Technisches Datenblatt der ELS611-G Serie - 6-Pin SDIP Hochgeschwindigkeits-Logikgatter-Photokoppler mit 10MBit/s

1. Produktübersicht

Die ELS611-G Serie stellt eine Familie von Hochgeschwindigkeits-Photokopplern (Optokopplern) mit Logikgatter-Ausgang dar, die für die Isolierung digitaler Signale konzipiert sind. Diese Bauteile integrieren eine infrarotemittierende Diode, die optisch mit einem hochintegrierten Fotodetektor mit speicherfähigem Logikgatter-Ausgang gekoppelt ist. In einem kompakten 6-Pin Small Dual In-line Package (SDIP) untergebracht, sind sie dafür ausgelegt, Impulstransformatoren zu ersetzen und in elektrisch gestörten Umgebungen eine robuste Unterbrechung von Massekreisen zu gewährleisten.

Die Kernfunktion besteht darin, eine elektrische Isolierung zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen bereitzustellen, um Masseschleifen, Spannungsspitzen und Störungen von der Ausbreitung abzuhalten. Der Logikgatter-Ausgang gewährleistet eine saubere digitale Signalübertragung, was ihn für die Schnittstelle zwischen verschiedenen Logikfamilien oder Spannungsbereichen geeignet macht.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die primären Vorteile der ELS611-G Serie umfassen ihre Hochgeschwindigkeitsfähigkeit von bis zu 10MBit/s, die schnelle digitale Kommunikationsprotokolle unterstützt. Sie bietet eine hohe Isolationsspannung von 5000Vrms und damit einen ausgezeichneten Schutz für empfindliche Schaltkreise. Die Bauteile erfüllen halogenfreie Anforderungen (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm), sind bleifrei und entsprechen den RoHS- und EU-REACH-Richtlinien. Sie verfügen über Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsbehörden wie UL, cUL, VDE, NEMKO, FIMKO, SEMKO, DEMKO und CQC, was ihren Einsatz auf globalen Märkten erleichtert.

Die Zielanwendungen liegen hauptsächlich in der industriellen Automatisierung, Stromversorgungssystemen (z.B. Schaltnetzteile für Rückkopplungsisolierung), Computer-Peripherieschnittstellen, Datenübertragungssystemen, Datenmultiplexing und allen Szenarien, die eine zuverlässige, galvanische Hochgeschwindigkeitsisolierung für digitale Signale erfordern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die folgenden Abschnitte bieten eine detaillierte, objektive Analyse der im Datenblatt spezifizierten elektrischen und Leistungsparameter.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Dauerbetrieb des Bauteils an oder nahe diesen Grenzen wird nicht empfohlen.

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F): 20 mA. Der maximal zulässige Dauerstrom durch die Eingangs-LED.
• Eingangs-Sperrspannung (V_R): 5 V. Die maximale Sperrspannung, die die Eingangs-LED aushalten kann.
• Eingangs-Leistungsverlust (P_D): 40 mW. Die maximale Leistung, die auf der Eingangsseite abgeführt werden kann.
• Ausgangs-Versorgungsspannung (V_CC): 7,0 V. Die absolute Maximalspannung, die an den Versorgungspin der Ausgangsseite angelegt werden darf.
• Ausgangsspannung (V_O): 7,0 V. Die maximale Spannung, die am Ausgangspin auftreten kann.
• Ausgangsstrom (I_O): 50 mA. Der maximale Strom, den der Ausgangspin senken oder liefern kann.
• Isolationsspannung (V_ISO): 5000 Vrms für 1 Minute. Dies ist ein kritischer Sicherheitswert, getestet mit kurzgeschlossenen Eingangspins (1,2,3,4) und kurzgeschlossenen Ausgangspins (5,6).
• Betriebstemperatur (T_OPR): -40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für den Normalbetrieb.
• Löttemperatur (T_SOL): 260°C für 10 Sekunden. Dies definiert die Toleranz des Reflow-Lötprofils.

2.2 Elektrische Eigenschaften

Dies sind die garantierten Leistungsparameter unter spezifizierten Testbedingungen.

2.2.1 Eingangseigenschaften (LED-Seite)

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,45V, maximal 1,8V bei I_F=10mA. Dieser Wert wird für die Auslegung des Eingangsstrombegrenzungswiderstands verwendet.
• Sperrstrom (I_R): Maximal 10 µA bei V_R=5V. Dies zeigt den Leckstrom der LED im ausgeschalteten Zustand.
• Eingangskapazität (C_IN): Typisch 60pF. Dieser Parameter beeinflusst das Hochfrequenz-Schaltverhalten auf der Eingangsseite.

2.2.2 Ausgangseigenschaften

• Versorgungsstrom, High-Pegel (I_CCH): 7mA bis 13mA bei I_F=0mA (LED aus) und V_CC=5,5V. Dies ist der Ruhestrom, wenn der Ausgang im logischen High-Zustand ist.
• Versorgungsstrom, Low-Pegel (I_CCL): 9mA bis 15mA bei I_F=10mA (LED ein) und V_CC=5,5V. Dies ist der Betriebsstrom, wenn der Ausgang aktiv auf Low gezogen wird.
• Low-Pegel Ausgangsspannung (V_OL): Typisch 0,4V, maximal 0,6V unter der Bedingung V_CC=5,5V, I_F=5mA, I_OL=13mA. Dies definiert die Ausgangsspannung, wenn im Low-Zustand Strom gesenkt wird.
• Eingangs-Schwellstrom (I_FT): Maximal 5mA. Dies ist der minimale Eingangs-LED-Strom, der erforderlich ist, um sicherzustellen, dass der Ausgang auf einen gültigen Low-Logikpegel (V_OL<= 0,6V) unter den spezifizierten V_CC- und I_OL-Bedingungen schaltet. Es ist ein Schlüsselparameter zur Bestimmung des erforderlichen Treiberstroms.

2.3 Schalteigenschaften

Diese Parameter definieren das Zeitverhalten des Photokopplers, entscheidend für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. Testbedingungen sind V_CC=5V, I_F=7,5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω, sofern nicht anders angegeben.

• Laufzeit zum High-Pegel (t_PHL): Typisch 40ns, maximal 100ns. Zeit vom Ausschalten der Eingangs-LED bis zum Anstieg des Ausgangs auf einen logischen High-Pegel.
• Laufzeit zum Low-Pegel (t_PLH): Typisch 50ns, maximal 100ns. Zeit vom Einschalten der Eingangs-LED bis zum Abfall des Ausgangs auf einen logischen Low-Pegel.
• Pulsbreitenverzerrung (|t_PHL– t_PLH|): Typisch 10ns, maximal 50ns. Die Differenz zwischen den beiden Laufzeiten. Ein niedrigerer Wert ist besser für die Erhaltung der Signalintegrität und des Tastverhältnisses.
• Ausgangs-Anstiegszeit (t_r): Typisch 50ns. Zeit, die der Ausgang benötigt, um von 10% auf 90% seines endgültigen High-Wertes anzusteigen.
• Ausgangs-Abfallzeit (t_f): Typisch 10ns. Zeit, die der Ausgang benötigt, um von 90% auf 10% seines anfänglichen High-Wertes abzufallen.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMH, CML): Mindestens 5 kV/µs. Dies misst die Immunität des Bauteils gegenüber schnellen Spannungstransienten zwischen den Eingangs- und Ausgangsmassen. CMH gilt, wenn der Ausgang high ist, und CML gilt, wenn der Ausgang low ist. Ein hoher Wert deutet auf eine starke Unterdrückung von Störungen hin, die über die Isolationsbarriere gekoppelt werden.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt verweist auf typische elektro-optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Graphen im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, umfassen sie typischerweise Folgendes, was für das Design wesentlich ist:

• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom: Zeigt die Effizienz des Optokopplers. Bei einem Logikgatter-Typ ist dies in den Schaltparametern enthalten, kann aber die Leistung über Temperatur und Strom anzeigen.
• Laufzeit vs. Durchlassstrom: Veranschaulicht, wie die Schaltgeschwindigkeit mit dem LED-Treiberstrom variiert. Ein höherer I_Fverringert im Allgemeinen die Laufzeit, erhöht aber den Leistungsverlust.
• Laufzeit vs. Temperatur: Zeigt die Variation der Zeitparameter über den Betriebstemperaturbereich.
• Versorgungsstrom vs. Temperatur: Zeigt, wie sich der Leistungsverbrauch auf der Ausgangsseite mit der Temperatur ändert.

Entwickler sollten die vollständigen Graphen im Datenblatt konsultieren, um die Leistungsgrenzen und Derating-Anforderungen für ihre spezifischen Anwendungsbedingungen zu verstehen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Pinbelegung und Funktion

Das Bauteil verwendet ein 6-Pin SDIP-Gehäuse. Die Pinbelegung ist wie folgt:

• Pin 1: Anode der Eingangs-LED.
• Pin 2: Nicht verbunden (N.C.).
• Pin 3: Kathode der Eingangs-LED.
• Pin 4: Masse (GND) für die Ausgangsseite.
• Pin 5: Ausgang (V_OUT). Dies ist der Open-Collector- oder Totem-Pole-Ausgang des internen Logikgatters.
• Pin 6: Versorgungsspannung (V_CC) für die Ausgangsseite.

