EL452-G Serie 4-Pin SOP Hochspannungs-Photodarlington-Optokoppler Datenblatt - Gehäuse 4,4x7,4x2,0mm - VCEO 350V - CTR 1000% - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Die EL452-G Serie ist ein Hochspannungs-Photodarlington-Optokoppler, der für zuverlässige Signalübertragung zwischen Schaltungen mit unterschiedlichen Potenzialen entwickelt wurde. Er integriert eine infrarotemittierende Diode, die optisch mit einem Hochspannungs-Darlington-Phototransistor gekoppelt ist. Das Bauteil ist in einem kompakten 4-Pin Small Outline Package (SOP) mit einer niedrigen Bauhöhe von 2,0mm untergebracht, was es für oberflächenmontierte Anwendungen mit beengtem Platzangebot geeignet macht. Seine Hauptfunktion ist die Bereitstellung elektrischer Isolation bei gleichzeitiger Übertragung von Steuer- oder Datensignalen, um empfindliche Schaltungen vor Hochspannungstransienten und Masseproblemen zu schützen.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die Hauptvorteile dieser Komponente umfassen ihre hohe Kollektor-Emitter-Spannungsfestigkeit von 350V (V_CEO), was für die Schnittstelle zu netzgespeisten Schaltungen oder Motorsteuerungen entscheidend ist. Sie bietet ein sehr hohes Stromübertragungsverhältnis (CTR) mit einem Minimum von 1000% unter Standardtestbedingungen, was starke Ausgangssignalpegel bei moderatem Eingangsstrom gewährleistet. Das Bauteil verfügt über eine hohe Isolationsspannung von 3750V_effzwischen Eingangs- und Ausgangsseite und erfüllt damit strenge Sicherheitsnormen. Es ist zudem halogenfrei und entspricht den RoHS- und bleifreien Richtlinien. Diese Merkmale machen es ideal für Anwendungen in Telekommunikationsgeräten (Telefone, Vermittlungsstellen), industriellen Ablaufsteuerungen, Systemgeräten, Messinstrumenten und allen Szenarien, die eine sichere Signalübertragung über verschiedene Spannungsbereiche hinweg erfordern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der elektrischen, optischen und thermischen Spezifikationen des Bauteils, wie in den absoluten Maximalwerten und elektro-optischen Kenngrößen definiert.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Der Eingangs-Durchlassstrom (I_F) ist mit 60mA Dauerstrom bewertet, mit einem kurzzeitigen Spitzen-Durchlassstrom (I_FM) von 1A für 10µs. Die gesamte Verlustleistung (P_TOT) darf 170mW nicht überschreiten. Der kritische Ausgangsparameter ist die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) von 350V, die maximale Spannung, die der Ausgangstransistor sperren kann, wenn die Eingangs-LED ausgeschaltet ist. Die Isolationsspannung (V_ISO) von 3750V_efffür eine Minute spezifiziert die dielektrische Festigkeit der internen Isolationsbarriere. Das Bauteil arbeitet in einem Temperaturbereich von -55°C bis +110°C.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Die elektro-optischen Kenngrößen definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen bei 25°C.

2.2.1 Eingangskenngrößen (LED-Seite)

Die Durchlassspannung (V_F) der Infrarot-LED beträgt typischerweise 1,2V mit einem Maximum von 1,4V bei einem Durchlassstrom von 10mA. Diese niedrige V_Fträgt zu einem geringeren Leistungsverbrauch auf der Eingangsseite bei. Der Sperrstrom (I_R) beträgt maximal 10µA bei 4V Sperrspannung.

2.2.2 Ausgangskenngrößen (Phototransistor-Seite)

Der Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO), der Leckstrom bei ausgeschalteter LED, ist mit maximal 100nA bei V_CE=200V spezifiziert. Die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (BV_CEO) beträgt mindestens 350V, was die Hochspannungsfähigkeit bestätigt. Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)) beträgt typischerweise 1,2V (max. 1,5V), wenn das Bauteil vollständig leitend ist (I_F=20mA, I_C=100mA), was den Spannungsabfall am Ausgang im leitenden Zustand angibt.

