8-Pin DIP Wide Body Hochgeschwindigkeits-1Mbit/s-Transistor-Photokoppler ELW135 ELW136 ELW4503 Datenblatt - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die Bausteine ELW135, ELW136 und ELW4503 sind Hochgeschwindigkeits-Photokoppler mit Transistorausgang (Optokoppler) für Anwendungen, die eine schnelle Signalisolation erfordern. Jedes Bauteil integriert eine infrarotemittierende Diode, die optisch mit einem Hochgeschwindigkeits-Fotodetektor-Transistor gekoppelt ist. Ein wesentliches Konstruktionsmerkmal ist die separate Anschlussmöglichkeit für die Fotodioden-Vorspannung und den Kollektor des Ausgangstransistors. Dieses Design verbessert die Schaltgeschwindigkeit erheblich, indem die Basis-Kollektor-Kapazität des Eingangstransistors reduziert wird, und bietet eine um Größenordnungen bessere Leistung als herkömmliche Fototransistor-Koppler. Die Bauteile sind in einem 8-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) mit breitem Rumpf untergebracht, erhältlich sowohl als Durchsteckmontage-Version (mit großem Leiterabstand) als auch als SMD-Option (Surface-Mount Device).

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der primäre Vorteil dieser Produktfamilie ist die Kombination aus hoher Geschwindigkeit (1 Mbit/s Datenrate) und robuster Isolation (5000 V_eff). Dies macht sie geeignet, um langsamere Fototransistor-Koppler in modernen digitalen Systemen zu ersetzen. Sie sind für einen zuverlässigen Betrieb über einen weiten Temperaturbereich von -55°C bis +100°C ausgelegt, mit garantierten Leistungswerten von 0°C bis 70°C. Wichtige Zielanwendungen sind Leitungsempfänger in Kommunikationsschnittstellen, Isolation für Leistungstransistoren in Motorsteuerungen, Rückkopplungsschleifen in Schaltnetzteilen (SMPS), Hochgeschwindigkeits-Logik-Potentialtrennung, Telekommunikationsgeräte und verschiedene Haushaltsgeräte. Die Bauteile entsprechen den Richtlinien für bleifreie und RoHS-konforme Produkte und verfügen über Zulassungen von wichtigen internationalen Sicherheitsorganisationen wie UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO und FIMKO.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine objektive Analyse der im Datenblatt spezifizierten elektrischen und Leistungsparameter.

2.1 Absolute Grenzwerte

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

• Eingang (LED):Der Dauer-Durchlassstrom (I_F) ist mit 25 mA spezifiziert. Für gepulsten Betrieb ist ein Spitzen-Durchlassstrom (I_FP) von 50 mA bei 50% Tastverhältnis und 1ms Pulsbreite zulässig. Ein sehr hoher Spitzen-Transientenstrom (I_Ftrans) von 1A ist für sehr kurze Pulse (≤1μs) bei niedriger Wiederholrate (300 pps) zulässig, was für Überspannungsfestigkeitstests nützlich ist. Die maximale Sperrspannung (V_R) über der LED beträgt 5V.
• Ausgang (Fototransistor):Für den ELW135/136 beträgt die Emitter-Basis-Sperrspannung (V_EBR) 5V, und der Basisstrom (I_B) ist auf 5 mA begrenzt – relevant, wenn der Basis-Pin extern verwendet wird. Der mittlere Ausgangsstrom (I_O(AVG)) beträgt 8 mA, mit einem Spitzenwert (I_O(PK)) von 16 mA. Die Ausgangsspannung (V_O) kann relativ zum Ausgangsmasseanschluss von -0,5V bis +20V schwingen.
• System:Die Versorgungsspannung (V_CC) für die Ausgangsseite kann im Bereich von -0,5V bis +30V liegen. Die Isolationsspannung (V_ISO) beträgt 5000 V_eff, angelegt für eine Minute zwischen Eingangs- und Ausgangsseite (Pins 1-4 kurzgeschlossen gegenüber Pins 5-8 kurzgeschlossen). Das Bauteil kann bei 260°C für bis zu 10 Sekunden gelötet werden.

