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Optokoppler

  O           O
  |   A   K   |
  +----|>|----+

      __+__
  +---/   \---+
  |   E   C   |
  O           O

Optokoppler haben wie der Name schon sagt, die Funktion etwas optisch zu koppeln. Die optische Kopplung ist auch der Grund warum man dabei von einer galvanischen Trennung der Eingangs- von der Ausgangsseite spricht. Galvanisch getrennt heißt, daß es keine elektrische Verbindung zwischen den zwei Baugruppen Sender und Empfänger gibt. Das trifft auch für algemeine Betrachtung zu. Dennoch sind gerade bei höheren Frequenzen die Koppelkapazitäten oft Quellen von ungewollten Übersprechen der Signal.

Was geschieht in so einem Optokoppler? zunächst befindet sich im Eingangsteil eine LED. Diese sendet sichtbares oder unsichtbares Lich (IR) ab. Das Licht fällt nachdem es durch einen geeigneten Lichtleiter geführt wurde auf ein Lichtempfindliches Bauteil. Die Länge des Lichtleiters, also des Isolierabstands ist ein Maß für die Spannungsfestigkeit des Kopplers. Je größer die Entfernung, desto mehr Spannungsunterschied darf anliegen.

Der Empfangsteil ist oft sehr unterschiedlich ausgeführt. Häufig ist einfach nur ein Transistor eingebaut, dem das Licht auf die Basis fällt. Dadurch wird er leitfähig und steuert in Abhängigkeit von der Helligkeit durch. Bei manchen Kopplern findet man auch die Basis der Transistors herausgeführt. Damit läßt sich eine Basis vorspannung einstellen, was bei der Übertragung analoger Größen nötig ist. Es gibt aber auch eine Menge von Herstellern, die Triac's, Thyristoren oder ähnliches eingebaut haben. Diese steuern dann ebenfalls in ihrer typischen Art und Weise bei Lichteinfall durch. Deswegen lassen sich so leicht SLR (Solid State Relais - Halbleiterrelais) bauen. Eine weitere Gruppe von Kopplern haben eine integrierte Elektronik, die z.B. bei digitalen Übertragern gleich mit Schmitttrigger (Schwellwertschalter) ausgeführt sind.

Anschluß

Eingang

Da der Eingang fast immer eine LED ist, kann man fast algemeingültig sagen, ist nur ein Vorwiderstand nötig um die LED mit einem Digitalen Pegen ein- bzw. auszuschalten. Dazu muß die Spannung U bekannt sein, mit der der Pegel anliegt, der Flußstrom I_F und die Flußspannung U_F der LED. Will man den erforderlichen Vorwiderstand errechnen, nimmt man folgende Formel:

Rvor = (U - UF) / IF

Dabei habe ich Werte für U_F von 1,4 - 2,1 Volt und I_F von 5 - 50 mA gefunden. Ich denke daß 20 mA und 2 Volt als Berechnungsgrundlage durchaus ausreichen.

Ausgang

open collector

"Open collector" (offener Kollektor) ist der Name einer Schaltungsart, bei der ein Transistor (Bipolar oder FET) entweder hochohmig oder durchgesteuert (leitend) als Ausgang einer Schaltung verwendet wird. Der Unterschied ist folgender: Es wird am Ausgang keine Spannung (z.B. 0 und 5 Volt) zur Verfügung gestellt, sondern "nur" eine Art Schalter. Das hat den Vorteil, wenn man eine Last (z.B. LED, Relais, Lampe, Schütz etc.) schalten will, muß hier nur noch die Last und Versorgungsspannung angeschlossen werden. Man ist also mit der Spannung der angelegten Schltung recht flexibel und nicht an vorgegebene Pegel angewiesen.

Benötigt man wiederrum eine Spannung als Ausgangssignal, legt man einen sog. Pull-Up ("Hochzieh") Widerstand von den Ausgang gegen Plus. Ist der Kollektor offen, also hochohmig, zieht der Widerstand das Potential des Anschlusses gegen Plus, schaltet der Transistor durch, liegen 0 Volt bezogen auf den Emitter an.

Open collector Ausgänge haben zwei wichtige Kennwerte. Zum einen ist das der maximale Kollektorstrom I_C und zum anderen die maximale Kollektor-Emitterspannung U_CE. I_C ist für den durchgesteuerten Zustand wichtig und gibt den Strom an, der maximal fliesen darf. U_CE Gibt an, wie hoch die Spannung maximal werden darf, wobei diese Spannung dann eigentlich anliegt, wenn nicht durchgesteuert wird.

Schmitttrigger Ausgang (Komparator)

Schmitttrigger oder Komparator sind Schaltungen, die die Eigenschaft habe genau definiert zwischen zwei Zuständen zu unterscheiden. Dabei wird ein abgetasteter Eingang bis zu einer bestimmten Größe als Low, und von dort ab als High betrachtet. Der Komparator kennt also nur zwei Ausgangssignale (HIGH oder LOW). An seinem Eingang können alle möglichen Spannungen anliegen. Jedoch schaltet der Trigger nur um wenn eine bestimmte Schwelle übertreten wird. Manche Trigger haben eine Hysteresis. Das bedeutet, sie schalten nicht an einer Schwelle von HIGH auf LOW, sondern haben zwei Schwellen. Das unterdrückt Schwingvorgänge bei Umschaltvorgängen. Typische Beispiele sind Temperaturschalter, die bei nidriger Temp. einschalten, und erst bei höherer Temp. abschalten.

Ist ein Komparator in einen Optokoppler eingebaut, dann schaltet der Koppler ganz genau definiert um, der Schwellwert ist sehr genau.

Der Vorteil ist, das es dadurch vermieden wird, daß ein Transistor nicht vollständig sperrt oder leitet. Dies kann beim normalen open collector vorkommen (bei Übertragung analoger Größen wird das Ausgenutzt).

Funktionshinweise

Wird ein Optokoppler verwendet, mit LED und open collector, dann steuert der Ausgang durch, wenn die LED "leuchtet". Das bedeutet in 99% der Fälle eine Invertierung des Signals!

Fragen, Anregungen, Kritik und Korrekturhinweise könnt ihr an mich senden.

Diese Seiten wurden zuletzt am 19:47 01.04.02 aktualisiert
seit 28. Mai 2001 im Bereich Elektronik