Optokoppler
oben: Face to face, unten: coplanar mit galvanischer Isolierung ⓘ
Ein Optokoppler ist ein Bauelement der Optoelektronik und dient zur Übertragung eines Signals zwischen zwei galvanisch getrennten Stromkreisen. Er besteht üblicherweise aus einer Leuchtdiode (LED) oder Laserdiode (LD) als optischem Sender und einer Photodiode oder einem Fototransistor als optischem Empfänger. Das Sende- und das Empfängerbauelement sind untereinander optisch gekoppelt in einem von außen lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht. ⓘ
Mit Optokopplern können sowohl digitale, als auch analoge Signale übertragen werden. Von Optokopplern zu unterscheiden sind Halbleiterrelais, welche als Bauteil zur galvanischen Trennung einen Optokoppler enthalten können und primär in der elektrischen Energietechnik eingesetzt werden. Gabelkoppler und Lichtschranken unterscheiden sich von Optokopplern, da sie über kein von außen lichtundurchlässiges Gehäuse verfügen und nicht für optisch abtastende Anwendungen gebaut wurden. ⓘ
Ein Opto-Isolator (auch Optokoppler, Photokoppler oder optischer Isolator genannt) ist ein elektronisches Bauteil, das elektrische Signale zwischen zwei isolierten Schaltkreisen mit Hilfe von Licht überträgt. Opto-Isolatoren verhindern, dass hohe Spannungen das System, das das Signal empfängt, beeinträchtigen. Im Handel erhältliche Opto-Isolatoren halten Eingang-Ausgang-Spannungen bis zu 10 kV und Spannungsspitzen mit Geschwindigkeiten bis zu 25 kV/μs stand. ⓘ
Ein gängiger Opto-Isolator-Typ besteht aus einer LED und einem Fototransistor in demselben undurchsichtigen Gehäuse. Andere Arten von Quelle-Sensor-Kombinationen sind LED-Photodioden-, LED-LASCR- und Lampen-Photowiderstandspaare. In der Regel übertragen Opto-Isolatoren digitale (Ein-Aus-) Signale, aber einige Techniken ermöglichen auch die Verwendung mit analogen Signalen. ⓘ
Geschichte
Die ersten Optokoppler wurden 1963 von Ivars G. Akmenkalns et al. bei der Firma IBM entwickelt und waren resistive Optokoppler, die in den ersten Versionen kleinere Glühlampen oder Glimmlampen als Sendeelement und einen Fotowiderstand als Empfängerelement in einem lichtundurchlässigen Metallgehäuse verwendet haben. 1977 wurden die Lampen durch Leuchtdioden ersetzt und unter anderem in der Audiotechnik, z. B. bei Gitarrenverstärkern, zur Steuerung der Kennlinie von Verstärkern eingesetzt. Resistive, d. h. mit Fotowiderstand arbeitende Optokoppler weisen eine geringe Grenzfrequenz von 1…200 Hz auf. ⓘ
Seit etwa 1972 werden Optokoppler als elektronisches Bauelement in Gehäusen angeboten, die denen von Chipgehäusen gleichen, wie beispielsweise das Dual in-line package (DIP). Für hohe Isolationsspannungen ab etwa 4 kV werden auch langgestreckte Gehäusebauformen gefertigt. Zur sicheren Netztrennung werden Optokoppler teils mit vergrößertem Abstand der Anschlüsse gefertigt, um auf Leiterplatten eine Kriechstrecke von 8 mm zwischen den Anschlüssen von Sender und Empfänger einhalten zu können. Die Kriechstrecke unter dem Optokoppler kann auch mit einem Schlitz verlängert werden, wenn die Abstände der Lotpads nicht ausreichen. ⓘ
Optokoppler mit 8 kV Stoßspannungsfestigkeit
Optokoppler PC123 auf…
…durchfräster Leiterplatte
Optokoppler mit weitem Pinabstand ⓘ
