ELD3H7 ELQ3H7 Optokoppler Datenblatt - 8-/16-Pin SSOP-Gehäuse - Isolationsspannung 3750Veff - CTR 50-600% - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Diese Optokoppler sind für Anwendungen entwickelt, die zuverlässige Signalisolierung und Störfestigkeit erfordern.

Der ELD3H7 integriert 2 unabhängige Isolationskanäle in einem 8-Pin-SSOP-Gehäuse (Shrink Small Outline Package). Der ELQ3H7 integriert 4 unabhängige Kanäle in einem 16-Pin-SSOP-Gehäuse. Beide Varianten zeichnen sich durch eine ultraflache Bauhöhe von 2,0 mm aus und eignen sich daher für platzbeschränkte Anwendungen. Die Bauteile verwenden eine halogenfreie, grüne Vergussmasse und entsprechen den Richtlinien für bleifreie und RoHS-konforme Produkte.

2. Hauptmerkmale und Kernvorteile

• Hohe Isolationsspannung:Bemessen für 3750 V_efffür 1 Minute, gewährleistet robusten Schutz und Sicherheit in Hochspannungsumgebungen.
• Breiter Stromübertragungsverhältnis (CTR):Reicht von 50 % bis 600 % bei I_F= 5mA, V_CE= 5V und bietet damit Designflexibilität für unterschiedliche Signalverstärkungsanforderungen.
• Kompakte Bauform:Das SSOP-Gehäuse mit einer Bauhöhe von 2,0 mm ist ideal für hochdichte PCB-Designs.
• Umfassende Sicherheitszulassungen:Zertifiziert durch UL (E214129), VDE (40028116), SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO und CQC, was den Einsatz in weltweit regulierten Geräten erleichtert.
• Schnelle Schaltcharakteristiken:Typische Anstiegszeit (t_r) von 5 µs und Abfallzeit (t_f) von 3 µs unter spezifizierten Testbedingungen, geeignet für digitale Signalübertragung.

3. Zielmarkt und Anwendungen

These photocouplers are engineered for applications requiring reliable signal isolation and noise immunity.

• DC-DC-Wandler:Bereitstellung einer isolierten Rückkopplungsschleife in Schaltnetzteilen.
• Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) & Industrielle Automatisierung:Isolierung digitaler E/A-Signale zwischen der Steuerung und Feldgeräten.
• Telekommunikationsgeräte:Isolierung von Signalleitungen in Modems, Schnittstellen und Netzwerkhardware.
• Allgemeine Schaltkreisisolierung:Übertragung von Signalen zwischen Schaltkreisen mit unterschiedlichen Massepotentialen oder Impedanzpegeln.

4. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

4.1 Absolute Grenzwerte

Dies sind Belastungsgrenzen, die unter keinen Umständen überschritten werden dürfen, um eine dauerhafte Beschädigung des Bauteils zu verhindern.

• Eingang (LED-Seite):Durchlassstrom (I_F) 60 mA; Spitzendurchlassstrom (I_FP) 1 A für 1 µs Puls; Sperrspannung (V_R) 6 V; Verlustleistung (P_D) 70 mW.
• Ausgang (Transistor-Seite):Kollektorstrom (I_C) 50 mA; Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) 80 V; Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO) 7 V; Verlustleistung (P_C) 150 mW.
• Gesamtbauteil:Gesamtverlustleistung (P_TOT) 200 mW; Isolationsspannung (V_ISO) 3750 V_eff.
• Temperatur:Betriebsbereich -55°C bis +110°C; Lagerbereich -55°C bis +125°C; Löttemperatur 260°C für 10 Sekunden.

4.2 Elektrische und optoelektronische Kenngrößen

Typische Leistungsparameter gemessen bei 25°C.

