Technisches Datenblatt für die 6-Pin-DIP-Nulldurchgangs-Triac-Treiber-Fotokoppler EL303X/304X/306X/308X Serie - Spannung 250V-800V - Isolierung 5000Veff

1. Produktübersicht

Die EL303X-, EL304X-, EL306X- und EL308X-Serien sind Familien von 6-Pin-Dual-Inline-Package (DIP)-Fotokopplern, die speziell als Nulldurchgangs-Triac-Treiber konzipiert sind. Diese Bauteile dienen als kritische Schnittstelle zwischen Niederspannungs-Logiksteuerkreisen und Hochspannungs-Wechselstromleitungen und ermöglichen so ein sicheres und effizientes Schalten von AC-Lasten. Die Kernfunktion besteht darin, galvanische Trennung zu bieten und gleichzeitig einen externen Leistungstriac am Nulldurchgangspunkt der AC-Spannungswellenform auszulösen, wodurch elektromagnetische Störungen (EMI) und Einschaltstromstöße minimiert werden.

Die Serie unterscheidet sich hauptsächlich durch ihre Spitzen-Sperrspannungsfähigkeit, die von 250V für den EL303X bis 800V für den EL308X reicht, was sie für eine breite Palette von Netzspannungen von 110VAC bis 380VAC geeignet macht. Ein Hauptmerkmal ist die integrierte Nulldurchgangserkennungsschaltung, die sicherstellt, dass der Ausgangstriac nur dann auslöst, wenn die AC-Netzspannung nahe null Volt liegt. Dieses Bauteil wird üblicherweise als Kernkomponente in Halbleiterrelais (SSRs), Motorsteuerungen und verschiedenen industriellen sowie haushaltsüblichen Gerätesteuerungen verwendet.

2. Tiefgehende objektive Interpretation der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Eingangs-Durchlassstrom (IF):Der maximale Dauerstrom durch die Infrarot-LED beträgt 60 mA. Eine Überschreitung kann die LED verschlechtern oder zerstören.
• Eingangs-Sperrspannung (VR):Die LED hält eine Sperrvorspannung von bis zu 6V stand.
• Eingangs-/Ausgangs-Verlustleistung:Die Eingangsseite (PD) ist für 100 mW ausgelegt, die Ausgangsseite (PC) für 300 mW, mit spezifizierten Derating-Faktoren über 85°C Umgebungstemperatur. Die Gesamtverlustleistung des Bauteils (PTOT) beträgt 330 mW.
• Ausgangssperrspannung (VDRM):Dies ist der kritische Differenzierungsparameter. EL303X: 250V, EL304X: 400V, EL306X: 600V, EL308X: 800V. Das Bauteil muss mit einer VDRM-Kennzeichnung ausgewählt werden, die höher ist als die Spitzennetzspannung, die es sperren soll.
• Isolationsspannung (VISO):5000 Veff für 1 Minute. Dies spezifiziert die dielektrische Festigkeit zwischen Eingangs- und Ausgangsseite und gewährleistet Sicherheit und Konformität mit regulatorischen Standards.

2.2 Elektro-optische Kennwerte

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen bei 25°C.

2.2.1 Eingangskennwerte

• Durchlassspannung (VF):Maximal 1,5V bei IF=30mA. Dies wird verwendet, um den erforderlichen strombegrenzenden Widerstand für die LED-Ansteuerschaltung zu berechnen.
• Sperrstrom (IR):Maximal 10 µA bei VR=6V, was auf einen sehr geringen Leckstrom in Sperrrichtung hinweist.

2.2.2 Ausgangskennwerte

• Spitzen-Sperrstrom (IDRM):Sehr geringer Leckstrom (100-500 nA max.), wenn der Ausgang im Sperrzustand bei Nenn-VDRM ist. Ein niedrigerer Leckstrom ist besser für die Energieeffizienz.
• Spitzen-Durchlassspannung (VTM):Maximal 3V, wenn der Ausgangstriac einen Spitzenstrom von 100 mA führt. Dies stellt den Leitungsverlust dar.
• Kritische Anstiegsgeschwindigkeit der Sperrspannung (dv/dt):Mindestens 600-1000 V/µs. Dieser Parameter gibt die Immunität des Bauteils gegen Fehlauslösungen durch schnelle Spannungstransienten auf der AC-Leitung an. Höhere Werte sind besser.
• Sperrspannung (VINH):Maximal 20V. Wenn die Spannung über den Ausgangsklemmen diesen Wert überschreitet, verhindert die Nulldurchgangsschaltung die Auslösung, selbst wenn die LED eingeschaltet ist.

2.3 Übertragungskennwerte

Diese Parameter definieren die Beziehung zwischen dem Eingangs-LED-Strom und der Auslösung des Ausgangstriacs.

