Optokoppler
Beschreibung
Optokoppler 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.
Beschaltung
Optokoppler 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:
[math]\displaystyle{ R_A = \frac{Vcc \cdot SF}{I_{LED} \cdot CTR } }[/math]
- R_A : Arbeitswiderstand
- Vcc: Betriebsspannung am Ausgang
- CTR: Stromübertragungsfaktor (engl. Current Transfer Ratio)
- SF: Sicherheitsfaktor
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.
Geläufige Typen
| Bezeichnung | Gehäuse | Vce (max) [V] |
Vsupply [V] |
CTR [%] |
Iout [mA] |
Geschwindigkeit | Bemerkung | Lieferant | Datenblatt |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4N25 4N26 4N27 4N28 |
DIP6 | 30 | — | 20, 10 | ton/off 2 µs (typ.) | B C D DK e F U R | Broadcom CT-Micro Everlight Isocom LiteOn ONSemi QT-Brightek Toshiba Vishay | ||
| 4N32 4N33 |
DIP6, SMD6 | 30 | — | 500 | 100 | 5 µS / 100 µS | B C DK F U R | CT-Micro Everlight Isocom ONSemi Vishay | |
| 4N35 4N36 4N37 |
DIP6, DCJ6 | 30 | — | 100 | 100 | ton/off 7 µs | B C D DK e F U R | Broadcom CT-Micro Everlight Isocom LiteOn ONSemi QT-Brightek Toshiba Vishay | |
| 6N135 6N136 PS8501 |
DIP8 | 20 | 15 | 30 | 100 | 1 MBit/s | Dual-channel: HCPL-xx3x | B C D DK F P U R | Broadcom Cosmo CT-Micro Everlight Isocom LiteOn ONSemi Renesas Toshiba Vishay |
| HCPL-0500/1 EL0500/1 ICPL0500/1 SFH6315/6 |
SO8 | Broadcom Everlight Isocom ONSemi Vishay | |||||||
| KPC457 CTM452 ELM452 FODM452 PS8101 TLP109 VOM452 |
SO5 | Cosmo CT-Micro Everlight ONSemi Renesas Toshiba Vishay | |||||||
| 6N137 PS9587 |
DIP8 | 7 | 5 | digital | 15 | 10 MBit/s | Dual-channel: HCPL-xx3x | B C D DK F I U R | Broadcom Cosmo CT-Micro Everlight Isocom LiteOn ONSemi, Renesas Toshiba Vishay |
| HCPL-0600 EL0600 ICPL0600 LTV-0601 PS9817A VO0600 |
SO8 | Broadcom Everlight Isocom LiteOn ONSemi Renesas Vishay | |||||||
| HCPL-M600 KPC410 CTM600 ELM600 FODM611 ICPLM600 LTV-M601 PS9117A PC410 TLP2362 |
SO5 | Broadcom Cosmo CT-Micro Everlight Isocom LiteOn ONSemi Renesas Sharp Toshiba | |||||||
| 6N138 6N139 |
DIP8 | 7, 18 | 7, 18 | 300 | 60 | ton 15 µs, toff 50 µs | Dual-channel: HCPL-xx3x | B C D DK e F R U | Broadcom Cosmo CT-Micro Everlight Isocom LiteOn ONSemi Toshiba Vishay |
| HCPL-0700/1 TLP2403 |
SO8 | Broadcom ONSemi Toshiba | |||||||
| CNY17 | DIP6 | 70 | — | 160 | 50 | ton 14 µs, toff 63 µs | B C D DK e F U R | Broadcom CT-Micro Everlight Isocom LiteOn, ONSemi QT-Brightek Vishay | |
| H11L1 VOH1016A |
DIP6 | 16 | 16 | digital | 50 | 1 MBit/s | Schmitt-Trigger | B C DK F P U | CT-Micro Everlight, Isocom ONSemi QT-Brightek Vishay |
| PC400 VOH1016A |
SO5 | Sharp Vishay | |||||||
| HCPL-814 K3010 CT814 EL814 ISP814 KB814 LTV-814 FOD814 Q814 PS2565 K814P |
DIP4 | 35 | — | 300 | 50 | trise/tfall 20 µs | AC-Eingang, Dual/Quad als *824/*844 |
B C DK e F I R U | Broadcom Cosmo CT-Micro Everlight Isocom Kingbright LiteOn ONSemi QT-Brightek Renesas Vishay |
| ACPL-214 KPS2805 CTH214 EL3H4 IS3H4 LTV-214 HMHAA280 PS2805C PC3H4 TLP290 VOS627A |
SO4 | Broadcom Cosmo CT-Micro Everlight Isocom LiteOn ONSemi, Renesas Sharp Toshiba Vishay | |||||||
| KPC815 CT815 EL815 ISP815 KB815 LTV-815 Q815 PC815 K815P |
DIP4 | 35 | — | 600 | 80 | trise 300 µs, tfall 250 µs | Dual/Quad als *825/*845 | B DK R U | Cosmo CT-Micro Everlight Isocom Kingbright LiteOn QT-Brightek Sharp Vishay |
| CT816 EL816 KB816 LTV-816 PC123 |
DIP4 | 70 | — | 50 | 50 | trise/tfall 18 µs | Dual/Quad als *826/*846 | DK e R U | CT-Micro Everlight Kingbright LiteOn Sharp |
| HCPL-817 K1010 CT817 EL817 ISP817 KB817 LTV-817 FOD817 Q817 PS2561D PC817 TLP785 K817P |
