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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Verständnisfrage zu Optokoppler


Autor: Stephan S. (outsider)
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Hallo,

ich habe vor ein PWM Signal mittels Optokoppler zu trennen. Dazu benutze 
ich im Moment einen 4N26 der eine Anstiegszeit von etwa 2µs haben soll. 
Als Schaltung habe ich die rechte vom Optokopplerartikel

http://www.mikrocontroller.net/articles/Optokoppler

genutzt. Jetzt hab ich aber folgendes Problem: die fallende Flanke kommt 
mit den 2µs hin, was dem Einschaltvorgang entspricht. Der 
Ausschaltvorgang ist aber extrem langsam, ich sehe etwas was wie die 
Ladekurve eines RC-Gliedes aussieht und über 50µs dauert. Was läuft hier 
schief?

Und wie muss man den Stromverstärkungsfaktor aus Datenblättern 
verstehen? Strom im Ausgangstransistor geteilt durch Strom in der 
Eingangs-LED?

Autor: R-C (Gast)
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Da läuft nix schief, sondern über den R wird ein C geladen, was einfach 
eine gewisse Zeit braucht. C verkleinern oder R verkleinern wären sicher 
keine schlechte Wahl. Oder R durch eine aktive Schaltung ersetzten, die 
einen kleinen Quellwiderstand darstellt.

Autor: Stephan S. (outsider)
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Da ist aber kein C in meiner Schaltung. Mal abgesehen von den paar pF 
des Tastkopfs und eventueller Kapazität des Optokopplers selbst. Die 
Kurve sieht nur so aus als ob da ein Kondensator wäre.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> wie muss man den Stromverstärkungsfaktor aus Datenblättern verstehen?
Das ist ein Stromübertragungsfaktor. Wenn der CTR 50% ist, kommen von 
10mA in der LED noch 5mA am Kollektor an.

> Da ist aber kein C in meiner Schaltung.
Wie sieht die Schaltung denn aus?

Autor: Josef (Gast)
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Zur Isolation schneller Signale ist eventuell ein Isolator auf 
kapazitver Basis besser geeignet. Sehr gute Werte hat bspw. ein ISO721. 
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/iso721.html und Muster 
bekommt man kostenlos auf der Webseite.

Autor: Stephan S. (outsider)
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Die Schaltung sieht genau so aus wie die rechte Schaltung von hier:

http://www.mikrocontroller.net/articles/Optokoppler

U_Ein ist hierbei ein PWM Signal mit 5V, die Widerstandswerte sind 
gleich wie in der Schaltung, es fließen somit ziemlich genau 10mA in die 
LED, was ich auch gemessen habe.

Vcc habe ich normal 24V, habe aber auch schon mit 9V getestet was an der 
Flankenform nichts geändert hat. Lastwiderstand vom Kollektor nach Masse 
hat auch keine Änderung gebracht (außer natürlich dass dann durchs 
Spannungsteilerverhältnis die Ausgangsspannung niedriger wird).

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Der Ausschaltvorgang ist aber extrem langsam, ich sehe etwas was wie die
> Ladekurve eines RC-Gliedes aussieht und über 50µs dauert.
> Was läuft hier schief?
Nichts, der Kollektorwiderstand ist viel zu hochohmig. Siehe den 
Screenshot vom DB (R=100 Ohm und R=1kOhm). Mit 1kOhm immerhin schon fast 
20us.  :-/

Autor: Bensch (Gast)
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> ...und eventueller Kapazität des Optokopplers selbst.

Und genau das ist es, die Basis-Emitter-Kapazität multipliziert mit der 
Verstärkung des Fototransistors (Miller-Kapazität).
Kann man vermeiden mit einer PIN-Diode als Empfänger statt des Basis. 
Nimm z.B. den 6N136.

Autor: Andreas Schima (Gast)
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@Stephan S.

Deine Frage beantworte ich zwar nicht, aber ich verwende in einer 
Anwendung, in der ich einen schnellen Optokoppler brauche, den HCPL 
0600. Dort überträgt er einen seriellen Datenstrom mit 2 Mbaud. Der 
Optokoppler kann aber noch mehr. Schau einfach mal ins Datenblatt.

Gruß
Andreas

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> 6N136
> HCPL0600
Typische 5V-Koppler :-/
Gewünscht sind 24V. Der Vishay SFH636 könnte bis 30V (wie der 4N26).

Autor: Stephan S. (outsider)
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Ganz genau, Lothar hat es erkannt, die helfen mir nichts wegen zu 
niedriger Spannung.

