Optokoppler: Überblick

Ein Optokoppler, oftmals auch als Optoisolator bezeichnet, ist ein Bauteil zur Isolation empfindlicher Schaltkreise von elektrischen Störgrößen. Einfach ausgedrückt besteht ein solches Bauelement aus einer Fotodiode im Verbund mit einer Leuchtdiode mit sichtbarem Licht oder Infrarotstrahlung. Zwischen diesen beiden Komponenten ist eine transparente Barriere angebracht – in der Regel schlichtweg eine Lücke.

Ein Optokoppler sieht für gewöhnlich etwa so aus wie ein beliebiger anderer integrierter Schaltkreis. So besteht er aus einem viereckigen Gehäuse mit einer unterschiedlichen Anzahl an Drähten, die aus dem Gehäuse heraus ragen. Diese Drähte werden dann an den Schaltkreis angeschlossen, in den der Optokoppler integriert werden soll.

Die meisten Optokoppler sind digitale Geräte und somit lediglich in der Lage, ein An-/Aus-Signal zu versenden. Schaltkreise können jedoch auch so gestaltet werden, dass ein Optokoppler unter bestimmten Bedingungen auch als analoges Gerät verwendet werden kann.

 

Bauart

Optokoppler sind in zahlreichen unterschiedlichen Varianten erhältlich, von denen manche bereits etwas älter und nicht mehr besonders weit verbreitet sind.

Die erste Form von Optokopplern wurde dabei auch als sogenannte resistive Optoisolatoren bezeichnet. Diese Komponenten verwendeten Glühlampen als Lichtquelle zur Steuerung der Übertragung des elektrischen Signals. Die Fotowiderstände bestanden dabei in aller Regel aus Cadmiumselenid oder Cadmiumsulfid.

Glühlampen erfordern eine bestimmte Menge an Strom, sodass in Anwendungen, bei denen der Schaltkreis nicht genügend Strom zur Verfügung stellen konnte, oftmals eine Neonlampe anstelle der Glühlampe zum Einsatz kam.

Eine der Einschränkungen dieser althergebrachten Designs rührt daher, dass Glühlampen eine hohe Verzögerungszeit vor dem Ein- und Ausschalten mit sich bringen. Mit dem Aufkommen von LED-Komponenten war dieses Problem weitgehend behoben, da LEDs deutlich schneller als Glühlampen ein- und ausgeschaltet werden können.

Zum Einsatz kamen die ersten Optokoppler vor allen Dingen im Bereich Telekommunikation, wo sie sich mit all ihren Eigenschaften als besonders wertvoll erwiesen. Optokoppler sind in der Lage, ein hohes Maß an Variation bezüglich ihres Widerstands zu unterstützen. Somit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz als Kompressor und ähnliches.

Darüber hinaus werden diese Geräte auch heute noch in Musikinstrumenten eingesetzt.

 

LED-Optokoppler

Aufgrund ihrer relativ geringen Verzögerungszeit eignen sich LEDs hervorragend für den Einsatz in Optokopplern. Optokoppler dieser Art werden auch als Dioden-Optokoppler bezeichnet. Sie verwenden LED-Komponenten um das Licht zu erzeugen – oftmals nahe des infraroten Bereichs – und Silizium-Fotodioden als Sensorelement.

PIN Dioden kommen in sehr schnellen Optokopplern zum Einsatz und können die Reaktionszeit des Geräts sehr drastisch verkürzen. Manche dieser Geräte verfügen zudem über ihre eigenen LED-Treiber und ihre eigenen Ausgangsverstärker. Dies kann dazu beitragen, dass die Geräte deutlich schneller laufen; zudem werden Geräte mit Spezifikationen dieser Art auch als Voll-Logik-Optoisolatoren bezeichnet. Innerhalb eines solchen Geräts ist der gesamte Schaltkreis eine vollkommen in sich abgeschlossene Einheit mit vollständig integrierten LEDs und Sensoren.

 

Geschwindigkeiten und Arten

Die Reaktionsgeschwindigkeit eines Optokopplers ist ein wichtiger Punkt für die Auswahl der richtigen Komponente. Verschiedene Designs laufen mit verschiedenen Geschwindigkeiten, wobei sich manche Designs je nach Anwendung deutlich besser eignen als andere.

