Optokoppler

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Ein Optokoppler ist ein Bauelement der Optoelektronik und dient zur Übertragung eines Signals zwischen zwei galvanisch getrennten Stromkreisen. Er besteht aus einem optischen Sender, typischerweise ist dies eine Leuchtdiode (LED), und einem optischen Empfänger wie einem Fototransistor, welche beide in einem lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht sind.

Mit Optokopplern können sowohl digitale als auch analoge Signale übertragen werden.

Typischer Aufbau zweier Optokoppler in Schnittdarstellung,
oben: Face to face, unten: coplanar mit galvanischer Isolierung

Aufbau[Bearbeiten]

Aufgeschnittene Optokoppler
Diskreter Aufbau
Zur sicheren Trennung sehr hoher Potentialunterschiede (mehrere 10 kV) werden Optokoppler diskret mit Hilfe von Glasfasern aufgebaut. Historische Optokoppler bestanden aus einer Kombinationen aus Fotowiderstand und Lichtquelle, beispielsweise einer Leuchtdiode oder einer Glühlampe.
Integrierter Aufbau
Seit etwa 1972 werden Optokoppler als Verbund-Bauteil angeboten. Üblicherweise besteht ein Optokoppler aus einer Infrarotleuchtdiode (LED) als Sender, im Schaltsymbol links dargestellt, und einer Silizium-Photodiode oder einem Fototransistor als Empfänger, in selteneren Fällen auch einem Photo-MOSFET, einem Fotothyristor oder Triac.

Bei der internen Bauform unterscheidet man zwischen dem Face-to-face-Design und dem Coplanar-Design. Im ersten Fall stehen sich Sender und Empfänger wie im Schaltbild gezeigt direkt gegenüber. Bei der zweiten Variante befinden sich Sender und Empfänger auf einer Ebene. Hier wird der Lichtstrahl ähnlich dem Prinzip eines Lichtwellenleiters durch Reflexion übertragen.

Bei manchen Typen ist direkt im Optokoppler ein Verstärker nachgeschaltet, um kleine Lasten, z. B. Relais, direkt schalten zu können.

Kennwerte[Bearbeiten]

Schaltsymbol, mit Fototransistor als Ausgang
Funktionsprinzip

Gleichstrom-Übertragungsverhältnis[Bearbeiten]

Das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (engl. current transfer ratio, CTR) gibt das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsstrom bei Gleichstromsignalen oder niedrigen Signalfrequenzen an. Die Werte liegen je nach Empfänger zwischen 0,2%(Photodiode) über ca. 100% (Phototransistor) bis zu weit über 1000% (Darlington-Phototransistor). Bei digitalen Optokopplern wird kein CTR angegeben, sondern ein LED-Mindeststrom, der zum Pegelwechsel am Ausgang erforderlich ist.

Isolationsspannung[Bearbeiten]

Diese Spannung ist abhängig von Abstand und Anordnung von Sender und Empfänger, dem Isolationswerkstoff und dem Abstand der Anschlüsse. Übliche Isolationsspannungen sind 1500 bis 4000 V, in Sonderfällen bis zu 25 kVolt.

Zur sicheren Netztrennung werden Optokoppler mit weiter entfernten Anschlüssen gefertigt, als dies beim unten abgebildeten DIL-Gehäuse der Fall ist, um auf der Platine die erforderliche Kriechstrecke von in der Regel 8 mm einhalten zu können.

Isolationswiderstand[Bearbeiten]

Der Isolationswiderstand zwischen dem Eingang und dem Ausgang ist sehr hoch und beträgt bis zu 1013 Ω.

Grenzfrequenz und Schaltzeiten[Bearbeiten]

Die Grenzfrequenz ist die höchste Arbeitsfrequenz, bei der ein Optokoppler noch arbeiten kann. Sie liegt bei Optokopplern mit Fototransistor bei ca. 50…200 kHz, bei solchen mit Photodiode beträchtlich höher, meist über 10 MHz. Bei Photodioden- bzw. digitalen Optokopplern wird die Grenzfrequenz durch die Schaltzeiten der Sende-LED begrenzt.