Das mit dem Kollektorwiderstand war der Knackpunkt den ich übersehen 
habe, danke für den Hinweis. Das bedeutet für mich wohl dass ich da noch 
einen Transistor dahinter schalten muss um das zu erreichen was ich 
brauche, dann denke ich reicht der 4N26 trotzdem.

Autor: Stephan S. (outsider)
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Das war leider schon wieder zu kurz gedacht... Um wirklich schnelle 
Flanken zu bekommen muss ich die Last zu groß machen, was bei der 
Spannung faktisch wegen zu hoher Verlustleistung garnicht möglich ist.

Der SFH636 hat auch nur 20V maximale Ausgangsspannung bei einer 
maximalen Versorgungsspannung von 30V.

Einen 6N136 hätte ich noch zur Verfügung. Ich müsste wohl doch eine 
niedrigere Spannungsversorgung für den Koppler wählen und dann mit einem 
Transistor auf die 24V kommen. Das Problem ist nur dass ich eigentlich 
nicht noch einen zusätzlichen Spannungsregler von 24 auf z.B. 5V 
einbauen will weil für jeden Aufbau 16 solcher Schaltungen nötig sind 
und ich den Aufwand so gering wie möglich halten will. Außerdem kann ich 
meine 24V höchstens mit 10mA belasten.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Der TLP112 ist auch hübsch schnell, und verträgt immerhin 15V, da dürfte 
dann ein Spannungsteiler statt eines Spannungsreglers ausreichen.

Autor: Stephan S. (outsider)
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Also desto mehr ich darüber nachdenke, desto komplexer wird die ganze 
Sache. Wenn ich davon ausgehe dass das PWM Signal 10kHz haben soll und 
mit einer Auflösung von 8 Bit dargestellt wird komme ich auf eine 
kürzeste Pulszeit von 0,4 µs. Irgendwie muss das ja schief gehen. Jetzt 
ist die Frage wie ich weiter mache. Entweder ich suche einen sehr 
schnellen Operationsverstärker dem ich dann auch 5V oder 3,3V zur 
Verfügung stellen muss, oder ich geh die Sache gleich ganz anders an. 
Das Signal direkt über den Optokoppler zu geben scheint mir immer mehr 
eine schlechte Lösung zu sein.

Auf der Primärseite habe ich einen AVR Tiny2313 der die 4 PWM Signale 
erzeugen sollte. Jetzt bin ich am überlegen ob es nicht mehr Sinn machen 
würde jeweils einen ganz kleinen ATTiny auf die Sekundärseite zu setzen 
und über den Optokoppler nur die Daten mit der Primärseite 
auszutauschen. Ich sage sozusagen von der Primärseite nur der 
Sekundärseite: Jetzt stell mal Pulsweite 60% ein und der 
Sekundärprozessor macht das dann.

Die Frage ist nur wie ich das am besten realisiere. Ich bräuchte so 
etwas wie nen Bus weil ich von einem primären Sender aus mehrere 
(insgesamt 16) sekundäre Empfänger über Optokoppler ansprechen will. Was 
nimmt man da am besten? UART? I²C? Gibts dafür wohl schon fertige 
Bibliotheken? Sowas wurde doch bestimmt schon sehr oft umgesetzt. Wenn 
auch vielleicht nicht immer mit Optokoppler, aber doch mit einem Master 
und vielen Slaves. Ein Rückkanal wäre ja nichtmal unbedingt notwendig.

Ich befürchte nur dass ich nochmal nen neuen Thread aufmachen muss weil 
das hier bestimmt nicht mehr so viele lesen. Im Forum konnte ich leider 
nichts zu dem Thema finden.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Stephan S. (outsider)

>Sache. Wenn ich davon ausgehe dass das PWM Signal 10kHz haben soll und
>mit einer Auflösung von 8 Bit dargestellt wird komme ich auf eine
>kürzeste Pulszeit von 0,4 µs.

Passt.

>ist die Frage wie ich weiter mache. Entweder ich suche einen sehr
>schnellen Operationsverstärker dem ich dann auch 5V oder 3,3V zur
>Verfügung stellen muss,

Vergiss es.

> oder ich geh die Sache gleich ganz anders an.
>Das Signal direkt über den Optokoppler zu geben scheint mir immer mehr
>eine schlechte Lösung zu sein.

Nöö, genau so macht man das. Nimm einen scnellen Koppler, auch wenn der 
nur mit 5V arbeitet. Dahginter dann einen Pegelwandler auf 24V. 
Fettig.

>Auf der Primärseite habe ich einen AVR Tiny2313 der die 4 PWM Signale
>erzeugen sollte.

