Optokoppler – Eigenschaften, Gerät, Anwendung

Was ist ein Optokoppler?

Der Optokoppler ist ein optoelektronisches Gerät, dessen Hauptfunktionsteile eine Lichtquelle und ein Fotodetektor sind, die nicht galvanisch miteinander verbunden sind, sondern sich in einem gemeinsamen versiegelten Gehäuse befinden. Das Funktionsprinzip eines Optokopplers basiert auf der Tatsache, dass ein an ihn angelegtes elektrisches Signal auf der Sendeseite ein Leuchten hervorruft und das Signal bereits in Form von Licht vom Fotodetektor empfangen wird, wodurch auf der Empfangsseite ein elektrisches Signal ausgelöst wird Seite. Das heißt, ein Signal wird durch optische Kommunikation innerhalb der elektronischen Komponente gesendet und empfangen.

Ein Optokoppler ist die einfachste Art von Optokoppler. Es besteht nur aus den Sende- und Empfangsteilen. Eine komplexere Art von Optokopplern ist ein optoelektronischer Chip, der mehrere Optokoppler enthält, die mit einem oder mehreren Anpassungs- oder Verstärkungsgeräten verbunden sind.

Somit ist ein Optokoppler eine elektronische Komponente, die die Übertragung eines optischen Signals in einem Stromkreis ohne galvanische Kopplung zwischen der Signalquelle und ihrem Empfänger ermöglicht, da Photonen bekanntermaßen elektrisch neutral sind.

Der Aufbau und die Eigenschaften von Optokopplern

Optokoppler verwenden Fotodetektoren, die im nahen Infrarot und im sichtbaren Bereich empfindlich sind, da dieser Teil des Spektrums durch intensive Strahlungsquellen gekennzeichnet ist, die ohne Kühlung als Fotodetektoren arbeiten können. Fotodetektoren mit pn-Übergängen (Dioden und Transistoren) auf Siliziumbasis sind universell einsetzbar, der Bereich ihrer maximalen spektralen Empfindlichkeit liegt nahe bei 0,8 μm.

Der Optokoppler wird vor allem durch das Stromübersetzungsverhältnis CTR, also das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsstrom, charakterisiert. Der nächste Parameter ist die Signalübertragungsrate, eigentlich die Grenzfrequenz fc des Optokopplerbetriebs, bezogen auf die Anstiegszeit tr und die Grenzfrequenz tf für die übertragenen Impulse. Abschließend noch die Parameter, die den Optokoppler im Hinblick auf die galvanische Trennung charakterisieren: der Isolationswiderstand Riso, die maximale Spannung Viso und der Durchsatz Cf.

Das Eingabegerät, das Teil der Optokopplerstruktur ist, soll optimale Betriebsbedingungen für den Emitter (LED) schaffen, um den Arbeitspunkt in den linearen Bereich der I-V-Kennlinie zu verschieben.

Das Eingabegerät verfügt über eine ausreichende Geschwindigkeit und einen breiten Eingangsstrombereich, wodurch die Zuverlässigkeit der Informationsübertragung auch bei niedrigem (Schwellen-)Strom gewährleistet ist. Das optische Medium befindet sich im Inneren des Gehäuses, durch das das Licht vom Emitter zum Fotodetektor übertragen wird.

Bei Optokopplern mit gesteuertem optischen Kanal gibt es eine zusätzliche Steuereinrichtung, mit der es möglich ist, die Eigenschaften des optischen Mediums auf elektrischem oder magnetischem Weg zu beeinflussen.Auf der Fotodetektorseite wird das Signal mit einer hohen optisch-elektrischen Umwandlungsrate wiederhergestellt.

Das Ausgabegerät auf der Seite des Fotodetektors (z. B. ein im Schaltkreis enthaltener Fototransistor) dient dazu, das Signal in eine elektrische Standardform umzuwandeln, die für die weitere Verarbeitung in Blöcken nach dem Optokoppler geeignet ist. Ein Optokoppler enthält häufig keine Ein- und Ausgabegeräte und erfordert daher externe Schaltkreise, um den normalen Betrieb im Schaltkreis eines bestimmten Geräts herzustellen.

Anwendung von Optokopplern

Optische Steckverbinder sind weit verbreitet in Stromkreisen zur galvanischen Trennung Blöcke verschiedener Geräte, in denen Stromkreise für Nieder- und Hochspannung vorhanden sind, Steuerkreise von Stromkreisen getrennt sind: Steuerung leistungsstarker Triacs und Thyristoren, Relaiskreise usw.

Dioden-, Transistor- und Widerstandsoptokoppler werden in funktechnischen Modulations- und automatischen Verstärkungsregelkreisen verwendet. Durch die Freilegung des optischen Kanals wird die Schaltung berührungslos gesteuert und in den optimalen Betriebsmodus gebracht.

Optische Steckverbinder sind so vielseitig, dass sie in so unterschiedlichen Branchen und mit so vielen einzigartigen Funktionen eingesetzt werden, auch nur als galvanische Trennung und kontaktlose Steuerelemente, dass es unmöglich ist, sie alle aufzuzählen.

Hier nur einige davon: Computer, Kommunikationstechnik, Automatisierung, Funkgeräte, automatisierte Steuerungssysteme, Messgeräte, Steuer- und Regelsysteme, Medizintechnik, visuelle Anzeigegeräte und viele andere.

Vorteile von Optokopplern

Durch den Einsatz von Optokopplern auf Leiterplatten können Sie eine ideale galvanische Trennung erreichen, wenn die Anforderungen an die Isolierung von Hoch- und Niederspannungs-, Eingangs- und Ausgangskreisen hinsichtlich des Widerstands extrem hoch sind. Die Spannung zwischen Sende- und Empfangskreis des beliebten Optokopplers PC817 beträgt beispielsweise 5000 V. Darüber hinaus wird durch optische Trennung eine äußerst geringe Bandbreite von etwa 1 pF erreicht.

Mithilfe von Optokopplern lässt sich die berührungslose Steuerung sehr einfach realisieren und lässt gleichzeitig Raum für einzigartige Designlösungen im Hinblick auf direkte Steuerkreise. Wichtig ist hierbei auch, dass es zu keinerlei Reaktion des Empfängers auf die Quelle kommt, also die Informationen nur in eine Richtung übertragen werden.

Die größte Bandbreite des Optokopplers beseitigt die Einschränkungen durch niedrige Frequenzen: Mit Hilfe von Licht kann man zumindest ein konstantes Signal, sogar einen Impuls, und mit sehr steilen Flanken übertragen, was mit Impulstransformatoren grundsätzlich nicht realisierbar ist. Der Kommunikationskanal innerhalb des Optokopplers ist absolut immun gegen die Auswirkungen elektromagnetischer Felder, sodass das Signal vor Störungen und Erfassung geschützt ist. Schließlich sind Optokoppler vollständig kompatibel mit anderen elektronischen Komponenten.