Optokoppler

Schaltsymbol, mit Fototransistor als Ausgang

Der Optokoppler ist ein opto-elektronisches Verbund-Bauelement, welches aus einem meist Infrarotstrahlung emittierenden und einem die Strahlung empfangenden Bauelement besteht. Beide sind lichtgeschützt in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Zweck von Optokopplern ist die Übertragung eines elektrischen Signals bei gleichzeitiger galvanischer Trennung (elektrischer Isolierung) zwischen Ein- und Ausgangsstromkreis.

Optokoppler als Verbund-Bauteil werden seit etwa 1972 angeboten.

Aufbau

Üblicherweise besteht ein Optokoppler aus einer Infrarot-Leuchtdiode (LED) als Sender, im Schaltsymbol links dargestellt, und einer Silizium-Fotodiode, einem Fototransistor, einem Foto-MOSFET oder einem Fotothyristor als Empfänger.

Oft ist dem Empfänger direkt im Optokoppler ein Schaltverstärker nachgeschaltet, um kleine Lasten wie z. B. Relais direkt schalten zu können. Digitalen Optokopplern ist ein Schmitt-Trigger nachgeschaltet, der sich mit im Gehäuse befindet und teilweise eine zusätzliche Betriebsspannung auf der Empfängerseite erfordert. Das Licht gelangt über einen lichtleitenden Isolator, wie z. B. Glas oder Kunststoff, vom Sender zum Empfängerelement. Die Anordnung wird gegen äußere Lichtstrahlung geschützt in einem Gehäuse zusammengefasst. Der Sender besteht im Allgemeinen aus einer Gallium-Arsenid-LED, deren Wellenlänge besonders gut zur spektralen Empfindlichkeit des Silizium-Empfängerbausteins passt.

Mit Optokopplern können sowohl digitale als auch analoge Signale übertragen werden. Um störende elektrische Felder nicht vom Sender zum Empfänger gelangen zu lassen, sind beide voneinander abgeschirmt.

Kennwerte

Gleichstrom-Übertragungsverhältnis CTR

Das CTR (von engl. current transfer ratio) gibt das Verhältnis zwischen Eingangs-und Ausgangsstrom bei Gleichstromsignalen oder niedrigen Signalfrequenzen an. Übliche Werte sind 30…1000 %. Bei digitalen Optokopplern wird kein CTR angegeben, sondern ein LED-Mindeststrom, der zum Schaltpegelwechsel 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…4000 V.

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.

Die Isolationsspannung eines Optokopplers beträgt bis zu 25 kV.

Isolationswiderstand

Der Isolationswiderstand zwischen Eingang und 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 Fotodioden beträchtlich höher, meist über 10 MHz. Die Grenzfrequenz wird bei Fotodioden- bzw. digitalen Optokopplern durch die Anstiegs- und Abfallzeiten der Sende-LED begrenzt.

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

Sperrspannung

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

Digitale Optokoppler arbeiten empfängerseitig an einer Spannung von 5 Volt.

Bauformen

Digitaler Optokoppler im DIL-8-Gehäuse

Reflexkoppler und Gabelkoppler (IR-Strahlwege sind in magenta dargestellt)

Optokopplern 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) optischen Strahlengang gefertigt, sie heißen dann Gabelkoppler oder Reflexkoppler (siehe Lichtschranke).

Elektrisch unterscheiden sich Optokoppler besonders hinsichtlich der Empfängerseite. Hier kommen neben den meist üblichen Fototransistoren auch Fotothyristoren, Foto-Triacs, Foto-MOSFET zum Einsatz.

Bei digitalen Anwendungen wird eine Fotodiode mit nachfolgendem Verstärker und Schwellwertschalter (Schmitt-Trigger) eingesetzt.

Für höhere Schaltströme kommen Fototransistoren mit nachgeschaltetem Emitterfolger (Darlington-Fototransistoren) zum Einsatz.

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

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 zumeist dort, wo Stromkreise galvanisch (elektrisch) voneinander getrennt sein müssen. Diese und andere Einsatzfälle sind z. B.:

In Schnittstellenkarten oder Netzwerkkarten 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

Alternativen

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