Wozu die Optokoppler? 230V Netzspannung im Spiel oder was?

>das hier bestimmt nicht mehr so viele lesen. Im Forum konnte ich leider
>nichts zu dem Thema finden.

Sag lieber, was du insgesamt machen willst. Das eröffnet ganz andere 
Lösungsmöglichkeiten.

MFG
Falk

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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-------------+-----------+-- UB
             |           |
             RL          |
             |           |
             +--- Out    |
             |           R1
             C  T2       |
               B---------+----+
--RV--+      E           |    |
      |      |           R2   C
      A      C           |    |
     LED    T1          GND   GND
      K      E
      |      |
------+     GND

Wenn man es schnell haben will muss man die Kapazitaet die nach Lothar 
benannt ist eleminieren.  Das kann man wenn denn Arbeitswiederstand 
durch einen Transistor in Basisschaltung ersetzt. Da sich jetzt am 
Kollektor von Optokopplertransistor so gut wie keine Spannungsanederung 
mehr ergibt spielt auch die Millerkapazitaet so gur wie keine Rolle 
mehr. Die eigentliche Spannungsverstaerkung besorgt jetzt der Transistor 
T2. Auch bei ihm spielt die Millerkapazitaet keine Rolle weil seine 
Basis ja Wechselspannungsmaessig auf GND liegt. Kurz zur Dimensionierung 
die Spannung am Kollektor vom Optokopplertransistor stellt man mit dem 
Spannungsteiler R1,R2 auf einige Volt ein. RL richtet sich nach dem 
Strom durch den Optokoppler.
Diese Schaltung ist auch als Kaskodenschaltung bekannt.

Gruss Helmi

Autor: Stephan S. (outsider)
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Der Einfachheit halber wollte ich eigentlich nur das beschreiben worauf 
es ankommt, aber wenn ihr meint es gibt evtl hier bessere 
Lösungsmöglichkeiten bei Kenntnis des Gesamtsystems dann doch hier mal 
der komplette Aufbau:

Es sollen 8 in Reihe geschaltete IGBT's oder MOSFETs mit einer 
konstanten oder sich höchstens mit einer relativ langsam einstellbaren 
Gatespannung versorgt werden. Da die Teile alle in Reihe sind fließt 
logischerweise durch alle der gleiche Strom. Für Testzwecke ist es 
notwendig dass in jedem Leistungshalbleiter die gleiche Leistung 
umgesetzt wird was wir durch die Einstellung der Gatespannung erreichen 
wollen.

Die galvanische Trennung ist deshalb nötig weil man ja für jede 
Gate-Emitter Strecke eine eigene Spannung braucht um vernünftig regeln 
zu können. Die Leistung die an jedem Leistungshalbleiter umgesetzt wird, 
wird aus dem Strom berechnet und aus der Spannung die über Source-Drain, 
bzw. Kollektor-Emitter abfällt. Diese Spannung wird mit bereits 
vorhandenen potentialfreien AD-Wandlern gemessen.

Mein Gedanke war jetzt dass ich PWM Signale mit etwa 10kHz für jeden 
Kanal von einem AVR generieren lasse, diese dann über einen Optokoppler 
übertrage. Die Sekundärseite wird über einen DC/DC Wandler mit 
galvanisch getrennten 24V versorgt. Das Ausgangssignal des Optokopplers 
(sollte ein 24V Rechteck sein mit in 8 Bit einstellbarer Pulsweite) geht 
auf 3 hintereinandergeschaltete RC-Glieder die daraus eine 
Gleichspannung machen. Diese wird dann durch einen Spannungsfolger 
verstärkt. Dann kommt noch eine Stufe mit einem Subtrahierer aus einem 
OP und 4 Widerständen. Beim positiven Eingang kommen die 24V rein, die 
zugehörigen Widerstände sind so dimensioniert dass sich eine maximale 
Spannung von z.B. 18 oder 20 V ergibt. Der negative Eingang ist so 
beschaltet dass von den 18V z.B. 0-10V abgezogen werden, je nach 
Pulsbreite. Somit habe ich einen Spannungsbereich von z.B. 7-18V in dem 
die volle Auflösung des PWM Signals abgebildet wird. Diese Spannung gebe 
ich bei Bedarf auf den Adj. Eingang eines LM317 der die Spannung dann am 
Ausgang auf ein bisschen mehr Strom verstärkt. Dadurch erhöht sich die 
Spannung natürlich um 1,25V. Die Schaltung funktioniert schon komplett, 
ich brauche nur noch das passende Rechtecksignal nach dem Optokoppler.

