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Betriebsparameter richtig betrachten

Es lebe der Optokoppler!

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Bild 1: Optokoppler WL-OCPT von Würth Elektronik mit zugehörigem Schaltbild
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Wie testet man die Langlebigkeit von Optokopplern? Wie berechnet man die zu erwartende Lebensdauer für eine Anwendung? Und welchen Einfluss nimmt die LED? Würth Elektronik eiSos gibt Tipps, wie ein Optokoppler möglichst lange seine volle Leistung bringt.

Von Dominik Köck,  Würth Elektronik eiSos

Ein wichtiger Aspekt im Schaltungsentwurf ist die zu erwartende Lebensdauer des Produkts und der darin enthaltenen Einzelkomponenten. Denn Bauelemente können mit der Zeit ihr elektrisches Verhalten verändern oder auch komplett ausfallen. Auch Optokoppler sind diesem Umstand unterworfen.

Optokoppler-Grundlagen

Der einfachste Optokoppler besteht aus einer LED, die optisch mit einem Phototransistor gekoppelt, aber elektrisch von ihm isoliert ist. Wenn die LED eingeschaltet ist, wird Licht emittiert und der Phototransistor ist im leitenden Zustand. Ist die LED ausgeschaltet, ist der Phototransistor im gesperrten Zustand. Eine wichtige Kenngröße des Optokopplers ist das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis, besser als Current Transfer Ratio (CTR) bekannt. Dieses kann sich – abhängig von den Betriebsbedingungen – mit der Zeit verändern.
Das CTR ist definiert als das Verhältnis zwischen dem durch die LED fließenden Strom IF und dem durch den Phototransistor fließenden Strom IC:

C T R equals I to the power of c over I subscript f cross times 100 percent sign
Das Optokoppler-Portfolio von Würth bietet die Wahl zwischen CTR-Bereichen von 50 % bis 600 %, die je nach Applikation in verschiedene Typen aufgeteilt sind.

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Bild 2: Erwartete CTR-Reduzierung im Laufe der Betriebszeit. Parameter im normalen Betrieb: 100 % Tastverhältnis, 80 °C Umgebungs­temperatur, 5 mA Vorwärtsstrom. Parameter während des Belastungstests: 1000 h Test, 110 °C Testtemperatur, 30 mA Vorwärtsstrom
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Die Lebensdauer von Optokopplern kann mehrere Jahrzehnte betragen; daher wird ein beschleunigter Belastungstest unter erhöhten Betriebsbedingungen durchgeführt. Bei Halbleitern gibt es viele verschiedene Degradationsmechanismen. Einige davon sind die Elektromigration, die Keimbildung und das Wachstum von Verwerfungen sowie die Metall-Diffusion. Diese Degradationsmechanismen werden mit dem Parameter der spezifischen Aktivierungsenergie EA beschrieben. Er bezeichnet die Energie, die zur Aktivierung dieses Fehlermechanismus erforderlich ist. Abhängig vom spezifischen Fehler variiert diese Aktivierungsenergie zwischen EA = –0,2 eV und EA = 1,4 eV. Bei LEDs führen eine hohe Stromdichte sowie eine hohe Temperatur zur Diffusion von Atomen aus dem aktiven Bereich und hinterlassen lokale Defekte, sogenannte Point Defects. Diese Fehler im Halbleiterchip der LED erhöhen die Anzahl der nichtstrahlenden Rekombinationszentren, wodurch sich die Quanteneffizienz der Lichterzeugung verringert. Durch die somit geringere Strahlungsleistung der LED wird das CTR-Verhältnis des Optokopplers verringert. Dieser Mechanismus kann ähnlich wie die 1969 von J. Black publizierte Elektromigration von Al-Atomen beschrieben werden. In seiner Veröffentlichung beschrieb J. Black die mittlere Zeit bis zum Versagen eines Bauteils mit folgender Formel:

fraction numerator 1 over denominator M T F end fraction equals A times J squared times e to the power of negative fraction numerator E subscript A over denominator k subscript B T end fraction end exponent

