Optokoppler, die Schaltkreise mithilfe optischer Signale als Medium verbinden, sind aufgrund ihrer hohen Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit, wie z. B. Langlebigkeit und Isolation, ein Element, das in Bereichen eingesetzt wird, in denen hohe Präzision unerlässlich ist, wie z. B. in der Akustik, der Medizin und der Industrie.
Doch wann und unter welchen Umständen funktioniert ein Optokoppler, und welches Prinzip steckt dahinter? Auch bei der Verwendung in eigenen Elektronikprojekten ist man sich oft unsicher, wie man einen Optokoppler auswählt und einsetzt. Denn Optokoppler werden häufig mit Fototransistoren und Fotodioden verwechselt. Daher wird in diesem Artikel erklärt, was ein Optokoppler ist.
Was ist ein Optokoppler?
Der Optokoppler ist ein elektronisches Bauteil, dessen Etymologie „optisch“ bedeutet.
Ein Optokoppler, auch bekannt als optischer Isolator oder optische Isolation, ist ein optischer Koppler, der Licht überträgt. Er besteht aus einem lichtemittierenden und einem lichtempfangenden Element und verbindet Eingangs- und Ausgangskreis über ein optisches Signal. Zwischen diesen Kreisen besteht keine elektrische Verbindung, sie befinden sich also in einem isolierten Zustand. Dadurch ist die Verbindung zwischen Ein- und Ausgang getrennt, und es wird ausschließlich das Signal übertragen. Optokoppler ermöglichen die sichere Verbindung von Kreisen mit deutlich unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsspannungen durch eine hohe Spannungsisolation zwischen Ein- und Ausgang.
Darüber hinaus fungiert es durch das Senden oder Blockieren dieses Lichtsignals als Schalter. Das genaue Prinzip und der Mechanismus werden später erläutert, aber das Leuchtelement des Optokopplers ist eine LED (Leuchtdiode).
Von den 1960er bis zu den 1970er Jahren, als LEDs erfunden wurden und ihre technologischen Fortschritte bedeutend waren,Optoelektronikwurde zu einem Boom. Damals gab es verschiedeneoptische Gerätewurden erfunden, und der fotoelektrische Koppler war eine davon. In der Folge hielt die Optoelektronik schnell Einzug in unser Leben.
① Prinzip/Mechanismus
Das Funktionsprinzip des Optokopplers beruht darauf, dass das Leuchtelement das elektrische Eingangssignal in Licht umwandelt und das Lichtempfangselement dieses Lichtsignal an den Ausgangskreis zurücksendet. Leuchtelement und Lichtempfangselement befinden sich innerhalb des externen Lichtblocks und sind einander gegenüberliegend angeordnet, um die Lichtübertragung zu gewährleisten.
Der in Leuchtelementen verwendete Halbleiter ist die LED (Leuchtdiode). In lichtempfindlichen Bauelementen hingegen kommen je nach Einsatzumgebung, Größe, Preis usw. viele verschiedene Halbleiter zum Einsatz, wobei im Allgemeinen der Fototransistor am häufigsten verwendet wird.
Im Ruhezustand leiten Fototransistoren nur einen Bruchteil des Stroms, den gewöhnliche Halbleiter führen. Trifft Licht auf den Fototransistor, erzeugt dieser eine Fotoelektromotorische Kraft an der Oberfläche des p- und n-dotierten Halbleiters. Die Löcher im n-dotierten Halbleiter wandern in die p-dotierte Zone, die freien Elektronen in der p-dotierten Zone in die n-dotierte Zone, und es fließt Strom.
Fototransistoren reagieren zwar nicht so schnell wie Fotodioden, verstärken aber das Ausgangssignal um das Hundert- bis Tausendfache (aufgrund des internen elektrischen Feldes). Daher sind sie empfindlich genug, um selbst schwache Signale zu erfassen, was ein Vorteil ist.
Tatsächlich handelt es sich bei dem „Lichtblocker“, den wir sehen, um ein elektronisches Gerät mit demselben Prinzip und Mechanismus.
Lichtunterbrecher werden jedoch üblicherweise als Sensoren eingesetzt und erfüllen ihre Funktion, indem sie ein lichtblockierendes Objekt zwischen das lichtemittierende und das lichtempfangende Element schalten. Beispielsweise können sie zur Erkennung von Münzen und Banknoten in Verkaufsautomaten und Geldautomaten verwendet werden.
② Funktionen
Da der Optokoppler Signale mittels Licht überträgt, ist die Isolation zwischen Eingangs- und Ausgangsseite von entscheidender Bedeutung. Eine hohe Isolation macht ihn unempfindlich gegenüber Störungen und verhindert zudem versehentliche Stromflüsse zwischen benachbarten Schaltkreisen, was die Sicherheit erheblich erhöht. Darüber hinaus ist der Aufbau relativ einfach und durchdacht.
Aufgrund ihrer langen Geschichte und der vielfältigen Produktpalette verschiedener Hersteller bieten Optokoppler einen einzigartigen Vorteil. Da kein physischer Kontakt besteht, ist der Verschleiß zwischen den Bauteilen gering und die Lebensdauer länger. Andererseits unterliegt die Lichtausbeute Schwankungen, da die LED-Leistung mit der Zeit und durch Temperaturschwankungen abnimmt.
Insbesondere wenn die inneren Bestandteile des transparenten Kunststoffs mit der Zeit trüb werden, kann die Lichtausbeute beeinträchtigt sein. Die Lebensdauer ist jedoch im Vergleich zum mechanischen Kontakt in jedem Fall sehr lang.
Fototransistoren sind im Allgemeinen langsamer als Fotodioden und werden daher nicht für Hochgeschwindigkeitskommunikation eingesetzt. Dies ist jedoch kein Nachteil, da einige Bauteile über Verstärkerschaltungen am Ausgang verfügen, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Tatsächlich ist eine höhere Geschwindigkeit nicht bei allen elektronischen Schaltungen erforderlich.
③ Verwendung
Fotoelektrische KopplerSie werden hauptsächlich für Schaltvorgänge verwendet. Der Stromkreis wird durch Einschalten des Schalters aktiviert, eignet sich aber aufgrund der oben genannten Eigenschaften, insbesondere der Isolation und der langen Lebensdauer, besonders für Anwendungen, die hohe Zuverlässigkeit erfordern. Beispielsweise ist Rauschen in der Medizinelektronik und bei Audio-/Kommunikationsgeräten ein großes Problem.
Es wird auch in Motorantriebssystemen eingesetzt. Der Grund dafür ist, dass die Drehzahl des Motors beim Betrieb vom Umrichter geregelt wird, dieser jedoch aufgrund der hohen Ausgangsleistung Störungen erzeugt. Diese Störungen können nicht nur zum Ausfall des Motors selbst führen, sondern auch über Masse abgeleitet werden und periphere Geräte beeinträchtigen. Insbesondere Geräte mit langen Leitungen sind anfällig für diese Störungen, was in Produktionsanlagen zu erheblichen Verlusten und mitunter zu schweren Unfällen führen kann. Durch den Einsatz hochisolierter Optokoppler zum Schalten lassen sich die Auswirkungen auf andere Schaltungen und Geräte minimieren.
Zweitens, wie man Optokoppler auswählt und verwendet
Wie wählt man den richtigen Optokoppler für die jeweilige Anwendung im Produktdesign aus? Die folgenden Mikrocontroller-Entwicklungsingenieure erklären, wie man Optokoppler auswählt und einsetzt.
① Immer offen und immer geschlossen
Es gibt zwei Arten von Optokopplern: einen Typ, bei dem der Schalter ausgeschaltet ist, wenn keine Spannung anliegt, einen Typ, bei dem der Schalter eingeschaltet ist, wenn eine Spannung anliegt, und einen Typ, bei dem der Schalter eingeschaltet ist, wenn keine Spannung anliegt. (Anlegen einer Spannung und Ausschalten bei Spannungsanlegung)
Die erstgenannte Variante heißt normalerweise offen, die letztgenannte normalerweise geschlossen. Die Wahl hängt zunächst davon ab, welche Art von Schaltung Sie benötigen.
② Überprüfen Sie den Ausgangsstrom und die angelegte Spannung
Optokoppler verstärken zwar Signale, lassen aber Spannung und Strom nicht immer wahllos durch. Sie sind zwar spezifiziert, jedoch muss je nach gewünschtem Ausgangsstrom eine Eingangsspannung angelegt werden.
Im Produktdatenblatt findet sich ein Diagramm, in dem die vertikale Achse den Ausgangsstrom (Kollektorstrom) und die horizontale Achse die Eingangsspannung (Kollektor-Emitter-Spannung) darstellt. Der Kollektorstrom variiert mit der Lichtintensität der LED; die Spannung muss daher entsprechend dem gewünschten Ausgangsstrom angelegt werden.
Man könnte jedoch meinen, dass der hier berechnete Ausgangsstrom überraschend gering ist. Es handelt sich dabei um den Stromwert, der nach Berücksichtigung der mit der Zeit abnehmenden LED-Leistung noch zuverlässig ausgegeben werden kann und somit unter dem maximalen Nennwert liegt.
Im Gegenteil, es gibt Fälle, in denen der Ausgangsstrom gering ist. Achten Sie daher bei der Auswahl des Optokopplers unbedingt auf den „Ausgangsstrom“ und wählen Sie das passende Produkt.
③ Maximalstrom
Der maximale Leitstrom ist der höchste Stromwert, den der Optokoppler im leitenden Zustand aushält. Vor dem Kauf müssen wir unbedingt den benötigten Ausgangsstrom und die Eingangsspannung des Projekts ermitteln. Achten Sie darauf, dass der Maximalwert und der verwendete Strom keine Grenzwerte darstellen, sondern eine gewisse Sicherheitsreserve vorhanden ist.
④ Stellen Sie den Optokoppler korrekt ein.
Nachdem wir den passenden Optokoppler ausgewählt haben, setzen wir ihn in einem realen Projekt ein. Die Installation ist einfach: Verbinden Sie die Klemmen mit den jeweiligen Eingangs- und Ausgangskreisen. Achten Sie jedoch darauf, die Anschlüsse nicht zu vertauschen. Überprüfen Sie daher unbedingt die Symbole in der Datentabelle, damit Sie nach dem Entwurf der Leiterplatte keine falschen Anschlüsse für den Optokoppler feststellen.
Veröffentlichungsdatum: 29. Juli 2023