Am langsamsten sind Optokoppler mit PhotoMOS-Transistor, diese haben Reaktionszeiten im Millisekundenbereich.

Sperrspannungen[Bearbeiten]

Die Sendediode verträgt nur Sperrspannungen von ca. 5 Volt; sie wird jedoch ohnehin in Durchflussrichtung betrieben. Die Sperrspannung des empfangenden Fototransistors beträgt meist 30 bis 50 Volt. In Optokopplern verbaute Thyristoren und Triacs haben Sperrspannungen bis etwa 400 Volt.

Digitale Optokoppler arbeiten empfängerseitig meist an einer Spannung von 5 Volt.

Bauformen[Bearbeiten]

Digitaler Optokoppler im DIL-8-Gehäuse
Reflexkoppler und Gabelkoppler (IR-Strahlwege sind in magenta dargestellt)

Optokoppler werden in Gehäusen angeboten, die denen von integrierten Schaltkreisen gleichen. Für hohe Sperrspannungen ab etwa 4 kV werden auch langgestreckte Gehäusebauformen gefertigt.

Optokoppler werden auch mit offenem (zugänglichem) optischem Strahlengang gefertigt, sie heißen dann Gabelkoppler oder Reflexkoppler (siehe Lichtschranke).

Vorteile von Optokopplern[Bearbeiten]

  • Kleine Abmessungen
  • Digitale und analoge Signalübertragung möglich
  • Geringe Koppelkapazitäten zwischen Ein- und Ausgang
  • Keine Induktivitäten
  • Im Vergleich zu ebenfalls galvanisch trennenden Relais geringere Verzögerungszeiten des Ausgangssignals, kein Kontaktprellen
  • Keine Störung durch Magnetfelder
  • Galvanische Trennung der Eingangs- und Ausgangsstromkreise
  • im Gegensatz z. B. zum Relais kein mechanischer Verschleiß, daher viel mehr Schaltzyklen möglich

Nachteile von Optokopplern[Bearbeiten]

  • Höhere Spannungsabfälle im Ausgangskreis als bei Relais
  • nur eine Stromrichtung im Ausgangskreis möglich (außer bei Triac- und PhotoMOS-Empfänger)
  • Sendediode erfordert externen Vorwiderstand (Ausnahme: Solid-State-Relais)
  • Bei PhotoMOS-Typen teilweise niedrige Grenzfrequenzen im Bereich von wenigen kHz
  • Ein- und Ausgangskreis sind im Vergleich zu Relais empfindlicher gegenüber Überlast und Störimpulsen
  • Optokoppler verändern ihre Eigenschaften mit der Zeit: Über die Betriebsjahre eines Optokopplers hinweg verändert sich das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (CTR, Current Transfer Ratio). Dies ist bei Stromversorgungen sehr unangenehm, da der Optokoppler ein Teil der Übertragungsfunktion der Regelschleife ist. Eine Veränderung der Übertragungsfunktion hat Einfluss auf die Bandbreite der Regelung sowie auf die Stabilität der Stromversorgung. Da verhindert werden soll, dass eine Stromversorgung mit der Zeit instabil wird, muss üblicherweise die Übertragungsfunktion der Regelschleife so eingestellt werden, dass auch bei einem alternden Optokoppler noch genügend Phasenreserve vorhanden ist. Dies geht mit einer reduzierten Bandbreite einher. Die Stromversorgungen reagieren also langsamer auf Eingangsspannungs- und Lasttransienten als nötig.
  • Optokoppler sind nicht für hohe Temperaturen ausgelegt: Hohe Temperaturen über 85°C verändern das Übertragungsverhalten von Optokopplern. Dies ist in einer Anwendung bereits beim Einlöten der Bauteile der Fall. Hinzu kommt die Tatsache, dass für Anwendungen, in denen die Umgebungstemperatur über 85°C liegen kann, Optokoppler nicht zugelassen sind. Gerade bei modernen, hochkompakten Stromversorgungen kann die Umgebungstemperatur lokal durchaus über diesen Wert steigen.
  • Eine Regelschleife mit Optokoppler benötigt noch weitere Bauteile: Neben dem eigentlichen optischen Übertrager (Optokoppler) sind noch eine sekundärseitige Referenz und ein Operationsverstärker notwendig. Diese Bauteile geben den ausgangsseitigen Referenzpunkt, um die Ausgangsspannung in Bezug zu diesem Punkt zu regeln.
  • Optokoppler sind langsam: Eine mit einem Optokoppler aufgebaute Stromversorgung hat üblicherweise eine maximale Bandbreite von 25 kHz. Diese limitierte Bandbreite verlangsamt die Reaktion auf Eingangsspannungs- und Lastveränderungen.
  • Schaltungen mit Optokopplern brauchen viel Strom: Dieser Nachteil ist, abhängig vom Einsatzgebiet der Stromversorgung, mehr oder weniger gravierend. Optokoppler haben häufig eine Verlustleistung von ca. 100 mW, wenn eine LED mit 20 mA bei einer Ansteuerspannung von 5 V eingesetzt wird. Je mehr Strom aufgewendet wird, desto besser ist das Übertragungsverhalten. Bei modernen Stromversorgungen ist häufig auch ein effizienter Betrieb im Niedriglastbetrieb wichtig, z.B. Standby-Schaltungen. Hierbei stört der Stromverbrauch von Optokopplern erheblich.