Kritischer Designhinweis:Ein 0,1µF (oder größerer) Entkopplungskondensator mit guten Hochfrequenzeigenschaften muss zwischen Pin 6 (V_CC) und Pin 4 (GND) angeschlossen werden, und zwar so nah wie möglich am Gehäuse. Dies ist für einen stabilen Betrieb und das Erreichen der spezifizierten Schaltleistung unerlässlich.

4.2 Gehäuseabmessungen und PCB-Layout

Das Datenblatt enthält detaillierte mechanische Zeichnungen für das \"P\"-Gehäuse (SMD-Ausführung). Wichtige Abmessungen sind die Gesamtgehäusegröße, der Pinabstand und die Abstandshöhe. Ein empfohlenes Pad-Layout für die Oberflächenmontage wird ebenfalls bereitgestellt, um eine zuverlässige Lötung und mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Entwickler müssen sich an diese Layout-Richtlinien halten, um Tombstoning oder schlechte Lötstellen zu vermeiden.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 260°C für 10 Sekunden. Dies entspricht typischen bleifreien Reflow-Lötprofilen. Folgende Vorsichtsmaßnahmen sollten beachtet werden:

• Befolgen Sie das empfohlene Reflow-Profil für die verwendete Lotpaste und stellen Sie sicher, dass die Spitzentemperatur und die Zeit über der Liquidustemperatur den Nennwert des Bauteils nicht überschreiten.
• Vermeiden Sie übermäßige mechanische Belastung des Gehäuses während der Handhabung.
• Halten Sie sich an das empfohlene PCB-Pad-Design, um Lötbrücken oder unzureichende Lötfahnen zu vermeiden.
• Die Lagerbedingungen sollten innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -55°C bis +125°C liegen und in einer trockenen Umgebung gemäß den Standardanforderungen für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit (MSL) für SMD-Bauteile (der spezifische MSL-Wert wird im Auszug nicht angegeben).

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Modellnummernregel

Die Artikelnummer folgt dem Format: ELS611X(Y)-VG

• EL: Herstellerpräfix.
• S611: Basis-Artikelnummer.
• X: Anschlussart. \"P\" bezeichnet die SMD-Ausführung.
• (Y): Tape-and-Reel-Option. \"TA\" oder \"TB\" spezifizieren verschiedene Reel-Verpackungsstile.
• V: Optional, kennzeichnet die VDE-Zulassung.
• G: Kennzeichnet die halogenfreie Bauweise.

Beispiel: ELS611P(TA)-VG ist ein SMD-Bauteil auf TA-Tape-and-Reel, VDE-zugelassen, halogenfrei.

6.2 Verpackungsspezifikationen

Das Bauteil ist in Tape-and-Reel-Verpackung für die automatisierte Montage erhältlich. Sowohl die TA- als auch die TB-Option enthalten 1000 Einheiten pro Rolle. Das Datenblatt enthält Diagramme, die die Bandabmessungen, Taschenabstände und Rollengröße spezifizieren.

6.3 Bauteilkennzeichnung

Das Gehäuse ist mit einem Code gekennzeichnet, der den Herstellungsort, die Bauteilnummer und den Datumscode angibt. Das Format umfasst: Werkcode (\"T\" für Taiwan), \"EL\" für den Hersteller, \"S611\" für das Bauteil, einen einstelligen Jahrescode, einen zweistelligen Wochencode und optional \"V\" für VDE.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die primäre Anwendung ist die digitale Signalisolierung. Eine typische Schaltung umfasst:

1. Eingangsseite:Ein strombegrenzender Widerstand in Reihe mit der LED (Pin 1 und 3), um den Durchlassstrom I_Feinzustellen. Der Wert wird basierend auf der Treiberspannung und dem gewünschten I_F(typischerweise zwischen dem Schwellstrom I_FTund dem Maximalwert) berechnet. Für Hochgeschwindigkeitsbetrieb wird ein schneller Treiber empfohlen.
2. Ausgangsseite: V_CC(Pin 6) wird mit der gewünschten Logik-Versorgungsspannung (bis zu 7V) verbunden. Pin 4 (GND) wird mit der Ausgangsmasse verbunden. Der Ausgangspin 5 wird mit dem empfangenden Logikeingang verbunden. Je nach interner Ausgangsstruktur (das Schaltbild im Datenblatt zeigt einen aktiven Pulldown, was auf einen Totem-Pole-Ausgang hindeutet) kann ein externer Pull-up-Widerstand zu V_CCerforderlich sein (das Design sollte prüfen, ob ein Pull-up benötigt wird).Der kritische 0,1µF-Entkopplungskondensator zwischen V_CCund GND ist zwingend erforderlich.

