ELQ3H4 Optokoppler Datenblatt - 16-Pin SSOP-Gehäuse - AC-Eingang - CTR 20-300% - Isolierung 3750Veff - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die ELQ3H4-Serie stellt eine Familie optisch gekoppelter Isolatoren dar, die für hochintegrierte Anwendungen entwickelt wurde, die eine zuverlässige Signalisolierung erfordern. Das Kernelement besteht aus einer Galliumarsenid (GaAs)-Leuchtdiode (LED), die optisch mit einem Silizium-NPN-Phototransistor gekoppelt ist, alles untergebracht in einem kompakten 16-poligen Schrumpf-Small-Outline-Package (SSOP). Ein wesentliches Merkmal dieses Gehäuses ist der integrierte Lichtschutz, der den Einfluss von Umgebungslicht auf die Leistung des Phototransistors effektiv minimiert und so die Signalintegrität in elektrisch rauschbehafteten Umgebungen verbessert.

Dieses Bauteil ist für den direkten Betrieb mit AC-Eingangssignalen ausgelegt, wodurch in vielen Anwendungen externe Gleichrichterschaltungen entfallen. Sein Hauptnutzen liegt in der Kombination einer sehr kleinen Bauform (2,0 mm Höhe) mit robuster Isolationsleistung (3750 V_eff) und der Einhaltung wichtiger internationaler Sicherheits- und Umweltnormen.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der ELQ3H4-Optokoppler bietet mehrere entscheidende Vorteile. SeinehalogenfreieKonstruktion und die Konformität mit der RoHS- und bleifreien Richtlinie machen ihn geeignet für umweltbewusste Designs. Das Bauteil verfügt über Zulassungen führender Sicherheitsorganisationen wie UL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC, was den Einsatz in Produkten für globale Märkte mit strengen regulatorischen Anforderungen erleichtert.

Die primären Zielanwendungen liegen in der Industrieautomatisierung und Messtechnik, wo Störfestigkeit und Sicherheit oberste Priorität haben. Dazu zählen:

• Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS):Zur galvanischen Trennung digitaler E/A-Signale, Kommunikationsbusse oder analoger Sensoreingänge von der zentralen Verarbeitungseinheit.
• Messgeräte:Bereitstellung von Isolierung in Datenerfassungssystemen, Multimetern oder Oszilloskopen, um empfindliche Schaltungen vor Hochspannungs-Messpunkten zu schützen.
• Hybrid-ICs und Netzteile:Einsatz als Rückkopplungselement in isolierten Schaltnetzteilen oder innerhalb kundenspezifischer Hybridmodule für Gate-Ansteuerung oder Signalaufbereitung.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Ein gründliches Verständnis der elektrischen und optischen Parameter ist für einen zuverlässigen Schaltungsentwurf entscheidend. Die folgenden Abschnitte bieten eine detaillierte Analyse der wichtigsten Spezifikationen.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht vorgesehen. Wichtige Grenzwerte für den ELQ3H4 sind:

• Eingang (LED-Seite):Ein Dauerstrom (I_F) von ±60mA und ein 1μs-Pulsstrom (I_FP) von 1A. Die Verlustleistung pro Kanal beträgt 70mW, mit einer Reduzierung um 0,7mW/°C.
• Ausgang (Phototransistor-Seite):Ein Kollektorstrom (I_C) von 50mA. Die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) beträgt 80V, während die Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO) mit 7V niedriger liegt, was die Asymmetrie der Durchbrucheigenschaften des Phototransistors anzeigt. Die Ausgangsverlustleistung beträgt 150mW pro Kanal, mit einer Reduzierung um 1,4mW/°C.
• Isolierung & Umgebung:Das Bauteil hält einer Isolationsspannung (V_ISO) von 3750 V_eff für eine Minute stand. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -55°C bis +110°C.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen (T_A=25°C, sofern nicht anders angegeben).

Eingangskenngrößen:Die Durchlassspannung (V_F) der GaAs-LED beträgt typischerweise 1,2V bei I_F= 20mA, maximal 1,4V. Die Eingangskapazität (C_in) beträgt bis zu 250pF, was die Hochfrequenz-Schaltleistung beeinflussen kann.

Ausgangskenngrößen:Der Kollektor-Emitter-Dunkelstrom (I_CEO) beträgt maximal 100nA bei V_CE=20V und ausgeschalteter LED und repräsentiert den Leckstrom des Phototransistors. Die Durchbruchspannungen (BV_CEO=80V, BV_ECO=7V) bestätigen die asymmetrische Struktur.

