Optokoppler

Der Optokoppler ist ein Halbleiterbauteil. Es verwendet einen kurzen optischen Übertragungsweg, um ein elektrisches Signal zwischen Schaltungen oder Elementen einer Schaltung zu übertragen. Elektrisch sind die beiden allerdings voneinander isoliert (galvanisch getrennt). Solche Komponenten finden häufig Einsatz bei Kommunikations-, Kontroll- und Monitoring-Systemen. So wird vermieden, dass elektrische Hochspannung ein System mit niedrigerer Leistung beeinträchtigt.

In seiner einfachsten Form besteht ein Optokoppler für die Signalübertragung aus einer LED (Light-Emitting Diode), IRED (Infrared-Emitting Diode) oder eine Laser-Diode. Einem Fotosensor oder Fototransistor für den Empfang zuständig. Ein Optokoppler funktioniert, indem an die LED eine elektrische Spannung angelegt und somit (Infrarot-)Licht erzeugt wird. Das Licht wandert über einen transparenten Spalt im Optokoppler und wird vom Empfänger aufgenommen, der das modulierte oder Infrarotlicht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt.

Optokoppler
Schaltung Optokoppler

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 kV 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 einen 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 Fotodiode kann es sogar bis zu 10 MHz hochgehen. Sowohl bei den digitalen Optokopplern, als auch bei denen mit einer Fotodiode, wird die Grenzfrequenz durch die jeweiligen Schaltzeiten der Sende-LED festgelegt

Sperrspannungen
Die Sperrspannung 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.