8-Pin DIP Hochgeschwindigkeits-1Mbit/s-Transistor-Fotokoppler 6N135 6N136 EL450x Serie Datenblatt - Gehäuse DIP-8 - Isolationsspannung 5000Veff - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die Bausteine 6N135, 6N136, EL4502 und EL4503 bilden eine Familie von Hochgeschwindigkeits-Transistorausgangs-Fotokopplern (Optokopplern), die für Anwendungen entwickelt wurden, die eine schnelle galvanische Trennung digitaler Signale erfordern. Jedes Bauteil integriert eine Infrarot-Leuchtdiode (LED), die optisch mit einem Hochgeschwindigkeits-Fotodetektor-Transistor gekoppelt ist. Der Kernvorteil dieser Serie liegt in ihrer speziellen Pinbelegung, die die Vorspannung der Fotodiode und den Kollektor des Ausgangstransistors trennt. Diese architektonische Wahl reduziert die Basis-Kollektor-Kapazität des Eingangstransistors erheblich und ermöglicht Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 1 Megabit pro Sekunde (1Mbit/s), was um Größenordnungen schneller ist als bei herkömmlichen Fototransistor-basierten Kopplern.

Die Bauteile werden in einem standardmäßigen 8-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) angeboten und sind mit Optionen für weiten Rasterabstand und Oberflächenmontage verfügbar. Sie sind für den Betrieb über einen weiten Temperaturbereich spezifiziert und entsprechen wichtigen internationalen Sicherheitsnormen, was sie für industrielle, telekommunikative und Leistungselektronik-Anwendungen geeignet macht.

2. Tiefgehende objektive Interpretation der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Die absoluten Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein kontinuierlicher Betrieb bei oder nahe diesen Grenzwerten wird nicht empfohlen. Zu den wichtigsten Grenzwerten gehören:

• Eingangs-Durchlassstrom (I_F): 25 mA Dauerbetrieb. Der Spitzen-Durchlassstrom (I_FP) ist für Impulse mit einem Tastverhältnis von 50% und einer Impulsbreite von 1 ms mit 50 mA spezifiziert.
• Sperrspannung (V_R): Maximal 5 V an der Eingangs-LED.
• Ausgangsspannung (V_O): Bereich von -0,5 V bis +20 V am Ausgangspin.
• Versorgungsspannung (V_CC): Bereich von -0,5 V bis +30 V für die Versorgung der Ausgangsseite.
• Isolationsspannung (V_ISO): 5000 V_efffür 1 Minute. Dies ist ein kritischer Sicherheitsparameter, der durch Kurzschließen der Pins der Eingangsseite (1-4) miteinander und der Pins der Ausgangsseite (5-8) miteinander geprüft wird.
• Betriebstemperatur (T_OPR): -55°C bis +100°C. Dieser weite Bereich gewährleistet eine zuverlässige Leistung in rauen Umgebungen.
• Gesamtverlustleistung (P_TOT): 200 mW, kombiniert aus den Leistungsgrenzen von Eingang und Ausgang.

2.2 Elektrische und Übertragungskennwerte

Diese Parameter sind über den Betriebstemperaturbereich von 0°C bis 70°C garantiert, sofern nicht anders angegeben. Sie definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen.

• Durchlassspannung (V_F): Typischerweise 1,45V bei I_F= 16 mA. Dies ist wichtig für die Auslegung des strombegrenzenden Eingangskreises.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR): Dies ist das Verhältnis des Kollektorstroms des Ausgangstransistors zum Durchlassstrom der Eingangs-LED, ausgedrückt in Prozent. Der 6N135 hat ein minimales CTR von 7% (typ. Szenario), während der 6N136, EL4502 und EL4503 ein Minimum von 19% aufweisen. Dieser Parameter beeinflusst direkt den erforderlichen Treiberstrom für einen bestimmten Ausgangsstrom.
• Logik-Pegel-Low-Ausgangsspannung (V_OL): Die Spannung am Ausgangspin, wenn das Bauteil im "EIN"-Zustand ist. Für den 6N135 wird garantiert, dass sie unter 0,4V (max) bei I_F=16mA und I_O=1,1mA liegt. Für den 6N136/EL450x liegt sie unter 0,4V bei I_O=3mA. Ein niedriger V_OL-Wert ist entscheidend für saubere Logik-Low-Signale.
• Versorgungsströme (I_CCL, I_CCH): I_CCList der Strom, der aus V_CCgezogen wird, wenn der Ausgang niedrig ist (LED ein), typischerweise 140 µA. I_CCHist der Strom, wenn der Ausgang hoch ist (LED aus), typischerweise 0,01 µA, was auf einen sehr geringen Leistungsverbrauch im Ruhezustand hinweist.