• LED-Auslösestrom (IFT):Dies ist der maximale Strom, der erforderlich ist, um sicherzustellen, dass der Ausgangstriac einschaltet. Die Serie wird in drei Empfindlichkeitsklassen angeboten: 15 mA (ELxx1), 10 mA (ELxx2) und 5 mA (ELxx3). Ein niedrigerer IFT ermöglicht die Verwendung einer schwächeren Treiberschaltung.
• Haltestrom (IH):Typischer Wert ist 280 µA. Einmal ausgelöst, bleibt der Ausgangstriac eingeschaltet, solange der Strom durch ihn diesen Wert überschreitet. Dies ist wichtig, um das Verriegelungsverhalten bei induktiven Lasten sicherzustellen.

Der empfohlene Betriebs-LED-Strom liegt zwischen dem max. IFT für die gewählte Klasse und dem absoluten Maximum IF von 60 mA. Ein Betrieb über IFT stellt eine zuverlässige Auslösung sicher, ein Betrieb unter 60 mA gewährleistet die Langzeitzuverlässigkeit.

3. Erläuterung des Klassifizierungssystems

Die Produktfamilie verwendet ein klares Klassifizierungssystem basierend auf zwei Schlüsselparametern:

1. Spannungsfestigkeit (Erste Ziffer nach 'EL'):Dies ist die primäre Klassifizierung.
   • EL303X:250V Sperrspannung.
   • EL304X:400V Sperrspannung.
   • EL306X:600V Sperrspannung.
   • EL308X:800V Sperrspannung.
2. Empfindlichkeitsklasse (Letzte Ziffer der Teilenummer, 'X'):Dies definiert den erforderlichen LED-Auslösestrom.
   • Klasse '1':Maximaler Auslösestrom (IFT) = 15 mA. Am wenigsten empfindlich.
   • Klasse '2':Maximaler Auslösestrom (IFT) = 10 mA.
   • Klasse '3':Maximaler Auslösestrom (IFT) = 5 mA. Am empfindlichsten.

Zum Beispiel ist ein EL3062 ein Fotokoppler mit 600V Nennspannung und einem maximalen Auslösestrom von 10 mA.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische Kennlinien, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter nicht standardmäßigen Bedingungen (z.B. Temperaturschwankungen) wesentlich sind. Obwohl spezifische Diagramme im bereitgestellten Text nicht detailliert sind, umfassen typische Kurven für solche Bauteile:

• Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (IF-VF):Zeigt die nichtlineare Beziehung der Eingangs-LED, entscheidend für das Treiberdesign.
• Auslösestrom vs. Temperatur (IFT vs. Ta):Der erforderliche LED-Strom zur Auslösung des Ausgangs steigt typischerweise mit sinkender Temperatur. Dies ist entscheidend für den Entwurf zuverlässiger Systeme, die in kalten Umgebungen arbeiten.
• Durchlassspannung vs. Durchlassstrom (VTM-ITM):Veranschaulicht die Leitfähigkeitseigenschaften des Ausgangstriacs.

Designer sollten die vollständigen Datenblattdiagramme konsultieren, um Parameter für ihren spezifischen Betriebstemperaturbereich angemessen zu dimensionieren.

5. Schaltplan und Pinbelegung

Der interne Schaltplan zeigt eine Infrarot-GaAs-LED, die optisch mit einem Siliziumchip gekoppelt ist, der den lichtempfindlichen Triac und die Nulldurchgangserkennungsschaltung enthält.

Pinbelegung (6-Pin DIP):

1. Anode:Positiver Anschluss der Eingangs-LED.
2. Kathode:Negativer Anschluss der Eingangs-LED.
3. Nicht angeschlossen (NC):Dieser Pin ist intern nicht verbunden.
4. Hauptanschluss 2 (MT2):Einer der Hauptanschlüsse des Ausgangstriacs.
5. Substrat:Interne Verbindung.Nicht extern anschließen.
6. Hauptanschluss 1 (MT1):Der andere Hauptanschluss des Ausgangstriacs. Dies ist typischerweise der Referenzpunkt für das Gate-Auslösesignal.

Der Ausgang (Pins 4 und 6) ist dafür ausgelegt, in Reihe mit dem Gate eines externen, leistungsstärkeren Triacs geschaltet zu werden, der tatsächlich den Laststrom schaltet.

6. Messmethodik: Statische dv/dt

Das Datenblatt enthält eine detaillierte Testschaltung und -prozedur zur Messung der kritischen Anstiegsgeschwindigkeit der Sperrspannung (dv/dt). Dieser Test ist entscheidend, um die Störfestigkeit des Bauteils zu quantifizieren.

Testschaltung:Eine Hochspannungsimpulsquelle ist über ein Reihen-RC-Netzwerk (RTEST, CTEST) mit dem Ausgang des Prüflings (DUT) verbunden. Die LED ist aus (IF=0).