2.2.3 Übertragungskenngrößen

Das Stromübertragungsverhältnis (CTR) ist der kritischste Parameter, definiert als das Verhältnis von Ausgangskollektorstrom zu Eingangs-Durchlassstrom, ausgedrückt in Prozent. Für den EL452-G beträgt das CTR mindestens 1000%, typischerweise 2000%, bei I_F=1mA und V_CE=2V. Dieser außergewöhnlich hohe CTR ist charakteristisch für eine Darlington-Konfiguration, die eine hohe Stromverstärkung bietet und es ermöglicht, kleine Eingangsströme effektiv größere Ausgangsströme steuern zu lassen. Die Schaltgeschwindigkeit wird durch die Anstiegszeit (t_r) von typisch 80µs (max. 250µs) und die Abfallzeit (t_f) von typisch 10µs (max. 100µs) charakterisiert. Diese Zeiten sind aufgrund der Darlington-Struktur und der inhärenten Ladungsspeicherung in Phototransistoren relativ langsam, was das Bauteil für Schalt- und lineare Analoganwendungen mit niedriger bis mittlerer Frequenz geeignet macht, jedoch nicht für Hochgeschwindigkeits-Digitalisolierung. Die Grenzfrequenz (f_c) beträgt typischerweise 7kHz. Der Isolationswiderstand (R_IO) beträgt mindestens 5×10¹⁰Ω, was eine ausgezeichnete DC-Isolation anzeigt.

3. Analyse der Kennlinien

Während das PDF auf das Vorhandensein typischer elektro-optischer Kennlinien hinweist, sind die spezifischen Diagramme (z.B. CTR vs. Durchlassstrom, CTR vs. Temperatur, Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung) im Textinhalt nicht enthalten. In einem vollständigen Datenblatt sind diese Kurven für das Design entscheidend. Sie zeigen typischerweise, wie das CTR mit steigender Temperatur abnimmt, wie der Ausgangsstrom bei hohen Eingangsströmen oder niedrigen Kollektor-Emitter-Spannungen sättigt, und den Zusammenhang zwischen Durchlassspannung und Strom der LED. Entwickler müssen diese Diagramme konsultieren, um das Bauteilverhalten über den gesamten Betriebsbereich zu verstehen, nicht nur bei dem typischen 25°C-Punkt.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen und Pinbelegung

Das Bauteil verwendet ein 4-Pin SOP-Gehäuse. Die Gehäusekörperabmessungen betragen etwa 4,4mm in der Länge und 7,4mm in der Breite, mit einer Bauhöhe von 2,0mm. Die Pinbelegung ist für solche Optokoppler standardmäßig: Pin 1 ist die LED-Anode, Pin 2 ist die LED-Kathode, Pin 3 ist der Phototransistor-Emitter und Pin 4 ist der Phototransistor-Kollektor. Ein empfohlenes Lötpads-Layout für die Oberflächenmontage wird bereitgestellt, um eine zuverlässige Lötung und mechanische Stabilität zu gewährleisten.

4.2 Bauteilkennzeichnung

Das Bauteil ist auf der Oberseite mit einem Code gekennzeichnet. Die Kennzeichnung umfasst "EL" (Herstellercode), "452" (Teilenummer), eine einstellige Jahreskennzahl, eine zweistellige Wochenkennzahl und optional ein "V" zur Kennzeichnung der VDE-Zulassung. Diese Kennzeichnung ermöglicht die Rückverfolgbarkeit des Herstellungsdatums und der Konformität.

5. Richtlinien für Lötung und Bestückung

5.1 Bedingungen für Reflow-Lötung

Das Datenblatt enthält detaillierte Spezifikationen für das Reflow-Lötprofil, um thermische Schäden zu verhindern. Das Profil entspricht IPC/JEDEC J-STD-020D. Zu den Schlüsselparametern gehören: eine Vorwärmphase von 150°C auf 200°C über 60-120 Sekunden, eine maximale Bauteiltemperatur (T_p) von nicht mehr als 260°C und eine Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (217°C) zwischen 60-100 Sekunden. Das Bauteil kann maximal drei Reflow-Zyklen widerstehen. Die Einhaltung dieses Profils ist entscheidend, um die Integrität der internen Epoxid-Verkapselung und der Bonddrähte zu erhalten.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Bestellnummernsystem

Die Teilenummer folgt dem Format: EL452(Y)-VG. Die "Y"-Position gibt die Band- und Rollenoption an (TA, TB oder keine für Röhrenverpackung). Das "V" bedeutet, dass die Einheit VDE-sicherheitsgeprüft ist. Das Suffix "G" zeigt an, dass das Produkt halogenfrei ist. Beispielsweise bezieht sich EL452TA-VG auf das Bauteil, das auf TA-orientiertem Band und Rolle geliefert wird, mit VDE-Zulassung und halogenfrei.