Der Wert der optischen Kopplung eines Festkörperlichtsenders mit einem Halbleiterdetektor zum Zweck der elektrischen Isolierung wurde 1963 von Akmenkalns et al. erkannt (US-Patent 3,417,249). Optoisolatoren auf Fotowiderstandsbasis wurden 1968 eingeführt. Sie sind die langsamsten, aber auch die linearsten Isolatoren und haben immer noch einen Nischenmarkt in der Audio- und Musikindustrie. Die Kommerzialisierung der LED-Technologie in den Jahren 1968-1970 löste einen Boom in der Optoelektronik aus, und bis Ende der 1970er Jahre entwickelte die Industrie alle wichtigen Arten von Opto-Isolatoren. Die meisten auf dem Markt befindlichen Optoisolatoren verwenden bipolare Silizium-Fototransistoren. Sie erreichen eine mittlere Datenübertragungsgeschwindigkeit, die für Anwendungen wie die Elektroenzephalographie ausreicht. Die schnellsten Opto-Isolatoren verwenden PIN-Dioden im photoleitenden Modus. ⓘ
Betrieb
Ein Opto-Isolator enthält eine Lichtquelle (Emitter), fast immer eine Leuchtdiode (LED) im nahen Infrarot, die das elektrische Eingangssignal in Licht umwandelt, einen geschlossenen optischen Kanal (auch dielektrischer Kanal genannt) und einen Fotosensor, der das einfallende Licht erkennt und entweder direkt elektrische Energie erzeugt oder den von einer externen Stromversorgung fließenden elektrischen Strom moduliert. Der Sensor kann ein Fotowiderstand, eine Fotodiode, ein Fototransistor, ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR) oder ein Triac sein. Da LEDs nicht nur Licht emittieren, sondern auch messen können, ist der Bau von symmetrischen, bidirektionalen Opto-Isolatoren möglich. Ein optogekoppeltes Halbleiterrelais enthält einen Fotodioden-Optoisolator, der einen Leistungsschalter ansteuert, in der Regel ein komplementäres Paar MOSFETs. Ein geschlitzter optischer Schalter enthält eine Lichtquelle und einen Sensor, aber sein optischer Kanal ist offen, was eine Modulation des Lichts durch externe Objekte, die den Lichtweg behindern oder das Licht in den Sensor reflektieren, ermöglicht. ⓘ
Elektrische Isolierung
Elektronische Geräte sowie Signal- und Stromübertragungsleitungen können Überspannungen ausgesetzt sein, die durch Blitzschlag, elektrostatische Entladungen, Hochfrequenzübertragungen, Schaltimpulse (Spikes) und Störungen in der Stromversorgung verursacht werden. Ein Blitzeinschlag kann Überspannungen von bis zu 10 kV verursachen, das ist das Tausendfache der Spannungsgrenzen vieler elektronischer Bauteile. Eine Schaltung kann auch hohe Spannungen enthalten und benötigt in diesem Fall sichere und zuverlässige Mittel, um die Hochspannungskomponenten mit den Niederspannungskomponenten zu koppeln. ⓘ
Die Hauptfunktion eines Opto-Isolators besteht darin, solche hohen Spannungen und Spannungsspitzen zu blockieren, so dass eine Überspannung in einem Teil des Systems die anderen Teile nicht stört oder zerstört. In der Vergangenheit wurde diese Funktion an Trenntransformatoren delegiert, die eine induktive Kopplung zwischen galvanisch getrennten Eingangs- und Ausgangsseiten verwenden. Transformatoren und Opto-Isolatoren sind die einzigen beiden Klassen von elektronischen Geräten, die einen verstärkten Schutz bieten - sie schützen sowohl die Geräte als auch den Menschen, der diese Geräte bedient. Sie enthalten eine einzige physische Isolationsbarriere, bieten aber einen Schutz, der einer doppelten Isolation entspricht. Sicherheit, Prüfung und Zulassung von Optokopplern werden durch nationale und internationale Normen geregelt: IEC 60747-5-2, EN (CENELEC) 60747-5-2, UL 1577, CSA Component Acceptance Notice #5, usw. Die von den Herstellern veröffentlichten Spezifikationen für Optokoppler entsprechen immer mindestens einem dieser Regelwerke. ⓘ
