Optokoppler Funktion

Unter einem Optokoppler wird ein Bauelement aus dem Bereich der Optoelektronik verstanden. Dieses dient der Signalübertragung zwischen zwei galvanisch, also elektrisch getrennten Stromkreisen. Der grundsätzliche Aufbau sieht einen optischen Sender und einen optischen Empfänger vor. Die Rolle des Senders übernimmt hierbei meist eine Leuchtdiode und der Empfänger wird durch einen Fototransistor gestellt. Beide Komponenten sind in einem lichtundurchlässigen Gehäuse verarbeitet. Durch den Einsatz eines Optokopplers lassen sich digitale und auch analoge Signale versenden. Der komplexere Aufbau sieht zwei unterschiedliche Zusammenstellungen vor:

Diskreter Aufbau – damit sehr hohe Potentialunterschiede sicher voneinander getrennt werden können, werden Optokoppler diskret durch Glasfasern aufgebaut. In den Anfangszeiten der Entwicklung basierte der Aufbau auf einer Kombination aus einem Fotowiderstand und einer Lichtquelle

Integrierter Aufbau – seit 1972 werden Optokoppler auch als Verbundbauteile angeboten und bestehen dann aus einer Infrarotdiode als Sender und einer Silizium-Photodiode oder einem Fototransistor als Empfänger. Bei dieser Bauform werden das Face-to-Face-Design und das Coplanar-Design unterschiedene. Die erste Version liegt einer Gegenüberstellung des Senders und Empfängers zugrunde. Im zweiten Fall befinden sich der Sender und der Empfänger auf ein und derselben Ebene, wobei der Lichtstrahl durch Reflexionen übertragen wird.

Die Kennwerte beim Optokoppler

Bei der Beschreibung des Optokopplers lassen sich verschiedene Kennwerte unterscheiden, die eine Rolle in der technischen Umsetzung spielen und die Darstellung dieser Technologie erleichtern:

Gleichstrom-Übertragungsverhältnis
Dies ist gemeinhin besser unter der Bezeichnung CTR bekannt und gibt das Verhältnis zwischen dem Ein-und Ausgangsstrom beim Auftreten von Gleichstromsignalen oder einer niedrigen Signalfrequenz an. Üblicherweise bewegen sich die Werte dabei im Bereich zwischen 30% und 100%. Bei Optokopplern, die in einer digitalen Ausführung vorkommen, gibt es keine Angabe vom CTR. Vielmehr wird ein LED-Mindeststrom erfasst, der für den Pegelwechsel am Ausgang erforderlich ist

Isolationsspannung
Diese Spannung steht zum Abstand zwischen und der Anordnung von Sendern und Empfängern in einer Abhängigkeit. Zudem müssen auch der Isolationswerkstoff und der Abstand der einzelnen Anschlüsse berücksichtigt werden. Übliche vorkommende Spannungen belaufen sich hierbei zwischen 1500 Volt und 4000 Volt, wobei es in Sonderfällen jedoch sogar zu einer Spannung von maximal 25 kVolt kommen kann. Damit eine Netztrennung sicher erfolgt, kommt es zudem zur Fertigung von Optokopplern, die voneinander weit entfernte Anschlüsse haben

Isolationswiderstand
Dieser Widerstand, der zwischen dem Eingang und Ausgang vorkommt, kann sehr hoch ausfallen und sogar eine Wert von 1013 Ohm umfassen

Grenzfrequenz und Schaltzeiten
Bei der Grenzfrequenz handelt es sich um die höchste Arbeitsfrequenz, bei der ein Optokoppler noch funktionieren kann. Bei Optokopplern die mit einem Fototransistor ausgestattet sind liegt diese Frequenz zwischen 50 kHz und 200 kHz, bei denen mit Photodiode kann es sogar bis zu 10 MHz hochgehen. Sowohl bei den digitalen Optokopplern, als auch bei denen mit einer Photodiode, wird die Grenzfrequenz durch die jeweiligen Schaltzeiten der Sende-LED festgelegt

Sperrspannungen
Die Speerspannung des Fototransistors, der empfängt, liegt meist zwischen 30 Volt und 50 Volt und die der Thyristoren sowie Triacs belaufen sich in der Regel auf rund 400 Volt. Bei Sendedioden und digitalen Optokopplern finden sich normalerweise nur Spannungen von 5 Volt

Die Vorteile und Nachteile des Optokopplers

Die positiven Aspekte, die bei der Verwendung eines Optokopplers auftreten, sind unumstößlich. So lässt er sich aufgrund seiner kleinen Abmessungen einfach einbauen und schafft sowohl eine digitale als auch analoge Signalübertragung. Desweiteren sind die Koppelkapazitäten zwischen dem Eingang sowie Ausgang sehr gering und es kommt zu keiner Induktivität. Im Vergleich zu Relais, die ebenfalls die galvanische Trennung vornehmen, finden sich hier wesentlich geringere Verzögerungszeiten beim Ausgangssignal, zumal diese Trennung für den Eingangs-und Ausgangstromkreis gleichermaßen durchgeführt werden kann. Auch kommt es bei Relais zu einem stärkeren mechanischen Verschleiß, sodass weniger Schaltzyklen realisierbar sind. Ein letzter Vorteil des Optokopplers liegt in der Vermeidung von Störungen durch Magnetfelder. Allerdings weist jede noch so überzeugende Technologie auch Nachteile auf, sodass sich solche auch in diesem Falle finden lassen. Im Vergleich zu einem Relais verursacht der Optokoppler im Ausgangskreis wesentlich höhere Spannungsausfälle und es ist nur eine Stromrichtung möglich. Auch sind der Ausgangs-und Eingangskreis gegenüber Störimpulsen und einer Überbelastung empfindlicher. Bei Sendedioden wird zudem in den meisten Fällen ein externer Vorwiderstand benötigt.

Anwendungsbeispiele für den Optokoppler

Ein Optokoppler wird an Orten eingesetzt, bei denen es erforderlich ist, dass die Stromkreise mittels der galvanischen Trennung von einander abgesondert werden. So finden sich folgende praktische Einsatzmöglichkeiten:

Bei Schnittstellenkarten oder Netzwerkkarten, da diese unterschiedliche Massepotenziale haben können.
Bei Baugruppen, die einer Abschirmung von transienten Überspannungen oder Gleichtaktstörungen bedürfen.
Bei medizinischen Geräten, da die Patienten hier vor der Einwirkung von Fehlerspannungen beschützt werden müssen.
Bei der Ansteuerung von Schaltungsteilen, die auf abweichenden Spannungspotentialen angesiedelt sind.
Bei elektronischen Lastrelais.
Bei Schaltnetzteilen, da hier eine Übertragung der Informationen der Steuerung vom Sekundärteil zum Primärteil aufgebaut werden muss.