Optokoppler / Opto-Koppler

Ein Optokoppler besteht aus einer Leuchtdiode und einem Fotosensor. Er ist ein 4-poliges Bauelement, dass eingangsseitig eine Leuchtdiode ansteuert, die das Licht auf eine Fotodiode wirft, die ausgangsseitig angeordnet ist. Auf diese Weise können Signale galvanisch getrennt übertragen werden.

Innenschaltung eines Optokopplers mit Fotodiode

Das Prinzip des Optokopplers: Ein elektrisches Signal wird am Eingang des Optokopplers von einem Lichtsender, in ein optisches Signal umgewandelt. Das Licht trifft auf einen Lichtempfänger, der es wieder in ein elektrisches Signal umwandelt.
Als Lichtsender werden Leuchtdioden verwendet, die Infrarot-Licht oder rotes Licht abstrahlen. Als Lichtempfänger werden Fotodioden, Fototransistoren, Fotothyristoren, Fototriacs, Foto-Schmitt-Trigger und Fotodarlingtontransistoren verwendet.
Das Schaltungsbeispiel ist mit einer Leuchtdiode und einer Fotodiode aufgebaut. Das Eingangssignal wird von einer LED in ein Lichtimpuls umgewandelt. Der Lichtimpuls wird auf einen Silizium-Fotosensor gerichtet, der es wieder in ein elektrisches Signal umwandelt.
Mit Hilfe des Lichts werden Signale und Daten von einem Schaltungsteil in einen anderen Schaltungsteil ohne direkte elektronische Verbindung übertragen. Das bedeutet, der Optokoppler trennt die Teilschaltungen galvanisch voneinander. Der Ausgang ist potentialfrei. Das bedeutet, die Spannung am Ausgang kann eine andere sein, als am Eingang. Die Signale können sowohl analog, als auch digital sein. Digitale Anwendungen benötigen einen speziellen Optokoppler mit Digitalausgang.

Eigenschaften eines Optokopplers

Fotosensoren

Bei 4 bis 20 mA kann der Fotosensor eine Fotodiode oder ein Fototransistor sein. Sie werden für eine Vielzahl von Analog-Anwendungen verwendet. Die schnellste Übertragungszeit liefert eine Fotodiode. Dort liegt sie im Nanosekundenbereich.

Wichtige Parameter bei der Auswahl eines Optokopplers

CTR - Current Transfer Ratio

Formel für CTR - Current Transfer Ratio
Ein hoher CTR deutet auf lange Übertragungs- und Verzögerungszeiten hin. Wenn es um eine kurze zeitliche Verzögerung zwischen Eingang und Ausgang geht, dann arbeitet man am besten mit möglichst kleinen Strömen.

Bauformen

Die Optokoppler gibt es in der Regel in IC-Bauform (DIL) mit 4, 6 oder 8 Beinen. Manchmal findet man sie auch in Transistor-Bauform vor.

Anwendungen

Optokoppler werden immer dann eingesetzt, wenn Schaltungsteile voneinander galvanisch getrennt (elektrisch isoliert) werden müssen. Zum Beispiel, wenn nachfolgende Schaltungen keine Rückwirkung auf vorhergehende Schaltungen haben dürfen oder wenn verschiedene Massebezüge verwendet werden müssen.
Der Optokoppler lässt sogar Spannungsunterschiede bis mehrere 1000 Volt zwischen Eingang und Ausgang zu. Der Optokoppler CNY17F hat eine Isolationsspannung von 5300 VAC. Für elektromedizinische Geräte ist das eine wichtige Bedingung.