Optokoppler

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Beschreibung

Optokoppler / Opto-Koppler Ein Optokoppler besteht aus einer Leuchtdiode und einem Fotosensor. Er ist ein 4-poliges Bauelement, dass eingangsseitig eine Leuchtdiode ansteuert, die das Licht auf eine Fotodiode wirft, die ausgangsseitig angeordnet ist. Auf diese Weise können Signale galvanisch getrennt übertragen werden. Das Prinzip des Optokopplers: Ein elektrisches Signal wird am Eingang des Optokopplers von einem Lichtsender, in ein optisches Signal umgewandelt. Das Licht trifft auf einen Lichtempfänger, der es wieder in ein elektrisches Signal umwandelt.
Als Lichtsender werden Leuchtdioden verwendet, die Infrarot-Licht oder rotes Licht abstrahlen. Als Lichtempfänger werden Fotodioden, Fototransistoren, Fotothyristoren, Fototriacs, Foto-Schmitt-Trigger und Fotodarlingtontransistoren verwendet.
Das Schaltungsbeispiel ist mit einer Leuchtdiode und einer Fotodiode aufgebaut. Das Eingangssignal wird von einer LED in ein Lichtimpuls umgewandelt. Der Lichtimpuls wird auf einen Silizium-Fotosensor gerichtet, der es wieder in ein elektrisches Signal umwandelt.
Mit Hilfe des Lichts werden Signale und Daten von einem Schaltungsteil in einen anderen Schaltungsteil ohne direkte elektronische Verbindung übertragen. Das bedeutet, der Optokoppler trennt die Teilschaltungen galvanisch voneinander. Der Ausgang ist potentialfrei. Das bedeutet, die Spannung am Ausgang kann eine andere sein, als am Eingang. Die Signale können sowohl analog, als auch digital sein. Digitale Anwendungen benötigen einen speziellen Optokoppler mit Digitalausgang.

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Was lernen Sie in diesem Kurs?

Analog

Themenkreis

Eigenschaften eines Optokopplers
  • galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang
  • Ausgang ist potentialfrei
  • Übertragen von analogen und digitalen Signalen
Fotosensoren
  • Fotodiode
  • Fototransistor
  • Foto-Darlington-Transistor

Bei 4 bis 20 mA kann der Fotosensor eine Fotodiode oder ein Fototransistor sein. Sie werden für eine Vielzahl von Analog-Anwendungen verwendet. Die schnellste Übertragungszeit liefert eine Fotodiode. Dort liegt sie im Nanosekundenbereich.

Wichtige Parameter bei der Auswahl eines Optokopplers
  • Isolationsspannung zwischen Eingang und Ausgang
  • Linearität zwischen Eingang und Ausgang
  • Verhältnis von Eingangsstrom zu Ausgangsstrom (Gleichstrom-Übertragungsverhältnis, CTR, Current Transfer Ratio)
  • Zeitliche Verzögerung zwischen Eingang und Ausgang
CTR - Current Transfer Ratio


Ein hoher CTR deutet auf lange Übertragungs- und Verzögerungszeiten hin. Wenn es um eine kurze zeitliche Verzögerung zwischen Eingang und Ausgang geht, dann arbeitet man am besten mit möglichst kleinen Strömen.

  • Fotodiode CTR = ca. 0,2% -> 10µA/5000µA -> 0,002
  • Der CTR liegt bei der Fotodiode um 0,2%.
  • Fototransistor CTR = ca. 20% -> 1mA/5mA -> 0,2
  • Der CTR liegt beim Fototransistor zwischen 10 und 200 Prozent.
  • Foto-Darlington-Transistor CTR = 200% -> 10mA/5mA -> 2,0
  • Der CTR liegt beim Foto-Darlington-Transistor zwischen 200 und 1000 Prozent.
Bauformen

Die Optokoppler gibt es in der Regel in IC-Bauform (DIL) mit 4, 6 oder 8 Beinen. Manchmal findet man sie auch in Transistor-Bauform vor.

Anwendungen

Optokoppler werden immer dann eingesetzt, wenn Schaltungsteile voneinander galvanisch getrennt (elektrisch isoliert) werden müssen. Zum Beispiel, wenn nachfolgende Schaltungen keine Rückwirkung auf vorhergehende Schaltungen haben dürfen oder wenn verschiedene Massebezüge verwendet werden müssen.
Der Optokoppler lässt sogar Spannungsunterschiede bis mehrere 1000 Volt zwischen Eingang und Ausgang zu. Der Optokoppler CNY17F hat eine Isolationsspannung von 5300 VAC. Für elektromedizinische Geräte ist das eine wichtige Bedingung.

  • Stromversorgung (z. B. Schaltnetzteil)
  • Telekommunikation (z. B. Datenbus-Isolation oder schnelle Datenübertragung)
  • Regelung und Steuerung (z. B. Schaltkreis-Isolation)
  • Medizintechnik (z. B. ESD-Schutz)
Weitere verwandte Themen:
  • Leuchtdiode
  • Fotodiode
  • Fototransistor
  • Optoelektronik
  • Potentialfreier Kontakt