Ein Opto-Isolator verbindet Eingangs- und Ausgangsseite mit einem durch den Eingangsstrom modulierten Lichtstrahl. Er wandelt das nützliche Eingangssignal in Licht um, schickt es durch den dielektrischen Kanal, fängt das Licht auf der Ausgangsseite ein und wandelt es wieder in ein elektrisches Signal um. Im Gegensatz zu Transformatoren, die Energie in beide Richtungen mit sehr geringen Verlusten übertragen, sind Opto-Isolatoren unidirektional (siehe Ausnahmen) und können keine Leistung übertragen. Typische Opto-Isolatoren können nur den Energiefluss modulieren, der bereits auf der Ausgangsseite vorhanden ist. Im Gegensatz zu Transformatoren können Opto-Isolatoren Gleichstrom oder langsam fließende Signale durchlassen und benötigen keine Anpassungsimpedanzen zwischen Eingangs- und Ausgangsseite. Sowohl Transformatoren als auch Opto-Isolatoren eignen sich zur Unterbrechung von Masseschleifen, die häufig in Industrie- und Bühnenausrüstungen vorkommen und durch hohe oder verrauschte Rückströme in Massekabeln verursacht werden. ⓘ
Der physische Aufbau eines Opto-Isolators hängt in erster Linie von der gewünschten Isolationsspannung ab. Geräte, die für weniger als ein paar kV ausgelegt sind, haben eine planare (oder Sandwich-) Konstruktion. Der Sensor-Chip ist direkt auf dem Leadframe seines Gehäuses (in der Regel ein sechs- oder vierpoliges Dual-In-Line-Gehäuse) montiert. Der Sensor ist mit einer Glas- oder Kunststoffscheibe abgedeckt, auf der sich die LED befindet. Der LED-Strahl wird nach unten gerichtet. Um Lichtverluste zu minimieren, muss das nutzbare Absorptionsspektrum des Sensors mit dem Ausgangsspektrum der LED übereinstimmen, das fast ausnahmslos im nahen Infrarot liegt. Der optische Kanal wird für eine gewünschte Durchbruchspannung so dünn wie möglich gemacht. Um beispielsweise für Kurzzeitspannungen von 3,75 kV und Transienten von 1 kV/μs ausgelegt zu sein, ist die klare Polyimidfolie der Avago ASSR-300-Serie nur 0,08 mm dick. Die Durchschlagsspannungen von planaren Baugruppen hängen von der Dicke der transparenten Folie und der Konfiguration der Bonddrähte ab, die die Chips mit den externen Pins verbinden. Die tatsächliche Isolationsspannung im Stromkreis wird durch die Kriechstrecke über die Leiterplatte und die Gehäuseoberfläche weiter reduziert. Sichere Designregeln erfordern einen Mindestabstand von 25 mm/kV für blanke Metallleiter oder 8,3 mm/kV für beschichtete Leiter. ⓘ
Opto-Isolatoren, die für 2,5 bis 6 kV ausgelegt sind, verwenden ein anderes Layout, den so genannten Silikon-Dome. Hier befinden sich die LED- und die Sensor-Chips auf den gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses; die LED feuert horizontal in den Sensor. Die LED, der Sensor und der Spalt zwischen ihnen sind in einem Klecks oder einer Kuppel aus transparentem Silikon eingekapselt. Die Kuppel fungiert als Reflektor, der alles Streulicht zurückhält und auf die Oberfläche des Sensors reflektiert, wodurch die Verluste in einem relativ langen optischen Kanal minimiert werden. Bei Doppelformkonstruktionen ist der Raum zwischen dem Silikontropfen ("innere Form") und der äußeren Hülle ("äußere Form") mit einer dunklen dielektrischen Masse mit einem angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten gefüllt. ⓘ
Typen von Opto-Isolatoren
| Gerätetyp | Lichtquelle | Sensor-Typ | Geschwindigkeit | Stromübertragungsverhältnis ⓘ |
|---|---|---|---|---|
| Ohmscher Opto-Isolator (Vactrol) |
Glühbirne | CdS- oder CdSe-Fotoresistor (LDR) | Sehr niedrig | <100% |
| Neonlampe | Niedrig | |||
| GaAs-Infrarot-LED | Niedrig | |||
| Dioden-Optoisolator | GaAs-Infrarot-LED | Silizium-Fotodiode | Höchste | 0.1–0.2% |
| Transistor-Opto-Isolator | GaAs-Infrarot-LED | Bipolarer Silizium-Phototransistor | Mittel | 2–120% |
| Darlington-Fototransistor | Mittel | 100–600% | ||
| Opto-isolierter SCR | GaAs-Infrarot-LED | Siliziumgesteuerter Gleichrichter | Niedrig bis mittel | >100% |
| Opto-isolierter Triac | GaAs-Infrarot-LED | TRIAC | Niedrig bis mittel | Sehr hoch |
| Halbleiterrelais | Stapel von GaAs-Infrarot-LEDs | Stapel von Fotodioden, die ein Paar MOSFETs oder einen IGBT |
Niedrig bis hoch | Praktisch unbegrenzt |
Resistive Opto-Isolatoren
Die ersten Opto-Isolatoren, die ursprünglich als Lichtzellen vermarktet wurden, kamen in den 1960er Jahren auf den Markt. Sie verwendeten Miniatur-Glühbirnen als Lichtquellen und Cadmiumsulfid- (CdS) oder Cadmiumselenid- (CdSe) Fotowiderstände (auch lichtabhängige Widerstände genannt) als Empfänger. Bei Anwendungen, bei denen die Linearität der Steuerung nicht wichtig war oder bei denen der verfügbare Strom für den Betrieb einer Glühlampe zu gering war (wie es bei Röhrenverstärkern der Fall war), wurde diese durch eine Neonlampe ersetzt. Diese Geräte (oder nur ihre LDR-Komponente) wurden allgemein als Vactrols bezeichnet, nach einer Marke von Vactec, Inc. Das Warenzeichen wurde inzwischen zu einer Gattungsbezeichnung, aber die ursprünglichen Vactrols werden immer noch von PerkinElmer hergestellt. ⓘ
Die Ein- und Ausschaltverzögerung einer Glühlampe liegt im Bereich von Hunderten von Millisekunden, was die Glühlampe zu einem effektiven Tiefpassfilter und Gleichrichter macht, aber den praktischen Modulationsfrequenzbereich auf wenige Hertz begrenzt. Mit der Einführung von Leuchtdioden (LEDs) in den Jahren 1968-1970 ersetzten die Hersteller Glüh- und Neonlampen durch LEDs und erreichten Reaktionszeiten von 5 Millisekunden und Modulationsfrequenzen bis zu 250 Hz. Der Name Vactrol wurde auf LED-basierte Geräte übertragen, die auch 2010 noch in kleinen Stückzahlen produziert werden. ⓘ
Die in Opto-Isolatoren verwendeten Fotowiderstände beruhen auf Bulk-Effekten in einer einheitlichen Halbleiterschicht; es gibt keine p-n-Übergänge. Einzigartig unter den Fotosensoren sind Fotowiderstände nicht polare Bauelemente, die sich sowohl für Wechsel- als auch für Gleichstromschaltungen eignen. Ihr Widerstand sinkt im umgekehrten Verhältnis zur Intensität des einfallenden Lichts, von praktisch unendlich bis zu einem Restwert, der unter hundert Ohm liegen kann. Diese Eigenschaften machten den ursprünglichen Vactrol zu einem praktischen und preiswerten automatischen Verstärkungsregler und Kompressor für Telefonnetzwerke. Die Fotowiderstände hielten problemlos Spannungen bis zu 400 Volt stand, was sie ideal für die Ansteuerung von Vakuumleuchtstoffanzeigen machte. Weitere industrielle Anwendungen waren Fotokopierer, industrielle Automatisierung, professionelle Lichtmessgeräte und automatische Belichtungsmesser. Die meisten dieser Anwendungen sind heute überholt, aber resistive Opto-Isolatoren haben sich eine Nische im Audiobereich, insbesondere bei Gitarrenverstärkern, bewahrt. ⓘ
Amerikanische Gitarren- und Orgelhersteller in den 1960er Jahren nutzten den resistiven Opto-Isolator als praktischen und preiswerten Tremolo-Modulator. Die frühen Tremolo-Effekte von Fender verwendeten zwei Vakuumröhren; nach 1964 wurde eine dieser Röhren durch einen Optokoppler ersetzt, der aus einem LDR und einer Neonlampe bestand. Bis heute sind Vactrols, die durch Betätigung des Pedals der Stompbox aktiviert werden, in der Musikindustrie allgegenwärtig. Der Mangel an Original-Vactrols von PerkinElmer zwang die DIY-Gitarrengemeinde, ihre eigenen resistiven Opto-Isolatoren zu bauen. Gitarristen bevorzugen bis heute optoisolierte Effekte, weil ihre überlegene Trennung von Audio- und Steuermasse zu einer "inhärent hohen Klangqualität" führt. Allerdings ist die Verzerrung, die ein Fotowiderstand bei einem Line-Level-Signal verursacht, höher als die eines professionellen, elektrisch gekoppelten, spannungsgesteuerten Verstärkers. Die Leistung wird außerdem durch langsame Schwankungen des Widerstands aufgrund der Lichtgeschichte beeinträchtigt, ein Gedächtniseffekt, der den Cadmiumverbindungen eigen ist. Solche Schwankungen brauchen Stunden, um sich auszugleichen, und können nur teilweise durch Rückkopplung im Regelkreis ausgeglichen werden. ⓘ