2.2 Elektrische und Übertragungskennlinien

Diese Parameter sind über den Betriebstemperaturbereich (0°C bis 70°C) garantiert, sofern nicht anders angegeben, mit typischen Werten bei 25°C.

• Eingangs-LED:Die Durchlassspannung (V_F) beträgt typischerweise 1,45V bei I_F=16mA, maximal 1,8V. Sie hat einen negativen Temperaturkoeffizienten von etwa -1,9 mV/°C.
• Ausgangs-Dunkelstrom:Der Logik-High-Ausgangsstrom (I_OH), im Wesentlichen der Leck- oder "Dunkel"-Strom des Fototransistors, ist sehr niedrig (max. 1 µA bei V_CC=15V, 25°C), was eine gute Isolation im AUS-Zustand gewährleistet.
• Versorgungsstrom:Der Logik-Low-Versorgungsstrom (I_CCL) beträgt typischerweise 110 µA, wenn die LED eingeschaltet ist (I_F=16mA), während der Logik-High-Versorgungsstrom (I_CCH) typischerweise 0,01 µA beträgt, wenn die LED ausgeschaltet ist.
• Stromübertragungsverhältnis (CTR):Dies ist ein kritischer Parameter, der die Effizienz des Optokopplers definiert. Der ELW135 hat einen CTR-Bereich von 7% bis 50% (min. bis max.), während ELW136 und ELW4503 einen Bereich von 19% bis 50% aufweisen. Die Testbedingung ist I_F=16mA, V_O=0,4V, V_CC=4,5V bei 25°C. Das Datenblatt spezifiziert auch minimale CTR-Werte von 5% für ELW135 und 15% für ELW136/ELW4503 unter einer leicht anderen Bedingung (V_O=0,5V), was für den Design-Spielraum wichtig ist.
• Logik-Low-Ausgangsspannung (V_OL):Dies spezifiziert die Sättigungsspannung des Ausgangstransistors. Für den ELW135 mit I_O=1,1mA beträgt V_OLtypischerweise 0,18V (max. 0,4V). Für ELW136/ELW4503 mit I_O=3mA beträgt V_OLtypischerweise 0,25V (max. 0,4V). Diese niedrigen Werte sind entscheidend für gute Störabstände in digitalen Logikschnittstellen.

2.3 Schaltverhalten

Das Schaltverhalten wird mit I_F=16mA und V_CC=5V gemessen. Der Wert des Lastwiderstands (R_L) unterscheidet sich zwischen den Modellen, um deren CTR und Ausgangstreiberfähigkeit anzupassen.

• Laufzeitverzögerung:
  • ELW135:Die Laufzeitverzögerung auf Logik Low (t_PHL) beträgt typischerweise 0,36 µs (max. 2,0 µs) mit R_L=4,1 kΩ. Die Laufzeitverzögerung auf Logik High (t_PLH) beträgt typischerweise 0,45 µs (max. 2,0 µs).
  • ELW136 / ELW4503:Diese schnelleren Varianten haben t_PHLtypischerweise 0,32 µs (max. 1,0 µs) und t_PLHtypischerweise 0,25 µs (max. 1,0 µs) mit R_L=1,9 kΩ.
• Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI):Dies misst die Fähigkeit des Bauteils, schnelle Spannungstransienten zwischen den Eingangs- und Ausgangsmassen zu unterdrücken. Sie wird in V/µs angegeben.
  • ELW135/136:Beide haben eine minimale CMTI von 1000 V/µs für sowohl High- als auch Low-Ausgangszustände, getestet mit einem 10V_ssGleichtaktpuls.
  • ELW4503:Dieses Modell bietet eine überlegene Störfestigkeit mit einer minimalen CMTI von 15.000 V/µs, getestet mit einem wesentlich größeren 1500V_ssPuls. Dies macht es besonders geeignet für hochstörbehaftete Umgebungen wie Motorsteuerungen.

3. Pinbelegung und funktionale Unterschiede

Das 8-Pin-DIP-Gehäuse hat eine standardisierte Pinbelegung mit einer wesentlichen Variation zwischen den Bauteiltypen.

