5-Pin SOP Hochgeschwindigkeits-10Mbit/s-Logikgatter-Photokoppler ELM453H-G Serie Datenblatt - Gehäuse 5-Pin SOP - Isolationsspannung 3750Veff - Technisches Dokument auf Deutsch

1. Produktübersicht

Die ELM453H-G Serie stellt eine Familie von Hochgeschwindigkeits-Logikgatter-Photokopplern (Optokopplern) dar, die für anspruchsvolle digitale Isolationsanwendungen konzipiert ist. Diese Bauteile sind darauf ausgelegt, eine zuverlässige Signalübertragung bei gleichzeitig hoher elektrischer Isolation zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen zu gewährleisten. Die Kernfunktion besteht darin, digitale Logiksignale über eine Isolationsbarriere zu übertragen, indem eine Infrarot-LED optisch mit einem Hochgeschwindigkeits-Fotodetektor und einem Transistorverstärker gekoppelt ist.

Der primäre Markt für dieses Bauteil umfasst Industrieautomation, Motorantriebssysteme, Feldbussysteme und Netzteilsteuerungen, wo Störfestigkeit und Sicherheitsisolation entscheidend sind. Seine Kernvorteile ergeben sich aus der verbesserten Geschwindigkeitsleistung im Vergleich zu konventionellen Fototransistor-Kopplern, erreicht durch einen separaten Fotodioden-Vorspannungsanschluss, der die Basis-Kollektor-Kapazität reduziert.

2. Technische Parameter im Detail

Dieser Abschnitt bietet eine objektive Analyse der im Datenblatt spezifizierten wesentlichen elektrischen und optischen Parameter.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden führen kann. Wesentliche Grenzwerte sind:

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F): Maximal 25 mA. Eine Überschreitung kann die Eingangs-LED verschlechtern oder zerstören.
• Isolationsspannung (V_ISO): 3750 V_eff für 1 Minute. Dies ist ein kritischer Sicherheitswert, der die dielektrische Festigkeit der internen Isolationsbarriere zertifiziert, getestet mit kurzgeschlossenen Pins 1 & 3 auf einer Seite und kurzgeschlossenen Pins 4, 5 & 6 auf der anderen Seite.
• Betriebstemperatur (T_OPR): -40 bis +125 °C. Dieser weite Bereich gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb in rauen Industrieumgebungen.
• Löttemperatur (T_SOL): 260 °C für 10 Sekunden, konform mit typischen bleifreien Reflow-Profilen.

2.2 Elektrische Kenndaten

Die garantierten Leistungsparameter unter spezifizierten Testbedingungen.

2.2.1 Eingangskenndaten

• Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,4V, maximal 1,8V bei I_F=16mA. Dieser Wert wird zur Berechnung des erforderlichen strombegrenzenden Widerstands für die LED-Treiberschaltung verwendet.
• Eingangskapazität (C_IN): Typisch 70 pF. Eine geringere Kapazität kann zu einer besseren Hochfrequenzleistung auf der Eingangsseite beitragen.

2.2.2 Ausgangs- & Übertragungskenndaten

• Low-Pegel-Ausgangsspannung (V_OL): Maximal 0,4V bei I_F=16mA, I_O=3mA, V_CC=4,5V. Dies definiert den Ausgangs-Logik-"0"-Pegel unter Last.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR): Mindestens 20% unter denselben Testbedingungen. CTR ist das Verhältnis von Ausgangstransistorstrom zu Eingangs-LED-Strom. Eine Mindestgarantie stellt eine ausreichende Ausgangstreiberfähigkeit sicher.
• High-Pegel-Ausgangsstrom (I_OH): Sehr geringer Leckstrom (max. 5 µA bei 25°C), wenn die LED ausgeschaltet ist, was einen sauberen Logik-"1"-Ausgang gewährleistet.

2.3 Schaltkenndaten

Diese Parameter definieren die Geschwindigkeit und Störfestigkeit des Bauteils, entscheidend für die Datenübertragung.

