Opto-Koppler

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Schaltsymbol, mit Fototransistor als Ausgang

So funktioniert es

Optokoppler dienen zur Übertragung eines Signals, bestehend aus einem meist Infrarotstrahlung emittierenden und einem die Strahlung empfangenden Bauelement. Beide Bauteile sind lichtgeschützt in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Im Vordergrund steht die galvanische Trennung (elektrische Isolierung) zwischen Ein- und Ausgangsstromkreis.

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

Aufbau

Diskreter Aufbau

Historische Optokoppler bestanden aus einer Kombinationen aus Fotowiderstand und Lichtquelle, beispielsweise einer Leuchtdiode oder einer Glühlampe. Vereinzelt werden zur sicheren Trennung sehr hoher Potentialunterschiede diskrete Optokoppler mit Hilfe von Glasfasern aufgebaut.

Aufgeschnittene Optokoppler

Integrierter Aufbau

Seit etwa 1972 werden Optokoppler als Verbund-Bauteil angeboten. Üblicherweise besteht ein Optokoppler aus einer Infrarot-Leuchtdiode (LED) als Sender, im Schaltsymbol links dargestellt, und einer Silizium-Fotodiode oder einem Fototransistor als Empfänger, in selteneren Fällen auch einem Foto-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.

Peripherie

Oft ist dem Empfänger direkt im Optokoppler ein Schaltverstärker nachgeschaltet, um kleine Lasten wie, z. B. Relais direkt schalten zu können. Solche Koppler eignen sich nicht zur Übertragung analoger Signale.

Kennwerte

Gleichstrom-Übertragungsverhältnis

Das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (engl. current transfer ratio, CTR) gibt das Verhältnis zwischen Ein-und Ausgangsstrom bei Gleichstromsignalen oder niedrigen Signalfrequenzen an. Übliche Werte sind 30 bis 100 %. Bei digitalen Optokopplern wird kein CTR angegeben, sondern ein LED-Mindeststrom, der zum Pegelwechsel am Ausgang erforderlich ist.

Isolationsspannung

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

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

Grenzfrequenz und Schaltzeiten

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 Fotodiode beträchtlich höher, meist über 10 MHz. Bei Fotodioden- 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

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

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

• 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
• 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

• 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

Einsatzgebiete

Optokoppler – Solid state relay (SSR)

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

• 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)
• 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 der Optokoppler muss gewechselt werden.
• 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

Alternativen

Neben mechanischen Relais gibt es noch andere Bauelemente, die Signale auf nicht-optischem Wege potentialfrei übertragen. Dazu gehören 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)