• Pin 1 & 4:Kein Anschluss (NC) bei allen Modellen.
• Pin 2 & 3:Anode bzw. Kathode der Eingangs-LED.
• Pin 5:Masse (GND) für die Ausgangsseite.
• Pin 6:Ausgangsspannung (V_OUT), der Kollektor des Fototransistors.
• Pin 7:Dieser Pin unterscheidet sich. BeiELW135 und ELW136handelt es sich um die Fotodioden-Vorspannung (V_B). Der Anschluss dieses Pins ist für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb wesentlich. BeimELW4503ist Pin 7 kein Anschluss (NC). Die Hochgeschwindigkeits-Vorspannung wird beim ELW4503 wahrscheinlich intern behandelt.
• Pin 8:Versorgungsspannung (V_CC) für die Ausgangsseite.

Die Schaltpläne zeigen den internen Aufbau: Die Fotodiode (die die Basis des Transistors ansteuert) ist zwischen Pin 7 (V_B) und Pin 6 (V_OUT/Kollektor) geschaltet. Der Emitter des Fototransistors ist mit Pin 5 (GND) verbunden.

4. Anwendungsempfehlungen

4.1 Typische Anwendungsschaltungen

Diese Photokoppler sind ideal für die digitale Signalisolation. Eine typische Schaltung beinhaltet den Anschluss der Eingangs-LED in Reihe mit einem strombegrenzenden Widerstand an einen Mikrocontroller- oder Logikgatterausgang. Auf der Ausgangsseite wird ein Pull-up-Widerstand (R_L) zwischen V_CC(Pin 8) und V_OUT(Pin 6) geschaltet. Der Wert von R_Lmuss basierend auf der gewünschten Schaltgeschwindigkeit, dem Ausgangsstrom und dem CTR des Bauteils gewählt werden, wie in den Datenblatttabellen angegeben (z.B. 4,1 kΩ für ELW135, 1,9 kΩ für ELW136/4503 für die Schalttests). Für ELW135/136 muss Pin 7 (V_B) angeschlossen werden, oft über einen Widerstand oder direkt an V_CC, abhängig von der gewünschten Vorspannung für Geschwindigkeit vs. Empfindlichkeit.

4.2 Designüberlegungen und Hinweise

• Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und CTR:Der separate Basis-Anschluss (Pin 7) ermöglicht es, durch Anpassung der Fotodioden-Vorspannung etwas CTR gegen höhere Geschwindigkeit einzutauschen. Die Schaltspezifikationen im Datenblatt gelten für eine bestimmte Bedingung.
• Modellauswahl:Wählen Sie ELW135 für universelle, kostenbewusste 1Mbit/s-Anwendungen. ELW136 bietet einen höheren minimalen CTR für einen besseren Spielraum in Designs, die mehr Ausgangsstromtreiberleistung benötigen. ELW4503 ist die Premium-Wahl für Umgebungen mit extrem hoher elektrischer Störung (z.B. industrielle Motorsteuerungen, Wechselrichter) aufgrund seiner außergewöhnlichen CMTI von >15 kV/µs gegenüber 1 kV/µs.
• Verlustleistung:Stellen Sie sicher, dass die Eingangsleistung (I_F* V_F) 45 mW und die Ausgangsleistung 100 mW nicht überschreitet, unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur.
• Layout für Isolation:Um die hohe Isolationsfestigkeit aufrechtzuerhalten, sorgen Sie für ausreichende Kriech- und Luftstrecken auf der Leiterplatte zwischen den Leiterbahnen der Eingangsseite (Pins 1-4) und der Ausgangsseite (Pins 5-8). Ein Schlitz oder eine Barriere in der Leiterplatte unter dem Bauteil wird oft empfohlen.

5. Verpackung und Bestellinformationen

Die Bauteile sind in verschiedenen Verpackungsoptionen erhältlich, die durch ein Suffix in der Artikelnummer gekennzeichnet sind.

Artikelnummernformat:ELW13XY(Z)-Voder ELW4503Y(Z)-V

• X= Artikelnummern-Identifikator (5 für ELW135, 6 für ELW136).
• Y= Anschlussform-Option: 'S' für SMD-Anschlussform, leer für Standard-DIP.
• Z= Tape-and-Reel-Option: 'TA' oder 'TB', leer für Röhrenverpackung.
• V= Optionale VDE-Zulassungskennzeichnung.