4.2.1 Eingangs- (Infrarot-LED) Kenngrößen

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,2V, maximal 1,4V bei I_F=20mA. Dieser Parameter ist entscheidend für den Entwurf der LED-Ansteuerschaltung.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 10 µA bei V_R=4V, was auf gute Diodensperreigenschaften hinweist.
• Eingangskapazität (C_in):Typisch 30 pF, beeinflusst das Hochfrequenz-Schaltverhalten.

4.2.2 Ausgangs- (Phototransistor) Kenngrößen

• Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=20V mit I_F=0mA. Dies ist der Leckstrom bei ausgeschalteter LED, der die Signalintegrität im AUS-Zustand beeinflusst.
• Durchbruchsspannungen: BV_CEO≥ 80V, BV_ECO≥ 7V, definieren die maximal zulässigen Spannungen am Transistor.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Typisch 0,1V, maximal 0,2V bei I_F=10mA, I_C=1mA. Ein niedriger V_CE(sat)ist für Logikpegelausgänge wünschenswert.

4.2.3 Übertragungskenngrößen

• Stromübertragungsverhältnis (CTR):Definiert als (I_C/ I_F) * 100 %. Der spezifizierte Bereich beträgt 50 % bis 600 % bei I_F=5mA, V_CE=5V. Diese breite Klassifizierung ermöglicht eine Auswahl basierend auf der erforderlichen Verstärkung.
• Isolationswiderstand (R_IO):Mindestens 5×10¹⁰Ω bei 500V Gleichspannung, gewährleistet eine ausgezeichnete Gleichstromisolierung.
• Isolationskapazität (C_IO):Typisch 0,3 pF, maximal 1,0 pF. Eine niedrige Kapazität minimiert die kapazitive Kopplung von Hochfrequenzstörungen über die Isolationsbarriere.
• Schaltzeiten:Anstiegszeit (t_r) typisch 5 µs, Abfallzeit (t_f) typisch 3 µs unter Testbedingungen (V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω). Diese Werte bestimmen die maximal nutzbare Datenrate.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen und Umrisszeichnungen

Die Bauteile sind in SSOP-Gehäusen untergebracht. Der ELD3H7 (2-Kanal) verwendet ein 8-Pin-SSOP, während der ELQ3H7 (4-Kanal) ein 16-Pin-SSOP verwendet. Beide teilen sich eine gemeinsame flache Bauhöhe von 2,0 mm. Detaillierte Maßzeichnungen mit allen kritischen Maßen (Gehäusegröße, Anschlussabstand, Abstandshöhe) sind im Datenblatt für das PCB-Footprint-Design enthalten.

5.2 Pinbelegung und Polarität

Für ELD3H7 (8-Pin):

• Pin 1, 3: Anode der Kanal-1- bzw. Kanal-2-LEDs.
• Pin 2, 4: Kathode der Kanal-1- bzw. Kanal-2-LEDs.
• Pin 5, 7: Emitter der Kanal-1- bzw. Kanal-2-Phototransistoren.
• Pin 6, 8: Kollektor der Kanal-1- bzw. Kanal-2-Phototransistoren.

Für ELQ3H7 (16-Pin):

• Pin 1, 3, 5, 7: Anode der LEDs von Kanal 1 bis 4.
• Pin 2, 4, 6, 8: Kathode der LEDs von Kanal 1 bis 4.
• Pin 9, 11, 13, 15: Emitter der Phototransistoren von Kanal 1 bis 4.
• Pin 10, 12, 14, 16: Kollektor der Phototransistoren von Kanal 1 bis 4.

5.3 Empfohlene PCB-Lötflächengeometrie

Das Datenblatt enthält empfohlene Lötflächengeometrien für sowohl das 8-Pin- als auch das 16-Pin-SSOP-Gehäuse. Die Einhaltung dieser Empfehlungen gewährleistet zuverlässige Lötstellenbildung während des Reflow-Lötens und eine korrekte mechanische Stabilität.