Übertragungskenngrößen (T_A= -40 bis 85°C):Dies ist das Herzstück der Optokoppler-Leistung.

• Stromübertragungsverhältnis (CTR):Definiert als (I_C/ I_F) * 100% unter spezifizierten Bedingungen. Der ELQ3H4 hat einen sehr breiten CTR-Bereich von 20% bis 300% bei I_F= 1mA, V_CE= 5V. Diese große Streuung erfordert einen sorgfältigen Schaltungsentwurf oder eine Binning-Auswahl für präzise Anwendungen.
• CTR-Verhältnis (CTR1/CTR2):Dieser Parameter, im Bereich von 0,5 bis 2,0, gibt die Übereinstimmung zwischen den Kanälen in einem Mehrkanalbauteil oder die Konsistenz des CTR unter AC-Betrieb an. Ein Verhältnis von 1,0 bedeutet perfekte Übereinstimmung.
• Sättigungsspannung: V_CE(sat)beträgt typischerweise 0,1V (max. 0,2V) bei I_F=20mA, I_C=1mA, was auf gute Schalteigenschaften bei Sättigungsbetrieb hinweist.
• Isolationsparameter:Der Isolationswiderstand (R_IO) beträgt mindestens 5 x 10¹⁰Ω, und die Isolationskapazität (C_IO) beträgt typischerweise 0,3pF (max. 1,0pF). Eine niedrige Kapazität ist entscheidend für die Unterdrückung hochfrequenter Gleichtaktstörungen.
• Schaltgeschwindigkeit:Anstiegszeit (t_r) und Abfallzeit (t_f) sind mit jeweils maximal 18μs unter der Testbedingung V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω spezifiziert. Dies zeigt, dass das Bauteil für nieder- bis mittelfrequente digitale Signale geeignet ist, nicht für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische elektro-optische Kennlinien. Obwohl die spezifischen Grafiken im bereitgestellten Text nicht reproduziert sind, veranschaulichen sie typischerweise die folgenden für den Entwurf kritischen Zusammenhänge:

• CTR vs. Durchlassstrom (I_F):Zeigt, wie sich der Übertragungswirkungsgrad mit dem LED-Ansteuerstrom ändert. CTR nimmt oft bei sehr hohem I_F aufgrund des LED-Effizienzabfalls ab.
• CTR vs. Temperatur:Veranschaulicht die Temperaturabhängigkeit des Kopplungswirkungsgrads, der typischerweise mit steigender Temperatur abnimmt.
• Durchlassspannung (V_F) vs. Temperatur:Zeigt den negativen Temperaturkoeffizienten der Durchlassspannung der LED.
• Kollektorstrom (I_C) vs. Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE):Die Ausgangskennlinien des Phototransistors für verschiedene Eingangsströme, ähnlich den Kurven eines Bipolartransistors.
• Schaltzeit vs. Lastwiderstand (R_L):Demonstriert, wie Anstiegs- und Abfallzeit durch die Ausgangslast beeinflusst werden. Ein größerer R_L erhöht im Allgemeinen die Anstiegszeit aufgrund der erhöhten RC-Zeitkonstante.

Entwickler sollten die vollständigen grafischen Daten konsultieren, um die Arbeitspunkte für ihre spezifischen Anforderungen an Geschwindigkeit, Leistungsaufnahme und Temperaturstabilität zu optimieren.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen und Layout

Der ELQ3H4 verwendet ein 16-poliges SSOP mit einer niedrigen Bauhöhe von 2,0 mm, was eine hochdichte Leiterplattenmontage ermöglicht. Das Datenblatt enthält eine detaillierte Maßzeichnung, die Länge, Breite, Höhe, Rastermaß und Anschlussabmessungen des Gehäuses spezifiziert. Die Einhaltung dieser mechanischen Spezifikationen ist für den korrekten Sitz auf der Leiterplatte und in automatischen Bestückungsanlagen unerlässlich.

A Ein empfohlenes Lötflächenlayout für die Oberflächenmontage wird bereitgestellt. Die Einhaltung dieses Land Patterns ist entscheidend, um zuverlässige Lötstellenbildung, ausreichende mechanische Festigkeit zu gewährleisten und Probleme wie "Tombstoning" während des Reflow-Lötens zu vermeiden. Das Pattern berücksichtigt die Ausbildung von Lötfillet und thermische Entlastung.