3. Schaltcharakteristiken

Diese Parameter quantifizieren die Geschwindigkeit des Bauteils, was sein Hauptunterscheidungsmerkmal ist. Die Tests werden bei I_F=16mA und V_CC=5V durchgeführt.

• Laufzeitverzögerung (t_PHL, t_PLH): Dies ist die Zeitverzögerung zwischen der Flanke des Eingangssignals und der entsprechenden Ausgangsantwort.
  • 6N135: t_PHL(auf Low) beträgt typischerweise 0,35 µs (max 2,0 µs); t_PLH(auf High) beträgt typischerweise 0,5 µs (max 2,0 µs) mit R_L=4,1kΩ.
  • 6N136/EL450x: t_PHLbeträgt typischerweise 0,35 µs (max 1,0 µs); t_PLHbeträgt typischerweise 0,3 µs (max 1,0 µs) mit R_L=1,9kΩ.
  Diese schnellen Laufzeitverzögerungen ermöglichen eine zuverlässige Datenübertragung bei 1Mbit/s.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CM_H, CM_L): Dies misst die Fähigkeit des Bauteils, schnelle Spannungstransienten (Rauschen) abzuweisen, die gleichermaßen auf beiden Seiten der Isolationsbarriere auftreten. Sie wird in Volt pro Mikrosekunde (V/µs) angegeben.
  • 6N135/6N136/EL4502: Mindestens 1000 V/µs für sowohl High- als auch Low-Zustände.
  • EL4503: Deutlich höher, mit einem typischen Wert von 20.000 V/µs und einem Minimum von 15.000 V/µs, was ihn ideal für sehr rauschbehaftete Umgebungen wie Motorantriebe macht.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Pinbelegung

Die Bauteile verwenden ein 8-Pin-DIP-Gehäuse. Die Pinbelegung unterscheidet sich leicht zwischen dem 6N135/6N136 und dem EL4502/EL4503, hauptsächlich in der Funktion von Pin 7.

Für 6N135 / 6N136:

1. Nicht verbunden (NC)
2. Anode (Eingangs-LED-Anode)
3. Kathode (Eingangs-LED-Kathode)
4. Nicht verbunden (NC)
5. Masse (Ausgangsseitige Masse, GND)
6. Ausgangsspannung (V_OUT)
7. Vorspannung (V_B) - Dieser Pin bietet einen separaten Anschluss zur Vorspannung der internen Fotodiode, was der Schlüssel zur Erreichung hoher Geschwindigkeit ist.
8. Versorgungsspannung (V_CC)

Für EL4502 / EL4503:

1. Nicht verbunden (NC)
2. Anode (Eingangs-LED-Anode)
3. Kathode (Eingangs-LED-Kathode)
4. Nicht verbunden (NC)
5. Masse (Ausgangsseitige Masse, GND)
6. Ausgangsspannung (V_OUT)
7. Nicht verbunden (NC) - Hinweis: Pin 7 ist bei diesen Varianten nicht angeschlossen.
8. Versorgungsspannung (V_CC)

