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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Optokoppler als Relais für Raspberry Pi?


Autor: Daniel S. (nobody12)
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Hallo und an alle ein gutes neues Jahr!

Wie der Betreff vermuten lässt, möchte ich einen Optokoppler einsetzen, 
um den "Status einer LED" zu prüfen.

Kurze Vorgeschichte: Ich habe einen Monitor, der zusammen mit einem 
Bewegungsmelder an einem Raspberry Pi 2 B+ hängt. Durch ein 
Python-Skript wird regelmäßig der Status des Bewegungsmelders geprüft. 
Registriert er eine Bewegung, wird ein Relais geschaltet. Das Relais 
dient als Taster und betätigt den Ein-/Aus-Taster am Bedienfeld. 
(schließen -> 0,5 Sekunden Pause -> öffnen)

Jetzt ist es leider so, dass der Monitor in 1 von 20 Fällen nicht Ein- 
bzw. Ausschaltet, obwohl das Relais hörbar schaltet (ist leider völlig 
unterschiedlich). Daher möchte ich den "Status der LED" prüfen und in 
das Python-Skript einbauen.

Auf der Seite der LED am Bedienfeld, würde ich den Strom der 
Doppel-LED(Rot-Grün) abgreifen (Monitor EIN: 1,9V an der LED) und zum 
Optokoppler führen. Der Optokoppler hängt an der Raspberry-Seite an GND 
und 3,3V. Da beide Seiten keine gemeinsame Masse haben, dachte ich als 
"Laie" sofort an einen Optokoppler.

Jetzt die spannende Frage: Ist der Spannungsunterschied zu groß? Sind 
die 1,9V ausreichend um "auszulösen"? So wie ich das Prinzip eines 
Optokopplers verstanden habe, sollte es klappen, oder täusche ich mich 
da?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Daniel S. (nobody12)

>Wie der Betreff vermuten lässt, möchte ich einen Optokoppler einsetzen,
>um den "Status einer LED" zu prüfen.

Ob das der richtige Weg ist?

>Kurze Vorgeschichte: Ich habe einen Monitor, der zusammen mit einem
>Bewegungsmelder an einem Raspberry Pi 2 B+ hängt. Durch ein
>Python-Skript wird regelmäßig der Status des Bewegungsmelders geprüft.
>Registriert er eine Bewegung, wird ein Relais geschaltet. Das Relais
>dient als Taster und betätigt den Ein-/Aus-Taster am Bedienfeld.
>(schließen -> 0,5 Sekunden Pause -> öffnen)

Echt Maker-Style ;-)

>Auf der Seite der LED am Bedienfeld, würde ich den Strom der
>Doppel-LED(Rot-Grün) abgreifen (Monitor EIN: 1,9V an der LED) und zum
>Optokoppler führen. Der Optokoppler hängt an der Raspberry-Seite an GND
>und 3,3V. Da beide Seiten keine gemeinsame Masse haben, dachte ich als
>"Laie" sofort an einen Optokoppler.

Keine falsche Idee.

>Jetzt die spannende Frage: Ist der Spannungsunterschied zu groß?

Ja. Deine LED wird nie wieder leuchten, weil Optokoppler um die 1,2V 
Flußspannung haben, siehe LED.

> Sind
>die 1,9V ausreichend um "auszulösen"?

Ja.

> So wie ich das Prinzip eines
>Optokopplers verstanden habe, sollte es klappen,

Im Prinzip schon. Wenn die LED weiterhin sichtbar leuchten soll, 
brauchst du einen kleinen Vorwiderstand für deinen Optokoppler. Denk 
dran, daß sich der Strom für LED + Optokoppler aufteilt.

Über die Beschaltung der Ausgangsseite solltest du nachdenken, siehe 
Optokoppler. Stichwort Arbeitswiderstand.

Autor: Jacko (Gast)
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LEDs und Transistoren schaltet man nicht zwischen VCC und GND,
wenn man sie nicht zerstören will.

Autor: Joachim B. (jar)
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wenn man der IR LED mit typisch 1,2V noch einen Vorwiderstand spendiert 
und nicht zuviel Nebenstrom saugt könnte der Opto glatt arbeiten, nur 
warum man VCC mit dem Opto kurzschliessen will muss der TO noch 
erklären, ausser er hat Optokoppler Aktien.

: Bearbeitet durch User
Autor: Mario (Gast)
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Joachim B. schrieb:
> warum man VCC mit dem Opto kurzschliessen will muss der TO noch
> erklären

Dadurch wird der Raspi neu gestartet und kann dann über einen cronjob 
mit reboot-Option das Python-Script ausführen.

Ist jetzt suboptimal für die SD-Karte, aber hej, lets MAKE it.

Joachim B. schrieb:
> ausser er hat Optokoppler Aktien

Ach, ein ordentlicher Darlington-Koppler schafft das schon.

Autor: Joachim B. (jar)
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Mario schrieb:
> Dadurch wird der Raspi neu gestartet und kann dann über einen cronjob
> mit reboot-Option das Python-Script ausführen.

dann könnte man aber statt VCC kurzschliessen besser den run Pin 
überbrücken

aber wer es unbedingt brutal mag!

Autor: Daniel S. (nobody12)
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Danke für eure Antworten ;) Ich hab das ganze mal überarbeitet :)

> Deine LED wird nie wieder leuchten, weil Optokoppler um die 1,2V Flußspannung
> haben, siehe LED.
Achso okay, also grundsätzlich brauch ich die LED nicht, aber ganze für 
den Hinweis.

> LEDs und Transistoren schaltet man nicht zwischen VCC und GND
Der untere Teil mit der LED ist ein fertiges Bauteil, ich greif an den 
beiden Stellen nur die Spannung ab.

> nur warum man VCC mit dem Opto kurzschliessen will muss der TO noch erklären
Hoppla, da hätte ich genauer drauf eingehen sollen. Letztendlich soll 
durch die LED ein "Schalter" am Raspberry betätigt werden.

> Dadurch wird der Raspi neu gestartet
Wäre möglich, aber ich möchte damit prüfen, ob der Monitor tatsächlich 
aus ist.

Wenn der Monitor aus ist, leuchtet die LED rot - ist er an, leuchtet sie 
grün. Im Skript wird dann durch fehlende Bewegung das Relais betätigt 
und der Monitor ausgeschalten. Nach ca. 2 Sekunden soll dann die Prüfung 
erfolgen, ob er tatsächlich aus ist.

: Bearbeitet durch User
Autor: Stefan Us (stefanus)
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Du hast noch den Vorwiderstand zum Optokoppler (an Pin 1) vergessen, 
sonst wir die rote LED 1 nie wieder leuchten. Versuche mal ca. 750 Ohm.

R1 würde ich weg lassen, der stört nur.

Autor: Daniel S. (nobody12)
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Okay, ich denke, dass für einen Probelauf eine funktionierende LED 
besser wäre. Grundsätzlich ist das Bedienfeld für den Monitor versteckt, 
also die LED ist nicht sichtbar - hab's aber trotzdem mal aufgenommen ;) 
Jetzt sollte der Plan jetzt soweit funktionieren, oder?

Autor: Horst (Gast)
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Stefan U. schrieb:
> R1 würde ich weg lassen, der stört nur.

Nein, R1 wieder reinmachen. Der schützt den GPIO, falls der 
versehentlich auf Ausgang geschaltet wird und der Optokoppler 
durchschaltet.

Autor: Joachim B. (jar)
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Daniel S. schrieb:
> Danke für eure Antworten ;) Ich hab das ganze mal überarbeitet :)

nur halb verstanden?

Joachim B. schrieb:
> wenn man der IR LED mit typisch 1,2V noch einen Vorwiderstand spendiert

genauer noch einen Vorwiderstand für die Differenz von 1,9V-1,2V=0,7V

man sollte eine Optokoppler wählen mit CTR400% damit nicht zuviel 
Nebenstrom gebraucht wird, also typische 10mA würde ich da nicht 
ansetzten eher 1mA maximal.

Autor: Daniel S. (nobody12)
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> Nein, R1 wieder reinmachen. Der schützt den GPIO, falls der
> versehentlich auf Ausgang geschaltet wird und der Optokoppler
> durchschaltet.

Alles klar :) Ja, das hab ich schon öfters in verschiedenen Tutorials 
gesehen

> nur halb verstanden?

Naja, da ich kein Profi in dem Bereich bin, hoffe ich natürlich alles 
richtig verstanden zu haben ;) Das Prinzip von Optokoppler, LED, 
Widerstände ist mir klar. Am Bedienteil vom Monitor möchte ich nichts 
verändern und nur den Strom für den Optokoppler "abgreifen".

Wenn ich jetzt die Werte in die Formel einsetze:
R = U / I
R = 0,7V / 0,001A = 699,99.. Ohm

Ich hab hier noch 680 Ohm Widerstände liegen, die ich dann verwenden 
würde.

Autor: Joachim B. (jar)
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ok soweit,


schau dir noch mal den CTR vom Opto an und rechne den schlechtesten Fall 
für den Sekundärstrom

Autor: Horst (Gast)
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Joachim B. schrieb:
> man sollte eine Optokoppler wählen mit CTR400% damit nicht zuviel
> Nebenstrom gebraucht wird, also typische 10mA würde ich da nicht
> ansetzten eher 1mA maximal.

Der Optokoppler muss am Pull-Up 0.3mA durchschalten. Da reicht ein CTR 
von 50% aus. Ansonsten kann man noch R2 erhöhen, über 33k würde ich aber 
nicht gehen.

Ein Darlington-Optokoppler schadet in dem Fall zwar nicht, ist aber 
unnötig.

Autor: PittyJ (Gast)
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Ich habe Optokoppler Aktien.
Also mach ruhig ein paar kaputt, es gibt genug davon.

Autor: Joachim B. (jar)
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Horst schrieb:
> Der Optokoppler muss am Pull-Up 0.3mA durchschalten. Da reicht ein CTR
> von 50% aus.

reden wir von verschiedenen Dingen?

Ein CNY 17-F4 hat ein CTR von 400% lt. Datenblatt, gleichwohl weisen die 
Kurven im ungünstigsten Falle nur 50% aus und nicht die erwarteten 400%

Ich würde mich über deine Erklärung freuen.

Autor: Horst (Gast)
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Joachim B. schrieb:
> Ein CNY 17-F4 hat ein CTR von 400% lt. Datenblatt, gleichwohl weisen die
> Kurven im ungünstigsten Falle nur 50% aus und nicht die erwarteten 400%
> Ich würde mich über deine Erklärung freuen.

Ja und? Reicht doch.

Erklärung? Phototransistoren sind halt stark nichtlinear. Und dazu noch 
extrem temperaturabhängig. Mit dem uralten CNY17 hast Du nun ein Teil 
gefunden, welches bei geringen Strömen viel CTR einbüßt. Der 4N35 sieht 
da schon entspannter aus, und moderne Koppler sind noch mehr auf geringe 
Ströme ausgelegt. Bei einigen hängt das Verhalten des CTR sogar von der 
Gehäusefarbe (schwarz vs. weiss) ab, weil interne Reflexionen.

Auch musst Du beim Vergleich der Diagramme aufpassen, einige Stellen den 
Strom linear, andere logarithmisch dar.

Autor: Joachim B. (jar)
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Horst schrieb:
> Ja und? Reicht doch.

ne deine Erklärung war zu dünne, aber OK

Horst schrieb:
> Mit dem uralten CNY17 hast Du nun ein Teil
> gefunden, welches bei geringen Strömen viel CTR einbüßt

das ist immerhin eine

Der TO wählt aber PC817 MIN. 50% at IF = 5 mA
http://www.sharp-world.com/products/device/lineup/...
soviel würde ich nicht parallel den LEDs klauen wollen

also sollte der TO doch eher einen

Horst schrieb:
> Ein Darlington-Optokoppler

wählen

oder seinen genau ausmessen ob er mit 1 mA an der IR Diode reicht

: Bearbeitet durch User
Autor: Horst (Gast)
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Joachim B. schrieb:
> Der TO wählt aber PC817 MIN. 50% at IF = 5 mA

Sorry, das hab ich eher als Symbolbild verstanden, was halt als erstes 
bei Eagle rausgefallen ist. Wusste gar nicht, dass Sharp die überhaupt 
noch macht.

Das DS macht ja nun gar keine Angaben zum Verlauf des CTR. Allerdings 
hat Farnell ein DS zum PC817X von Sharp, welches ein CTR von 100% bei 
0.1mA angibt, mit Maximum 700% bei 2.5mA, dann stark abfallend. 
Andererseits steht auf der ersten Seite ein CTR von 50 bis 600%.

Also bei Optokopplern, die irgendwo ausgelötet sind, würde ich immer 
ausprobieren. Die unterliegen so starken Exemplarstreuungen.

Bei Darlington-Optokoppler hätte ich gesagt: Vorsicht mit dem 
Dunkelstrom, aber ein Blick ins Datenblatt meint, so schlimm ist das gar 
nicht, wird erst bei hohen Temperaturen interessant.

Andererseits bringt ein 4N33 gegenüber einem 4N35 bei geringen Strömen - 
laut DS - genau gar nichts, der kann nur bei höheren Strömen dann bis zu 
50mA am Ausgang liefern, mit einem CTR von 500%. Dieses CTR schaffen 
andere Koppler auch ohne Darlington, nur kommen die nicht über 10-20mA 
Kollektorstrom.

Wirklich weit runter kommt man mit einem 6N138, einer 
Diode-Transistor-Transistor-Kopplung, der braucht aber wieder eine 
Hilfsspannung an der Diode.

Autor: Joachim B. (jar)
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Horst schrieb:
> Wirklich weit runter kommt man mit einem 6N138, einer
> Diode-Transistor-Transistor-Kopplung, der braucht aber wieder eine
> Hilfsspannung an der Diode.

ich weiss aber die Hilfsspannung scheint der TO nicht zu haben, es sei 
denn er nimmt einen SIM1 0505 zu Hilfe

wie gesagt, mal eben einen Opto hinwerfen kann klappen, wenn aber nicht 
muss man sehen worans klemmt und sich auch zu helfen wissen, 
Hilfsspannung mit einem getrennten DC/DC SIM1 rüberzuwerfen ist ja kein 
Problem, auch nicht die Opto zu vermessen und die Schwellen und Grenzen 
zu finden, aber für den TO scheint es ja ein Problem zu sein, 
Wissenslücken.

Autor: Horst (Gast)
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Joachim B. schrieb:
> ich weiss aber die Hilfsspannung scheint der TO nicht zu haben, es sei
> denn er nimmt einen SIM1 0505 zu Hilfe

Häh? Die kann er sich doch aus den 3.3V des Raspi holen?

Autor: Stefan Us (stefanus)
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>> R1 würde ich weg lassen, der stört nur.

> Nein, R1 wieder reinmachen. Der schützt den GPIO, falls der
> versehentlich auf Ausgang geschaltet wird und der Optokoppler
> durchschaltet.

Bei CTR 50% und 750 Ohm Vorwiderstand wird der Optokoppler ca. 0,5mA 
fießen lassen. Bei CTR 400% wären es 4mA. Davon geht kein Mikrochip 
kaputt. Selbst wenn ich ganz paranoid rechne und noch weitere 100% 
Sicherheits-Reserve rein Rechne, passt es immer noch.

R1 ist daher unnötig. Er verschlechtert sogar den Low-Pegel.

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Autor: Joachim B. (jar)
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Horst schrieb:
> Häh? Die kann er sich doch aus den 3.3V des Raspi holen?

ja davon kann der PI bzw. seine Regler auch unendlich viel abgeben (wer 
Ironie findet darf sie behalten)

der alte PI B heizte mit seinem Linearregler RG2 schon mal kräftig die 
Platine vor so 1,5W unnötig.
Der neuere PI3 hat auch nicht sehr viel Reserven mit 4-core auf der 3,3V 
Schiene, also wenn denn würde ich mir aus den +5V vor den Boardreglern 
die Power holen, wohlwissend das die Polyfuse auch begrenzt und alles 
was man am GPIO klaut dem Rest PI und den USB fehlt.

: Bearbeitet durch User
Autor: Joachim B. (jar)
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Stefan U. schrieb:
> R1 ist daher unnötig. Er verschlechtert sogar den Low-Pegel.

der R1 ist für die IR LED und darf nicht weggelassen werden, das würde 
das sofortige aus für die Anzeige LEDs bedeuten denn mit 1,2V Uf der IR 
würden die anderen nicht mehr leuchten!

Autor: Stefan Us (stefanus)
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> der R1 ist für die IR LED

Sorry, ich meinte R3

Autor: Horst (Gast)
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Stefan U. schrieb:
> Bei CTR 50% und 750 Ohm Vorwiderstand wird der Optokoppler ca. 0,5mA
> fießen lassen.

Mal zum Test einen Taster angeschlossen und schon sieht das ganz anders 
aus.

Dass die GPIO des Raspberry bei weiten nicht so robust sind wie die 
Portpins der AVRs zeigen die vielen Heulthreads in diversen Foren: "Ah, 
mein Raspberry gibt kein Signal mehr aus, eben ging es noch und ich hab 
auch nur einen ganz kleinen Kurzschluss gebaut."

Stefan U. schrieb:
> Er verschlechtert sogar den Low-Pegel.

Selbst mit aktiviertem intenen Pull-Up sind das 1kohm gegen 150kohm, 
20mV. Den Optokoppler bekommst Du schwerlich unter 30-50mV. Irrelevant.

Joachim B. schrieb:
> Der neuere PI3 hat auch nicht sehr viel Reserven mit 4-core auf der 3,3V
> Schiene

50mA sind als verfügbar spezifiziert. 0.3mA fließen durch den 10kohm 
Pullup. Diese geteilt durch die hfe des zweiten Transistors fließen dann 
durch den ersten Transistor+Diode. Bei angenommen hfe von 100 sind das 
nochmal 3µA. 3-Mikro-Ampere.

Soviel sollte der Regler noch hergeben.

Autor: Joachim B. (jar)
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Horst schrieb:
> Joachim B. schrieb:
>> ich weiss aber die Hilfsspannung scheint der TO nicht zu haben, es sei
>> denn er nimmt einen SIM1 0505 zu Hilfe
>
> Häh? Die kann er sich doch aus den 3.3V des Raspi holen?

also Horst, ich verstehe deine Texte nicht, magst du nicht mal 
sortieren?

Der TO wollte mit dem Opto eine galvanische Trennnung bauen, nur da 
macht ein SIM1 DC/DC Wandler isolierend Sinn wie du ja schriebst:

Horst schrieb:
> Häh? Die kann er sich doch aus den 3.3V des Raspi holen?

und genau das würde ich nicht aus den geregelten 3,3V mit einem DC/DC 
Wandler holen, denn der saugt mehr als deine

Horst schrieb:
> 0.3mA fließen durch den 10kohm
> Pullup. Diese geteilt durch die hfe des zweiten Transistors fließen dann
> durch den ersten Transistor+Diode. Bei angenommen hfe von 100 sind das
> nochmal 3µA. 3-Mikro-Ampere.
>
> Soviel sollte der Regler noch hergeben.

also was willst du eigentlich mitteilen?

Es ist OK einen schnellen Opto zu nehmen der eine Versorgung braucht, 
gleichwohl ist es unsinnig diese Trennung aufzuheben mit einer nicht 
trennenden Versorgung!

Stefan U. schrieb:
>> der R1 ist für die IR LED
>
> Sorry, ich meinte R3

kann passieren ist aber nicht hilfreich und verwirrt dann nur.

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Autor: Horst (Gast)
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Joachim B. schrieb:
> ich verstehe deine Texte nicht

Das scheint mir auch so.

> Der TO wollte mit dem Opto eine galvanische Trennnung bauen, nur da
> macht ein SIM1 DC/DC Wandler isolierend Sinn wie du ja schriebst:

Ich hab nirgends einen DC-DC-Wandler verbauen wollen.

Auf Monitorseite die IR-Diode des Optokopplers mit Vorwiderstand.

Auf Raspberry-Seite den Transistor des Optokopplers mit Pull-Up gegen 
3.3V und Angstwiderstand gegen den GPIO.

