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Beispiel eines Optokopplers

Sein Name lässt es schon erahnen: Wie die Leuchtdiode gehört auch der Optokoppler zu den optoelektronischen Bauelementen. Genauer betrachtet sind bei einem Optokoppler zwei "optisch ge-koppelte" Halbleiterbauelemente in einem Gehäuse untergebracht. Der Optokoppler ist, salopp formuliert, Optoelektronik im Doppelpack - die Wechselwirkung zwischen Photonen ("Licht") und elektrischen Ladungsträgern bei Halbleitern wird gleich zweifach genutzt, um die gewünschte Funktion zu erreichen.

Lichtsender und -empfänger

Im Optokoppler finden wir eine Leuchtdiode als Lichtsender und eine Fotodiode (oder Fototransistor/-thyristor/-triac) als Lichtempfänger. Dabei sind Sender und Empfänger gegenüber und vor äußerer Lichtstrahlung geschützt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, oft kleiner als ein herkömmliches 8 Pin Dil IC. Versorgt man die Leuchtdiode mit Strom, leuchtet sie auf und das Licht gelangt über einen lichtdurchlässigen Isolator, z. B. Glas, zur Fotodiode, die unter dieser Lichteinwirkung leitend wird. Durch ihre Lichtstrahlung steuert die Leuchtdiode die Fotodiode (Leuchtdiode ein = Fotodiode leitet, Leuchtdiode aus = Fotodiode sperrt). Und das, obwohl beide nicht elektrisch verbunden, sondern nur über einen Lichtpfad gekoppelt sind.

Wichtige Kenngrößen

Die meisten Optokoppler bestehen aus einer IR-LED und einem Fototransistor. Auf diese Typen beziehen sich die folgenden Eigenschaften der Optokoppler: Der Strom durch die LED auf der Sendeseite darf einen Maximalwert von z.B. 50 mA nicht überschreiten, einfach um die LED nicht zu überhitzen. Der Strom auf der Ausgangsseite ist etwa proportional zum Strom durch die LED. Das Verhältnis der Ströme (Ausgangsseite durch Eingangsseite) wird meist als CTR (current transfer ratio) genannt. Wenn z.B. ein CTR Wert von mindestens 50% angegeben ist, heißt das, dass der Ausgang bis mindestens 50% des LED Stromes leiten kann.

In manchen Anwendungen (etwa UART über Optokoppler) ist die Geschwindigkeit des Optokopplers wichtig. Hier muss man etwas aufpassen, denn die Schaltzeiten hängen vom Widerstand auf der Ausgangsseite und dem LED Strom ab. Die Angaben im Datenblatt beziehen sich teils auf sehr kleine Widerstände. Mit den üblichen Widerständen um am Ausgang einen gültigen Logikpegel zu erreichen ist der Optokoppler dann einiges langsamer, insbesondere wenn er bis in die Sättigung (Kollektor- Emitter-Spannung nahe 0) getrieben wird. Gelegentlich findet man auch ein Kurve für verschieden Lastwiderstände.

Ein weiterer Punkt ist die Spannungsfestigkeit der Isolation. Nicht alle Typen sind ausreichen für die sichere Trennung von Netzspannung.

Wozu braucht man Optokoppler?

In der Elektronik gibt es viele Anwendungen, bei denen Signale übertragen und die zugehörigen Ein- und Ausgangsschaltungen galvanisch getrennt (elektrisch isoliert) werden müssen. Die galvanische Trennung von Schaltungsteilen kann technische Gründe haben und/oder als Sicherheitsmaßnahme dienen. Zum Beispiel, wenn nachfolgende Schaltungen keinen elektrischen Einfluss auf vorhergehende Schaltungen haben dürfen. Im Fachjargon heißt das dann "rückwirkungsfreie Signalübertragung".

Mit seiner Fähigkeit, über kleine Eingangssignale einen galvanisch getrennten Ausgangskreis zu steuern, ist der Optokoppler einem Relais sehr ähnlich. Im Unterschied zu Relais weisen Optokoppler jedoch keine verschleißanfälligen mechanischen Teile auf und zeichnen sich darüber hinaus durch kürzere Schaltzeiten und kleinere Abmessungen aus. Die Isolationsspannung (Durchschlagsfestigkeit) von Optokopplern beträgt mehrere Kilovolt, je nach Abstand und Anordnung von Lichtsender und -empfänger und Isolationsmaterial. Für medizinische Anwendungen sind bspw. mindestens 5.3kV vorgeschrieben. Mit Optokopplern, die übrigens schon seit 1972 angeboten werden, können sowohl binäre als auch analoge Signale übertragen werden. Ohne besondere Vorkehrungen und Typen ist die analoge Übertragung allerdings recht ungenau.

Autoren/Quellen

  • Live News Spoerle
  • Übernommen Frank


Siehe auch