Einsatzgebiete[Bearbeiten]

Optokoppler – Solid state relay (SSR)

Optokoppler findet man meist dort, wo Stromkreise galvanisch (elektrisch) voneinander getrennt sein müssen. Einsatzfälle sind z. B.:

  • Schutz von Baugruppen: Wird bei einer Überspannung der LED-Eingang des Optokopplers durch den erhöhten Strom thermisch zerstört, bleibt der Ausgangsteil (Fototransistor) und die dahinterliegende Schaltung geschützt – nur die LEDs müssen ausgetauscht werden.
  • Schnittstellenkarten oder Netzwerkkarten von Computern. Hier müssen die Stromkreise elektrisch voneinander getrennt werden, da die miteinander verbundenen Geräte unterschiedliche Massepotenziale haben können.
  • Baugruppen, die vor transienten Überspannungen und Gleichtakt-Störimpulsen geschützt werden müssen, haben oft Optokopplung ihrer Ein- und Ausgänge (Industriesteuerungen, SPS)
  • In medizinischen Geräten muss der Patient besonders vor Fehlerspannungen geschützt werden.
  • Ansteuerung von Schaltungsteilen, die auf abweichenden Spannungspotentialen liegen (z. B. Signalübertragung von und zu Netzspannungskreisen)
  • Elektronische Lastrelais werden ebenfalls mittels integriertem Optokoppler angesteuert
  • Schaltnetzteile: Übertragung der Steuerinformationen vom Sekundär- zum Primärteil
  • Musical Instrument Digital Interface (MIDI) zur Vermeidung von Brummschleifen
  • Gabel- und Reflexkoppler werden u. a. als Sensor in optischen Drehgebern und Endschaltern sowie Näherungsschaltern eingesetzt

Alternativen[Bearbeiten]

Neben mechanischen Relais gibt es noch andere Bauelemente, die Signale auf nicht-optischem Wege potentialfrei übertragen. Dazu gehören elektronische Koppler und Isolationsverstärker, die mit induktiver oder kapazitiver Übertragung arbeiten, sowie Halbleiterschaltungen, die wechselnde Potentialdifferenzen mittels hochsperrender Transistoren überwinden (level shifter, high side switches, half bridge driver)

Literatur[Bearbeiten]

  •  Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 978-3-540-42849-7.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Optokoppler – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien