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Optokoppler
BeschreibungOptokoppler dienen zur Kopplung elektronischer Schaltungen mit Hilfe von Lichtenergie. In einem Optokoppler befindet sich ein Lichtsender (LED, meist Infrarot) und ein Lichtempfänger (z. B. Fototransistor), welche durch einen sehr kurzen Lichtleiter verbunden sind. Die elektrische (galvanische) Trennung zwischen Eingang und Ausgang ermöglicht Kopplung von Schaltungen sehr unterschiedlichen Spannungsniveaus. Das ist notwendig bei gefährlich hohen Spannungen, störverseuchten Umgebungen oder zur Verhinderung von Masseschleifen. Neben Optokopplern mit Fototransistoren als Lichtempfänger gibt es Typen mit Fotodioden oder Triacs. Typen mit Photodioden sind dabei wesentlich schneller als Transistor- und Triactypen. Ausserdem gibt es noch komplett integrierte Typen, welche ohne weitere Beschaltung wie ein normaler digitaler IC verwendet werden können. Die meisten Optokoppler sind nur für digitale Signale nutzbar. Zur elektrischen Trennung von analogen Signalen eignen sich spezielle Optokoppler. Diese haben meist zwei Photoempfänger, meist Photodioden. Eine Photodiode dient als galvanisch getrennter Ausgang, die Zweite als Vergleichsausgang zur Kompensation von Unlinearitäten, Drift- und Alterungseffekten. Durch diese lässt sich eine Regelung aufbauen die die Vergleichsspannung proportional zur Eingangsspannung einstellt. Dadurch ist die Übertragungsfunktion des Optokopplers als linear anzusehen. Daher wird im Zusammenhang mit analogen Optokopplern häufig auch von linearen Optokopplern gesprochen. Für gemäßigte Ansprüche kann man aber auch mit normalen, digitalen Optokopplern analoge Signale übertragen. BeschaltungOptokoppler sind relativ leicht nutzbar. Sie bieten ausserdem die Möglichkeit, das Signal bei der Übertragung zu invertieren. Nachfolgend sind drei Grundschaltungen gezeigt. Links nichtinvertierend, in der Mitte mit Invertierung am Eingang und rechts mit Invertierung am Ausgang, das ist die häufigste Schaltung.
Wie berechnet man nun die Widerstände für die LED und den Transistor am Ausgang? Recht einfach. Zunächst muss man den Strom durch die LED festlegen, hier hilft auch das Datenblatt. Typische Werte liegen zwischen 5-20mA. Die Berechnung des Vorwiderstands erfolgt gemäß Beschreibung im Artikel LED, wobei die Flußspannung meist 1,2-1,5V beträgt. Der Arbeitswiderstand am Ausgang berechnet sich wie folgt:
Dabei muss man im Datenblatt nach dem minimalen CTR suchen, der ist abhängig von dem speziellen Typ, Temperatur und ggf. vom LED-Strom. Als Sicherheitsfaktor sollte man mindestens 2 wählen, weil die gängige Definition der Lebensdauer einer LED bzw. Optokopplers auf die halbe optische Leistung ausgelegt ist. Wenn man die LED jedoch deutlich unter dem Nennstrom betreibt (50% und weniger), erhöht sich die Lebensdauer beachtlich, Faktor 10 und mehr ist möglich. Praktisch wird man einen Sicherheitsfaktor zwischen 2-5 wählen. Aber auch hier muss man Kompromisse eingehen. Denn um die maximale Geschwindigkeit eines Optokopplers zu erreichen, muss man meist mit Nennstrom und minimalem Arbeitswiderstand arbeiten. Hier sind dann die High Speed Optokoppler mit aktivem Empfänger und Verstärker deutlich im Vorteil (z.B. 6N137). Bei Optokopplern mit Transistorausgang und herausgeführtem Basisanschluß kann man durch einen passenden Widerstand zwischen Basis und Emitter vor allem die Abschaltgeschwindigkeit deutlich steigen, allerdings auf Kosten der Empfindlichkeit. StandardtypenHier sind einige hobbyübliche Standardtypen zusammengefasst. Typen mit Transistorausgang
Typen mit Triacausgang
Typen mit MOSFETLineare OptokopplerVollintegrierte Optokoppler
Alternative Technologien
Beispiele
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