Zur Kaskode:

Sieht auf den ersten Blick interessant aus wenn damit wirklich die 
Millerkapazität nicht wirken kann. Ich habe aber ein wenig mehr dazu 
gelesen und bin jetzt nicht mehr so sicher ob damit auch Rechtecksignale 
richtig geschaltet werden können. Außerdem kann die Ausgangsspannung 
nicht geringer werden als die Basisspannung von T2, was mir einen Offset 
auf das Ausgangssignal legen würde.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Stephan S. (outsider)

>übertrage. Die Sekundärseite wird über einen DC/DC Wandler mit
>galvanisch getrennten 24V versorgt. Das Ausgangssignal des Optokopplers
>(sollte ein 24V Rechteck sein mit in 8 Bit einstellbarer Pulsweite) geht
>auf 3 hintereinandergeschaltete RC-Glieder die daraus eine
>Gleichspannung machen. Diese wird dann durch einen Spannungsfolger
>verstärkt.

Wozu soll ein 24V PWM Signal NOCHMAL verstärkt werden? Und die meisten 
IGBTs verkraften doch eher nur 20V Gate-Source Spannung.

>die volle Auflösung des PWM Signals abgebildet wird.

Wenn du eh schon soviel Zusatzhardware hast, ist ein 24V PWM-Signal 
vollkommener Unsinn. Nimm also einen schnellen Optokopper, welcher mit 
5V oder ähnlich arbeitet und gut.
Die Addierschaltung noch anpassen und fertig. Einfacher gehts nicht.

MFG
Falk

Autor: Stephan S. (outsider)
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Das PWM Signal wird nicht nochmal verstärkt, sondern die gleichgerchtete 
Spannung. Eigentlich ist das nicht nötig, das stimmt. Aber es sollen 
evtl auch noch andere Bauteile wie Thyristoren damit geschaltet werden 
wo ich dann doch mehr Strom brauche. Für die IGBT's wäre es nicht 
unbedingt nötig, das stimmt. Höchstens zum schnelleren Einschalten.

Die 5V wollte ich mir eigentlich ersparen, deswegen wollte ich auf 24V 
PWM gehen weil ich 24V eh schon habe. Aber so wie das aussieht klappt 
das ja nicht, deswegen habe ich mich jetzt für einen TLP716 Optokoppler 
entschieden und stelle dem die 5V über einen 78L05 zur Verfügung. Da ich 
keinen OP Amp hier habe der rai2rail macht und bis über 20V geht habe 
ich mich entschieden aus dem PWM Sekundärsignal mit 5V mittels eines 
BSN20 doch wieder ein 24V Signal zu machen, somit habe ich nur etwa 8 
Stufen der 256 der Auflösung verloren die er nicht ganz auf Null 
runterkommt. Wenn ich mit einem 5V PWM arbeiten würde wären das schon 
etwa 26 Stufen.

Soweit ich das bisher aufgebaut und gemessen habe sieht es für mich gut 
aus. Falls ich noch einen doppel-Opamp finde der sich preislich im 
Rahmen hält, mindestens 24V verträgt und rail2rail macht denk ich 
nochmal drüber nach den BSN20 wegzulassen und die PWM auf 5V zu lassen.

Danke auf jeden Fall an alle die mir bisher mit Vorschlägen 
weitergeholfen haben!

Autor: peterhoppe59 (Gast)
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Hallo,

solange Du die Basis des Photoempfängers unbeschaltet läßt, wird Dir 
auch die Kaskode nichts nützen. Die Basisladungsträger können ohne 
Beschaltung nur rekombinieren, das dauert sehr lange. Als erstes 
könntest Du versuchen, mit einem großen Widerstand gegen Gnd 
nachzuhelfen (ca. 100k..470k). Dadurch sinkt allerding der 
Übertragungsfaktor. Wenn das nicht reicht, kann man ev. mit 
ausgefeilteren Tricks nachhelfen. Eine wesentlich bessere Abschaltung 
erreicht man vor allem dadurch, daß man eine Sättigung des Empfängers 
verhindert, also den Kollektor mindestens auf Basispotential hält.

MFG Peter

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Als Rail to Rail kann ich dir den LT1490 empfehlen

Gruss Helmi

Autor: Stephan S. (outsider)
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Der kostet nur leider etwa so viel wie 40 von denen die ich jetzt drin 
hab... Ich bräuchte für so ne langsame Angelegenheit keinen so tollen, 
ich bräcuhte einfach nur nen billigen der aber in der Lage ist rail2rail 
bis 25V zu machen.

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