5.4 Bauteilkennzeichnung

Die Bauteile sind auf der Oberseite gekennzeichnet. Die Kennzeichnung umfasst:

• "EL": Herstellerkennung.
• "D3H7" oder "Q3H7": Bauteilnummer für die 2-Kanal- bzw. 4-Kanal-Variante.
• "Y": Einstelliger Jahrescode.
• "WW": Zweistelliger Wochencode.
• "V": Optionale Kennzeichnung für VDE-Zulassung.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Die Bauteile eignen sich für die Oberflächenmontage mittels Reflow-Löttechniken.

• Reflow-Löten:Die maximal zulässige Löttemperatur beträgt 260°C, gemessen am Gehäuse, für eine Dauer von maximal 10 Sekunden. Standard-Lötzinn-freie Reflow-Profile (IPC/JEDEC J-STD-020) sind anwendbar.
• Handhabung:Es sollten Standard-ESD-Schutzmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) beachtet werden, da das Bauteil statischempfindliche Halbleiter enthält.
• Reinigung:Befolgen Sie Standard-PCB-Reinigungsverfahren, die mit der grünen Epoxid-Vergussmasse kompatibel sind.
• Lagerung:Lagern Sie in einer trockenen Umgebung mit einer Temperatur zwischen -55°C und +125°C. Verwenden Sie innerhalb von 12 Monaten nach dem Datumscode für optimale Lötbarkeit.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Modellnummernsystem

Die Artikelnummer folgt dem Format:EL[D3H7/Q3H7](Z)-V

• EL:Serienpräfix.
• D3H7 / Q3H7:Bezeichnet das 2-Kanal- oder 4-Kanal-Bauteil.
• (Z):Option für Band- und Rollenverpackung. "TA" kennzeichnet Band und Rolle, während das Fehlen dieses Kürzels auf Rohrverpackung hinweist.
• V:Optionales Suffix für VDE-Zulassung.

7.2 Verpackungsspezifikationen

• ELD3H7 (Rohr):80 Einheiten pro Rohr.
• ELD3H7 (Band & Rolle):1000 Einheiten pro Rolle.
• ELQ3H7 (Rohr):40 Einheiten pro Rohr.
• ELQ3H7 (Band & Rolle):1000 Einheiten pro Rolle.

Die Spezifikationen für Band und Rolle, einschließlich Trägerbandbreite, Taschenabmessungen und Rolldurchmesser, sind für die Einrichtung von automatischen Bestückungsmaschinen detailliert aufgeführt.

8. Anwendungsdesign-Überlegungen

8.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die häufigste Anwendung ist die digitale Signalisolierung. Ein Vorwiderstand muss in Reihe zur LED-Anode geschaltet werden, um den gewünschten Durchlassstrom (I_F) einzustellen. Der Wert wird berechnet als R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F. Auf der Ausgangsseite wird ein Pull-up-Widerstand (R_L) zwischen den Kollektor und die Ausgangsseiten-Versorgungsspannung (V_{CC_output}) geschaltet, um die Ausgangslogikpegel zu definieren und den Kollektorstrom des Phototransistors zu begrenzen.

8.2 Designhinweise und Best Practices

• CTR-Auswahl:Wählen Sie eine CTR-Klasse, die für Ihren Treiberstrom und den erforderlichen Ausgangsstrom geeignet ist. Ein höherer CTR ermöglicht die Verwendung eines niedrigeren I_Ffür denselben Ausgang, was die Eingangsleistung reduziert.
• Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Strom:Die Schaltgeschwindigkeit (t_r, t_f) verbessert sich im Allgemeinen mit höherem I_Fund niedrigerem R_L, erhöht jedoch den Stromverbrauch. Die Testschaltung (I_Fpuls, V_CE=2V, I_C=2mA, R_L=100Ω) dient als Referenz für die erwartete Leistung.
• Störfestigkeit:Der hohe Isolationswiderstand (R_IO) und die niedrige Isolationskapazität (C_IO) sind entscheidend für die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen. Sorgen Sie für einen korrekten PCB-Layout, um Kriechstrecken- und Luftstreckenprobleme zu vermeiden, die die Nennisolationsspannung beeinträchtigen könnten.
• Thermische Überlegungen:Überschreiten Sie nicht die Gesamtverlustleistung des Bauteils (P_TOT= 200 mW). Die Leistung ist die Summe aus der Eingangs-LED-Leistung (I_F*V_F) und der Ausgangstransistorleistung (I_C*V_CE).

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-DIP-4- oder DIP-6-Optokopplern bietet die ELD3H7/ELQ3H7-Serie erhebliche Vorteile:

• Größenreduzierung:Das SSOP-Gehäuse belegt für ein 2-Kanal-Bauteil weniger als 25 % der Leiterplattenfläche eines Standard-DIP-8-Gehäuses und ermöglicht so eine Miniaturisierung.
• Mehrkanal-Integration:Die Verfügbarkeit von 2 und 4 Kanälen in einzelnen Gehäusen reduziert die Bauteilanzahl und spart Leiterplattenplatz in Anwendungen mit mehrfacher Isolation.
• Bauhöhe:Die Bauhöhe von 2,0 mm ist entscheidend für ultradünne Designs.
• Leistung:Trotz der geringen Größe werden eine hohe Isolationsspannung und ein breiter CTR-Bereich beibehalten, was ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zu vielen miniaturisierten Alternativen darstellt.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

10.1 Welche maximale Datenrate ist mit diesen Optokopplern erreichbar?

Basierend auf den typischen Anstiegs-/Abfallzeiten von 5 µs und 3 µs beträgt die maximale praktische Datenrate für ein sauberes Digitalsignal etwa 1/(t_r+t_f) ≈ 125 kHz. Für einen zuverlässigen Betrieb wird ein konservatives Designziel von 50-100 kHz empfohlen.

10.2 Wie wähle ich die richtige CTR-Klasse für meine Anwendung aus?

Wenn Ihr Design einen garantierten minimalen Ausgangsstrom (I_C) mit einem bestimmten Eingangsstrom (I_F) erfordert, berechnen Sie den erforderlichen minimalen CTR: CTR_{min_req}= (I_C/ I_F) * 100 %. Wählen Sie ein Bauteil, dessen minimal garantierter CTR (z.B. 50 %) diesen Wert erreicht oder übersteigt. Die Verwendung einer höheren CTR-Klasse bietet mehr Designreserve.

10.3 Können diese Bauteile zur Isolierung analoger Signale verwendet werden?

Obwohl primär für digitale Isolation ausgelegt, können sie in niederfrequenten, unpräzisen analogen Anwendungen (z.B. Rückkopplung in isolierten Netzteilen) eingesetzt werden. Allerdings weist der CTR eine starke Temperaturabhängigkeit und Nichtlinearität mit I_F auf, was sie ohne umfangreiche Kalibrierungs- oder Kompensationsschaltungen für die präzise analoge Signalübertragung ungeeignet macht. Spezialisierte lineare Optokoppler sind besser für analoge Isolation geeignet.

10.4 Welchen Zweck hat die Isolationsspannungsangabe und wie wird sie geprüft?

Die Angabe von 3750 V_eff (für 1 Minute) ist eine Sicherheitsspezifikation, die die dielektrische Festigkeit der Isolierung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite angibt. Während des Tests werden alle Pins auf der LED-Seite kurzgeschlossen und alle Pins auf der Transistor-Seite kurzgeschlossen. Eine hohe Wechselspannung wird zwischen diesen beiden Gruppen angelegt. Diese Angabe gewährleistet Schutz vor Hochspannungstransienten, die in industriellen oder netzbetriebenen Geräten auftreten können.

11. Praktisches Designbeispiel

Szenario:Isolierung eines 3,3V-Digitalsignals von einem Mikrocontroller zu einem 5V-System.

