Optokoppler

Aus der Mikrocontroller.net Artikelsammlung, mit Beiträgen verschiedener Autoren (siehe Versionsgeschichte)
Wechseln zu: Navigation, Suche

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 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 Broadcom, 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 Broadcom, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, QT-Brightek, Toshiba, Vishay
6N135, 6N136, PS8501 DIP8 20 V max. 15 V 18 - 30 % 100 mA 1 MBit/s Dual-channel: HCPL-xx3x B C D DK F P U R Broadcom, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Renesas, Toshiba, Vishay
HCPL-0500/1, EL0500/1, ICPL0500/1, SFH6315/6 SO8 Broadcom, Everlight, Fairchild, Isocom, Vishay
KPC457, CTM452, ELM452, FODM452, PS8101, TLP109, VOM452 SO5 Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Renesas, Toshiba, Vishay
6N137, PS9587 DIP8 7 V 5 V (digital) 15 mA 10 MBit/s Dual-channel: HCPL-xx3x B C D DK F I U R Broadcom, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Renesas, Toshiba, Vishay
HCPL-0600, EL0600, ICPL0600, LTV-0601, PS9817A, VO0600 SO8 Broadcom, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Renesas, Vishay
HCPL-M600, KPC410, CTM600, ELM600, FODM611, ICPLM600, LTV-M601, PS9117A, PC410, TLP2362 SO5 Broadcom, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Renesas, Sharp, Toshiba
6N138, 6N139 DIP8 7 V, 18 V 5 – 7 V, 5 – 18 V >= 300 %, >= 400 % 60 mA ton 15 µs, toff 50 µs Dual-channel: HCPL-xx3x B C D DK e F R U Broadcom, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Toshiba, Vishay
HCPL-0700/1, TLP2403 SO8 Broadcom, Fairchild, Toshiba
CNY17 DIP6 70 V — 40 % – 160 % 50 mA ton 14 µs, toff 63 µs B C D DK e F U R Broadcom, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, QT-Brightek, Vishay
H11L1, PC900 DIP6 16 V 3 – 16 V (digital) 50 mA 1 MBit/s Schmitt-Trigger B C DK F P U CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, QT-Brightek, Sharp
PC400 SO5 Sharp
HCPL-814, K3010, CT814, EL814, FOD814, ISP814, KB814, LTV-814, Q814, PS2565, 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 Broadcom, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, Kingbright, LiteOn, QT-Brightek, Renesas, Vishay
ACPL-214, KPS2805, CTH214, EL3H4, HMHAA280, IS3H4, LTV-214, PS2805C, PC3H4, TLP290(SE, VOS627A SO4 Broadcom, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Renesas, Sharp, Toshiba, 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, PS2561D, 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 Broadcom, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, Kingbright, LiteOn, QT-Brightek, Renesas, Sharp, Toshiba, Vishay
HCPL-181, KPS2801, CTH217, EL3H7, HMHA281, IS3H7, LTV-217, PS2801C, PC3H7, TLP291(SE, VOS617A SO4 Broadcom, Cosmo, CT-Micro, Everlight, Fairchild, Isocom, LiteOn, Renesas, Sharp, Toshiba, Vishay
HCPL-2200, EL2200, FOD2200, TLP2200, SFH6700 DIP8 15 V 5 – 15 V (digital) 25 mA 2,5 MBit/s nicht-invertierender Push-/Pull-TTL-Ausgang; Dual-channel: HCPL-2231 C DK F U R Broadcom, Everlight, Fairchild, Toshiba, Vishay
ACPL-M75L, FODM8071, TLP2361 SO5 6 V 3 – 5 V (digital) 10 mA 15 MBit/s Push-/Pull-CMOS-Ausgang B C DK e F U Broadcom, Fairchild, 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.

Siehe auch

Links

Abgerufen von „https://www.mikrocontroller.net/index.php?title=Optokoppler&oldid=99083“