6.2 Band- und Rollenspezifikationen

Das Bauteil ist auf Standard-Embossed-Trägerband für die automatisierte Bestückung erhältlich. Zwei Zuführrichtungen sind verfügbar: Option TA und Option TB. Die Bandbreite (W) beträgt 16,0mm, die Taschenabstand (P₀) beträgt 4,0mm und die Rolle fasst typischerweise 3000 Einheiten. Detaillierte Bandabmessungen (A, B, D₀, etc.) werden für die Zuführeinstellung bereitgestellt.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Der EL452-G eignet sich aufgrund seiner hohen V_CEO gut zum Ansteuern von Triacs, Thyristoren oder MOSFETs in Netzsteuerkreisen (z.B. Halbleiterrelais). Er kann zur Pegelanpassung in Mikrocontroller-Schnittstellen, zur Isolation analoger Sensorsignale und zur Erzeugung isolierter Rückkopplungsschleifen in Schaltnetzteilen verwendet werden. Sein hohes CTR ermöglicht die direkte Ansteuerung von Mikrocontroller-GPIO-Pins (mit einem geeigneten strombegrenzenden Widerstand), ohne dass ein zusätzlicher Treibertransistor für die LED benötigt wird.

7.2 Designüberlegungen und Vorsichtsmaßnahmen

Eingangsseite:Ein Vorwiderstand muss immer mit der LED verwendet werden, um den Durchlassstrom auf einen sicheren Wert zu begrenzen, typischerweise zwischen 1mA und 20mA, abhängig vom erforderlichen CTR und der Geschwindigkeit. Die LED ist empfindlich gegenüber Sperrspannung; wenn die Treiberschaltung eine Sperrspannung erzeugen kann, wird eine Schutzdiode parallel zur LED empfohlen.
Ausgangsseite:Der Photodarlington kann erheblichen Strom (bis zu 150mA) führen. Ein Lastwiderstand muss zwischen Kollektor und der positiven Versorgungsschiene angeschlossen werden, um den Ausgangsspannungshub einzustellen und die Verlustleistung zu begrenzen. Aufgrund der Darlington-Konfiguration ist die Sättigungsspannung (V_CE(sat)) höher als bei einem einzelnen Transistor, was den Ausgangsspannungshub in Schaltanwendungen reduziert. Entwickler müssen den CTR-Abfall über Temperatur und Lebensdauer berücksichtigen; eine Designreserve von 20-50% ist ratsam. Die relativ langsamen Schaltgeschwindigkeiten schließen seine Verwendung in Hochfrequenz-PWM oder Datenkommunikation oberhalb einiger Kilohertz aus.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der EL452-G differenziert sich auf dem Markt durch seine Kombination aus Hochspannung (350V), sehr hohem CTR (mind. 1000%) und kompaktem SOP-Gehäuse. Im Vergleich zu Standard-Phototransistor-Kopplern (die CTRs von 50-600% haben können) bietet die Darlington-Konfiguration eine viel höhere Empfindlichkeit. Im Vergleich zu einigen anderen Photodarlingtons machen seine 3750Veff-Isolationsbewertung und mehrere internationale Sicherheitszulassungen (UL, CUL, VDE, SEMKO, etc.) ihn zu einer robusten Wahl für sicherheitskritische und industrielle Anwendungen. Die Halogenfreiheit und RoHS-Konformität entsprechen modernen Umweltvorschriften.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Kann ich die LED direkt von einem 5V-Logikausgang ansteuern?
A: Ja, aber Sie müssen den Vorwiderstand berechnen. Zum Beispiel, mit einer typischen V_Fvon 1,2V und einem gewünschten I_Fvon 5mA aus einer 5V-Versorgung: R = (5V - 1,2V) / 0,005A = 760Ω. Verwenden Sie einen Standard-750Ω-Widerstand.