4.2 Bauteilkennzeichnung und Polarität

Das Bauteil ist auf der Oberseite des Gehäuses gekennzeichnet. Die Kennzeichnung folgt dem Format:EL Q3H4 YWW V.

• EL:Herstellerkennung.
• Q3H4:Bauteilnummer.
• Y:Einziffrige Jahreskennzahl.
• WW:Zweistellige Wochenkennzahl.
• V:Optionale Kennzeichnung für VDE-Zulassung.

Die korrekte Ausrichtung ist entscheidend. Der Pin-1-Marker auf dem Gehäuse (typischerweise ein Punkt, eine Kerbe oder eine abgeschrägte Kante) muss mit dem Pin-1-Marker auf dem Leiterplatten-Footprint ausgerichtet werden. Falsches Einsetzen verhindert die Funktion des Bauteils und kann Schäden verursachen.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

5.1 Reflow-Lötbedingungen

Das Bauteil ist für die Oberflächenmontage mittels Reflow-Löten geeignet. Das Datenblatt spezifiziert ein kritischesmaximales Bauteiltemperaturprofil in Übereinstimmung mit IPC/JEDEC J-STD-020D. Wichtige Parameter sind:

• Vorwärmen:150°C bis 200°C über 60-120 Sekunden.
• Zeit oberhalb Liquidus (T_L=217°C):60-100 Sekunden.
• Spitzentemperatur (T_P):260°C maximal.
• Zeit innerhalb 5°C der Spitze:30 Sekunden maximal.
• Maximale Reflow-Zyklen:3 Mal.

Die strikte Einhaltung dieses Profils verhindert thermische Schäden am Kunststoffgehäuse, den internen Bonddrähten und dem Halbleiterchip. Das Überschreiten der Spitzentemperatur oder der Verweilzeit kann zu Delamination, Rissbildung oder parametrischen Verschiebungen führen.

5.2 Handhabung und Lagerung

Es müssen Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) beachtet werden, da die interne GaAs-LED und der Silizium-Phototransistor anfällig für Schäden durch statische Elektrizität sind. Verwenden Sie geerdete Arbeitsplätze und Handgelenksbänder. Die Bauteile sollten in ihren original Feuchtigkeitssperrbeuteln mit Trockenmittel in einer kontrollierten Umgebung (typischerweise <40°C/90% r.F.) gelagert werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" führen kann.

6. Verpackung und Bestellinformationen

6.1 Modellnummerierung und Optionen

Die Artikelnummernstruktur lautet:ELQ3H4(Z)-V.

• Z (Verpackungsoption):"TA" bezeichnet Tape-and-Reel-Verpackung. Bei Weglassung ist die Standardverpackung die Tube.
• V (Zulassungsoption):Kennzeichnet die VDE-Zulassungsmarkierung.

Verpackungsmengen:Die Tube-Option enthält 40 Stück pro Tube. Die Tape-and-Reel (TA)-Option enthält 1000 Stück pro Rolle.

6.2 Tape-and-Reel-Spezifikationen

Detaillierte Abmessungen für die Trägerbahn werden bereitgestellt, einschließlich Taschengröße (A0, B0, D0, D1), Teilung (P0) und Rollenabmessungen. Diese Informationen sind für die korrekte Konfiguration automatisierter Bestückungsmaschinen erforderlich. Die Bahnbreite (W) beträgt 16,0 mm ± 0,3 mm, und die Vorschubrichtung ist angegeben.

7. Anwendungsentwurfsüberlegungen

7.1 Eingangsschaltungsentwurf

Für denAC-Eingangsbetrieb kann die LED direkt von einem AC-Signal angesteuert werden. Ein strombegrenzender Widerstand ist zwingend erforderlich, um den gewünschten Durchlassstrom (I_F) einzustellen. Sein Wert muss basierend auf der Spitzenspannung des AC-Signals, der V_F der LED und dem gewünschten I_F berechnet werden. Da die LED eine Diode ist, leitet sie nur während der Halbwellen, es sei denn, eine Brückengleichrichterschaltung wird für Vollwellenbetrieb vorgeschaltet. Der breite CTR-Bereich bedeutet, dass der Ausgangsstrom zwischen verschiedenen Bauteilen erheblich variiert, wenn ein fester I_F verwendet wird. Für eine konsistentere Leistung sollte ein höherer I_F in Betracht gezogen werden (wo die CTR-Variation möglicherweise geringer ist) oder eine Rückkopplung implementiert werden.

