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	Vsupply	CTR	Iout	Geschwindigkeit	Bemerkung	Lieferant	Datenblatt
4N25, 4N26, 4N27, 4N28	DIP6	30 V	-	20 %, 10 %		ton/off 2 µs (typ.)		B C D DK e F U R	Avago, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, QT-Brightek, Toshiba, Vishay
4N32, 4N33	DIP6, SMD6	30 V		>= 500 %	100 mA max.	5 µS / 100 µS		B C DK F U R	CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, Vishay
4N35, 4N36, 4N37	DIP6, DCJ6	30 V	-	>= 100 %	100 mA	ton/off 7 µs		B C D DK e F U R	Avago, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, QT-Brightek, Toshiba, Vishay
6N135, 6N136, HCPL2503, HCPL4502	DIP8	20 V	0 - 30 V	18 - 30 %	100 mA	1 MBit/s	Dual-channel: HCPL2530, HCPL2531	B C D DK F P U R	Avago, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Toshiba, Vishay
6N137	DIP8		4,5 - 5,5 V		15 mA	10 MBit/s		B C D DK F I U R	Avago, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Toshiba, Vishay
6N138, 6N139	DIP8		0 - 7 V, 0 - 18 V	>= 300 %, >= 400 %	60 mA	ton 15 µs, toff 50 µs		B C D DK e F R U	Avago, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Toshiba, Vishay
CNY17	DIP6	70 V	-	40 % – 160 %	50 mA	ton 14 µs, toff 63 µs		B C D DK e F U R	Avago, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, QT-Brightek, Vishay
FOD060	DIP8, SMT8		3,0 - 5,5 V			10 MBit/s
H11L1, PC900	DIP6		3 - 15 V	–	50 mA	1 MBit/s	Schmitt-Trigger	B C DK F P U	CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, QT-Brightek, Sharp
HCPL-814, K3010, CT814, EL814, FOD814, ISP814, KB814, LTV-814, Q814, K814P	DIP4	35 V		20 % – 300 %	50 mA	trise/tfall 20 µs	AC-Eingang, Dual/Quad als *824/*844	B C DK e F I R U	Avago, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, Kingbright, LiteOn, QT-Brightek, Vishay
KPC815, CT815, EL815, ISP815, KB815, LTV-815, Q815, PC815, K815P	DIP4	35 V		600 % – 7500 %	80 mA	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 V		50 % – 600 %	50 mA	trise/tfall 18 µs	Dual/Quad als *826/*846	DK e R U	CT-Micro, Everlight, Kingbright, LiteOn, Sharp
HCPL-817, K1010, CT817, EL817, FOD817, ISP817, KB817, LTV-817, Q817, PC817, TLP785, K817P	DIP4	35 V		50 % – 600 %	50 mA	ton 3 µs, toff 50 µs	Dual/Quad als *827/*847	B C D DK e F I R U	Avago, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, Kingbright, LiteOn, QT-Brightek, Sharp, Toshiba, Vishay
HCPL-2200, EL2200, FOD2200, TLP2200, SFH6700	DIP8		4,5 - 20 V	–	25 mA	2,5 MBit/s	nicht-invertierender Push-/Pull-TTL-Ausgang	C DK F U R	Avago, Everlight, Fairchild, Toshiba, Vishay
SFH610	DIP4, SMT (SFH6106)	70 V		40 % - 320 %		10 MBit/s	Veraltet

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

• PhotoMOS Relais bei Panasonic

Lineare Optokoppler

• Avago HCNR-200/201
• 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.

Siehe auch

• I2C-Schaltmodul mit Optokoppler MOC3040 zur galvanischen Trennung von I2C-Bus und 230V Netzspannung.
• Forumsbeitrag: Methoden zur Beschleunigung von Optokopplern

Links

• Opto-coupled devices, (engl.)