Zu den Optokopplern mit der geringsten Geschwindigkeit zählen mitunter die resistiven Varianten. Diese verwenden eine Neonlampe, eine Glühlampe oder eine Infrarot-LED als Lichtquelle. Sie bieten eine sehr hohe Verzögerungszeit, werden jedoch noch immer in zahlreichen Anwendungen eingesetzt.

Silizium-gesteuerte Gleichrichter und TRIAC-Optokoppler zählen ebenso zu den langsameren Varianten, sind in manchen Fällen jedoch etwas schneller als resistive Optokoppler. Sie verwenden LED-basierte Lichtquellen und entweder einen Silizium-gesteuerten Gleichrichter oder einen TRIAC als Sensor.

Geräte mit nächsthöherer Geschwindigkeit verwenden LEDs als Lichtquelle und entweder bipolare Silizium-Fototransistorkomponenten oder Darlington Fototransistorkomponenten als Sensoren. Diese liegen allgemein im mittleren Geschwindigkeitsbereich.

Die schnellsten Optokoppler verwenden LEDs als Lichtquelle und Silizium-Fotodioden als Sensoren. Geräte dieser Art werden auch als Dioden-Optokoppler bezeichnet. Sie sind schnell genug, um auch in digitalen Anwendungen eingesetzt werden zu können und bieten sehr kurze Ansprechzeiten.

Ein Halbleiterrelais liefert eine weitere Option für Optokoppler. Sie können mit niedriger und hoher Geschwindigkeit betrieben werden und bieten ein prinzipiell unbeschränktes Stromwandlerverhältnis. Bei diesen Geräten kommt eine Reihe an Infrarot-LEDs als Lichtquelle zum Einsatz. Der Sensor besteht dabei aus mehreren Fotodioden, die allesamt entweder an einen IGBT oder an zwei MOSFETs angebunden sind.

 

Stromwandlerverhältnis

Das Stromwandlerverhältnis ist ein wichtiger Punkt für die Auswahl eines Optokopplers. Dabei ist dieses Verhältnis – im englischsprachigen Raum oftmals mit CTR abgekürzt – von der Funktion her ähnlich wie das Gleichstromverstärkungsverhältnis eines Transformators.

Diese Größe wird als Prozentsatz angegeben und beschreibt das Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom und dem Eingangsstrom. Dabei ist es besonders wichtig, im Auge zu behalten, dass die jeweils vorherrschende Umgebungstemperatur und das Alter der Komponente das CTR beeinträchtigen können. Unterschiedliche Optokoppler bieten unterschiedliche CTR-Werte.

Von den zuvor beschriebenen Varianten bietet resistive Optoisolatoren einen variablen CTR-Wert von weniger als 100%. SCR-Optokoppler hingegen verfügen über einen CTR-Wert von mehr als 100%. TRIAC-Varianten weisen einen sehr hohen CTR-Wert aus.

Die schnellsten Optokoppler, sprich: Dioden-Optokoppler, haben ein Stromwandlerverhältnis zwischen 0,1% und 0,2%. Transistor-Optokoppler, darunter Darlington und bipolare Siliziumvarianten, verfügen über einen CTR-Wert zwischen 2 und 120% bzw. zwischen 100 und 600%.

Halbleiterrelais weisen die geringsten Einschränkungen hinsichtlich des Stromwandlerverhältnisses auf.

 

Fototransistor-Varianten

Ein Fototransistor-Optoisolator ist ein relativ traditionelles Design für diese Komponenten und ist ein gutes Stück langsamer als Optionen mit Fotodioden. Diese Geräte erfordern, dass der Fototransistor ordnungsgemäß eingestellt ist und mit der richtigen Last beaufschlagt wird, um die normalerweise geringen Geschwindigkeiten zu kompensieren.

Fototransistor-Optokoppler bieten erhebliche Variationsmöglichkeiten bezüglich ihrer Performance, was für bestimmte Anwendungen mitunter problematisch werden kann.

 

Bidirektionale Optokoppler

Bidirektionale Optokoppler nutzen den Punkt zu ihrem Vorteil, dass LEDs Licht nicht nur emittieren sondern auch erkennen können. Somit können bidirektionale Optokoppler erstellt werden, indem schlichtweg zwei LEDs in das Design integriert werden. Eine der LEDs nimmt dabei den Platz des fotodetektiven Elements ein.