Fotodioden-Optoisolatoren
Dioden-Optoisolatoren verwenden LEDs als Lichtquellen und Silizium-Fotodioden als Sensoren. Wenn die Fotodiode mit einer externen Spannungsquelle in Sperrichtung vorgespannt wird, erhöht einfallendes Licht den durch die Diode fließenden Sperrstrom. Die Diode selbst erzeugt keine Energie, sondern moduliert den Energiefluss aus einer externen Quelle. Diese Betriebsart wird als photoleitender Modus bezeichnet. Alternativ wandelt die Diode bei fehlender externer Vorspannung die Lichtenergie in elektrische Energie um, indem sie ihre Anschlüsse auf eine Spannung von bis zu 0,7 V auflädt. Die Ladungsrate ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Die Energie wird durch Ableitung der Ladung über einen externen Pfad mit hoher Impedanz gewonnen; das Verhältnis der Stromübertragung kann 0,2 % erreichen. Diese Betriebsart wird als photovoltaischer Modus bezeichnet. ⓘ
Die schnellsten Opto-Isolatoren verwenden PIN-Dioden im photoleitenden Modus. Die Reaktionszeiten von PIN-Dioden liegen im Subnanosekundenbereich; die Gesamtgeschwindigkeit des Systems wird durch Verzögerungen bei der LED-Ausgabe und in der Vorspannungsschaltung begrenzt. Um diese Verzögerungen zu minimieren, enthalten schnelle digitale Opto-Isolatoren ihre eigenen LED-Treiber und Ausgangsverstärker, die auf Geschwindigkeit optimiert sind. Diese Geräte werden als Volllogik-Optoisolatoren bezeichnet: Ihre LEDs und Sensoren sind vollständig in einer digitalen Logikschaltung gekapselt. Die Gerätefamilie 6N137/HPCL2601 von Hewlett-Packard mit internen Ausgangsverstärkern wurde in den späten 1970er Jahren eingeführt und erreichte Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 10 MBd. Sie blieb ein Industriestandard bis zur Einführung der 7723/0723-Familie von Agilent Technologies mit 50 MBd im Jahr 2002. Die Opto-Isolatoren der Serie 7723/0723 enthalten CMOS-LED-Treiber und einen CMOS-Pufferverstärker, die zwei unabhängige externe Stromversorgungen mit jeweils 5 V benötigen. ⓘ
Photodioden-Optoisolatoren können für die Kopplung von Analogsignalen verwendet werden, obwohl ihre Nichtlinearität das Signal immer verzerrt. Eine spezielle Klasse von analogen Opto-Isolatoren, die von Burr-Brown eingeführt wurde, verwendet zwei Fotodioden und einen eingangsseitigen Operationsverstärker, um die Nichtlinearität der Dioden zu kompensieren. Eine der beiden identischen Dioden wird in die Rückkopplungsschleife des Verstärkers geschaltet, der das Gesamtstromübertragungsverhältnis unabhängig von der Nichtlinearität der zweiten (Ausgangs-)Diode auf einem konstanten Niveau hält. ⓘ
Am 3. Juni 2011 wurde eine neuartige Idee für einen besonderen optischen Analogsignal-Isolator vorgelegt. Die vorgeschlagene Konfiguration besteht aus zwei verschiedenen Teilen. Einer davon überträgt das Signal, der andere stellt eine Gegenkopplung her, um sicherzustellen, dass das Ausgangssignal die gleichen Eigenschaften wie das Eingangssignal hat. Der vorgeschlagene analoge Isolator ist über einen weiten Bereich von Eingangsspannung und Frequenz linear. Lineare Optokoppler, die nach diesem Prinzip arbeiten, gibt es jedoch schon seit vielen Jahren, z. B. den IL300. ⓘ
Halbleiterrelais, die auf MOSFET-Schaltern basieren, verwenden in der Regel einen Fotodioden-Optoisolator zur Ansteuerung des Schalters. Das Gate eines MOSFET benötigt eine relativ geringe Gesamtladung, um sich einzuschalten, und sein Leckstrom ist im stationären Zustand sehr gering. Eine Fotodiode im photovoltaischen Modus kann die Einschaltladung in relativ kurzer Zeit erzeugen, aber ihre Ausgangsspannung ist um ein Vielfaches geringer als die Schwellenspannung des MOSFET. Um den erforderlichen Schwellenwert zu erreichen, enthalten Halbleiterrelais Stapel von bis zu dreißig in Reihe geschalteten Fotodioden. ⓘ