Prozedur:Ein Impuls mit einem Spitzenwert (VPEAK) gleich der Nenn-VDRM wird angelegt. Der Widerstand RTEST wird variiert, um die Zeitkonstante (τ = R*C) des RC-Netzwerks zu ändern, was wiederum die Steigung (dv/dt) der an den DUT angelegten Spannungsrampe ändert. Die Steigung wird erhöht, bis der DUT fehlerhaft auslöst. Dann wird die Steigung verringert, bis die Auslösung gerade aufhört. Der dv/dt-Wert an dieser Schwelle wird als 0,632 * VPEAK / τRC berechnet.

Dieser gemessene Wert muss die Mindest-dv/dt-Spezifikation (z.B. 600 V/µs für EL308X) erfüllen oder überschreiten.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Halbleiterrelais (SSRs):Die primäre Anwendung, bietet Isolierung und Nulldurchgangsschaltung für AC-Lasten wie Heizungen, Lampen und Magnetventile.
• Industriesteuerungen:Zur Verbindung von PLC-Ausgängen mit Motorstartern, Schützen und Ventilantrieben.
• Haushaltsgeräte:Verwendet in intelligenten Steckdosen, Dimmern und Gerätesteuerplatinen für sicheres AC-Schalten.
• Temperaturregelungen:Schalten von Heizelementen in Thermostaten und Öfen.

7.2 Designüberlegungen

1. Spannungsauswahl:Wählen Sie eine VDRM-Kennzeichnung mit einem Sicherheitsabstand über der AC-Netzspitzenspannung. Für eine 240VAC-Leitung (Spitze ~340V) ist ein EL304X (400V) das Minimum, aber ein EL306X (600V) bietet einen besseren Spielraum für Transienten.
2. LED-Treiberschaltung:Berechnen Sie den Vorwiderstand: R = (Vcc - VF) / I_F_Betrieb. Stellen Sie sicher, dass I_F_Betrieb zwischen dem max. IFT (für Ihre gewählte Klasse) und 60mA liegt. Ein typischer Betriebsstrom ist 10-20 mA für die Klassen 1 und 2.
3. Snubber-Schaltungen:Obwohl der Fotokoppler selbst eine gute dv/dt-Kennzeichnung hat, kann der externe Leistungstriac ein RC-Snubber-Netzwerk über seinen Anschlüssen benötigen, um Spannungsspitzen von induktiven Lasten zu unterdrücken und Fehlauslösungen oder Schäden zu verhindern.
4. Wärmeableitung:Halten Sie sich an die Leistungs-Derating-Kurven. Die Ausgangsverlustleistung (PC) stammt hauptsächlich aus der Durchlassspannung (VTM) multipliziert mit dem Gate-Strom des externen Triacs. Stellen Sie sicher, dass die Gesamtverlustleistung des Bauteils (PTOT) bei maximaler Umgebungstemperatur innerhalb der Grenzen liegt.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die Hauptvorteile dieser Nulldurchgangs-Triac-Treiber-Fotokoppler-Serie im Vergleich zu Nicht-Nulldurchgangs-Typen oder einfachen Optotriacs sind:

• Reduzierte EMI:Durch das Schalten am Nulldurchgangspunkt wird die plötzliche Stromänderung (di/dt) minimiert, was die leitungsgebundenen und abgestrahlten elektromagnetischen Störungen drastisch reduziert.
• Geringerer Einschaltstrom:Verhindert hohe Einschaltströme beim Schalten von ohmschen Lasten wie Glühlampen oder Heizelementen und verlängert deren Lebensdauer.
• Integrierte Lösung:Kombiniert die Isolierungs-, Erkennungs- und Auslösefunktionen in einem zuverlässigen 6-Pin-Gehäuse und vereinfacht das Design im Vergleich zu diskreten Nulldurchgangsschaltungen.
• Spannungsbereich:Der weite Bereich der Sperrspannungen (250V bis 800V) deckt die meisten globalen AC-Netzanwendungen in einer einzigen Produktfamilie ab.
• Regulatorische Konformität:Die Bauteile verfügen über Zulassungen von großen internationalen Sicherheitsbehörden (UL, cUL, VDE usw.), was die Endproduktzertifizierung vereinfacht.

9. Häufige Fragen basierend auf technischen Parametern

1. F: Kann ich den EL303X (250V) an einer 120VAC-Leitung verwenden?
   
   A: Ja. Die Spitzenspannung von 120VAC beträgt ~170V, was unter der 250V-Kennzeichnung liegt. Für die Zuverlässigkeit gegen Netzüberspannungen wird jedoch oft ein höher bewertetes Teil wie der EL304X empfohlen.
2. F: Was ist der Zweck des "Substrat (nicht anschließen)"-Pins?
   