• Laufzeitverzögerung (T_PHL, T_PLH): Typisch 0,35 µs (low) und 0,45 µs (high), maximal 1,0 µs. Dies ermöglicht Signalübertragungsraten von bis zu 1 Mbit/s, obwohl der Titel eine 10 Mbit/s-Fähigkeit für die Logikgatter-Version nahelegt.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CM_H, CM_L): Mindestens 10 kV/µs. Dies ist ein entscheidender Parameter, der die Fähigkeit des Bauteils angibt, schnelle Spannungstransienten (Störungen) abzuweisen, die gleichermaßen auf beiden Seiten der Isolationsbarriere auftreten. Eine hohe CMTI verhindert fehlerhaftes Ausgangsschalten in störungsbehafteten Umgebungen wie Motorantrieben.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektro-optische Kennlinien. Obwohl im bereitgestellten Text nicht dargestellt, illustrieren diese Kurven typischerweise für das Design kritische Zusammenhänge:

• Stromübertragungsverhältnis (CTR) vs. Durchlassstrom (I_F): Zeigt, wie sich der Wirkungsgrad mit dem Treiberstrom ändert, und hilft, den Arbeitspunkt zu optimieren.
• CTR vs. Umgebungstemperatur (T_A): Zeigt die Derating von CTR mit steigender Temperatur, wesentlich für Hochtemperaturbetrieb.
• Laufzeitverzögerung vs. Lastwiderstand (R_L): Zeigt den Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und Ausgangstreiberfähigkeit.
• Durchlassspannung vs. Temperatur: Wichtig für das thermische Management der Eingangsschaltung.

Entwickler sollten die vollständigen Datenblattdiagramme konsultieren, um diese nichtlinearen Zusammenhänge für ein robustes Schaltungsdesign zu verstehen.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist in einem standardmäßigen 5-Pin Small Outline Package (SOP) untergebracht. Die detaillierte mechanische Zeichnung liefert genaue Abmessungen für Länge, Breite, Höhe, Rastermaß und Abstandshöhe. Diese Informationen sind entscheidend für das PCB-Footprint-Design und die Gewährleistung ausreichender Abstände.

4.2 Empfohlenes Lötpad-Layout

Ein empfohlenes Oberflächenmontage-Pad-Layout wird bereitgestellt. Das Datenblatt weist korrekterweise darauf hin, dass es sich um ein Referenzdesign handelt und basierend auf individuellen Fertigungsprozessen (z.B. Lotpastentyp, Reflow-Profil) angepasst werden sollte. Für das finale Pad-Design wird die Einhaltung von IPC-Standards empfohlen.

4.3 Polaritätskennzeichnung & Bauteilbeschriftung

Pinbelegung:

1. Anode (Eingangs-LED +)
2. Kein Anschluss / Intern
3. Kathode (Eingangs-LED -)
4. GND (Ausgangsmasse)
5. V_OUT(Ausgangssignal)
6. V_CC(Ausgangs-Versorgungsspannung)

Bauteilbeschriftung:Die Oberseite des Gehäuses ist mit "EL" (Herstellercode), "M453H" (Bauteilnummer), einem einstelligen Jahrescode (Y), einem zweistelligen Wochencode (WW) und optional einem "V" für VDE-zertifizierte Versionen gekennzeichnet. Dies ermöglicht die Rückverfolgbarkeit.

5. Löt- & Bestückungsrichtlinien

Reflow-Löten:Das Bauteil ist für eine maximale Löttemperatur von 260°C für 10 Sekunden ausgelegt. Dies entspricht standardmäßigen bleifreien Reflow-Profilen (IPC/JEDEC J-STD-020). Die Spitzentemperatur und die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur müssen kontrolliert werden, um Gehäuseschäden zu vermeiden.

Lagerbedingungen:Der Lagertemperaturbereich beträgt -55 bis +125 °C. Die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL), kritisch für Oberflächenmontagebauteile, sollte aus dem vollständigen Datenblatt oder der Verpackung verifiziert werden. Standardvorsichtsmaßnahmen zum Trocknen feuchtigkeitsaufgenommener Bauteile vor dem Reflow sollten, falls zutreffend, befolgt werden.