7.2 Ausgangsschaltungsentwurf

Der Phototransistor kann entweder imSchalt-oderlinearenModus betrieben werden. Für digitales Schalten wird das Bauteil in Sättigung getrieben (I_F hoch genug, um V_CE≈ V_CE(sat) zu erreichen). Der Lastwiderstand (R_L) am Kollektor bestimmt den Ausgangsspannungshub und beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit (größeres R_L erhöht die Anstiegszeit). Für analoge oder lineare Anwendungen arbeitet der Phototransistor in seinem aktiven Bereich. Die Nichtlinearität der CTR-vs.-I_F-Kurve und ihre starke Temperaturabhängigkeit machen jedoch einen präzisen linearen Betrieb ohne Kompensation schwierig.

7.3 Störfestigkeit und Layout

Um die hohe Isolationsfähigkeit (3750V_eff, niedriges C_IO) optimal zu nutzen, ist ein sorgfältiges Leiterplattenlayout essenziell. Halten Sie ausreichende Kriech- und Luftstrecken zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite der Schaltung gemäß Sicherheitsnormen ein. Verwenden Sie eine Massefläche, erwägen Sie jedoch, die Fläche unter dem Optokoppler zu trennen, um die kapazitive Kopplung über die Isolationsbarriere zu minimieren. Entkopplungskondensatoren in der Nähe der Bauteilanschlüsse auf beiden Seiten können helfen, hochfrequente Störungen zu unterdrücken.

8. Technischer Vergleich und Auswahlhilfe

Die Hauptunterscheidungsmerkmale des ELQ3H4 sind seineAC-Eingangsfähigkeit, , dasultrakleine SSOP-Gehäuse und dieumfassenden Sicherheitszertifizierungen

• . Bei der Auswahl eines Optokopplers sollten folgende Punkte mit den Projektanforderungen verglichen werden:vs. DC-Eingangs-Optokoppler:
• Der ELQ3H4 vereinfacht Schaltungen, indem er externe Gleichrichter für AC-Signale überflüssig macht, was Leiterplattenfläche und Kosten spart.vs. Größere Gehäuse (DIP, etc.):
• Das SSOP bietet erhebliche Platzersparnis, kann aber leicht andere thermische Eigenschaften haben und erfordert eine präzisere Bestückung.vs. Hochgeschwindigkeits-Optokoppler:
• Bauteile mit schnelleren Logikgattern oder digitale Isolatoren bieten viel höhere Datenraten (>1 Mbps), können aber andere Isolationsspannungen, Leistungsanforderungen oder Kostenstrukturen haben.vs. Optokoppler mit Darlington-Ausgang:
• Darlington-Konfigurationen bieten viel höheren CTR (500-1000%), haben aber langsamere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Sättigungsspannungen.CTR-Binning-Auswahl:

Wenn die Schaltungsleistung sehr empfindlich auf die Verstärkung reagiert, erkundigen Sie sich nach der Verfügbarkeit von Bauteilen, die in engeren CTR-Bereichen gebinnt sind (z.B. 100-200%).

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Kann ich die LED direkt mit einer Spannungsquelle ansteuern?_FA1: Nein. Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Verwenden Sie immer einen Reihen-Strombegrenzungswiderstand, um I

zu kontrollieren und Schäden durch Überstrom zu verhindern.

F2: Warum ist die Ausgangsanstiegszeit in den Spezifikationen langsamer als die Abfallzeit?

A2: Dies ist typisch für Phototransistoren. Die Anstiegszeit ist durch die Zeit begrenzt, die benötigt wird, um die Sperrschichtkapazität des Phototransistors durch den Fotostrom aufzuladen. Die Abfallzeit wird durch die Entladung dieser Kapazität über den externen Lastwiderstand und die internen Rekombinationsprozesse des Bauteils bestimmt.

F3: Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung?_FA3: CTR nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab. Die Durchlassspannung (V

) der LED nimmt ebenfalls ab. Diese Effekte müssen in Entwürfen, die über einen weiten Temperaturbereich arbeiten, berücksichtigt werden, um zuverlässige Schaltschwellen oder Linearität sicherzustellen.

F4: Was ist der Zweck des erwähnten "Abschirmeffekts"?

