Optokoppler

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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.

Optokoppler grundschaltungen.png

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
PC900
VOH1016A
DIP6 16 16 digital 50 1 MBit/s Schmitt-Trigger B C DK F P U CT-Micro
Everlight, Isocom
ONSemi
QT-Brightek
Sharp
Vishay
PC400
LTV-M400
SO5 Sharp
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

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

Links