6. Verpackungs- & Bestellinformationen

6.1 Bestellnummer

Die Artikelnummer folgt der Struktur:ELM453H(Z)-VG

• Z: Band- und Rollenoption. 'None' für Tube (100 Stück), 'TA' oder 'TB' für unterschiedliche Rollenausrichtungen (3000 Stück/Rolle).
• V: Zeigt an, dass die VDE-Zertifizierung enthalten ist.
• G: Zeigt halogenfreie Materialzusammensetzung an.

6.2 Band- und Rollenspezifikationen

Detaillierte Trägerbandabmessungen (Breite, Taschengröße, Teilung) und Rollenspezifikationen werden für die automatisierte Pick-and-Place-Bestückung bereitgestellt. Die Optionen TA und TB unterscheiden sich in der Ausrichtung des Bauteils im Band, was die Zuführrichtung von der Rolle beeinflusst.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Leitungsempfänger / Digitale Signalisolierung:Das Bauteil ist ideal zur Isolierung von RS-485-, CAN- oder anderen seriellen Datenleitungen in Industrienetzen. Die hohe CMTI schützt vor Massepotentialdifferenzen und Störungen.

Gate-Treiberisolierung in Motorantrieben:Wird verwendet, um das Niederspannungssteuersignal von der hochspannungsführenden, störungsbehafteten Gate-Treiberschaltung für IGBTs oder MOSFETs zu isolieren. Die hohe Isolationsspannung (3750Veff) und Geschwindigkeit sind hier entscheidend.

Logik-Masse-Isolierung:Trennung digitaler Massen zwischen Subsystemen (z.B. zwischen einer empfindlichen analogen Sensor-Schnittstelle und einem störungsbehafteten Mikrocontroller), um Masseschleifen und Störkopplung zu verhindern.

7.2 Design-Überlegungen

• Eingangsstrombegrenzung:Ein externer Widerstand muss verwendet werden, um den LED-Durchlassstrom (I_F) einzustellen, typischerweise etwa 16mA für garantierte Parameter. Der Widerstandswert ist R_LIMIT= (V_TREIBER- V_F) / I_F.
• Ausgangs-Pull-Up-Widerstand:Ein Pull-Up-Widerstand (R_L) ist am Ausgang (Pin 5 zu V_CC) erforderlich. Sein Wert beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit (niedriger R_L= schneller, aber höherer Strom) und den Logik-High-Pegel. Die Testbedingung verwendet 1,9 kΩ.
• Stromversorgungs-Entkopplung:Platzieren Sie einen 0,1 µF-Keramikkondensator nahe den Pins 4 (GND) und 6 (V_CC), um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und Schaltstörungen zu minimieren.
• Kriechstrecke & Luftstrecke:Halten Sie auf der Leiterplatte ausreichende Kriech- und Luftstrecken zwischen den Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen (einschließlich Leiterbahnen und Bauteilen) ein, um die Hochspannungsisolationsfestigkeit zu erhalten. Befolgen Sie relevante Sicherheitsnormen (z.B. IEC 61010-1).

8. Technischer Vergleich & Differenzierung

Die primäre Unterscheidung der ELM453H-G von Standard-Fototransistor-Kopplern ist ihreGeschwindigkeit. Durch Bereitstellung eines separaten Basisanschlusses (über die integrierte Fotodiode) zur Vorspannung des Ausgangstransistors reduziert sie drastisch den Miller-Kapazitätseffekt, der konventionelle Fototransistoren verlangsamt. Dies macht sie für digitale Datenübertragung im Bereich von 1 Mbit/s bis 10 Mbit/s geeignet, während Standardbauteile oft auf unter 100 kbit/s begrenzt sind.

Darüber hinaus machen ihr umfassendes Portfolio internationaler Sicherheitszertifizierungen (UL, cUL, VDE, SEMKO usw.) sowie die Konformität mit halogenfreien, RoHS- und REACH-Vorschriften sie zu einer bevorzugten Wahl für globale Märkte mit strengen Umwelt- und Sicherheitsanforderungen.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Welche maximale Datenrate kann dieser Photokoppler unterstützen?