Wenn zwei LEDs einander gegenüber gestellt werden, können Optokoppler mit bidirektionaler Funktion erstellt werden. Die meisten Geräte, die LEDs auf diese Weise verwenden, verwenden LEDs nahe des infraroten Bereichs, da diese schlichtweg effizienter sind als LEDs mit sichtbarem Licht.

 

Schaltplansymbol

Das Schaltplansymbol eines Optokopplers besteht aus der Anzahl der Kabel und der integrierten Komponenten in einem Viereck, das das Gehäuse des gesamten Geräts darstellen soll. Eine gepunktete Linie trennt das Symbol in der Mitte und stellt somit die dielektrische Barriere dar.

 

Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Optoisolator_Pinout.svg

 

Elektrische Daten

Optoisolatoren bieten mitunter eine hervorragende Isolierung und schützen somit einen Teil eines Schaltkreises vor Beschädigungen durch Überspannungen in einem anderen Teil des Schaltkreises.

Optokoppler bieten den wichtigen Vorteil, dass sie sogenannten verstärkten Schutz bereitstellen können. Dieser Begriff bezieht sich darauf, dass ein Optoisolator sowohl das Equipment selbst, in das er integriert ist, als auch den Bediener des jeweiligen Equipments schützt, indem er Spannungsspitzen unterdrückt.

Optoisolatoren verwenden Licht zur Übertragung eines elektrischen Signals. Bei einem unidirektionalen Modell empfängt das Gerät auf der Seite der LED ein elektrisches Signal und wandelt es mit Hilfe dieser LED dann in Licht um. Das Licht passiert die dielektrische Barriere und wird von dem Sensor aufgenommen, der das Licht wiederum zurück in ein elektrisches Signal wandelt. Diese Geräte übertragen letztlich keinerlei Leistung.

Eine andere weit verbreitete Komponente für diese Aufgabe ist ein Transformator. Im Gegensatz zu diesen Geräten ist ein Optokoppler jedoch in der Lage, auch mit Gleichstrom zu arbeiten. So sind diese Komponenten auch besonders wertvoll zur Unterbrechung von Masseschleifen. Damit eignen sie sich besonders gut für industrielle Anwendungen, bei denen Masseschleifen oftmals ein Problem sind.

Optokoppler bieten zudem den Vorteil, dass die Widerstände zwischen den Ein- und Ausgangsseiten des Schaltkreises letztlich nicht übereinstimmen müssen. Das verschafft ihnen zusätzliche Flexibilität.

 

Optionen für Entwickler

Optokoppler sind sehr vielseitige Geräte und können auf der Grundlage zahlreicher unterschiedlicher Parameter ausgewählt werden. Hierzu zählen beispielsweise die maximale Durchlassspannung, der maximale Eingangsstrom, die Isolierspannung und das Ausgangsgerät.

Zu den Ausgangsgeräten zählen unter anderem Darlington, IGBT Gattertreiber, Infrarot-LEDs und CMOS-Optionen. Transistoren und TRIAC-Ausgänge, Photovoltaik-Ausgänge und weitere Optionen sind ebenso erhältlich.

Andere Parameter, die unter Umständen zu berücksichtigen sind, schließen mitunter die Montageart ein; hierfür stehen Optionen mit Durchsteck-, Leiterplatten- und DIN-Schienen-Montage und mehr zur Verfügung. Die Anzahl der Pins variiert in aller Regel zwischen vier und 16. DIP, LSOP, DIP-LF und viele weitere Varianten sind ebenfalls erhältlich.

 

Anwendungsbereich

Aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften kommen Optokoppler allen voran in Anwendungen zur Isolation zum Einsatz. Sie eignen sich hervorragend zum Schutz von Schaltkreisen vor Überspannungen und bieten zudem den Vorteil, dass sie „verstärkten Schutz“ bieten, sodass sie auch den Schutz des jeweiligen Personals vor den Gefahren von Überspannungen gewährleisten können.