F: Was ist die maximale Schaltfrequenz?
A: Die praktische Schaltfrequenz ist durch die Anstiegs- und Abfallzeiten begrenzt. Eine konservative Schätzung für eine Rechteckwelle ist 1/(t_r+t_f) ≈ 1/(250µs+100µs) ≈ 2,9kHz. Für einen zuverlässigen Betrieb sollten Frequenzen unter 1kHz ausgelegt werden.

F: Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung?
A: Das CTR nimmt typischerweise mit steigender Temperatur ab. Der Dunkelstrom (I_CEO) steigt mit der Temperatur. Die Durchlassspannung der LED sinkt mit der Temperatur. Diese Effekte müssen für einen stabilen Betrieb über den gesamten Temperaturbereich berücksichtigt werden.

F: Ist ein externer Basisanschluss zur Geschwindigkeitserhöhung verfügbar?
A: Nein. Dies ist ein Standard-Photodarlington ohne externen Basisanschluss. Die Schaltgeschwindigkeit kann nicht durch externe Komponenten verbessert werden.

10. Praktische Design-Fallstudie

Szenario:Isolierung eines 3,3V-Mikrocontrollersignals zur Steuerung einer 24V DC-Relais-Spule.
Umsetzung:Der Mikrocontroller-GPIO-Pin (3,3V) steuert die LED über einen 470Ω-Widerstand an, was I_F≈ (3,3V - 1,2V)/470Ω ≈ 4,5mA einstellt. Die Relaisspule (24V, 50Ω Spule ≈ 480mA) ist zwischen einer 24V-Versorgung und dem Kollektor des EL452-G geschaltet. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Eine Freilaufdiode muss parallel zur Relaisspule platziert werden, um Spannungsspitzen zu unterdrücken, wenn der Photodarlington abschaltet. Bei 4,5mA Eingangsstrom gewährleistet das CTR einen gesättigten Ausgang, der in der Lage ist, den Relaisstrom zu führen, wobei V_CE(sat)einen kleinen Spannungsabfall verursacht. Die 350V V_CEObietet einen ausreichenden Spielraum gegenüber der 24V-Versorgung und induktiven Spannungsspitzen.

11. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip der optischen Kopplung. Wenn Strom durch die infrarotemittierende Leuchtdiode (LED) auf der Eingangsseite fließt, emittiert sie Photonen. Diese Photonen überqueren einen transparenten Isolationsspalt und treffen auf die Basisregion des Darlington-Phototransistorpaars auf der Ausgangsseite. Die absorbierten Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare, was einen Basisstrom erzeugt, der das Darlington-Transistorpaar einschaltet. Dies ermöglicht einen viel größeren Stromfluss vom Kollektor zum Emitter, proportional zum LED-Strom (definiert durch das CTR). Der Schlüssel ist, dass das Signal durch Licht übertragen wird, was eine vollständige galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltung bietet, da keine elektrische Verbindung besteht – nur ein optischer Pfad durch ein isolierendes Material.

12. Branchentrends und Entwicklungen

Der Optokoppler-Markt entwickelt sich ständig weiter. Zu den Trends gehört die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Digitalisolatoren auf Basis von CMOS- und RF-Technologie, die im Vergleich zu traditionellen Optokopplern überlegene Geschwindigkeit, Leistungsaufnahme und Störfestigkeit bieten. Allerdings behalten Photodarlington- und Phototransistor-Optokoppler wie der EL452-G starke Positionen in Anwendungen, die Hochspannungsfähigkeit, hohen Ausgangsstrom, Einfachheit, Robustheit und Kosteneffektivität für Isolation bei niedrigen bis mittleren Frequenzen erfordern. Es gibt auch einen kontinuierlichen Trend zur Miniaturisierung, höheren Integration (z.B. Kombination mehrerer Kanäle), verbesserter Zuverlässigkeit und erweiterten Sicherheitszertifizierungen, um sich entwickelnden globalen Standards gerecht zu werden. Der Schritt zu halogenfreien und umweltfreundlichen Materialien, wie beim EL452-G, ist eine Standardanforderung der Branche.