5. Anwendungsempfehlungen

5.1 Typische Anwendungsszenarien

• Leitungstreiber & Telekommunikationsgeräte: Isolierung digitaler Datenleitungen (z.B. RS-232, RS-485), um Masseschleifen zu verhindern und empfindliche Schaltungen vor Überspannungen zu schützen.
• Leistungstransistor-Isolierung in Motorantrieben & Schaltnetzteilen (SMPS): Bereitstellung von Gate-Treibersignalen für High-Side-Leistungs-MOSFETs/IGBTs unter Beibehaltung der galvanischen Trennung. Die hohe Gleichtakt-Transienten-Immunität (insbesondere des EL4503) ist hier entscheidend.
• Hochgeschwindigkeits-Logik-Massetrennung: Unterbrechung von Masseschleifen zwischen digitalen Subsystemen, die mit unterschiedlichen Potenzialen arbeiten, um Rauschkopplung zu verhindern.
• Ersatz für langsame Fototransistor-Koppler: Aufrüstung bestehender Designs für höhere Datenraten ohne größere Schaltungsänderungen.
• Haushaltsgeräte & Industriesteuerungen: Trennung von Benutzeroberflächen-Mikrocontrollern von Leistungsstufen.

5.2 Designüberlegungen

• Eingangsstrombegrenzung: Ein externer Widerstand muss in Reihe mit der Eingangs-LED geschaltet werden, um den Durchlassstrom (I_F) auf den gewünschten Wert zu begrenzen, typischerweise etwa 16 mA für optimale Geschwindigkeit und CTR. Der Widerstandswert wird berechnet als (Versorgungsspannung - V_F) / I_F.
• Ausgangs-Pull-Up-Widerstand: Ein Pull-Up-Widerstand (R_L) ist zwischen V_OUT(Pin 6) und V_CC(Pin 8) erforderlich. Sein Wert beeinflusst sowohl die Schaltgeschwindigkeit als auch die Ausgangsstromfähigkeit. Das Datenblatt gibt Testbedingungen mit R_L=4,1kΩ für 6N135 und 1,9kΩ für 6N136/EL450x an. Niedrigere Werte erhöhen die Geschwindigkeit, aber auch die Verlustleistung.
• Entkopplungskondensatoren: Platziere einen 0,1 µF Keramikkondensator nahe den V_CC- und GND-Pins auf der Ausgangsseite, um hochfrequentes Rauschen zu entkoppeln.
• Layout für hohe CMR: Um eine hohe Gleichtaktunterdrückung aufrechtzuerhalten, minimiere die parasitäre Kapazität zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite im Leiterplattenlayout. Halte die Leiterbahnen auf beiden Seiten der Isolationsbarriere gut getrennt.

6. Technischer Vergleich und Auswahlhilfe

Die Hauptunterschiede innerhalb dieser Serie liegen im Stromübertragungsverhältnis (CTR) und der Gleichtaktunterdrückung (CMR).

• 6N135 vs. 6N136/EL4502: Der 6N135 hat ein niedrigeres minimales CTR (7% vs. 19%). Das bedeutet, er benötigt möglicherweise einen etwas höheren Eingangsstrom, um denselben Ausgangsstromhub zu erreichen. Der 6N136/EL4502 bietet eine bessere Reserve.
• EL4503 vs. Andere: Der EL4503 zeichnet sich durch seine außergewöhnlich hohe Gleichtakt-Transienten-Immunität (15.000 V/µs min) aus. Dies macht ihn zur bevorzugten Wahl für Anwendungen mit extrem hohem elektrischem Rauschen, wie z.B. in Frequenzumrichtern (FU) oder industriellen Motorsteuerungen, wo schnelle Spannungsspitzen (dV/dt) häufig sind.
• Auswahlzusammenfassung:
  • Für universelle Hochgeschwindigkeitsisolierung mit gutem CTR: Wähle 6N136 oder EL4502.
  • Wenn die Kosten ein Hauptfaktor sind und ein niedrigeres CTR akzeptabel ist: 6N135 kann ausreichen.
  • Für die anspruchsvollsten, rauschbehafteten Leistungselektronik-Umgebungen: Der EL4503 ist speziell für diese Rolle konzipiert.

7. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Hauptvorteil dieses Fotokopplers gegenüber einem Standard-4N35?