Somit liegen die Anwendungen in digitalen Elektronikkomponenten nahezu auf der Hand. Digitale Elektronikkomponenten reagieren sehr empfindlich auf Überspannungen; dabei können sie mit der richtigen Isolation vor verschiedenen Gefahren geschützt werden, darunter Blitzschläge zu Netzteilen, Schwankungen der Netzspannung und ähnliche Risiken, die das Gerät selbst beschädigen und in manchen Fällen sogar das jeweilige Personal verletzen können.

Da Optokoppler im Gegensatz zu Transformatoren nicht auf den Betrieb mit Wechselstrom beschränkt sind, sind sie oftmals die beste Wahl zur Isolation von Schaltkreisen mit Gleichstrom.

Doch nicht alle Anwendungen bezüglich Isolation sind auf den Schutz vor unerwarteten elektrischen Bedingungen ausgelegt. Manche Schaltkreise bestehen beispielsweise aus Bereichen, in denen zum Einen eine sehr hohe Spannung anliegt, während in einem anderen Bereich wiederum eine sehr niedrige Spannung vorherrscht. Unter diesen ausgesprochen vorhersehbaren Bedingungen sind die isolierenden Eigenschaften eines Optokopplers besonders wertvoll, da sie eine sichere und zuverlässige Möglichkeit bieten, sicherzustellen, dass die verschiedenen Spannungen innerhalb eines einzelnen Schaltkreises getrennt voneinander verlaufen, die Komponenten nicht beschädigt werden und das jeweilige Personal selbstverständlich nicht verletzt wird.

Bis vor kurzem waren diese Geräte aufgrund ihrer Performance zu langsam für die meisten digitalen Anwendungen. In den letzten Jahren wurden die Designs jedoch erheblich verbessert, sodass sie sich inzwischen ausgesprochen gut für diese Anwendungen eignen. Dabei unterstützen sie höhere Datenübertragungsraten und können in hochgradig skalierbaren Designs für zusätzliche Flexibilität und Einsatzmöglichkeiten entwickelt werden.

 

Beschaffung

Optokoppler sind relativ preiswerte Komponenten und kommen oftmals in Paketen mit mehreren Geräten. Somit stehen jederzeit genügend Komponenten für Experimente, Versuchsaufbauten und den Ersatz verschlissener Komponenten zur Verfügung.

Angeboten werden sie von den meisten führenden Herstellern, darunter Panasonic, Fairchild Semiconductor, Grayhill, International Rectifier, Sharp, Siemens, Toshiba und viele mehr. Die etwas älteren, langsameren Varianten sind auch heute noch weitläufig erhältlich und werden noch immer in Anwendungen eingesetzt, bei denen diese Eigenschaften besonders wertvoll für das Endergebnis sein können, beispielsweise im Bereich Audio-Verstärkung.

So können diese Komponenten auch sehr hohe Spannungen handhaben, wobei die maximale Durchgangsspannung oftmals im Bereich von 200 V liegen kann. Die Isolationsspannung kann ebenso sehr hoch ausfallen; so sind manche Geräte in der Lage, mehrere Tausend Volt in diesem Bereich zu verarbeiten.

Darüber hinaus sind diese Geräte auch mit Optionen mit Logikausgang erhältlich, die tatsächlich sehr weit verbreitet sind. Dabei stehen Designs mit 1-4 Kanälen und einer Vielzahl verschiedenster Montagearten und Pin-Anzahlen zur Verfügung. Somit eignen sie sich für nahezu jede beliebige Anwendung, während Elektronikvertriebe so gut wie jeder Anforderung gerecht werden können.

Optokoppler zählen zu den besten Komponenten überhaupt in Sachen Isolation. Die meisten von ihnen sind in Gehäusen untergebracht, doch Geräte mit einer bestimmten Lücke für bestimmte Zwecke sind ebenfalls erhältlich. Darüber hinaus sind diese Komponenten sehr robust und langlebig und liefern über ihre gesamte Betriebsdauer hinweg eine zuverlässige Performance. Bei Anwendungen, in denen Equipment und Personal vor unvorhersehbaren Überspannungen zu schützen ist, sind Optokoppler eine der besten und zugleich flexibelsten Optionen – ganz egal, ob kurze oder lange Reaktionszeiten erforderlich sind. Dabei erfreuen sich diese Geräte seit ihrer Einführung in den 1960-er Jahren nach wie vor besonderer Beliebtheit und werden zudem fortlaufend verbessert.