DIP4 | 35 | — | 50 | 50 | ton 3 µs, toff 50 µs | Dual/Quad als *827/*847 | B C D DK e F I R U | Broadcom Cosmo CT-Micro Everlight Isocom Kingbright LiteOn ONSemi QT-Brightek Renesas Sharp Toshiba Vishay |
| HCPL-181 KPS2801 CTH217 EL3H7 IS3H7 LTV-217 HMHA281 PS2801C PC3H7 TLP291 VOS617A |
SO4 | Broadcom Cosmo CT-Micro Everlight Isocom LiteOn ONSemi Renesas Sharp Toshiba Vishay | |||||||
| HCPL-2200 EL2200 TLP2200 SFH6700 |
DIP8 | 15 | 15 | digital | 25 | 2,5 MBit/s | nicht-invertierender Push-/Pull-TTL-Ausgang Dual-channel: HCPL-2231 |
C DK F U R | Broadcom Everlight Toshiba Vishay |
| ACPL-M75L FODM8071 TLP2361 |
SO5 | 6 | 5 | digital | 10 | 15 MBit/s | Push-/Pull-CMOS-Ausgang | B C DK e F U | Broadcom ONSemi Toshiba |
| ACPL-071L EL071L TLP2466 |
SO8 | Broadcom Everlight Toshiba |
Typen mit Transistorausgang
- CNY17/x: 1-fach Koppler im DIL6-Gehäuse
- PC817-Serie: 1-,2-,3- und 4-fachTyp verfügbar, CTR: 50%, 80 kHz
- 6N135, 6N136: 1-fach Typ, DIL8, Highspeed 1 MBit/s
- 6N138, Darlingtonausgang mit hohem CTR
Typen mit Triacausgang
- IL4218 TRIAC DRIVER OPTOCOUPLER
- MOC3020 6-Pin DIP Random-Phase Optoisolators Triac Driver Output 400 V
- MOC3052 6-Pin DIP Random-Phase Optoisolators Triac Drivers 600 V
- MOC306x 6-Pin DIP Zero-Cross Optoisolators Triac Driver Output 600 V
Typen mit MOSFET
Lineare Optokoppler
- Broadcom HCNR-200/201
- Broadcom ACPL-C870 Vollintegrierter, optischer, analoger Trennverstärker, arbeitet intern jedoch digital
- Vishay IL300
- Solid State Optronics SLC800 mit Applikationshinweis
- Isolink OLH7000
- IXYS (Clare) LOC211P (Anti)Dual Linear Optocoupler
- IXYS (Clare) LOC210P (Anti)Dual Linear Optocoupler
- IXYS (Clare) LOC117 Single Linear Optocoupler
- IXYS (Clare) LOC112 Single Linear Optocoupler
- IXYS (Clare) LOC111 Single Linear Optocoupler
- IXYS (Clare) LOC110 Single Linear Optocoupler
- IXYS (Clare) LIA120 Optically Isolated Linear Error Amplifier
- IXYS (Clare) Applikationshinweis zur LOC-Serie linearer Optokoppler
Vollintegrierte Optokoppler
- 6N137: 1-fach Typ, DIL8, Highspeed 10 Mbit/s
- H11L1: 1-fach Typ, DIL6, Highspeed 1 Mbit/s
- HCPL-2200: 1-fach Typ, DIL8, Highspeed 2,5 Mbit/s
- HCPL 2630: 2-fach Typ, DIL8, Highspeed 10 Mbit/s
Alternative Technologien
- Für höhere Geschwindigkeiten bietet z. B. Analog Devices recht teure Digital Isolators an, genannt iCoupler und von Texas Instruments die ISO Koppler auf kapazitiver Basis.
Optokoppler für höhere Schaltleistungen
Für höhere Ströme jenseits einiger mA gibt es von Panasonic sogenannte Photo-MOS Relais. Das sind MOSFETs, welche optisch angesteuert werden. Ebenso gibt es MOSFET-Treiber, welche diskrete MOSFETs potentialfrei ansteuern können, ohne eine zusätzliche Hilfsversorgung zu benötigen.
Siehe auch
- I2C-Schaltmodul mit Optokoppler MOC3040 zur galvanischen Trennung von I2C-Bus und 230V Netzspannung.
- Forumsbeitrag: Methoden zur Beschleunigung von Optokopplern
- Forumsbeitrag: Verpolungs- und Überspannungsschutz mit Photo-MOS
- Forumsbeitrag: Lineare Spannungsübertragung mit IL300
- Forumsbeitrag: Hinweise zum ACPL-C870
- Forumsbeitrag: Lebensdauer Optokoppler
- Forumsbeitrag: warum hier zwei Vorwiderstände (Gleichtaktstörungen bei schnellen Gatetreibern mit Digitalkoppler)
Links
- Opto-coupled devices, (engl.)
- Basic Characteristics and Application Circuit Design of Transistor Photocouplers (engl., Application Note von Toshiba)
- Basic Characteristics and Application Circuit Design of IC Couplers (engl., Application Note von Toshiba)
- Vactrols, Photoconductive Cells and Analog Optoisolators, PerkinElmer Optoelectronics, PDF