7.2 Designüberlegungen

• Geschwindigkeit vs. Strom:Ein höherer I_Fverbessert die Laufzeit, erhöht aber den Leistungsverlust und kann die Langzeitzuverlässigkeit verringern. Optimieren Sie I_Fbasierend auf der erforderlichen Geschwindigkeit und thermischen Einschränkungen.
• Störfestigkeit:Die hohe Gleichtakt-Transienten-Immunität (5kV/µs) macht es für gestörte Umgebungen wie Motorsteuerungen und Netzteile geeignet. Sorgen Sie für ein ordnungsgemäßes PCB-Layout, um parasitäre Kopplungen um die Isolationsbarriere herum zu minimieren.
• Lastüberlegungen:Respektieren Sie die maximalen Ausgangsstrom- (I_O) und Spannungs- (V_O) Nennwerte. Der Ausgang ist dafür ausgelegt, Standard-Logikeingänge (TTL, CMOS) und keine schweren Lasten zu treiben.
• Stromversorgungsentkopplung:Das Vernachlässigen des empfohlenen Entkopplungskondensators kann zu Schwingungen, Fehlauslösungen und verschlechterter Schaltleistung führen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-Photokopplern mit Transistorausgang bietet der integrierte Logikgatter des ELS611-G mehrere Schlüsselvorteile:

• Höhere Geschwindigkeit:Die Datenrate von 10MBit/s und Laufzeiten unter 100ns sind deutlich schneller als bei typischen Transistorkopplern (oft im µs-Bereich).
• Sauberer digitaler Ausgang:Der Logikgatter-Ausgang liefert scharfe Flanken und klar definierte Logikpegel ohne externe Schmitt-Trigger, was den Schaltungsentwurf vereinfacht.
• Geringere Pulsverzerrung:Die spezifizierte Pulsbreitenverzerrung ist gering, was für die Erhaltung der Signalintegrität in Takt- und Datenleitungen entscheidend ist.
• Integrierte Funktionalität:Kombiniert Fotodetektor, Verstärker und Logikgatter in einem Chip, was die Anzahl externer Komponenten reduziert.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

1. F: Welcher minimale Eingangsstrom ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der Ausgang auf Low schaltet?
   
   A: Der Parameter I_FT(Eingangs-Schwellstrom) hat unter den Testbedingungen (V_CC=5,5V, V_O=0,6V, I_OL=13mA) einen Maximalwert von 5mA. Um unter allen Bedingungen ein zuverlässiges Schalten zu gewährleisten, sollte das Design einen I_F-Wert größer als dieser verwenden, typischerweise 7,5mA bis 10mA, wie in den Schalteigenschaften angegeben.
2. F: Kann ich dies mit einer 3,3V-Logikversorgung auf der Ausgangsseite verwenden?
   
   A: Ja, das Bauteil kann mit einem V_CCbetrieben werden, das so niedrig ist wie das für die Funktion des internen Logikgatters erforderliche Minimum (nicht explizit angegeben, aber typischerweise ~2,7V bis 3V für CMOS). Die Ausgangslogikpegel beziehen sich auf dieses V_CC. Das maximale V_CCbeträgt 7,0V.
3. F: Wie kritisch ist der 0,1µF-Entkopplungskondensator?
   
   A: Er ist für einen stabilen Hochgeschwindigkeitsbetrieb absolut kritisch. Er stellt eine lokale Ladungsreserve für die Schaltströme der Ausgangsstufe bereit, verhindert Einbrüche der Versorgungsspannung und Schwingungen, die zu Fehlfunktionen führen können.
4. F: Was bedeutet \"speicherfähiger Ausgang\"?
   
   A: Es bezieht sich wahrscheinlich auf eine Latch- oder Flip-Flop-Funktion, die den Ausgangszustand halten kann. Die Wahrheitstabelle im PDF zeigt jedoch eine einfache Inverter-Funktion (Eingang H -> Ausgang L, Eingang L -> Ausgang H). Der Begriff kann darauf hindeuten, dass der Ausgang seinen Zustand während kurzer Unterbrechungen halten kann oder eine gute Störfestigkeit aufweist. Zur Klärung sollte das Schaltbild konsultiert werden.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Isolierung eines UART-Signals in einer Industrie-Steuerung.

