 5V hochgezogen, ist direkt mit dem Driver-Input (DI)-Pin des RS-485-ICs verbunden. Dieser Aufbau unterbricht die Masseverbindung zwischen dem empfindlichen Mikrocontroller und dem verrauschten Bus, schützt den Mikrocontroller vor businduzierten Transienten und bewältigt die Logikpegelwandlung von 3,3V auf 5V. Die hohe CMTI des ELM601 stellt sicher, dass das digitale Signal trotz Rauschen auf dem Bus intakt bleibt.

10. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip der optoelektronischen Wandlung. Ein elektrischer Strom auf der Eingangsseite (Pins 1 & 3) veranlasst die Infrarot-Emissionsdiode (IRED) Licht zu emittieren. Dieses Licht durchquert eine interne transparente Isolationsbarriere (typischerweise einen gegossenen Kunststoffspalt). Auf der Ausgangsseite empfängt ein monolithischer Silizium-Fotodetektor-IC dieses Licht. Dieser IC enthält eine Fotodiode, einen hochverstärkenden Verstärker und eine Logikgatter-Ausgangsstufe (wahrscheinlich eine Totem-Pole- oder ähnliche Struktur). Der Verstärker wandelt den Fotostrom in eine Spannung um, die die Logikstufe puffert und als sauberes digitales Signal ausgibt. Die erwähnte "taktbare Ausgangsfähigkeit" bezieht sich wahrscheinlich auf eine interne Latch- oder Enable-Funktion, die den Ausgangszustand halten kann, aber spezifische Details erfordern den vollständigen internen Schaltplan.

11. Technologietrends

Der Trend in der digitalen Isolierung geht zu höheren Geschwindigkeiten, geringerem Stromverbrauch, kleineren Gehäusen und höherer Integration. Während Photokoppler wie die ELM6XX-Serie für viele Anwendungen hervorragend geeignet bleiben, entstehen alternative Technologien basierend auf kapazitiver (unter Verwendung von SiO₂-Barrieren) oder Riesenmagnetowiderstands-(GMR)-Kopplung. Diese können noch höhere Datenraten (>>100 Mbit/s), bessere Zeit-Symmetrie (geringere Pulsbreitenverzerrung) und eine längere Lebensdauer bieten, da sie keine LED haben, die sich verschlechtern kann. Hochleistungs-Photokoppler werden jedoch aufgrund ihrer bewährten Zuverlässigkeit, hohen CMTI, Einfachheit und Kosteneffektivität für Geschwindigkeiten bis zu mehreren zehn Megabit pro Sekunde weiterhin häufig eingesetzt. Die Entwicklung von Bauteilen wie der ELM6XX-Serie mit abgestufter CMTI und halogenfreien Materialien spiegelt die fortlaufende Entwicklung wider, um strengeren Umwelt- und Leistungsanforderungen in der modernen Elektronik gerecht zu werden.