A4: Das opake Kunststoffgehäuse wirkt als Lichtschutz und blockiert Umgebungslicht, das den Phototransistor erreichen könnte. Dies verhindert Fehlauslösungen oder Offset-Ströme, die durch externe Lichtquellen wie Raumbeleuchtung oder Sonnenlicht verursacht werden.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Isolierte Netzspannungsdetektion für ein SPS-Eingangsmodul.

1. Ein häufiger Anwendungsfall ist die Erkennung des Vorhandenseins eines 120V-AC-Signals von einem Schalter oder Sensor. Der ELQ3H4 ist hierfür ideal geeignet.Eingangsschaltung:_FDas 120V-AC-Signal wird über ein hochohmiges, hochspannungsfestes Widerstandsnetzwerk heruntergesetzt, um den Strom zu begrenzen. Eine antiparallele Schutzdiode kann über die LED geschaltet werden, um die Sperrspannung während der negativen Halbwelle zu begrenzen, obwohl das Bauteil für AC-Betrieb ausgelegt ist. Der Widerstandswert wird so gewählt, dass I
2. auf einen Nennwert von 5-10mA eingestellt wird, was gut innerhalb der Grenzwerte liegt.Ausgangsschaltung:_LDer Kollektor des Phototransistors ist über einen Pull-up-Widerstand (R
3. ) mit der Logikversorgungsspannung der SPS (z.B. 3,3V oder 5V) verbunden. Der Emitter ist geerdet. Bei vorhandener AC-Spannung schaltet der Phototransistor während der leitenden Halbwellen durch und zieht den Kollektorausgang auf Low-Pegel. Der digitale Eingang der SPS liest dieses pulsierende Low-Signal. Eine Software kann dann entprellen oder Nulldurchgänge detektieren, um das Vorhandensein der AC-Spannung zu bestätigen.Vorteile:

Dieser Entwurf bietet eine robuste galvanische Trennung und schützt die empfindliche SPS-Schaltung vor Netztransienten und Fehlern. Das kompakte SSOP-Gehäuse ermöglicht die Platzierung vieler solcher Kanäle auf einem einzigen Modul.

11. FunktionsprinzipEin Optokoppler arbeitet nach dem Prinzip deroptischen Kopplung

, um elektrische Isolation zu erreichen. Ein elektrisches Eingangssignal steuert eine Leuchtdiode (LED) an, die dazu gebracht wird, infrarotes Licht proportional zum Strom zu emittieren. Dieses Licht durchquert einen kurzen, transparenten Spalt innerhalb des Gehäuses und trifft auf die Basisregion eines Silizium-Phototransistors. Die einfallenden Photonen erzeugen in der Basis Elektron-Loch-Paare, die effektiv als Basisstrom wirken. Dieser fotogenerierte Strom wird dann durch die Verstärkung des Transistors verstärkt und erzeugt einen Kollektorstrom, der eine elektrische Nachbildung des Eingangssignals darstellt. Der Schlüsselpunkt ist, dass die Signalübertragung durch Licht erfolgt, ohne elektrische Verbindung zwischen Eingang und Ausgang, wodurch die Isolationsbarriere entsteht.

12. Technologietrends

• Das Gebiet der Signalisolierung entwickelt sich ständig weiter. Während traditionelle, auf Phototransistoren basierende Koppler wie der ELQ3H4 für kostengünstige, mittelschnelle und hochisolierende Anwendungen dominant bleiben, sind mehrere Trends bemerkenswert:Erhöhte Integration:
• Mehrkanal-Optokoppler in einzelnen Gehäusen sind üblich, was Leiterplattenfläche und Kosten pro Kanal reduziert.Höhere Geschwindigkeitsalternativen:
• Für Datenkommunikation bieten digitale Isolatoren auf CMOS-Technologiebasis mit RF- oder kapazitiver Kopplung deutlich höhere Datenraten (bis zu Hunderten von Mbps), geringeren Leistungsverbrauch und bessere Zeitkonsistenz, oft jedoch mit anderen Isolationsspannungsratings.Verbesserte Zuverlässigkeit und Zertifizierung:
• Es gibt einen kontinuierlichen Druck hin zu höheren Zuverlässigkeitskennzahlen (FIT-Raten), breiteren Betriebstemperaturbereichen und dem Erhalt von Zertifizierungen für neue Standards, insbesondere in der Automobilindustrie (AEC-Q100) und medizinischen Anwendungen.Gehäuseminiaturisierung: