6N138 6N139 Optokoppler Datenblatt - 8-Pin DIP-Gehäuse - Hochverstärkender Split-Darlington - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die 6N138 und 6N139 sind leistungsstarke Optokoppler mit geringem Eingangsstrom und einer Split-Darlington-Phototransistor-Ausgangsstufe. Diese Bauteile sind für eine sehr hohe Stromübertragungsrate (CTR) ausgelegt, was eine zuverlässige Signalübertragung mit minimalem Eingangssteuerstrom ermöglicht. Sie sind in einem standardmäßigen 8-Pin-Dual-Inline-Gehäuse (DIP) untergebracht, mit Optionen für weiten Pinabstand und Oberflächenmontage. Die Hauptfunktion besteht darin, eine elektrische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen zu schaffen, um empfindliche Logik vor Spannungsspitzen und Masseschleifen zu schützen.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der entscheidende Vorteil dieser Optokoppler ist ihre außergewöhnlich hohe typische CTR von 2000%, die eine direkte Anbindung an Logiksignale mit niedrigem Strom ermöglicht, ohne zusätzliche Verstärkung zu benötigen. Sie sind von führenden internationalen Sicherheitsbehörden (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) zertifiziert und bieten eine hohe Isolationsspannung von 5000 Vrms. Diese Eigenschaften machen sie ideal für industrielle, telekommunikative und Computeranwendungen, bei denen Störfestigkeit, Sicherheitsisolation und Signalintegrität entscheidend sind. Zu den Zielmärkten zählen Industrieautomation, Rückkopplungsschleifen in Netzteilen, digitale Schnittstellenisolierung und Kommunikationsleitungsempfänger.

2. Vertiefung der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine objektive Interpretation 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. Die Eingangs-Infrarot-LED hat einen maximalen Dauer-Durchlassstrom (IF) von 20 mA und kann für sehr kurze Impulse (<1 µs) einen Spitzenstrom von 1 A verkraften. Der maximale Kollektorstrom (IO) des Ausgangstransistors beträgt 60 mA, und seine Verlustleistung (PO) ist auf 100 mW begrenzt. Das Bauteil kann in einem Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis +85°C betrieben werden. Die Isolationsspannung von 5000 Vrms ist ein wichtiger Sicherheitsparameter, der getestet wird, indem alle Eingangspins und alle Ausgangspins jeweils miteinander kurzgeschlossen werden.

2.2 Elektrische Eigenschaften

Die elektrischen Eigenschaften sind über den kommerziellen Temperaturbereich von 0°C bis 70°C garantiert. Für die Eingangs-LED beträgt die typische Durchlassspannung (VF) 1,3V bei IF = 1,6 mA. Die Parameter des Ausgangsteils unterscheiden sich leicht zwischen 6N138 und 6N139. Der 6N139 bietet typischerweise einen geringeren Logik-High-Ausgangsstrom (IOH)-Leckstrom von 0,01 µA im Vergleich zu 100 µA beim 6N138 unter derselben Bedingung (IF=0mA, VCC=18V). Der Versorgungsstrom im Logik-Low-Zustand (ICCL) beträgt typischerweise 0,6 mA für beide, wenn die LED mit 1,6 mA angesteuert wird.

2.3 Übertragungseigenschaften

Die Stromübertragungsrate (CTR) ist der kritischste Parameter, definiert als (IC / IF) * 100%. Der 6N139 hat eine minimale CTR von 400% bei IF=0,5mA und 500% bei IF=1,6mA. Der 6N138 hat eine minimale CTR von 300% bei IF=1,6mA. Der typische Wert für beide liegt bei 2000-2500%, was auf eine hohe Empfindlichkeit hindeutet. Die Logik-Low-Ausgangsspannung (VOL) ist unter verschiedenen Lastbedingungen spezifiziert, mit einem Maximum von 0,4V, was die Kompatibilität mit Standard-TTL- und CMOS-Logikpegeln sicherstellt.

2.4 Schalteigenschaften

Die Schaltgeschwindigkeit hängt vom Eingangssteuerstrom und dem Lastwiderstand ab. Laufzeitverzögerungen (tPLH, tPHL) sind für spezifische Testbedingungen angegeben. Beispielsweise hat der 6N139 bei IF=0,5mA und RL=4,7kΩ eine typische tPHL von 5 µs und tPLH von 16 µs. Eine Erhöhung von IF auf 12mA mit RL=270Ω verbessert die Geschwindigkeit drastisch auf 0,2 µs bzw. 1,7 µs. Der 6N138 ist unter seiner spezifizierten Testbedingung (IF=1,6mA, RL=2,2kΩ) im Allgemeinen langsamer. Die Gleichtakt-Transientenfestigkeit (CMTI) ist für beide Logikzustände (High und Low) mit mindestens 1000 V/µs spezifiziert, was auf eine gute Störunterdrückung gegenüber schnellen Spannungstransienten über die Isolationsbarriere hinweist.

3. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die Bauteile werden in einem standardmäßigen 8-Pin-DIP-Gehäuse geliefert. Die Pinbelegung ist wie folgt: Pin 1: Nicht belegt, Pin 2: Anode, Pin 3: Kathode, Pin 4: Nicht belegt, Pin 5: Masse (Gnd), Pin 6: Ausgang (Vout), Pin 7: Basis (VB), Pin 8: Versorgungsspannung (VCC). Der Basis-Pin (7) ermöglicht den Zugriff auf die Basis des Phototransistors, was genutzt werden kann, um einen Beschleunigungswiderstand oder -kondensator anzuschließen, um Bandbreite gegen Stabilität auszutauschen. Gehäuseoptionen umfassen Standard-DIP, breite Anschlussbiegung (0,4-Zoll-Abstand) und Oberflächenmontage-Anschlussformen (S und flache Bauform S1).

4. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Grenzwert für die Löttemperatur beträgt 260°C für 10 Sekunden. Dies ist typisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse. Es sollten die üblichen Vorsichtsmaßnahmen für den Umgang mit elektrostatisch empfindlichen Bauteilen (ESD) beachtet werden. Die Bauteile sollten innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -55°C bis +125°C gelagert werden.

5. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Artikelnummer folgt dem Format: 6N13XY(Z)-V. 'X' ist die Artikelnummer (8 für 6N138, 9 für 6N139). 'Y' kennzeichnet die Anschlussformoption: keine Angabe für Standard-DIP (45 Stück/Röhrchen), 'M' für breite Anschlussbiegung (45 Stück/Röhrchen), 'S' für Oberflächenmontage, 'S1' für flache Oberflächenmontage. 'Z' spezifiziert die Band- und Rollenoption für SMD-Teile: 'TA' oder 'TB' (1000 Stück/Rolle). 'V' ist ein optionales Suffix für die VDE-Zulassung. Benutzer müssen die korrekte Kombination basierend auf den Montageanforderungen auswählen.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsszenarien

Das Datenblatt listet mehrere wichtige Anwendungen auf: Digitale Logik-Massetrennung, RS-232C-Leitungsempfänger, Empfänger mit niedrigem Eingangsstrom, Mikroprozessor-Busisolierung und Stromschleifenempfänger. Ihre hohe CTR macht sie hervorragend geeignet für die direkte Anbindung an Mikrocontroller-GPIO-Pins, die Isolierung von Sensorsignalen in störbehafteten Umgebungen oder die galvanische Trennung in seriellen Kommunikationsleitungen wie RS-232 oder RS-485.

6.2 Designüberlegungen

1. Eingangsstrombegrenzung:Ein externer Reihenwiderstand muss verwendet werden, um den LED-Durchlassstrom (IF) auf einen Wert innerhalb der absoluten Grenzwerte und des gewünschten Arbeitsbereichs zu begrenzen. Der erforderliche Widerstandswert ist (Vdrive - VF) / IF. 2.Ausgangslast:Der Ausgangstransistor fungiert als Stromsenke. Der Lastwiderstand (zwischen VCC und Pin 6 angeschlossen) sollte so gewählt werden, dass er die gewünschte Ausgangsspannungsauslenkung und Schaltgeschwindigkeit einstellt. Ein kleinerer Widerstand erhöht die Geschwindigkeit, aber auch den Stromverbrauch. 3.Geschwindigkeit vs. Stabilität:Das Anschließen eines Widerstands (typischerweise 10kΩ bis 1MΩ) vom Basis-Pin (7) an Masse kann die Stabilität und Störfestigkeit verbessern, verringert jedoch die CTR und verlangsamt die Schaltgeschwindigkeit. Ein Kondensator kann parallel für weitere Filterung hinzugefügt werden. 4.Stromversorgungsentkopplung:Gute Praxis ist das Platzieren eines 0,1 µF Keramikkondensators in der Nähe des VCC-Pins (8) zur Masse, um Störungen zu unterdrücken.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primäre Differenzierung der 6N138/6N139-Familie liegt in ihrer Split-Darlington-Konfiguration und sehr hohen CTR. Im Vergleich zu Standard-Optokopplern mit Einzeltransistor (z.B. 4N25-Serie) bieten diese Bauteile eine deutlich höhere Empfindlichkeit, was eine direkte Ansteuerung durch stromarme CMOS-Logik ermöglicht. Im Vergleich zu neueren digitalen Isolatoren bieten sie eine einfachere, analoge Lösung, die für Anwendungen, die grundlegende Isolierung ohne ultrahohe Geschwindigkeit oder komplexe Protokolle benötigen, äußerst kosteneffektiv ist. Die Verfügbarkeit eines Basis-Pins bietet Entwicklern einen einzigartigen Freiheitsgrad, um das Frequenzverhalten und die Störfestigkeit anzupassen.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F1: Was ist der Hauptunterschied zwischen dem 6N138 und dem 6N139?

A1: Die wesentlichen Unterschiede liegen in ihren elektrischen Spezifikationen. Der 6N139 bietet im Allgemeinen eine bessere Leistung: eine höhere minimale CTR (500% vs. 300% bei IF=1,6mA), einen geringeren Ausgangsleckstrom im ausgeschalteten Zustand und leicht unterschiedliche Schalteigenschaften im Test. Der 6N138 ist die Variante mit den niedrigeren Spezifikationen.

