Was ist ein Optokoppler und welcher ist für Ihr Signal geeignet?

Definition

Ein Optokoppler ist ein elektronisches Bauelement, das zur Weiterleitung von Informationen mittels eines Emitters eingesetzt wird, ohne dass ein elektrischer Strom durchgeleitet wird. Da keine direkte Durchleitung von Spannung oder Strom zwischen den Eingängen und Ausgängen eines Optokopplers erfolgen muss, können diese Bauteile zur galvanischen Trennung zweier Schaltungsteile verwendet werden. Optokoppler dienen als Schutzmechanismus, um zu verhindern, dass störende elektrische Ströme durch das Bauteil fließen.

Funktion eines Optokopplers einfach erklärt

Vereinfacht gesagt, wandelt ein Optokoppler ein elektrisches Eingangssignal mit einer LED, die im Allgemeinen im nahen Infrarotbereich arbeitet, in ein Lichtsignal um. Anschließend wandelt ein lichtempfindliches Bauelement wie eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein lichtempfindlicher Darlington-Transistor das Lichtsignal wieder in ein elektrisches Signal um. Auf diese Weise wird verhindert, dass Spannungsspitzen oder Überspannungen, die am Eingang auftreten, den Stromkreis am Ausgang des Optokopplers beeinträchtigen. Die Bauteile sind in einem lichtundurchlässigen Gehäuse verbaut, um Beeinträchtigungen durch Umgebungslicht zu vermeiden.

Optokoppler werden häufig in Kommunikations-, Steuerungs- und Überwachungssystemen eingesetzt, bei denen Datensignale ein Einfallstor für Fremdspannungen darstellen, die ein Gerät beschädigen könnten. Sie sind besonders nützlich, wenn lange Datenkabel, die anfällig für induzierte Spannungstransienten oder Überspannungen auf der Masseebene sein könnten, in ein elektronisches Gerät mit empfindlichen Halbleiterbauteilen münden.

Die folgende Abbildung zeigt den typischen Schaltplan für einen Optokoppler mit den Eingängen auf der linken Seite und den Ausgängen auf der rechten Seite.

Was ist der Unterschied zwischen einem Optokoppler vs. Opto-Isolator?

Zunächst ist zu erwähnen, dass die Begriffe Optokoppler und Opto-Isolatoren oft synonym verwendet werden. Üblicherweise spricht man von Optokopplern, wenn sie für Isolationsspannungen bis zu etwa 5000 V ausgelegt sind, anderenfalls werden sie Opto-Isolatoren genannt. Doch Ausnahmen bestätigen die Regel. Im Zweifelsfall sollten Sie das Datenblatt studieren.

Faktoren bei der Auswahl eines Optokopplers

Zunächst wollen wir uns auf die verschiedenen Arten von Optokopplern konzentrieren. Bei der Auswahl eines Optokopplers sind die wichtigsten Parameter die Isolationsspannung, die Bandbreite, die Linearität, das Stromübertragungsverhältnis und der Leistungsbedarf.

Isolationsspannung

Die Isolationsspannung ist die maximale Spannungsdifferenz, die zwischen der LED und dem Lichtsensor herrschen darf. Diese Isolationsspannung wird durch die Konstruktion des Optokopplers selbst und durch Faktoren außerhalb des Bauteils bestimmt. Ein interner Durchbruch tritt auf, wenn die Spannung an der Lichtquelle des Bauteils auf den Lichtsensor überschlägt. In ähnlicher Weise kommt es zu einem externen Durchbruch, wenn die Spannung am Eingangspin des Bauteils zu einem Ausgangspin überspringt. Dies hängt vom Leiterplattendesign ab, also davon, wie die Leiterbahnen für die Eingänge und Ausgänge geführt und voneinander isoliert sind, sowie von den Umgebungsbedingungen rund um das Bauelement.

Die Spannung, bei der ein Lichtbogen entsteht, hängt von der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit, dem Luftstrecke, dem Druck und von Verunreinigungen in der Luft ab. Entfernung und Luftfeuchtigkeit sind die wichtigsten Faktoren. Ein handelsüblicher Opto-Isolator kann Spannungsdifferenzen zwischen Eingang und Ausgang von bis zu 10 kV und Spannungsspitzen von etwa 25 kV/μs standhalten.

Bandbreite

Wird ein Optokoppler zum Entkoppeln von Masseebenen oder Spannungsmesseingängen verwendet, ist die Änderungsrate des isolierten Signals relativ unwichtig. Wird er jedoch zur Entkopplung von Daten- und Kommunikationsleitungen eingesetzt, ist sein Datendurchsatz entscheidend. Typische Anwendungen reichen von relativ langsamen seriellen Datenverbindungen wie I2C oder SPI mit einigen Dutzend Mbit/s bis hin zu High-Speed-Protokollen im Gbit/s-Bereich.

Ein einfacher Optokoppler hat i. d. R. eine Bandbreite von etwa 10 MHz (siehe unten), aber es gibt auch Bauelemente, die speziell für höhere Datenraten ausgelegt sind. Beachten Sie, dass die erreichbare Datenrate für jeden Optokoppler davon abhängt, wie der Ausgang belastet und von der Temperatur beeinflusst wird. Studieren Sie das Datenblatt sehr sorgfältig, wenn Sie schnelle Datenverbindungen entkoppeln wollen.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass es für kabelgebundene Ethernet-Netzwerke handelsübliche passive Netzwerkisolatoren gibt, die elektromagnetische Induktion nutzen, um eine elektrisch nichtleitende Barriere zu schaffen, ohne dass eine externe Stromversorgung erforderlich ist. Die Implementierung eines Optokopplers ist nicht immer die beste Wahl, sondern hängt von Ihren individuellen Umständen ab.

Linearität

Wie bei jedem Halbleiterbauelement weist auch die im Optokoppler verwendete Fotodiode nichtlineares Verhalten auf, wodurch das durch den Isolator geleitete Signal verzerrt werden wird. Dieser Effekt lässt sich bis zu einem gewissen Grad verringern, wenn die Fotodiode in ihrem linearen Bereich betrieben wird und die Cutoff- oder Sättigungsbereiche vermieden werden. Eine verbleibende Nichtlinearität macht sich besonders dort bemerkbar, wo die Optokoppler zur Entkopplung analoger Signale verwendet werden.

Hierfür wurden spezielle analoge Optokoppler mit hoher Linearität entwickelt. Diese verwenden i. d. R. zwei Fotodioden, die mit einem Operationsverstärker verbunden sind. Eine Fotodiode arbeitet wie üblich, während das zweite Bauelement mit quasi identischer Nichtlinearität in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers sitzt und die Nichtlinearitäten ausgleicht.

Stromübertragungsverhältnis

Das Stromübertragungsverhältnis (CTR) ist das Verhältnis zwischen den Strömen der LED und des Sensors, das die Effizienz des Bauteils widerspiegelt. Ein Optokoppler mit einem niedrigen CTR-Wert benötigt einen höheren Strom zur Ansteuerung der LED, um einen gewünschten Strom am Fototransistor bei einer bestimmten Ausgangslast zu erzeugen.

Die CTR ist nicht konstant, sondern abhängig von dem in das Bauteil fließenden Eingangsstrom. Die CTR variiert auch mit jedem individuellen Bauteil, seiner Temperatur und dessen Alter. Daher ist es wichtig, ein Bauelement auszuwählen, das die erforderliche CTR bei der maximalen Nenntemperatur und der maximalen Betriebsdauer des Geräts, in dem der Opto-Isolator eingesetzt werden soll, erreicht.

Fertigungstoleranzen bei den Bauteilen können zu großen Schwankungsbreiten der CTR innerhalb ein und derselben Charge führen, sodass die Konstruktion auf der im Datenblatt angegebenen Mindest-CTR erfolgen muss. All diese Faktoren können die Auswahl des optimalen Bauteils erschweren. Fügen Sie im Zweifelsfall einen ausreichenden Sicherheitsabstand ein und simulieren Sie die Schaltung mit den ungünstigsten Komponentenwerten, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktioniert.

Stromversorgung

Der letzte Faktor, den es zu berücksichtigen gilt, ist der Leistungsbedarf des Optokopplers selbst und die Bewältigung der von dem Bauteil aufgrund von Verlusten erzeugten Wärme. Standardbauteile können vergleichsweise ineffizient sein und erhebliche Wärmemengen produzieren, die geeignet abgeführt werden müssen, zumal die Leistung des Optokopplers selbst durch Erwärmung beeinträchtigt wird. Beim Entwurf des Schaltungslayouts ist darauf zu achten, dass die Leiterbahnen am Eingang des Optokopplers in geeigneter Weise von allen anderen Leiterbahnen getrennt sind, insbesondere von den Masse- und Leistungsebenen, um zu verhindern, dass Transienten kapazitiv oder induktiv in die Leiterbahnen eingekoppelt werden.

Aufbau von Optokopplern und Opto-Isolatoren

Optokoppler verwenden meist eine NIR-LED, um das Eingangssignal in ein entsprechendes Lichtsignal umzuwandeln. Das Licht befindet sich in einem abgeschlossenen optischen Kanal, der auch als dielektrischer Kanal bezeichnet wird. Ein Fotosensor am Ende des optischen Kanals erzeugt entweder direkt ein elektrisches Signal aus dem empfangenen Licht, oder er nutzt das empfangene Licht, um den elektrischen Strom zu modulieren, der von einer externen Stromquelle durch ihn fließt. Die lichtempfindliche Vorrichtung kann ein Fotowiderstand, eine Fotodiode, ein Fototransistor, ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR) oder ein Triac sein.

Da Fotowiderstände sowohl als Lichtquelle als auch als Fotodetektor verwendet werden können, ist es auch möglich, bidirektionale Optokoppler mit zwei Fotowiderständen zu bauen – einen an jedem Ende des optischen Kanals. Leistungs- und Effizienzprobleme schränken die Einsatzmöglichkeiten von bidirektionalen Optokopplern jedoch ein. Eine äquivalente Schaltung kann mit zwei unidirektionalen Optokopplern in umgekehrter Konfiguration implementiert werden, wobei jedoch mehr diskrete Bauelemente erforderlich sind, die einen wesentlich größeren Platzbedarf haben.

Der physische Aufbau eines Optokopplers hängt in erster Linie von der gewünschten Isolationsspannung ab. Bauelemente, die für ein paar kV ausgelegt sind, haben in der Regel eine Flachbauweise. Der Sensor-Chip ist mit einer Glas- oder Kunststoffplatte abgedeckt, auf der sich wiederum die LED befindet. Das Absorptionsspektrum des Sensors wird an das Strahlungsspektrum der LED angepasst.

Die Dicke des optischen Kanals bestimmt die Nenndurchbruchspannung des Geräts. Geräte, die für höhere Durchschlagsspannungen ausgelegt sind, haben typischerweise eine Silikonkuppelkonstruktion. Die LED- und die Sensorchips befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses, getrennt durch einen Spalt, der durch eine transparente Silikonglocke gebildet wird. Diese ist so geformt, dass sie möglichst viel Licht von der LED auf den Sensor lenkt.

Einsatz von Optokopplern in Schaltungen

Elektronische Geräte sowie Signal- und Stromübertragungsleitungen können regelmäßig Überspannungen ausgesetzt sein, die durch Blitzschlag und elektrostatische Entladung, Hochfrequenzstörungen und durch Lastwechsel erzeugte Impulse verursacht werden. Wie in einem früheren Artikel beschrieben, können Blitzeinschläge in langen Übertragungs- und Stromleitungen zu Überspannungen von mehreren kV führen. Opto-Isolatoren können verhindern, dass Spannungsspitzen an den Eingängen eines Geräts die empfindlicheren Gerätekomponenten in Mitleidenschaft ziehen. Zudem gibt es Anwendungen, in denen Bauteile eingesetzt werden, die mit hohen Spannungen arbeiten. Möglicherweise erfordert die Konstruktion eine Schnittstelle zwischen den Hochspannungs- und den gewöhnlichen Niederspannungsschaltungsteilen. Auch in diesem Fall helfen Opto-Isolatoren, die verschiedenen Systemelemente sicher voneinander zu entkoppeln.