Fototransistor-Optoisolatoren
Fototransistoren sind von Natur aus langsamer als Fotodioden. Der älteste und langsamste, aber immer noch gebräuchliche Opto-Isolator 4N35 beispielsweise hat Anstiegs- und Abfallzeiten von 5 μs bei einer Last von 100 Ohm, und seine Bandbreite ist auf etwa 10 Kilohertz begrenzt - ausreichend für Anwendungen wie Elektroenzephalographie oder Pulsbreiten-Motorsteuerung. Bauelemente wie PC-900 oder 6N138, die in der ursprünglichen Spezifikation für die digitale Schnittstelle von Musikinstrumenten aus dem Jahr 1983 empfohlen werden, ermöglichen digitale Datenübertragungsgeschwindigkeiten von mehreren zehn Kilobauds. Fototransistoren müssen richtig vorgespannt und belastet werden, um ihre Höchstgeschwindigkeiten zu erreichen. Der 4N28 beispielsweise arbeitet mit optimaler Vorspannung mit bis zu 50 kHz und ohne Vorspannung mit weniger als 4 kHz. ⓘ
Bei der Entwicklung von Transistor-Optoisolatoren müssen große Schwankungen der Parameter von handelsüblichen Geräten berücksichtigt werden. Solche Schwankungen können destruktiv sein, z. B. wenn ein Opto-Isolator in der Rückkopplungsschleife eines DC/DC-Wandlers seine Übertragungsfunktion ändert und unerwünschte Oszillationen verursacht, oder wenn unerwartete Verzögerungen in Opto-Isolatoren einen Kurzschluss auf einer Seite einer H-Brücke verursachen. In den Datenblättern der Hersteller sind in der Regel nur Worst-Case-Werte für kritische Parameter aufgeführt; die tatsächlichen Geräte übertreffen diese Worst-Case-Schätzungen auf unvorhersehbare Weise. Bob Pease hat beobachtet, dass das Stromübertragungsverhältnis in einer Charge von 4N28 von 15 % bis zu mehr als 100 % variieren kann, obwohl im Datenblatt nur ein Minimum von 10 % angegeben ist. Der Beta-Wert der Transistoren in derselben Charge kann von 300 bis 3000 variieren, was zu einer 10:1-Varianz in der Bandbreite führt. ⓘ
Opto-Isolatoren, die Feldeffekttransistoren (FETs) als Sensoren verwenden, sind selten und können wie Vactrols als ferngesteuerte analoge Potentiometer verwendet werden, sofern die Spannung an der Ausgangsklemme des FETs einige hundert mV nicht überschreitet. Opto-FETs schalten sich ein, ohne dass Schaltladungen in den Ausgangskreis eingespeist werden, was besonders in Sample-and-Hold-Schaltungen nützlich ist. ⓘ
Bidirektionale Opto-Isolatoren
Alle bisher beschriebenen Opto-Isolatoren sind unidirektional. Der optische Kanal funktioniert immer in eine Richtung, von der Quelle (LED) zum Sensor. Die Sensoren, seien es Fotowiderstände, Fotodioden oder Fototransistoren, können kein Licht aussenden. LEDs sind jedoch, wie alle Halbleiterdioden, in der Lage, einfallendes Licht zu detektieren, was die Konstruktion eines bidirektionalen Opto-Isolators aus einem LED-Paar ermöglicht. Der einfachste bidirektionale Opto-Isolator besteht lediglich aus einem Paar LEDs, die einander gegenüberliegen und mit Schrumpfschlauch zusammengehalten werden. Falls erforderlich, kann der Abstand zwischen zwei LEDs mit einem Glasfasereinsatz vergrößert werden. ⓘ
LEDs im sichtbaren Spektrum haben einen relativ schlechten Übertragungswirkungsgrad, so dass GaAs-, GaAs:Si- und AlGaAs:Si-LEDs im nahen Infrarotspektrum die bevorzugte Wahl für bidirektionale Geräte sind. Bidirektionale Opto-Isolatoren, die um Paare von GaAs:Si-LEDs herum aufgebaut sind, haben ein Stromübertragungsverhältnis von etwa 0,06 % entweder im photovoltaischen oder im photoleitenden Modus - weniger als Photodioden-basierte Isolatoren, aber ausreichend praktisch für reale Anwendungen. ⓘ