MTF: Median Time to Failure – die Zeit (Median) bis zum Versagen des Bauteils [h]
A: Eine Konstante, die den Streuquerschnitt beinhaltet
J: Stromdichte [A/cm2]
EA: Aktivierungsenergie [eV]
kB: Boltzmann-Konstante, 8,617 · 10–5 eV/K
T: Temperatur [K]


Für Lebensdauertests ist es von großem Interesse, die Testdauer zu verkürzen und trotzdem in der Lage zu sein, die resultierende Lebensdauer unter normalen Nutzungsbedingungen vorherzusagen. Nach Gleichung (2) nimmt die MTF mit steigender Stromdichte und zunehmender Temperatur ab. Beim Testen der Optokoppler mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Strom laufen die Degradierungsmechanismen also viel schneller ab als unter Betriebsbedingungen mit geringerer Temperatur und geringerem Strom. Daher lässt sich ein Beschleunigungsfaktor berechnen, indem man Gleichung (2) mit eingesetzten Stresstestbedingungen durch dieselbe Gleichung mit den normalen Betriebsbedingungen teilt. Daraus ergibt sich die sogenannte Blacksche Gleichung (3):

A F equals open parentheses I subscript t e s t end subscript over I subscript n o r m end subscript close parentheses to the power of N times e to the power of E subscript A over k subscript B open parentheses 1 over T subscript n o r m end subscript minus 1 over T subscript t e s t end subscript close parentheses end exponent

AF: Acceleration Factor oder Beschleunigungsfaktor [h]
Ttest: im Stresstest verwendete Temperatur [K]
Tnorm: typische Betriebstemperatur [K]
Itest: im Stresstest verwendeter Strom [A]
Inorm: typischer Strom unter normalen Betriebsbedingungen [A]
EA: Aktivierungsenergie [eV]
N: Exponent N = 2

 

 

 

 

 

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Bild 2: Erwartete CTR-Reduzierung im Laufe der Betriebszeit. Parameter im normalen Betrieb: 100 % Tastverhältnis, 80 °C Umgebungs­temperatur, 5 mA Vorwärtsstrom. Parameter während des Belastungstests: 1000 h Test, 110 °C Testtemperatur, 30 mA Vorwärtsstrom
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Wie bereits erwähnt, gibt es eine Abhängigkeit zwischen verschiedenen Fehlermechanismen und den entsprechenden Aktivierungsenergien. Die effektive Aktivierungsenergie kann als Fit-Parameter aus wiederholten Belastungstests bei verschiedenen Temperaturen gefunden werden. Um den Industriestandards zu entsprechen, wird jedoch für die Berechnung der MTF eine durchschnittliche Aktivierungsenergie von EA = 0,7 eV als typischer Wert für diskrete Halbleiter verwendet.
Der Phototransistor ist weniger anfällig für Degradation als die LED. Daher nehmen wir in diesem Artikel an, dass die Änderung des CTR auf den Verlust der Strahlungsleistung der LED und nicht auf die Degradation des Phototran sistors zurückzuführen ist. Am Beispiel der Optokoppler 14081614xxx und 14081714xxx von Würth Elektronik berechnen wir nun die MTF. Die Parameter sind


Betriebsdauer: 1000 h
Temperatur: Ttest = 110 °C
LED-Vorwärtsstrom: Itest = 30 mA


Wenn der Optokoppler mit einem Duty Cycle (Tastverhältnis) von 100 %, d.h. steigendem Gleichstrom, mit Inorm = 5 mA und bei Umgebungstemperatur Tnorm = 80 °C betrieben wird, beträgt der Beschleunigungsfaktor AF = 218. Nach der Black-Formel (3) simuliert also der Beschleunigungs-Belastungstest von 1000 h eine normale Betriebsdauer von AF · 1000 h = 218 · 1000 h ≈ 25 Jahren.

