Optokoppler-ICs: Anwendungen und Auswahl der Komponenten

Für neue Designer klingt ein Optokoppler vielleicht so, als hätte er wenig mit Elektronik zu tun, aber sie sind wichtige Geräte, um Isolation zwischen verschiedenen Schaltungsteilen zu bieten. Ein Optokoppler-IC integriert optische Elemente, die wie ein einfacher Schalter wirken. Sie lassen sich leicht in verschiedene Schaltungen einbringen und bieten schön Isolation zwischen Schaltungsteilen, die mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten. Sie sind auch ideal für den Einsatz in Rückkopplungsschleifen zwischen verschiedenen Schaltungsteilen, insbesondere dort, wo Isolation erforderlich ist. Einige Optokoppler sind auch so konzipiert, dass sie bei hohen Datenraten schalten können. Hier sind einige Optionen für Optokoppler-ICs, die Sie schnell in Ihr nächstes elektrisches oder elektro-optisches System importieren können.

Was ist ein Optokoppler?

Ganz einfach, ein Optokoppler integriert eine Infrarot-LED neben einem Photodetektor (normalerweise ein Phototransistor) und wirkt wie ein optischer Schalter. Wenn die LED ein Eingangssignal erhält, schaltet sich die LED ein und versorgt die Basis des Phototransistors mit Photonen. Dies schaltet dann den Phototransistor ein, wodurch Strom durch einen angeschlossenen Schaltkreis fließen kann. Die LED kann auf einem anderen Niveau als der interne Phototransistor laufen, was eine gewisse Isolation zwischen diesen beiden Signalebenen ermöglicht. Dies ist eine Möglichkeit, ein Niederspannungssignal in einen Hochspannungsschaltungsteil einzuspeisen, ohne einen Verstärker zu verwenden.

Optokoppler Symbol und Footprint

Da diese Komponenten kostengünstige optische Elemente sind, bieten sie schön elektrische Isolation zwischen verschiedenen Schaltungsteilen, ohne bestimmte Formen von EMI zwischen verschiedenen Schaltungsteilen zu leiten. Das soll nicht heißen, dass sie ein Allheilmittel für jedes Rauschproblem sind, aber die Isolation, die sie bieten, isoliert Systeme bei unterschiedlichen Spannungen, was den schönen Vorteil hat, dass Bodenschleifenrauschen von zwei Teilen eines Systems unterdrückt wird. NPN- oder PNP-Phototransistoren können in Optokoppler-ICs gefunden werden.

Arten von Optokoppler-ICs

Optokoppler können neben einem Phototransistor auch andere Schaltelemente verwenden. Hier sind andere Arten von Optokoppler-ICs, die Sie auf dem Elektronikmarkt finden werden:

• Triac: Ein Optokoppler-IC mit einem Triac als Detektor wird in Systemen verwendet, die eine hohe Ausgangsspannung/-strom benötigen. Sie haben eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit und eignen sich am besten für Hochspannungs-DC-Systeme, die einen hohen Stromausgang erfordern.

• Thyristor (SCR): Diese Optokoppler bieten ebenfalls eine hohe Verstärkung, ähnlich einem Triac. Sie sind jedoch auch ziemlich langsam und eignen sich am besten für mäßig hohe Spannungs-/Strom-DC-Systeme.

• Photodiode: Ein Optokoppler mit einer Photodiode als Detektor ist in Systemen üblich, die schnelles Schalten benötigen. Diese Komponenten können verwendet werden, wenn die LED mit einem Strom digitaler Pulse oder mit einem Wechselstromsignal geschaltet wird. Eine Photodiode bietet im Vergleich zu einem typischen Phototransistor-IC ein sehr niedriges Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsstrom.

• Darlington-Paar-Phototransistor: Diese Optokoppler sind ebenfalls nützlich für ihre hohe Verstärkung und sie bieten eines der höchsten Verhältnisse von Ausgangs- zu Eingangsstrom.

• Photoresistor: Diese werden weniger häufig verwendet, da sie auch im AUS-Zustand noch leiten. Sie haben auch ein niedriges Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsstrom.

Wichtige Spezifikationen von Optokoppler-ICs

Sie werden wahrscheinlich mit der Betrachtung des Montagestils für Optokoppler-ICs beginnen; sie sind in Durchsteck-DIP-Gehäusen oder als Oberflächenmontage-Komponenten verfügbar. Es gibt jedoch einige wichtige Spezifikationen, die beim Auswählen eines Optokoppler-ICs untersucht werden sollten:

• LED-Vorwärtsspannung und Auslösestrom. Dies sagt Ihnen, wie Sie Ihre Eingangs-LED mit Strom versorgen müssen, um sicherzustellen, dass sie einschaltet und das gewünschte Schaltverhalten bietet. Bei Optokopplern, die mit einem Rechteck- oder PWM-Signal geschaltet werden sollen, hängt der erforderliche Spitzen-Vorwärtsstrom zum Auslösen des Schaltvorgangs von der Impulsbreite des Signals im EIN-Zustand ab. Kürzere Impulse erfordern einen größeren Spitzen-Signalstrom, um das Auslösen zu erzwingen.

• Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsstrom. Dies sagt Ihnen den Stromtransfer zwischen den Enden des Optokopplers. Beachten Sie, dass dies abhängig von der absoluten maximalen Kollektor-Emitter-Spannung für einen Phototransistor-Optokoppler ist.

• Vorwärtsspannung vs. Vorwärtsstromkurve. Diese Spezifikation hat die gleiche Bedeutung wie die für eine Standard-LED, sollte aber nicht mit dem Auslösestrom verwechselt werden.

• Temperaturschwankungen. Diese Spezifikationen sind für Leistungssysteme ziemlich wichtig, da sie während des Betriebs hohe Temperaturen erreichen können.

• Sicherheitsbewertungen und IEC/UL-Zertifizierung. Wenn Sie für ein Leistungssystem oder für die Datenübertragung in einer Hochspannungsumgebung in der Nähe von Wechselstromnetzen entwerfen, ist IEC 60747-5-2 eine wichtige Norm, um sicherzustellen, dass hohe transiente Spannungen ausgehalten werden können. Sie müssen die Sicherheits- und Isolationsrichtlinien befolgen, um sicherzustellen, dass Sie den Sicherheitsstandards entsprechen.

• Datenrate oder Schaltgeschwindigkeit. Komponenten, die in Datennetzwerken verwendet werden sollen, geben normalerweise eine maximale Datenrate an, obwohl auch eine Schaltgeschwindigkeit oder -frequenz angegeben werden könnte.

Hier sind einige Beispiel-Optokoppler-ICs, die Sie in DC-Systemen und Anwendungen mit niedriger Datenrate verwenden können.

ON Semiconductor, FODM611

Der FODM611 Optokoppler-IC von ON Semiconductor ist ein Ein-Kanal-Optokoppler, der für Datenraten von bis zu 10 Mbps (NRZ, 100 ns Ausbreitungsverzögerung) ausgelegt ist. Dieses Gerät gibt 5 V aus und bietet eine hohe Störfestigkeit gegenüber transienten Rauschspannungen, was es ideal für industrielle Netzwerke (CAN, RS485 und DeviceNet-Systeme) oder langsame Automobil-Systeme macht. Das Schalten wird durch eine Photodiode ausgelöst, die an einen Puffer angeschlossen ist (siehe unten).

Funktions-Schaltbild und Wahrheitstabelle, aus dem FODM611 Datenblatt.

Broadcom, HCPL-7723-300E

Der HCPL-7723-300E von Broadcom ist für höhere Datenraten ausgelegt (50 MBaud mit maximal 2 ns PWD). Er verfügt über einen integrierten CMOS-LED-Treiber, bei dem das Eingangssignal den Treiber aktiviert. Der Detektorabschnitt besteht aus einer Photodiode, einem Hochgeschwindigkeits-Transimpedanzverstärker und einem Spannungskomparator mit einem Ausgangstreiber.

Funktions-Schaltbild und Wahrheitstabelle, aus dem HCPL-7723-300E Datenblatt.

Renesas, PS2802-4

Der PS2802-4 Vier-Kanal-Optokoppler von Renesas verwendet ein Darlington-Paar-Phototransistor, um ein hohes Ausgangs-Eingangs-Stromverhältnis von 2 bis 20 (bis zu 40 V Nennkollektor-Emitter-Spannung) zu bieten. Diese Komponente bietet 4 Kanäle parallel, was sie nützlich für Energiemanagementsysteme macht, die eine Isolierung zwischen verschiedenen Spannungen erfordern. Der Dunkelstrom in dieser Komponente ist mit 400 nA sehr niedrig, sodass zwischen den Schaltvorgängen in einem Hochleistungssystem sehr wenig Energie verschwendet wird. Diese Komponente ist auch als Ein-Kanal-Variante erhältlich (PS2802-1, siehe unten).

Vier-Kanal- und Ein-Kanal-Varianten, aus dem PS2802-4 Datenblatt.

Eine Vielzahl von Systemen kann von der Verwendung von Optokoppler-ICs zur Isolierung profitieren, und Sie können die Komponenten, die Sie für Ihr nächstes System benötigen, mit den Such- und Filterfunktionen von Octopart finden.

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