Optokoppler

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Optokoppler sind optoelektronische Koppelelemente, welche die Signalübertragung durch ein photonengekoppeltes Medium erzielen. Ein auf den Eingang gegebenes elektrisches Signal wird in Strahlungsenergie umgewandelt und durch ein isolierendes Medium hindurch auf einen Detektor übertragen. Dort wird die optische Information wieder in ein elektrisches Signal rückgewandelt.

Das Gehäuse eines Optokopllers vereint in sich sowohl einen Lichtsender und einen Lichtempfänger. Als dazwischen liegendes Übertragungsmedium wird zumeist ein sehr kurzer Lichtleiter verwendet. Der Vorteil des elektrisch schlecht leitfähigem Lichtleiters, ist die galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang.
Sollen digitale Signale übertragen werden gibt es eine Fülle an möglichen IC's. Anders sieht es bei der Übertragung von analogen Signalen aus. Hierfür sollten spezielle Optokoppler eingesetzt werden. Diese haben dann meist zwei Photoempfänger/-dioden. Essentiell wichtig ist dabei, dass diese Empfänger auf dem selben Die / im gleichem Gehäuse verbaut sind. Während eine Photodiode den galvanisch getrennten Ausgang zur Verfügung stellt, wird die Zweite als Vergleichsausgang zur Kompensation von Unlinearitäten, Drift- und Alterungseffekten verwendet. Die so realisierbare Regelung ermöglicht das Ausregeln einer Vergleichsspannung proportional zur Eingangsspannung. Dadurch ist die Übertragungsfunktion des Optokopplers als linear annehmbar.

Innerer Aufbau eines Optokopplers

Eigenschaft	Wert
Photonenemitter	GaAs-Led's (Infrarot: Λ=900nm oder GaAsP-Leds Λ=660nm)
Isolationswiderstand	ca. 1011 GΩ
Detektor	Ausführung als Fotodiode, Fototransistor, Fotodarlington oder Fotothyristor

• Potentialmäßige Entkopplung von Systemen oder Schaltungsteilen
• bei problematischen widerstandsmäßigen Anpassungen von Geräte- und Baugruppenschnittstellen
• Verhinderung von Masseschleifen

• CTR (Current Transfer Ratio)



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• CTR liegt im Bereich von einigen 10% bis zu 1000%
• Spannungsfestigkeit, maximale Isolationsspannung U_iso zwischen Eingang und Ausgang (Breakdown voltage)
• U_iso meist einige kV
• Typen mit Photodioden sind wesentlich schneller als solche mit Transistor oder Triac

Bei einem Optokoppler handelt es sich um eine stromgesteuerte Stromquelle, mit einer LED am Eingang und einem Transistor am Ausgang. Bei der Dimensionierung betrachtet man den inneren Aufbau des Optokopplers am Besten zweigeteilt. Dadurch stellt der Eingangsbereich eine einfache Diodendimensionierung und der Ausgang eine Transistorteilschaltung dar.
Der Eingang ist schnell berechnet. Man benötigt neben dem Eingangssignalpegel V_sig aus dem Datenblatt lediglich die Angabe des typischen Flussspannungswertes V_f (etwa 1.5...2.5 V) und den Strombereich I_in (etwa 2...50mA) der Diode.

Die Formel lautet dann:

Schaltung zur Dimensionierung des Eingangswiderstandes eines Optokopplers

Selbstverständlich kann der Eingang auch über eine Treiberstufe angesteuert werden, sagen wir beispielsweise mit einem bipolaren Transistor. Dessen Kollektor-Emitter-Strecke läge dann in Reihe zum Widerstand und der Emitterdiode des Optokopplers. Demzufolge müßte dann noch im Zähler der Formel das V_CE des Transistors beachtet werden.
Die Formel lautet dann:

Schaltung zur Dimensionierung des Eingangswiderstandes eines Optokopplers mittels einfacher Treiberstufe

Das Verhalten des Ausganges entspricht dem eines Tiefpasses, da dieser in Kollektorschaltung vorliegt. Um eine möglichst große Übertragungsbandbreite zu erreichen, sollte theoretisch der serielle Widerstand im Ausgangskreis möglichst gegen Null gehen. Praktisch setzt man hier Werte von einigen Ohm's ein. Schaltungen mit Basiswiderständen...