   A: Dieser Pin ist eine interne Verbindung für den Siliziumchip. Es ist entscheidend, ihn extern unverbunden zu lassen. Ein Anschluss könnte interne Schaltungen kurzschließen und das Bauteil zerstören.
3. F: Wie wähle ich zwischen den Empfindlichkeitsklassen 1, 2 und 3?
   
   A: Klasse 3 (5mA) ermöglicht die Verwendung eines Vorwiderstands mit höherem Wert oder eines schwächeren Treiber-ICs (z.B. von einem Mikrocontroller), spart Energie und reduziert die Belastung der Treiberkomponenten. Klasse 1 (15mA) kann gewählt werden, wenn die Treiberschaltung robust ist und die Kosten des Treibers weniger problematisch sind, oder für Anwendungen, die eine höhere Störfestigkeit auf der Eingangsseite erfordern.
4. F: Die Ausgangsstrombelastbarkeit (IT(RMS)) beträgt nur 100mA. Kann es eine 10A-Last schalten?
   
   A: Nein. Dieses Bauteil ist einTreiber. Der 100mA-Ausgang ist dafür ausgelegt, das Gate eines externen, viel größeren Leistungstriacs oder Thyristors (z.B. eines 10A oder 40A TRIAC) auszulösen. Die externe Komponente handhabt den vollen Laststrom.

10. Praktisches Designbeispiel

Szenario:Entwurf eines Halbleiterrelais zum Schalten eines 240VAC, 5A ohmschen Heizelements von einem 5V-Mikrocontroller aus.

1. Fotokoppler-Auswahl:Wählen Sie EL3062. 600V-Kennzeichnung bietet guten Spielraum über 340V Spitze. Klasse 2 (10mA IFT) ist ein guter Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Treiberfähigkeit.
2. LED-Treiber:Mikrocontroller-Pin (5V, 20mA max.) treibt die LED. VF ~1,3V. R = (5V - 1,3V) / 0,015A = ~247 Ohm. Verwenden Sie einen 220-Ohm-Widerstand, was zu IF ~17mA führt, deutlich über dem 10mA IFT und unter 60mA max.
3. Externer Leistungstriac:Wählen Sie einen 600V, 10A+ Triac (z.B. BTA16-600). Verbinden Sie dessen Gate mit Pin 6 (MT1) des Fotokopplers. Verbinden Sie Pin 4 (MT2) des Fotokopplers in Reihe mit einem 100-200-Ohm-Widerstand zur AC-Leitung (über die Last). Dieser Widerstand begrenzt den Gate-Strom des Leistungstriacs.
4. Snubber:Fügen Sie einen 100-Ohm-Widerstand und einen 0,1µF-Kondensator in Reihe über die Hauptanschlüsse (A1/A2) des BTA16-Triacs hinzu.
5. Isolierung:Die 5000Veff-Isolierung des Fotokopplers trennt die Niederspannungs-Mikrocontrollerschaltung sicher von der gefährlichen AC-Netzspannung.

11. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip der optischen Kopplung. Wenn ein Strom durch die Eingangs-Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) fließt, emittiert sie Photonen. Diese Photonen überqueren einen Isolationsspalt und treffen auf einen lichtempfindlichen Siliziumchip auf der Ausgangsseite. Dieser Chip enthält einen lichtaktivierten Triac und eine Nulldurchgangserkennungsschaltung. Die Erkennungsschaltung überwacht die Spannung über den Ausgangsklemmen (MT1-MT2). Nur wenn diese Spannung unter einem bestimmten Schwellenwert liegt (typischerweise um 20V, die Sperrspannung VINH)unddie LED leuchtet, lässt die Schaltung den internen Triac auslösen. Dies stellt sicher, dass die Leitung sehr nahe am Punkt beginnt, an dem die AC-Sinuswelle null Volt kreuzt. Einmal ausgelöst, bleibt der Triac eingeschaltet, solange der Laststrom seinen Haltestrom (IH) überschreitet, bis zum nächsten Strom-Nulldurchgang.

12. Bestellinformationen

Die Teilenummer folgt dem Format: EL30XY(Z)-V

• X:Spannungsserie (3,4,6,8).
• Y:Empfindlichkeitsklasse (1,2,3).
• Anschlussform-Option:
  • Keine/M:Durchsteckmontage DIP, Rohrverpackung.
  • S / S1:Oberflächenmontage-Anschlussform. S1 ist eine Low-Profile-Version.
• Band- und Rolle-Option (Z):TA oder TB für SMD-Teile, spezifiziert den Rollentyp.
• V:Zeigt an, dass die VDE-Sicherheitszulassung enthalten ist.

Beispiel: EL3062S-TA-V ist ein 600V, Klasse 2, Oberflächenmontage-Bauteil auf TA-Band und -Rolle, mit VDE-Zulassung.