Wenn Optokoppler zur Ansteuerung digitaler Logikpegel verwendet werden, muss die Ausgangskonfiguration berücksichtigt werden. Wenn der Ausgang der Optokoppler von null Volt auf die Versorgungsspannung umgeschaltet werden muss, um den Lastkreis zu versorgen, ist ein Optokoppler mit einer Totem-Pol-Ausgangskonfiguration erforderlich. Andernfalls kann auch die üblichere Gegentaktstufe gewählt werden.

Das Hauptmerkmal von Optokopplern, das sie von äquivalenten Trenntransformatoren unterscheidet, ist, dass keine Energie über das Bauteil fließt. Sie arbeiten, indem sie die elektrische Energie, die dem Ausgang zugeführt wird, so modulieren, dass sie die Höhe der am Eingang ankommenden Energie widerspiegelt. Ein wesentlicher Vorteil von Optokopplern gegenüber Trenntransformatoren besteht zudem darin, dass sie sehr niederfrequente Signale bis hinunter auf Gleichstromebene übertragen können. Sie sind auch einfacher in einen Schaltkreis zu implementieren, da die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen unabhängig sind und keine zusätzlichen Komponenten zur Impedanzanpassung benötigt werden.

Sensortypen in Optokopplern

Fotowiderstände

Fotowiderstände sind nicht-polarisierte Bauteile, die sowohl in Gleich- als auch in Wechselstromkreisen verwendet werden können. Sie funktionieren, indem sie ihren Leitwert in Abhängigkeit von der Intensität der empfangenen Lichtenergie verändern. Der Betriebsbereich des Widerstands kann von einigen hundert Ohm bis hin zu mehreren Megaohm reichen. Traditionell in der Telefonie und der industriellen Automatisierung eingesetzt, sind sie bis auf Nischenanwendungen in der Verstärkung von Musikinstrumenten weitgehend verdrängt worden.

Fotodioden

Wenn Lichtenergie auf eine Fotodiode fällt, wird eine Ladung erzeugt, die proportional zur Intensität der empfangenen Lichtenergie ist. Diese geringe Ladung kann zur Ansteuerung einer hochohmigen Last verwendet werden, und die Fotodiode arbeitet im fotovoltaischen Modus. Wenn eine Fotodiode mithilfe einer externen Spannungsquelle in Sperrrichtung vorgespannt ist, erhöht die empfangene Lichtenergie den durch die Diode fließenden Sperrstrom, wodurch der Energiefluss von der externen Quelle moduliert wird. Die Energieflussrate ist direkt proportional zur empfangenen Lichtenergie, wenn sie in diesem fotoleitenden Modus arbeitet. Durch die Integration von LED-Treibern und Ausgangsverstärkern in den Optokopplern kann die in diesem Fotoleitenden Modus arbeitende Fotodiode für den Betrieb mit relativ hohen Geschwindigkeiten optimiert werden.

Fototransistoren

Fototransistoren sind von Natur aus langsamer als Fotodioden und müssen richtig vorgespannt und belastet werden, um Geschwindigkeiten im Bereich von einigen zehn kHz zu erreichen. Aufgrund ihres offenen Kollektorausgangs haben sie jedoch den Vorteil, dass sie größere Ausgangsströme erzeugen können und empfindlicher sind. Sie sind eher für den Einsatz in Gleichstromkreisen geeignet, wo die langsamere Reaktionszeit keine Auswirkungen hat. Die Verwendung einer Schottky-Freilaufdiode am Open-Collector-Ausgang des Fototransistors kann eine relativ gute Linearität im Ansprechverhalten des Bauteils bewirken.

Der Fotodarlington ist eine Variante eines Fototransistors, bei der ein Transistorpaar in der Darlington-Schaltung eine viel höhere Verstärkung und Empfindlichkeit als ein Standard-Fototransistor bietet, allerdings auf Kosten einer langsameren Reaktionsgeschwindigkeit.

