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Optokoppler
*** Shopping-Tipp: Optokoppler
Bild:Optocoupler.svg right|thumb|Schaltsymbol
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 Ãœbertragung eines elektrischen Signals bei gleichzeitiger galvanische Trennung 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 Abschirmung (Elektrotechnik) abgeschirmt.
Kennwerte
Gleichstrom-Übertragungsverhältnis CTR
Das CRT (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 CRT 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 Leiterplatte Platine die erforderliche Kriechstrecke von in der Regel 8 mm einhalten zu können.
Die Isolationsspannung mancher Optokoppler beträgt bis zu 25 kVolt V.
Isolationswiderstand
Der Elektrischer Widerstand Isolationswiderstand zwischen Eingang und Ausgang ist sehr hoch und beträgt bis zu 1013 Ohm (Einheit) 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
Bild:Opto-isolator (aka).jpg thumb|Digitaler Optokoppler im [[DIL-8-Gehäuse]]
Optokopplern werden in Gehäusen angeboten, die denen von Integrierter Schaltkreis 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 Hertz kHz
*Ein- und Ausgangskreis sind im Vergleich zu Relais empfindlicher gegenüber Überlast und Störimpulsen
Einsatzgebiete
Bild:Optoclen.png thumb|Optokoppler - Solid state relays (SSR)
Optokoppler findet man zumeist dort, wo Stromkreise galvanische Trennung 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 Masse (Elektronik) 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; hier
* 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'')
Referenzen
Kategorie:Halbleiterbauelement
Kategorie:Optoelektronik
cs:OptoÄ?len
da:Optokobler
en:Opto-isolator
es:Optoacoplador
et:Optron
fr:Opto-coupleur
it:Optoisolatore
ja:フォトカプラ
lt:Optronas
nl:Optocoupler
pl:Transoptor
ru:Оптрон
zh:光電耦�元件
*** Shopping-Tipp: Optokoppler
[Der Artikel zu Optokoppler stammt aus dem Nachschlagewerk Wikipedia, der freien Enzyklopädie. Dort findet sich neben einer Übersicht der Autoren die Möglichkeit, den Original-Text des Artikels Optokoppler zu editieren.
Die Texte von Wikipedia und dieser Seite stehen unter der GNU Free Documentation License.]
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