F2: Wie wähle ich den Wert für den Eingangsstrombegrenzungswiderstand?

A2: Bestimmen Sie den erforderlichen Durchlassstrom (IF) für Ihre Anwendung (z.B. 1,6 mA für einen guten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und CTR). Messen Sie oder verwenden Sie den typischen VF aus dem Datenblatt (1,3V). Wenn Ihre Ansteuerspannung 5V beträgt, ist der Widerstand R = (5V - 1,3V) / 0,0016A = 2312,5Ω. Ein Standard-2,2kΩ-Widerstand wäre eine geeignete Wahl.

F3: Warum schaltet mein Optokoppler langsam?

A3: Die Schaltgeschwindigkeit wird stark von IF und dem Lastwiderstand RL beeinflusst. Um die Geschwindigkeit zu erhöhen, können Sie: a) Den LED-Ansteuerstrom (IF) erhöhen. b) Den Wert des Lastwiderstands (RL) am Ausgangskollektor verringern. c) Optional den Basis-Pin (7) mit einem kleinen Widerstand an Masse anschließen, um gespeicherte Ladung abzuleiten, dies verringert jedoch die CTR.

F4: Was bedeutet "Gleichtakt-Transientenfestigkeit"?

A4: Sie misst die Fähigkeit des Bauteils, schnelle Spannungsspitzen zu ignorieren, die gleichzeitig auf der Eingangs- und Ausgangsseite der Isolationsbarriere auftreten. Eine hohe CMTI (wie 1000 V/µs) bedeutet, dass der Ausgang aufgrund solcher Störungen nicht fälschlicherweise umschaltet, was in störbehafteten Stromversorgungsumgebungen entscheidend ist.

9. Praktisches Designbeispiel

Fall: Isolierung eines Mikrocontroller-UART-Signals für RS-232-Kommunikation.

Die 3,3V UART-TX-Leitung eines Mikrocontrollers muss isoliert werden, bevor sie mit einem RS-232-Transceiver-Chip auf einer anderen Masseebene verbunden wird. Ein 6N139 kann verwendet werden. Der Mikrocontroller-Pin steuert die LED über einen 1kΩ-Widerstand an (IF ~ (3,3V-1,3V)/1k = 2mA). Der Ausgangskollektor (Pin 6) ist mit dem Eingangspin des RS-232-Chips über einen 4,7kΩ Pull-up-Widerstand an die VCC (5V) des RS-232-Chips verbunden. Der Basis-Pin (7) bleibt offen oder ist über einen großen Widerstand (z.B. 1MΩ) mit Masse verbunden, um die Stabilität zu erhöhen. Diese einfache Schaltung bietet eine robuste Isolierung, schützt den Mikrocontroller vor Massesprüngen oder Überspannungen auf der RS-232-Leitung und erhält die Signalintegrität.

10. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip der optoelektronischen Kopplung. Ein elektrischer Strom an den Eingangspins (Anode und Kathode) veranlasst die Infrarot-Leuchtdiode (LED) zum Emittieren von Licht. Dieses Licht durchquert einen transparenten Isolationsspalt und trifft auf die lichtempfindliche Basisregion eines Split-Darlington-Paars aus Silizium-Phototransistoren. Das einfallende Licht erzeugt einen Basisstrom, der durch die beiden Transistorstufen verstärkt wird, was zu einem viel größeren Kollektorstrom am Ausgang führt. Die "Split"-Konfiguration bedeutet typischerweise, dass die Basis des ersten Transistors zugänglich ist (Pin 7), was eine externe Vorspannung ermöglicht. Die vollständige elektrische Trennung zwischen der Eingangs-LED und den Ausgangstransistoren wird durch das kunststoffummantelte Gehäuse bereitgestellt, das eine hohe dielektrische Festigkeit aufweist.

11. Branchentrends und Kontext

Optokoppler wie die 6N138/139 repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Isolierungstechnologie. Aktuelle Trends in der Signalisolierung umfassen das Wachstum digitaler Isolatoren auf Basis von CMOS- und HF- oder kapazitiver Kopplung, die überlegene Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Integration (mehrere Kanäle in einem Gehäuse) bieten. Optokoppler behalten jedoch in bestimmten Bereichen starke Vorteile: Sie bieten eine sehr hohe Arbeitsisolationsspannung (mehrere kV), ausgezeichnete Gleichtakt-Transientenfestigkeit, Einfachheit und Robustheit gegenüber Hochspannungs-dv/dt-Belastungen. Sie werden oft in hochstörbehafteten Industrieumgebungen, Rückkopplungsschleifen von Netzteilen und Anwendungen bevorzugt, bei denen bewährte Zuverlässigkeit und Sicherheitszertifizierungen von größter Bedeutung sind. Die Entwicklung neuer LED- und Detektormaterialien verbessert weiterhin die Geschwindigkeit und CTR von Optokopplern und sichert so ihre Relevanz neben neueren Technologien.