A: Basierend auf der maximalen Laufzeitverzögerung von 1,0 µs kann das Bauteil zuverlässig Datenraten von mindestens 1 Mbit/s unterstützen. Der 10 Mbit/s-Hinweis im Titel deutet auf optimierte Leistung oder eine spezifische Version hin; die tatsächliche maximale Rate hängt vom Schaltungsdesign (R_L, I_F) ab und sollte für kritische Anwendungen mit Oszilloskopmessungen verifiziert werden.

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

A: Die interne Konstruktion des Bauteils stellt die Isolation bereit. Um sie auf der Leiterplatte aufrechtzuerhalten, müssen Sie ausreichenden physikalischen Abstand (Kriech-/Luftstrecke) zwischen allen leitenden Elementen (Leiterbahnen, Pads, Bauteilen) gewährleisten, die mit der Eingangsseite (Pins 1,2,3) und der Ausgangsseite (Pins 4,5,6) verbunden sind. Befolgen Sie PCB-Layout-Richtlinien für verstärkte Isolierung basierend auf der Betriebsspannung.

F: Kann ich dies zur Isolierung analoger Signale verwenden?

A: Obwohl für analoge Signalmassenisolierung aufgeführt, ist es grundsätzlich ein digitales (Logikgatter-) Bauteil mit nichtlinearem CTR. Es ist nicht ideal für lineare analoge Signalisolierung. Für diesen Zweck wäre ein dedizierter linearer Optokoppler oder ein Isolationsverstärker besser geeignet.

10. Praktischer Anwendungsfall

Szenario: Isolierte SPI-Kommunikation in einer Motorsteuereinheit.

Ein Mikrocontroller auf einer 3,3V-Steuerplatine muss Konfigurationsdaten per SPI an einen ADC in der Nähe einer Hochleistungs-Motorphase senden. Die Massepotentiale sind störungsbehaftet und unterschiedlich. Ein ELM453H-G kann zur Isolierung der SPI-Takt- (SCK) und Chip-Select- (CS) Leitungen verwendet werden. Der Mikrocontroller-GPIO treibt die LED über einen strombegrenzenden Widerstand an. Der Ausgangspin (5) wird über einen 2,2kΩ-Widerstand auf die 5V-Versorgung des ADC hochgezogen und liefert so ein sauberes, isoliertes Logiksignal. Die hohe CMTI stellt sicher, dass die SPI-Signale nicht durch das Schaltrauschen des Motors verfälscht werden.

11. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip der optischen Kopplung. Ein elektrischer Strom, der an die Eingangs-Infrarot-Emissionsdiode (IRED) angelegt wird, veranlasst sie, Licht auszusenden. Dieses Licht durchquert eine transparente Isolationsbarriere (typischerweise aus geformtem Silikon oder Polymer) und trifft auf eine Fotodiode innerhalb des integrierten Detektorchips. Der Fotodiodenstrom wird durch eine Transistorstufe verstärkt und verarbeitet, um ein entsprechendes digitales Ausgangssignal zu erzeugen (senkt Strom zur Masse, wenn aktiv). Die vollständige elektrische Isolation wird erreicht, weil das Signal durch Licht übertragen wird, ohne elektrischen Leitungsweg über die Barriere.

12. Branchentrends

Der Trend in der Signalisolierung geht zu höheren Geschwindigkeiten, geringerem Stromverbrauch, kleineren Gehäusen und der Integration mehrerer Kanäle in einem einzigen Gehäuse. Während eigenständige Photokoppler wie die ELM453H-G aufgrund ihrer Robustheit, Hochspannungsfähigkeit und Einfachheit weiterhin entscheidend sind, konkurrieren neuere Technologien wie kapazitive Isolatoren und GMR-Isolatoren (Giant Magnetoresistance) in Anwendungen, die sehr hohe Datenraten (>100 Mbit/s) oder erhöhte Zuverlässigkeit in extremen Magnetfeldern erfordern. Optische Kopplung dominiert jedoch weiterhin in Anwendungen, die sehr hohe Betriebsspannungsisolation, bewährte Langzeitzuverlässigkeit und Immunität gegen magnetische Störungen erfordern.