Optokoppler

Sie werden benötigt, um eine galvanische Trennung zwischen Signalquelle (an der LED) und Signalverbraucher (am Transistor) herzustellen. Die Isolationsspannung von Standard- Optokopplern liegt um die 4000V. Das ist zum Beispiel nötig bei einer SPS. Hier muss die Signalquelle wegen der möglichen Potentialdifferenzen in einem Schaltschrank galvanisch getrennt von der SPS sein. Ohne Optokoppler würden die Ausgleichsströme im Schaltschrank durch die SPS hindurchgehen. Dafür ist sie aber nicht ausgelegt! Das gleiche gilt für hochfrequente leitungsgebundene Störungen (EMV). Jeder Optokoppler hat konstruktionsbedingt eine kleine Kapazität zwischen LED und Phototransistor. Sie muss man je nach Anwendung und EMV- Lage entsprechend berücksichtigen.

Quelle: Toshiba

Ein einfacher Optokoppler. Der Strom durch den Phototransistor ist proportional zum Strom durch die Leuchtdiode. Die Stromverstärkung liegt bei 0,3 bis 6. Konstruktionsbedingt streut dieser Wert stark. Deshalb werden immer Optokoppler mit engeren Stromtoleranzen angeboten. Die eng tolerierten werden einfach beim Herstellungsprozess herausgesucht und dann (teuer) verkauft.

Hier nun ein schnQuelle: Toshibaellerer Optokoppler. Die Stromverstärkung liegt nur noch bei 0,1 bis 0,2. Eine solche Konstruktion hat Schaltzeiten unter einer μs. Im Gegensatz zu den einfachen Optokopplern wird hier eine Photodiode genutzt, deren Signal durch den Transistor verstärkt wird. Die Photodiode wird in Sperrichtung betrieben, um die Speicherzeit der Ladungsträger klein zu halten. Diese komplexeren Optokoppler werden – wegen des Absatzes – nicht permanent gefertigt, unter Umständen nur einmal im Jahr. Wer große Stückzahlen verbaut, muss damit rechnen, dass er den Markt leerkauft.

Noch schneller (30Quelle:Avago-100ns), aber nicht mehr unbedingt viel teurer wird es mit der nebenstehenden Konstruktion. Der einfache Transistor aus dem oberen Bild wird ersetzt durch einen Operationsverstärker. Grundsätzlich wird die Photodiode hier immer noch in Sperrichtung betrieben, auch wenn das hier nicht so direkt aus dem Schaltzeichen hervorgeht. Bei diesen Geschwindigkeiten kann man die Kapazität zwischen Leuchtdiode und Photodiode nicht mehr außer Acht lassen. Deshalb ist die Photodiode hier abgeschirmt.

Inzwischen kann man eine solche Konstruktion mit einer Spannungsfestigkeit bis 50KV erhalten. Wer mehr will, muss diskret aufbauen. Ich habe das einmal für eine Isolationsspannung von 240KV realisiert. Mehr dürfte, auch wegen des unvermeidlichen Transformatoröls, mit dieser Konstruktion nicht möglich sein.

Wer mehr Isolationsspannung oder Signalgeschwindigkeit will, muss optische Leiter aus Glas oder Kunststoff nehmen. Hier werden Quelle und Verbraucher wirklich komplett getrennt. Der Preis ist natürlich deutlich höher als bei einem Optokoppler, dafür lassen sich aber Entfernungen, von Signalquelle zum Signalverbraucher, von ca. 100m, bei Kunststoff (APF/1mm), realisieren.