Foto-Silizium-Gleichrichter

Opto-Isolator mit siliziumgesteuertem Gleichrichter (SCR) sind eine Art Thyristor-basierter Isolator, der für Wechselstrom-Steuerungsanwendungen entwickelt wurde. Sie werden auch als Foto-SCRs bezeichnet und bieten eine vollständige Isolierung von Rauschen und Spannungstransienten, die auf der Wechselstromversorgungsleitung vorhanden sind. Aufgrund der Leistungseinschränkungen, die sich daraus ergeben, dass sie nur in der positiven Hälfte des Netzwechselstroms arbeiten, werden sie seltener eingesetzt als Foto-Triac-Bauteile

Fototriac

Opto-Isolator mit Fototriacs (Triode für Alternating Current) sind wie die Foto-SCRs für den Einsatz in Halbleiterrelais zur Steuerung von netzbetriebenen Wechselstromlasten optimiert. Der Triac-Opto-Isolator kann von einem einfachen geschalteten Eingangsgleichstrom bis zum sicheren Betrieb einer Hochspannungs-Wechselstromversorgung eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Foto-SCRs kann ein Triac-Opto-Isolator über den gesamten Netzwechselstromzyklus mit Nulldurchgangserkennung arbeiten, sodass der Schaltkreis beim Schalten induktiver Lasten die volle Leistung mit minimalem Einschaltstrom an die Last abgeben kann.

Foto-MOSFETs

Fhoto-MOSFET-Relays (Metal-Oxid-Semiconductor Filed-Effect Transistor) sind eine weniger verbreitete Art von Opto-Isolatoren, die für schnelle Schaltanwendungen entwickelt wurden, bei denen hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer unter schwierigen Umweltbedingungen erforderlich sind. Diese Halbleiterbauelemente können bis zu 1,5 kV effizient schalten und Ströme von bis zu 5 A ohne Kontaktprellen verarbeiten. Sie werden in der neuesten Generation von Batteriemanagementsystemen für Solarstromanlagen und Elektrofahrzeuge eingesetzt.

Fazit

Entscheiden Sie sich bei der Wahl eines Optokopplers oder Opto-Isolatoren nicht einfach für ein Modell, das in Ihr Budget passt und bei Ihrem bevorzugten Lieferanten vorrätig ist. Optokoppler gibt es in einer breiten Angebotspalette, die für bestimmte Anwendungen optimiert sind. Bei der Auswahl sollten Sie zunächst die wichtigsten Faktoren berücksichtigen:

• Bis zu welcher Spannung müssen Sie einen Schutz bieten?
• Wie groß ist die Signalbandbreite des Signals, das Sie entkoppeln möchten?
• Müssen Sie Gleich- oder Wechselstrom isolieren, oder geht es um die Isolierung einer High-Speed-Datenleitung?
• Wie wird der Ausgang mit Strom versorgt, und welche Last wird damit betrieben?
• Mit diesem Wissen und den charakteristischen Eigenschaften des Eingangs, was ist das Stromübertragungsverhältnis, das Sie benötigen?
• Wie werden Sie dann den/die Optokoppler in Ihr Design integrieren, und welche Maßnahmen zum Wärmemanagement müssen Sie treffen?

Das bloße Einsetzen eines Optokopplers auf einer Platine ist folglich nicht so einfach, wie es zunächst scheint. Es muss von Anfang an als Teil des gesamten Entwurfsprozesses betrachtet werden, um sicherzustellen, dass Ihre Schaltung korrekt funktioniert. Optokoppler eignen sich hervorragend zur Entkopplung von Gleichstrom- und Niederfrequenzsignalen vom Rest der Schaltung, benötigen jedoch eine externe Stromversorgung und haben im Allgemeinen ein schlechtes Hochfrequenzverhalten.

Transformatoren sind hervorragend für hohe Frequenzen geeignet, können aber keine Gleichstromsignale verarbeiten. Zudem können die Kalkulationen für den Umgang mit der Induktivität, die zur Schaltung hinzukommt, und das Erfordernis der Impedanzanpassung sie für einige Anwendungen ungeeignet machen. Eine weitere Überlegung ist, dass der Optokoppler-Chip wesentlich kleiner ist als ein gleichwertiger Transformator und sich viel einfacher auf einer Leiterplatte unterbringen lässt. Und schließlich sollten Sie nicht vergessen, dass Sie mithilfe von Simulationstools gewährleisten können, dass Sie die richtigen Entscheidungen treffen.

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