Es gibt grob vier Arten einfache Optokoppler (die digitalen mit 
Schmitt-Trigger und reine Diodenkoppler mal ausgenommen)

- Transistor: Die BE-Strecke wird beleuchtet, der optisch induzierte 
Basisstrom öffnet den Kollektor. Keine Hilfsspannung. 4N35, CNY17, 
TLP181
- Transistor-Darlington: Wie oben, der Strom fließt durch einen zweiten 
Transistor und wird verstärkt. Keine Hilfsspannung. 4N33
- Diode-Transistor: Eine Photodiode in Sperrrichtung wird beleuchtet, 
der Photostrom gelangt auf die Basis eines Transistors und wird 
verstärkt. Schneller als reine Transistorkoppler, benötigen 
Hilfsspannung für die Photodiode. TLP112
-Diode-Transistor-Transistor: Wie Diode-Transistor, aber mit einem 
weiteren Transistor als Verstärker, wobei dessen Kollektor einzeln 
zugänglich ist, also eigentlich kein Darlington. Schnell mit hoher 
Stromverstärkung, aber Hilfsspannung benötigt. 6N138, 6N139

Man kann bei letzteren den Dioden- und den Kollektoranschluss 
zusammenfassen, aber dann werden sie sehr langsam und die 
Kollektorspannung sinkt nicht unter die BE-Spannung der beiden 
Transistoren, also 1.4V, weil sonst der Strom durch die Photodiode 
aufhören würde.

Wenn immer noch unklar, Datenblatt vom 6N138 gucken.

Autor: Joachim B. (jar)
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Horst schrieb:
> Ich hab nirgends einen DC-DC-Wandler verbauen wollen.

dann ist dein Einwurf eben am TO vorbei und das machst du dann für dich, 
aber dann nutze auch deine Lösung für dich.
Du hast doch den

Horst schrieb:
> Wirklich weit runter kommt man mit einem 6N138, einer
> Diode-Transistor-Transistor-Kopplung, der braucht aber wieder eine
> Hilfsspannung an der Diode.

ins Spiel gebracht, den 6N138 kenne ich auch aber Optokoppler ohne galv. 
Trennung ist ja nun sinnbefreit!

Horst schrieb:
> Wenn immer noch unklar

sind deine Texte

der 6N138 ist mir vertraut, bzw. hatte ich auch schon genutzt.

als Gast trollen muss manche echt befriedigen

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Autor: Daniel S. (nobody12)
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Nachdem ich versucht habe, die letzten Beiträge bis ins kleinste Detail 
zu verstehen und nachvollziehen, hab ich nun das Handtuch geschmissen :D 
:D Nein, ganz so schlimm ist es nicht, aber ich habe den PC817 
tatsächlich eher als Symbolbild gewählt...

Also zusammenfassend kann man sagen, dass der Aufbau passt (evtl. R3 
weglassen) und als Optokoppler einen PC853X oder 4N33 verwenden?

Autor: Joachim B. (jar)
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Daniel S. schrieb:
> PC817
> tatsächlich eher als Symbolbild gewählt...

ah, Symbolbilder sind natürlich immer hilfreich bei konkreter 
Dimensionierung!

aber wie schrieb ich?

Joachim B. schrieb:
> Opto zu vermessen und die Schwellen und Grenzen
> zu finden

also R vor der IR Diode zu 1mA Parallelstrom wählen, schauen das die 
Anzeige LED noch erkennbar bleibt, auf der Opto Transistorseite schauen 
welcher Strom noch rüberkommt (CTR bestimmen) mit R von 100k langsam 
runter gehen 82k, 68k, 56k usw. bis noch sicher geschaltet wird, den 
nächst größeren dann wählen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Horst (Gast)
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Daniel S. schrieb:
> Optokoppler einen PC853X

Gerade der hat nun ein ausgesprochen schlechtes CTR bei kleinen Strömen, 
weil er einen eingebauten BE-Widerstand in der Darlingtonstufe hat.

Liest denn keiner Datenblätter, Herrschaftszeiten. ;-)

Nimm einen den Du da hast und probiere es aus. Kaputte Schaltnetzteile 
sind auch immer dankbare Lieferanten von einfachen Optokopplern.

Autor: Daniel S. (nobody12)
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Ich versuch zwar die Datenblätter zu lesen, versteh allerdings nur die 
Hälfte ;-)

Ich habe noch keinen Optokoppler gekauft und alte Netzteile müsste ich 
mal nachsehen, aber prinzipiell bin ich offen für Vorschläge, daher der 
Thread ;-)

Autor: Stefan Us (stefanus)
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> versteh allerdings nur die Hälfte

Das ist normal. keine Sorge, in 10 Jahren verstehst du etwas mehr als 
die Hälfte :-)

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