Arten von Konfigurationen
Normalerweise haben Optokoppler eine geschlossene Paarkonfiguration. Diese Konfiguration bezieht sich auf Optokoppler, die in einem dunklen Behälter eingeschlossen sind, in dem die Quelle und der Sensor einander gegenüberliegen. ⓘ
Einige Optokoppler haben eine geschlitzte Koppler-/Unterbrecherkonfiguration. Diese Konfiguration bezieht sich auf Optokoppler mit einem offenen Schlitz zwischen der Quelle und dem Sensor, der die Fähigkeit hat, eingehende Signale zu beeinflussen. Die Konfiguration mit Schlitzkoppler/Unterbrecher eignet sich für die Objekterkennung, die Vibrationserkennung und das prellfreie Schalten. ⓘ
Einige Optokoppler haben eine Reflexionspaar-Konfiguration. Diese Konfiguration bezieht sich auf Optokoppler mit einer Lichtquelle, die Licht aussendet, und einem Sensor, der Licht nur dann erkennt, wenn es von einem Objekt reflektiert wurde. Die Reflexionspaar-Konfiguration eignet sich für die Entwicklung von Tachometern, Bewegungsdetektoren und Reflexionsmonitoren. ⓘ
Die beiden letztgenannten Konfigurationen werden häufig als "Optosensoren" bezeichnet. ⓘ
Aufbau
Entweder stehen sich Sender und Empfänger direkt gegenüber (englisch Face-to-face design) oder befinden sich in einer Ebene (englisch Coplanar design). Besonders im letzteren Fall wird der Lichtstrahl ähnlich wie beim Lichtwellenleiter durch Reflexion übertragen. ⓘ
Als Sender werden Leuchtdioden oder Laserdioden verwendet, die im optimalen Empfangsbereich von Silicium-basierten Empfängern arbeiten (um 850 nm Wellenlänge). Als Empfänger werden Phototransistoren oder Photodioden eingesetzt. ⓘ
So genannte PhotoMOS-Relais verwenden eine Serienschaltung von Fotodioden, die als Photoelement, also im photovoltaischen Bereich, betrieben werden, um mit der Spannung MOSFET zu schalten; siehe auch Halbleiterrelais. Damit können kleine und große Gleich- und Wechselströme geschaltet werden. ⓘ
Optokoppler können als Triacs ausgeführt sein und als Optotriac oder Phototriac funktionieren oder mit Triacs und Thyristoren zusammen geschaltet werden. Damit erhält man ein Halbleiterrelais (englisch Solid State Relais) zum Schalten von Netzwechselspannung. ⓘ
Sogenannte Reflexkoppler haben nach außen gerichtete Sender und Empfänger und dienen zum Erkennen nahegelegener reflektierender Flächen. Sie sind zur Printmontage ausgelegt. ⓘ
Die zur Automatisierung verfügbaren Fremdlicht-unabhängigen Reflextaster sind zusammen mit der zur Modulation erforderlichen Elektronik und Schaltstufen in einem Industriegehäuse untergebracht. ⓘ
Kennwerte
Bei analogen Optokopplern gibt das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (englisch current transfer ratio, CTR) das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsstrom bei Gleichstromsignalen oder niedrigen Signalfrequenzen an. Die Werte liegen je nach Empfänger zwischen 0,1…0,5 % (Photodiode), 2…120 % (Phototransistor) und 1.000…15.000 % (mit Darlington-Transistor). Dieser Wert ist insbesondere bei Einsatz von Phototransistoren erheblich stromabhängig. Weiterhin ist er temperaturabhängig und verringert sich mit der Alterung des Bauelements. Eine Reduktion der Helligkeit um mehr als 50 % bei der Leuchtdiode infolge Alterung gilt als Fehler. Bei digitalen Optokopplern wird kein CTR angegeben, sondern ein LED-Mindeststrom, der zum Pegelwechsel am Ausgang erforderlich ist. ⓘ
Die Isolationsspannung ist abhängig von Abstand und Anordnung von Sender und Empfänger, dem Isolationswerkstoff und dem Abstand der Anschlüsse. Übliche Isolationsspannungen sind 200 V, 500 V, 1,5 kV, 2,5 kV, 4 kV oder 5 kV, in Sonderfällen bis zu 25 kV. ⓘ