A: Geschwindigkeit. Die spezielle Vorspannungs-Pin-Architektur (V_Bbeim 6N135/136) reduziert die interne Kapazität und ermöglicht einen Betrieb bei 1Mbit/s, während ein Standard-Fototransistor-Koppler wie der 4N35 typischerweise auf unter 100 kbit/s begrenzt ist.

F: Kann ich eine einzelne 5V-Versorgung für sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsseite verwenden?

A: Elektrisch ja, aber das vereitelt den Zweck der Isolierung. Für eine echte galvanische Trennung müssen die Eingangsseite (LED) und die Ausgangsseite (Detektor, V_CC, GND) von separaten, nicht verbundenen Netzteilen oder von einem isolierten DC-DC-Wandler versorgt werden.

F: Warum gibt es zwei verschiedene empfohlene Pull-Up-Widerstandswerte (4,1kΩ vs. 1,9kΩ)?

A: Die unterschiedlichen CTR-Spezifikationen der Bauteile führen zu unterschiedlichen optimalen Arbeitspunkten. Der 6N135 mit niedrigerem CTR verwendet einen höheren Pull-Up-Widerstand, um den Ausgangsstrom für eine gegebene Ausgangs-Low-Spannungsspezifikation zu begrenzen und dennoch die Zielgeschwindigkeit zu erreichen. Der 6N136/EL450x mit höherem CTR kann einen niedrigeren Widerstandswert verwenden, was die Schaltgeschwindigkeit weiter verbessern kann.

F: Was bedeutet "bleifrei und RoHS-konform" für meinen Bestückungsprozess?

A: Es bedeutet, dass das Bauteil ohne Blei (Pb) hergestellt wird und der Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe entspricht. Dies ermöglicht seinen Einsatz in Produkten, die in Regionen mit diesen Umweltvorschriften verkauft werden. Die Löttemperaturbewertung (260°C für 10 Sekunden) ist für bleifreie Lötprozesse spezifiziert.

8. Funktionsprinzip

Ein Transistorausgangs-Fotokoppler arbeitet nach dem Prinzip der optischen Isolierung. Ein elektrischer Strom auf der Eingangsseite veranlasst eine Infrarot-Leuchtdiode (LED) zum Emittieren von Licht. Dieses Licht überquert einen kleinen Spalt innerhalb des Gehäuses und trifft auf die Basisregion eines Fototransistors auf der Ausgangsseite. Die eintreffenden Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in der Basis, die effektiv als Basisstrom wirken. Dieser "optische Basisstrom" schaltet den Transistor ein und ermöglicht einen viel größeren Kollektorstrom, der von V_CCzum Ausgangspin fließt und durch den Transistor auf Low gezogen wird. Wenn der Eingangsstrom null ist, ist die LED aus, kein Licht trifft den Transistor, und er bleibt im Aus-Zustand, sodass der Ausgangspin durch den externen Widerstand auf High gezogen werden kann. Der Schlüssel zur hohen Geschwindigkeit in dieser Serie ist der separate Anschluss für die interne Fotodiode, die die Basis des Transistors versorgt, wodurch die Miller-Kapazität minimiert wird, die normalerweise Fototransistoren verlangsamt.

9. Verpackung und Bestellinformationen

Die Bauteile folgen einem spezifischen Teilenummernschema:6N13XY(Z)-VoderEL450XY(Z)-V.

• X: Teilenummern-Identifikator (5 oder 6 für 6N-Serie; 2 oder 3 für EL450-Serie).
• Y: Anschlussform-Option.
  • Keine: Standard DIP-8 (0,3" Reihenabstand), verpackt in Stangen zu 45 Stück.
  • M: Weite Anschlussbiegung (0,4" Abstand), verpackt in Stangen zu 45 Stück.
  • S: Oberflächenmontage-Anschlussform.
• Z: Band- und Rolle-Option (z.B. TA). Wird mit der 'S'-Option für SMD-Bauteile verwendet, typischerweise 1000 Stück pro Rolle.
• V: Optionales Suffix, das die VDE-Zulassung angibt.