Ein industrieller Mikrocontroller kommuniziert mit einem Peripheriegerät über UART mit 115200 Baud. Das Peripheriegerät arbeitet mit einer separaten Stromversorgung mit einem anderen Massepotenzial, was das Risiko von Masseschleifen birgt.

Umsetzung:

Zwei ELS611-G Bauteile werden verwendet, eines für die TX-Leitung (Controller zu Peripherie) und eines für die RX-Leitung (Peripherie zu Controller). Beim TX-Isolator treibt der TX-Pin des Mikrocontrollers die LED über einen strombegrenzenden Widerstand für I_F=10mA an. Der Ausgangspin des Isolators wird mit dem RX-Eingang des Peripheriegeräts verbunden. Das V_CCdes Isolators wird von der 5V- oder 3,3V-Schiene des Peripheriegeräts versorgt, mit dem obligatorischen Entkopplungskondensator. Der Vorgang wird für die RX-Leitung gespiegelt. Dieser Aufbau unterbricht die Masseverbindung, verhindert Störkopplung und schützt den Mikrocontroller vor Spannungstransienten auf der Peripherieseite, während gleichzeitig die Integrität der Hochgeschwindigkeits-Seriendaten erhalten bleibt.

11. Funktionsprinzip

Ein Photokoppler arbeitet nach dem Prinzip der optischen Kopplung, um elektrische Isolierung zu erreichen. Beim ELS611-G:

1. Ein elektrisches Signal auf der Eingangsseite veranlasst die infrarote Leuchtdiode (LED), Licht proportional zum Strom zu emittieren.
2. Dieses Licht durchquert eine transparente Isolationsbarriere (typischerweise eine Vergussmasse) innerhalb des Gehäuses.
3. Auf der Ausgangsseite detektiert eine Silizium-Fotodiode oder ein Fototransistor das Licht und wandelt es zurück in einen elektrischen Strom.
4. Dieser kleine Fotostrom wird von einem hochintegrierten Schaltkreis, der ein Logikgatter (in diesem Fall wahrscheinlich ein Inverter oder Puffer) enthält, verstärkt und verarbeitet. Der IC liefert ein sauberes, digitales Ausgangssignal, das den Eingangszustand repliziert, aber elektrisch davon isoliert ist.
5. Die Isolationsbarriere bietet eine hohe dielektrische Festigkeit (5000Vrms) und verhindert Stromfluss und Spannungsdifferenzen zwischen den beiden Seiten.

12. Technologietrends

Die Entwicklung von Photokopplern wie dem ELS611-G wird von mehreren Schlüsseltrends in der Elektronik vorangetrieben:

• Erhöhte Datenraten:Die Nachfrage nach höherer Isolationsgeschwindigkeit in industriellen Kommunikationssystemen (Profibus, EtherCAT), Automobilnetzwerken und erneuerbaren Energiesystemen treibt die Entwicklung von Bauteilen mit geringerer Laufzeit und höherer Gleichtakt-Immunität voran.
• Miniaturisierung:Es gibt einen kontinuierlichen Trend zu kleineren Gehäusen (z.B. SOIC-4, LSSOP) mit gleichen oder besseren Isolationswerten, um PCB-Platz zu sparen.
• Erweiterte Integration:Zukünftige Bauteile könnten mehr Funktionen integrieren, wie z.B. Leistungsisolierung (isolierte DC-DC-Wandler) mit Datenisolierung in einem einzigen Gehäuse oder Mehrkanal-Isolatoren.
• Material- und Prozessinnovation:Entwicklungen in der LED-Effizienz, der Detektorempfindlichkeit und der Reinheit der Vergussmasse tragen zu geringerem Leistungsverbrauch, höherer Geschwindigkeit und verbesserter Langzeitzuverlässigkeit bei.
• Alternative Isolierungstechnologien:Während Optokoppler ausgereift sind, konkurrieren Technologien wie kapazitive Isolierung (mit SiO2-Barrieren) und magnetische (GMR) Isolierung in einigen Hochgeschwindigkeits- und Hochdichteanwendungen. Jede Technologie hat ihre eigenen Kompromisse in Bezug auf Geschwindigkeit, Immunität, Leistungsverbrauch und Kosten.