Der Isolationswiderstand zwischen dem Eingang und dem Ausgang ist sehr hoch und beträgt bis zu 1013 Ω. ⓘ
Der Strom gängiger Optokoppler beträgt 50 mA durch die Infrarot-LED, um den Fototransistor voll auszusteuern. Seltener verbaute Optokoppler für einen Ansteuerungsstrom bis 10 mA benutzen dafür einen integrierten Darlingtontransistor. ⓘ
Die Grenzfrequenz ist die höchste Arbeitsfrequenz, bei der ein Optokoppler noch arbeiten kann. Je nach Typ liegt dieser Kennwert zwischen einigen kHz und einigen GHz. Optokoppler mit Fototransistoren haben eine Grenzfrequenz im unteren Bereich, im Wesentlichen durch die langsamen Fototransistoren begrenzt (Beispiel: FOD852 von Fairchild Semiconductor: 7 kHz). Optokoppler mit LEDs und Photodioden haben eine Grenzfrequenz von 10 MHz und darüber, im Wesentlichen durch die Ansteuerung und die Leuchtdiode begrenzt. Optokoppler mit Laserdioden, meist VCSEL, und Photodioden haben eine Grenzfrequenz von einigen GHz, im Wesentlichen durch die Laserdioden-Treiber und die Eingangsstufe der Photodioden begrenzt. ⓘ
Leuchtdioden vertragen nur Sperrspannungen von ca. 5 V, bei Fototransistoren liegt die zulässige Sperrspannung bei 30 V bis 50 V. Digitale Optokoppler arbeiten empfängerseitig meist an einer Spannung von 5 V. ⓘ
CMTI (Common mode transient Immunity) ist die Impulsfestigkeit des Optokopplers und wird in kV/µs angegeben. Sie wird durch die Kapazität zwischen Sender und Empfänger und durch eine ggf. vorhandene Abschirmung bestimmt. ⓘ
Einsatzgebiete
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Optokoppler werden unter anderem dort eingesetzt, wo Stromkreise galvanisch voneinander getrennt werden und eine Information, wie ein Steuersignal, über die elektrisch isolierende Trennstrecke übertragen werden muss. Einsatzbeispiele sind: Analoge Signalübertragung:
- Galvanisch vom Stromnetz getrennte Stromversorgungen, wie Schaltnetzteile zur Regelung der Ausgangsspannung. Dabei wird die sekundärseitige Ausgangsspannung gemessen, die Abweichung der Ausgangsspannung zum Sollwert, beispielsweise als Folge von Laständerungen, wird über einen Optokoppler auf die Primärseite übertragen, wo das Tastverhältnis oder die Steuerfrequenz so verändert wird, dass die Ausgangsspannung am Sollwert gehalten werden kann. Keine Anforderung an die Linearität.
- bei hohen Linearitätsanforderungen werden Optokoppler mit einer zweiten, möglichst gleichen Fotodiode verwendet, die im Rückführkreis des LED-Treiberverstärkers liegt; siehe Trennverstärker.
Digitale Signalübertragung:
- Bei Schnittstellenkarten von Computern müssen die Stromkreise elektrisch voneinander getrennt werden, da die miteinander verbundenen Geräte unterschiedliche Massepotenziale haben können.
- Baugruppen, die vor transienten Überspannungen und Gleichtakt-Störimpulsen geschützt werden müssen, haben oft Optokopplung ihrer Ein- und Ausgänge. Beispiele sind Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS).
- Musical Instrument Digital Interface (MIDI) zur Vermeidung von Brummschleifen ⓘ
Alternativen
Als Alternative gibt es Isolationsverstärker und digitale Koppler, die mit induktiver oder kapazitiver Übertragung arbeiten und damit eine galvanische Trennung erreichen. Diese Übertragungsverfahren können im Gegensatz zu Optokopplern keine Gleichpegel direkt übertragen, daher ist eine zusätzliche Modulation des zu übertragenden analogen Signals im Isolationsverstärker notwendig. Induktive Koppler übertragen mit den Signalen elektrisch induzierte Energie auf die andere Seite. ⓘ
Als Alternative zur potentialgetrennten Übertragung von Wechselspannungen und Impulsen können Übertrager dienen. ⓘ