Packungsmengen:Standard-DIP-8-Gehäuse werden in Röhren mit 40 Stück geliefert. Die SMD-Option mit Tape and Reel ('S(TA)') wird auf Spulen mit 500 Stück geliefert.

6. Technischer Vergleich und FAQs

6.1 Unterscheidung der Modelle

Die primären Unterscheidungsmerkmale sind das Stromübertragungsverhältnis (CTR) und die Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI). Der ELW135 hat den niedrigsten garantierten CTR (7-50%), der ELW136 hat einen höheren minimalen CTR (19-50%), und der ELW4503 entspricht dem CTR des ELW136, fügt aber eine wesentlich überlegene CMTI-Bewertung hinzu (>15 kV/µs vs. 1 kV/µs). Beim ELW4503 ist Pin 7 zudem NC, was die externe Schaltung im Vergleich zu ELW135/136, die einen Anschluss an Pin 7 erfordern, vereinfacht.

6.2 Häufig gestellte Fragen zu den Parametern

• F: Welche maximale Datenrate ist erreichbar?A: Die Bauteile sind für einen Betrieb mit 1 Mbit/s charakterisiert, basierend auf den Laufzeitverzögerungsspezifikationen. Die tatsächliche maximale Rate hängt vom spezifischen Schaltungsdesign ab, einschließlich R_Lund den Eingangsansteuerbedingungen.
• F: Kann ich eine 3,3V V_CC?A: Die elektrischen Kennwerte werden mit V_CC=4,5V und 5V getestet. Während der absolute Maximalwert bis -0,5V zulässt, ist ein Betrieb bei 3,3V möglicherweise möglich, aber die Leistung (wie V_OLund Schaltzeiten) sollte unter der tatsächlich niedrigeren V_CC-Bedingung überprüft werden, da sie im vorliegenden Datenblatt nicht vollständig charakterisiert ist.
• F: Warum ist Pin 7 (V_B) für ELW135/136 wichtig?A: Der Anschluss von Pin 7 bietet einen niederohmigen Pfad, um Ladung aus der Fotodioden/Basis-Sperrschicht abzuführen, was den Miller-Kapazitätseffekt drastisch reduziert und den Hochgeschwindigkeitsschaltbetrieb ermöglicht. Wenn er nicht angeschlossen wird, führt dies zu einer Leistung ähnlich einem langsamen, herkömmlichen Fototransistor-Koppler.
• F: Wie stelle ich die 5000V_effIsolation in meinem Design sicher?A: Das Bauteil selbst ist dafür ausgelegt. Der Systemdesigner muss sicherstellen, dass das PCB-Layout ausreichende Kriech-/Luftstrecken (z.B. >8mm für verstärkte Isolation bei dieser Spannungsebene gemäß Sicherheitsnormen) zwischen allen Eingangs- und Ausgangsschaltungen einhält, einschließlich unter dem Bauteilgehäuse.

7. Funktionsprinzip

Das grundlegende Prinzip ist die optoelektronische Isolation. Ein elektrisches Signal am Eingang der LED veranlasst diese, Infrarotlicht zu emittieren. Dieses Licht durchquert eine optisch transparente, aber elektrisch isolierende Barriere (typischerweise eine Vergussmasse oder ein Luftspalt) innerhalb des Gehäuses. Das Licht wird von einer Fotodiode auf der Ausgangsseite detektiert, die einen Fotostrom erzeugt. Bei diesen Hochgeschwindigkeitsbauteilen moduliert dieser Fotostrom direkt die Basis eines integrierten Bipolartransistors. Der Schlüssel zur hohen Geschwindigkeit ist der separate Zugang zur Fotodiode (Pin 7 bei ELW135/136), der es ermöglicht, die Fotodiodenkapazität schnell aufzuladen/entladen, die Speicherzeit im Transistor zu minimieren und somit die Laufzeitverzögerung sowie die Anstiegs-/Abfallzeiten zu reduzieren.