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Optoisolatoren – auf den ersten Blick eine komplizierte Bezeichnung, und die Alternative, Optokoppler, scheint irgendwie nicht zugänglicher zu sein. Es stellt sich jedoch heraus, dass das Prinzip ihrer Funktionsweise gar nicht so schwer zu verstehen ist. Und wenn man erst einmal weiß, dass es aus zwei Teilen besteht: Optik und Isolierung, ist es ganz einfach, und wenn man sie fragt, wie sie funktionieren, findet man leicht heraus, worum es geht.
Optoisolator, Optokoppler - was ist das und wie funktioniert es?
Ein elektronisches Festkörperbauteil besteht aus Halbleitern wie Silizium oder Germanium. Theoretisch gehören sie zur Familie der Halbleiterrelais; in der Praxis werden Optokoppler für Anwendungen mit relativ geringem Stromverbrauch eingesetzt, während klassische Halbleiterrelais bei höheren Leistungen verwendet werden (Spannungen von Hunderten von Volt oder mehr und Ströme von Dutzenden von Ampere oder mehr). Ein Optokoppler enthält in seinem Inneren einen Fotoemitter oder ein lichtemittierendes Element. Ein Beispiel für einen Fotoemitter ist eine lichtemittierende Diode (LED). Er enthält auch einen Fotodetektor – ein Empfangselement. Dies ist in der Regel eine Fotodiode oder ein Fototransistor. Diese beiden Komponenten sind in einem einzigen Gehäuse untergebracht.
Die Diode arbeitet im nahen Infrarotbereich, der von der Atmosphäre nur wenig gedämpft wird und sich daher gut für die Übertragung eignet. Die Diode wandelt das eingehende elektrische Signal in Licht, einen geschlossenen optischen Kanal (auch dielektrischer Kanal genannt) und einen Fotosensor um, der das eingehende Licht erkennt. Anschließend erzeugt sie entweder direkt Strom oder moduliert einen elektrischen Strom, der von einer externen Stromquelle kommt. Der Sensor bzw. der bereits erwähnte Fotodetektor kann ein Fotowiderstand, eine Fotodiode, ein Fototransistor, ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR) oder ein Triac sein. Da LEDs nicht nur Licht emittieren, sondern auch messen können, ist es möglich, symmetrische, bidirektionale Optoisolatoren zu bauen. Ein optisches Halbleiterrelais enthält einen Optoisolator mit einer Fotodiode, die einen Leistungsschalter ansteuert, in der Regel ein komplementäres Paar MOSFETs. Ein geschlitzter optischer Schalter enthält eine Lichtquelle und einen Sensor, aber sein optischer Kanal ist offen, so dass eine Lichtmodulation durch externe Objekte möglich ist, die den Lichtweg behindern oder das Licht in den Sensor reflektieren. Diese Lösung isoliert die beiden Schaltkreise, verhindert Spannungsspitzen und reduziert das Rauschen und die Störungen, die mit Kommunikationsverbindungen verbunden sind.
Aufbau des Optoisolators
Der Aufbau wird im Zusammenhang mit einer etwas ausführlicheren Beschreibung der Funktionsweise erläutert. Grundsätzlich besteht ein Optokoppler aus einer Nahinfrarot-Leuchtdiode (LED), einer Fotodiode, einem Fototransistor oder Transistor, einem geschlossenen Kanal und einer Stromquelle. Beide Komponenten sind in der Regel in einem lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht, um zu verhindern, dass externes Licht den emittierten Strahl stört, und befinden sich in einem Gehäuse ähnlich einem integrierten Schaltkreis oder Transistor mit zusätzlichen Anschlüssen. Die Spannung des Primärkreises wird an eine Stromquelle angelegt, um einen Strahl aus Nahinfrarotlicht zu erzeugen, der sich durch den geschlossenen Kanal bewegt, bis er auf einen Fototransistor trifft, der optische Energie in elektrische Energie umwandelt. Da die LED und der Fototransistor bzw. die Fotodiode getrennt sind und keine direkte elektrische Verbindung haben, sorgt das Gerät für eine Isolierung der beiden Schaltungsteile und ermöglicht gleichzeitig die Übertragung von elektrischer Energie von einem Teil zum anderen.
Abb. 1 – Optokoppler-Symbol in den Schaltplänen
Es gibt unzählige Typen und Kriterien für die Einteilung von Optoisolatoren – ein vollständiges Kompendium würde eher einem enzyklopädischen Artikel als einem Blog-Artikel ähneln. Lassen Sie uns daher die beiden Haupttypen von Optoisolatoren auf der Grundlage des lichtempfindlichen Geräts und ihrer Konfiguration auflisten.
- Fotodiode: verwendet LEDs als Lichtquelle und Silizium-Photodioden als Lichtsensor.
- Fototransistor: verwendet einen Fototransistor als Lichtsensor.
Wenn Licht von einer LED auf einen Fototransistor trifft, beginnt dieser, je nach Zustand und Dauer des Lichts, Strom zu leiten. Optoisolatoren in vielen verschiedenen Formen und Konfigurationen sind so konzipiert, dass sie höhere Spannungen isolieren können, als SMD- und DIP-Gehäuse bewältigen können. Nicht zu vergessen sind Mehrfach-Optokoppler, die mehrere Isolatoren in einem einzigen Gehäuse enthalten. Dies vereinfacht die Montage erheblich und verringert die Fläche auf der Leiterplatte, die für die galvanische Trennung der Signale benötigt wird.
Parameter des Optoisolators
Bei der Prüfung von Optoisolatoren gibt es immer eine technische Spezifikation. Die Parameter und Spezifikationen von Optoisolatoren sind:
- Der Stromübertragungskoeffizient eines Optoisolators oder CTR, auch bekannt als Stromverhältnis oder Optoisolatorverstärkung. Er ist das Verhältnis von Ausgangsstrom zu Eingangsstrom. Er variiert je nach dem Typ des am Ausgang verwendeten Optokopplers.
- Durchsatz. Bei vielen Optokopplern, die Fototransistoren verwenden, schwankt dieser Wert um 250 kHz. Je niedriger der CTR-Wert, desto kürzer sind in der Regel die Anstiegs- und Abfallzeiten und desto “schneller” ist der Optokoppler.
- Linearität. Lineare Optokoppler haben einen zusätzlichen identischen Fotodetektor. Dieser wird im Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers, der den Fotoemitter speist, verwendet und ermöglicht eine Linearisierung der Umwandlungseigenschaften.
- Maximale Spannung des Ausgangsgeräts. Transoptoren mit Transistoren haben einen Höchstwert, der der VCE(max) des Transistors entspricht. Transoptoren, die andere Ausgangsgeräte verwenden, benötigen einen gleichwertigen Nennwert. Achten Sie auf einen ausreichenden Spielraum – es wird nicht empfohlen, Geräte in der Nähe der Unterschreitung des maximalen Nennwertes zu betreiben.
- Eingangsstrom, d. h. der Strom, der für ein Eingangs-Sendegerät wie eine LED erforderlich ist. Dieser Wert ist für die Auswahl des Vorwiderstands zur Begrenzung des Stroms erforderlich.
Anwendung von Optoisolatoren
Die frühesten Optoisolatoren stammen aus den 1960er Jahren. Sie verwendeten Miniaturglühbirnen als Lichtquellen und Cadmiumsulfid- (CdS) oder Cadmiumselenid- (CdSe) Fotowiderstände als Empfänger (auch bekannt als lichtabhängige Widerstände, LDRs). Bei Anwendungen, bei denen die Linearität der Steuerung nicht wichtig war oder bei denen der verfügbare Strom zu gering war, um die Glühbirne zu betreiben (wie in Röhrenverstärkern), wurde sie durch eine Neonlampe ersetzt. Diese Geräte oder nur ihr LDR-Bestandteil wurden wegen des Warenzeichens von Vactec, Inc. gemeinhin als Waktrols bezeichnet. Amerikanische Gitarren- und Orgelhersteller übernahmen in den 1960er Jahren den resistiven Optoisolator als praktischen und kostengünstigen Tremolo-Modulator. Er fand bald seinen Weg in die Ausrüstung der legendären Fender-Gitarren, die unter anderem von Jimi Hendrix und Eric Clapton gespielt wurden. Heute werden Optoisolatoren häufig in Stromversorgungen, Steuerungs- und Überwachungssystemen, Kommunikationssystemen und anderen Systemen eingesetzt, um einen Teil eines Schaltkreises sicher mit einem anderen zu verbinden. Dadurch wird zuverlässig verhindert, dass die Hochspannungsseite die Niederspannungsseite direkt berührt und beeinträchtigt. Sie können ihn überall dort einsetzen, wo Stromkreise aus Sicherheits- oder Regelmäßigkeitsgründen voneinander getrennt werden müssen, gleichzeitig aber eine Wechselwirkung zwischen ihnen bestehen soll. Die Mehrfach-Optokoppler im DIL16-Gehäuse und die einkanaligen Optokoppler im DIP4-Gehäuse für THT-Durchsteckmontage finden Sie mit Dokumentation und nützlichen Links zu Eagle-Bibliotheken im Botland-Onlineshop.