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Bild 3: Durchschnittliche CTR-Werte über die Betriebszeit in Abhängigkeit vom Diodenstrom IF bei konstanter Umgebungstemperatur. Parameter im normalen Betrieb: 100 % Tastverhältnis (= DC-Strom), 80 °C Umgebungstemperatur, Dioden-Vorwärtsströme wie in der Grafik ngegeben
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Bild 2 zeigt die CTR-Reduzierung, die innerhalb dieser 25 Jahre zu erwarten ist. Sie zeigt für die Optokoppler von Würth Elektronik, dass im Durchschnitt eine Reduzierung des CTR-Wertes um lediglich 5 % zu erwarten ist.
Die CTR für die 2σ-Durchschnittswerte sind in Bild 2 als gestrichelte Linie ebenfalls angegeben. 2σ gibt den Betrag der statistischen Verteilung als Varianz in den Daten an. Mit anderen Worten: Etwa 68 % der relativen CTR-Werte liegen innerhalb der Entfernung von 1σ vom Durchschnittswert. Ähnlich liegen 95 % der relativen CTR-Werte innerhalb des Vertrauensintervalls von 2σ. Betrachten wir Bild 2, so zeigt die 2σ-Kurve, dass der niedrigste zu erwartende relative CTR innerhalb von 25 Jahren minimal 87 % beträgt.

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Bild 4: Durchschnittliche CTR-Werte über die Betriebszeit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bei konstantem Diodenstrom IF = 5 mA. Parameter für den normalen Betrieb: 100 % Tastgrad, 5 mA Vorwärtsstrom, Umgebungstemperaturen wie in der Grafik angegeben
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Parameter zur Verbesserung
der Lebensdauer von Optokopplern


In Bild 3 ist die durchschnittliche Reduzierung des CTR in Abhängigkeit von üblichen Betriebsströmen IF bei einer Umgebungstemperatur von 80 °C dargestellt; Bild 4 zeigt die Kurve der CTR-Werte über die Zeit für drei verschiedene Umgebungstemperaturen bei einem LED-Vorwärtsstrom von 5 mA. Hier zeigt sich, dass eine Verringerung der Umgebungs- und damit der Betriebstemperatur und ein niedrigerer Vorwärtsstrom der LED der CTR-Degradierung entgegenwirken kann.

Tipps für eine längere Lebensdauer

Optokoppler – wie auch alle anderen Komponenten auf der Platine – müssen für viele Jahre eine zuverlässige Leistung bringen, auch in rauen Anwendungen wie etwa Industriesteuerungen und Stromversorgungen. Weil die Verringerung der Leistung der LEDs einer der Mechanismen ist, die zu einer Verschlechterung des Stromübertragungsverhältnisses in Optokopplern führen, lohnt es sich, diesen Effekt zu verstehen. Angesichts der bereitgestellten Zuverlässigkeitsdaten und der vorgestellten Gleichungen gibt es einige Vorschläge für Design­verbesserungen, um die Lebensdauer von Optokopplern zu erhöhen:

  • Verringern Sie die effektive Betriebszeit des Optokopplers
  • Verringern Sie den Betriebsdiodenstrom und ziehen Sie die Verlustleistung aus der LED durch größere Durchkontaktierungen und Pads im Layout!
  • Vermeiden Sie transiente Spitzenströme durch die LED!
  • Passen Sie das Tastverhältnis der LED an, um den durchschnittlichen Strom niedrig zu halten!

Unter Berücksichtigung dieser Regeln kann der Entwickler über viele Jahre hinweg eine hohe Stabilität der Leistung von Würth-Elektronik-Optokopplern erwarten.


  1. Es lebe der Optokoppler!
  2. Die Ursachen für einen LED-Ausfall

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