• Eingangsseite: V_{CC_input}= 3,3V. Ziel I_F= 5 mA für gute Geschwindigkeit und CTR. Angenommen V_F≈ 1,2V, R_limit= (3,3V - 1,2V) / 0,005A = 420Ω. Verwenden Sie einen Standard-430Ω-Widerstand.
• Ausgangsseite: V_{CC_output}= 5V. Wählen Sie R_L um I_C zu begrenzen und die Logikpegel festzulegen. Für einen CTR von 100 % bei I_F=5mA, I_C≈ 5mA. Wenn der Transistor EIN (gesättigt) ist, V_CE≈ 0,1V, daher ist der Ausgang niedrig (~0,1V). Wenn AUS, wird der Ausgang auf 5V hochgezogen. Die Leistung in R_L im EIN-Zustand beträgt (5V - 0,1V) * 5mA ≈ 24,5 mW, was innerhalb der Grenzwerte liegt. Ein Standard-1 kΩ-Widerstand würde I_C≈ (5V - 0,1V)/1kΩ = 4,9mA ergeben, was ebenfalls akzeptabel ist.
• Layout:Platzieren Sie das Bauteil nahe der Isolationsbarriere auf der Leiterplatte. Halten Sie die empfohlenen Kriechstrecken- und Luftstreckenabstände (siehe Sicherheitsnormen wie IEC 60950-1) zwischen den Kupferbahnen der Eingangs- und Ausgangsseite ein, insbesondere für die hohe Nennisolationsspannung.

12. Funktionsprinzip

Ein Optokoppler arbeitet, indem er ein elektrisches Signal in Licht umwandelt, dieses über einen elektrisch isolierenden Spalt überträgt und dann das Licht wieder in ein elektrisches Signal zurückwandelt. Bei ELD3H7/ELQ3H7:

1. Ein elektrischer Strom (I_F) fließt durch die Infrarot-LED und veranlasst sie, Photonen zu emittieren.
2. Diese Photonen durchqueren ein transparentes isolierendes Dielektrikum (die Vergussmasse) und treffen auf die Basisregion des Silizium-Phototransistors.
3. Die Photonenenergie erzeugt Elektron-Loch-Paare in der Basis, was effektiv einen Basisstrom erzeugt, der den Transistor EINschaltet.
4. Der Transistor leitet einen Kollektorstrom (I_C), der proportional zur Intensität des empfangenen Lichts und damit zum Eingangs-I_F ist. Die Proportionalitätskonstante ist der CTR.

Der Schlüssel ist, dass die einzige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang optisch ist, was die elektrische Isolation bereitstellt.

13. Branchentrends und Entwicklung

Der Trend in der Optokopplertechnologie wird durch die Nachfrage nach höherer Geschwindigkeit, kleinerer Größe, geringerem Stromverbrauch und der Integration zusätzlicher Funktionen angetrieben. Während traditionelle Phototransistor-Koppler wie die ELD3H7/ELQ3H7 in Bezug auf Kosteneffizienz, Robustheit und hohe Isolationsspannung hervorstechen, entstehen neue Technologien:

• Hochgeschwindigkeits-Digitalkoppler:Verwenden CMOS-Technologie und integrierte LEDs, um Datenraten im Bereich von zehn oder hundert Mbps zu erreichen, was phototransistorbasierten Bauteilen weit überlegen ist.
• Integrierte isolierte Funktionen:Bauteile, die Isolation mit Funktionen wie isolierten Gate-Treibern, isolierten ADCs oder isolierter Stromversorgung (isoPower) kombinieren.
• Erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit:Die laufende Entwicklung konzentriert sich auf die Verbesserung der Haltbarkeit des Isolationsmaterials, der Störfestigkeit gegen Überspannungen und das Erreichen höherer Betriebsspannungsratings in kleineren Gehäusen, um sich entwickelnden internationalen Sicherheitsstandards gerecht zu werden.

Phototransistor-Koppler bleiben eine grundlegende und weit verbreitete Lösung für kostensensitive, universelle Isolationsanwendungen, bei denen moderate Geschwindigkeit und hohe Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind.