Optokoppler

Ein Optokoppler überträgt ein elektrisches Signal über eine optische Strecke. Auf der Eingangsseite sitzt meist eine Infrarot-LED, auf der Ausgangsseite ein lichtempfindliches Halbleiterelement. Zwischen beiden Seiten besteht keine leitende Verbindung. Dadurch können Signale zwischen Schaltungsteilen mit unterschiedlichen Massepotenzialen übertragen werden, ohne dass Gleichstrom über die Trennstelle fließt.

Ein typisches Beispiel für diese Bauart ist der Vishay VO615A. Er kombiniert eine GaAs-Infrarot-LED mit einem Silizium-Fototransistor in einem 4-poligen Gehäuse. Der Baustein gehört damit zur Gruppe der Fototransistor-Optokoppler. Diese Ausführung eignet sich für diskrete Schaltsignale, Pegeltrennung, Rückmeldesignale und einfache isolierte Schnittstellen. Für die Hardware-Entwicklung ist ein Optokoppler daher ein gern gesehenes Element zur Ausführung elektrisch sicherer Signalpfade.

Einordnung: Was ist ein Optokoppler?

Ein Optokoppler ist ein Isolationsbaustein für Signale. Er trennt zwei elektrische Bereiche galvanisch und überträgt den Informationszustand optisch. Die Eingangsseite wird wie eine LED betrieben. Die Ausgangsseite verhält sich beim Fototransistor-Typ ähnlich wie ein lichtgesteuerter NPN-Transistor.

In einem elektronischen System trennt ein Optokoppler zum Beispiel:

• Mikrocontroller-Logik von Netzspannungsbereichen,
• Steuerplatinen von Leistungselektronik,
• verschiedene Massepotenziale in Industrieanlagen,
• Primär- und Sekundärseite eines Schaltnetzteils,
• Störquellen von empfindlicher Signalerfassung.

Der Begriff „Optokoppler“ beschreibt dabei keine einzelne Schaltungsarchitektur. Es gibt Fototransistor-Optokoppler, Logik-Optokoppler, Optotriacs, PhotoMOS-Relais und lineare Optokoppler. Der VO615A steht für die klassische Fototransistor-Variante: LED hinein, optische Kopplung über eine Isolationsstrecke, Transistorstrom am Ausgang.

Funktionsweise eines Optokopplers

Beim Fototransistor-Optokoppler fließt auf der Eingangsseite ein Strom durch eine Infrarot-LED. Die LED sendet Licht auf den Fototransistor. Dieser erzeugt einen Kollektorstrom, sobald genügend Licht auf seine Basiszone trifft. Der Ausgangsstrom hängt vom LED-Strom, von der Kopplung im Gehäuse, vom Arbeitspunkt des Transistors, von der Temperatur und von der Bauteilstreuung ab.

Die wichtigste Kenngröße ist das Current Transfer Ratio, kurz CTR. Es beschreibt das Verhältnis von Ausgangskollektorstrom zu Eingangs-LED-Strom:

CTR = IC / IF

Ein CTR von 100 % bedeutet: Bei 5 mA LED-Strom kann unter den angegebenen Prüfbedingungen etwa 5 mA Kollektorstrom fließen. In Datenblättern wird der CTR nicht als fester Wert angegeben, sondern als Bereich. Beim VO615A existieren Sortierungen mit unterschiedlichen CTR-Bereichen. Diese Streuung ist für die Dimensionierung maßgeblich, weil die Schaltung auch mit dem kleinsten zulässigen CTR-Wert funktionieren muss.

Der Ausgang ist bei einem Fototransistor-Optokoppler kein aktiv getriebener Logikausgang. Er benötigt eine externe Beschaltung, meistens einen Pull-up-Widerstand gegen die Ausgangsversorgung. Leuchtet die LED, wird der Fototransistor leitend und zieht den Kollektorknoten in Richtung Emitter. Bei typischer Pull-up-Schaltung entsteht dadurch ein invertiertes Signal: LED ein bedeutet Ausgang niedrig, LED aus bedeutet Ausgang hoch.

Der VO615A ist für eine hohe Isolationsprüfspannung spezifiziert. Das Datenblatt nennt 5300 VRMS als Prüfspannung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite. Dieser Wert beschreibt eine definierte Prüfung des Isolationssystems. Für die Auslegung einer Schaltung zählen zusätzlich Kriechstrecken, Luftstrecken, Verschmutzungsgrad, Überspannungskategorie und die geforderte Arbeits- oder Bemessungsspannung nach der jeweiligen Gerätenorm.

Typische Architektur im System

Auf der Eingangsseite eines Optokopplers befindet sich meist eine Logikquelle, ein Transistortreiber oder eine Spannungsauswertung. In Reihe zur LED liegt ein Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle. Der Vorwiderstand legt den LED-Strom fest:

RIN = (VIN – VF) / IF

Dabei ist VF die Vorwärtsspannung der LED. Sie ändert sich mit Strom und Temperatur. Die LED darf außerdem nur begrenzte Sperrspannung aufnehmen. Wenn am Eingang Wechselspannung oder negative Spannung auftreten kann, wird eine antiparallele Diode oder eine andere Schutzbeschaltung benötigt.

Zwischen Eingangs- und Ausgangsseite liegt die optische Isolationsstrecke. Sie verhindert einen leitenden Strompfad zwischen beiden Bezugspotenzialen. Kapazitiv bleibt jedoch eine kleine Kopplung bestehen. Beim VO615A gibt das Datenblatt eine geringe Kopplungskapazität zwischen Ein- und Ausgang an. Diese Kapazität kann bei schnellen Spannungssprüngen Gleichtaktströme über die Barriere verursachen.

Auf der Ausgangsseite arbeitet der Fototransistor mit einer eigenen Bezugserde und einer eigenen Versorgung. Eine einfache Beschaltung besteht aus:

• Kollektor an Pull-up-Widerstand,
• Pull-up-Widerstand an Ausgangsversorgung,
• Emitter an Ausgangsmasse,
• Kollektorknoten als Logiksignal.

Alternativ kann der Fototransistor eine nachfolgende Transistorstufe, einen Komparator, einen digitalen Eingang oder einen Treiber ansteuern. Bei größeren Lastströmen sollte der Optokoppler nicht direkt als Leistungsschalter betrachtet werden. Der Fototransistor im VO615A ist für kleine Signalströme ausgelegt; Lasten wie Relais, Ventile oder MOSFET-Gates benötigen eine nachgeschaltete Treiberstufe.

Signale und Kommunikation beim Optokoppler

Ein 4-poliger Fototransistor-Optokoppler besitzt typischerweise folgende Anschlüsse:

• Anode der Eingangs-LED,
• Kathode der Eingangs-LED,
• Emitter des Ausgangstransistors,
• Kollektor des Ausgangstransistors.

Die Signalrichtung verläuft von der LED zur Fototransistorseite. Eine Rückübertragung ist mit dieser Struktur nicht möglich. Für bidirektionale Schnittstellen werden zwei Optokoppler, spezielle digitale Isolatoren oder isolierte Transceiver verwendet.

Der Eingangspegel wird über den LED-Strom definiert, nicht direkt über eine Logikspannung. Ein Mikrocontroller-Pin mit 3,3 V oder 5 V kann einen Optokoppler ansteuern, wenn der Pin den erforderlichen Strom liefern oder aufnehmen kann und der Vorwiderstand entsprechend gewählt wird. Bei höheren Eingangsspannungen, etwa 12 V oder 24 V in Industrieumgebungen, wird der Vorwiderstand größer dimensioniert. Die Verlustleistung im Widerstand ist dann zu prüfen.

Am Ausgang entstehen keine festen CMOS- oder TTL-Pegel aus dem Baustein selbst. Der Pegel wird durch die externe Versorgung, den Pull-up-Widerstand und den Fototransistorstrom bestimmt. Für einen sicheren Low-Pegel muss gelten:

Der durch den Pull-up fließende Strom muss kleiner sein als der Kollektorstrom, den der Optokoppler bei minimalem CTR liefern kann.

Zusätzlich muss die Sättigungsspannung des Fototransistors zu den Eingangsschwellen der nachfolgenden Logik passen. Das Datenblatt des VO615A nennt für den Fototransistor unter definierten Bedingungen eine niedrige Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung. In der Schaltung hängt dieser Wert vom LED-Strom und vom Laststrom ab.

Das Timing wird bei Fototransistor-Optokopplern durch mehrere Effekte begrenzt. Die LED benötigt eine kurze Zeit zum Einschalten und Ausschalten. Der Fototransistor hat Kapazitäten und Ladungsspeichereffekte. Wenn er tief in Sättigung betrieben wird, verlängert sich das Ausschalten. Außerdem bildet der Pull-up-Widerstand mit der Kollektorkapazität und der Eingangskapazität der Folgeschaltung ein RC-Glied.

Der VO615A liegt mit seinen Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich, abhängig von Lastwiderstand und Betriebsbedingungen. Für langsame Statussignale, Netzteilrückmeldungen oder digitale Steuersignale reicht diese Klasse häufig aus. Für schnelle Datenübertragung, isolierte UART-Strecken mit hohen Baudraten, SPI oder präzise PWM-Erfassung sind Logik-Optokoppler oder digitale Isolatoren besser passend.

Betriebsmodi und Betriebszustände

Ein Fototransistor-Optokoppler hat keine internen Register, keinen Enable-Pin, keinen Reset-Zustand und keinen Sleep-Modus. Die Betriebszustände ergeben sich aus LED-Strom und Ausgangsbeschaltung.

Im Aus-Zustand fließt kein LED-Strom. Der Fototransistor sperrt weitgehend. Am Ausgang setzt dann der Pull-up-Widerstand den Kollektorknoten auf High, sofern die Ausgangsversorgung aktiv ist. Es verbleibt ein Dunkelstrom des Fototransistors. Dieser ist klein, muss aber bei hochohmigen Pull-ups und hohen Temperaturen berücksichtigt werden.

Im Ein-Zustand fließt LED-Strom. Der Fototransistor wird leitend. Bei einer Pull-up-Schaltung sinkt die Kollektorspannung. Je nach Laststrom arbeitet der Transistor im linearen Bereich oder in Sättigung. Für digitale Signale wird er oft in Sättigung betrieben, weil dadurch ein niedriger Low-Pegel entsteht. Der Nachteil ist eine längere Ausschaltzeit.

Ein Zwischenbereich entsteht bei kleinen LED-Strömen, gealterter LED, hohen Temperaturen oder geringem CTR. Dort kann der Ausgangspegel undefiniert werden, wenn die Schaltschwelle der Folgeschaltung nicht mit genügend Abstand erreicht wird. Für digitale Eingänge empfiehlt sich deshalb ein Schmitt-Trigger oder eine Dimensionierung mit ausreichendem Stromabstand zwischen Ein- und Aus-Zustand.

Ein Standby-Verhalten gibt es nur systemseitig. Wird die Eingangsversorgung abgeschaltet, bleibt die LED aus. Wird die Ausgangsversorgung abgeschaltet, ist das Ausgangssignal nicht gültig, auch wenn die LED leuchtet. Da die beiden Seiten galvanisch getrennt sind, kann jede Seite unabhängig versorgt oder abgeschaltet werden. Schutzbeschaltungen müssen verhindern, dass über externe Signalpfade unerwünschte Rückspeisungen entstehen.

Spannungsversorgung

Ein Optokoppler wie der VO615A besitzt keinen Versorgungspin. Die Eingangsseite wird über den LED-Strom betrieben. Die Ausgangsseite wird über die externe Pull-up- oder Lastbeschaltung an die dortige Versorgung angebunden.

• Auf der Eingangsseite sind folgende Punkte zu prüfen:
• maximaler LED-Dauerstrom,
• zulässige Impulsströme und Pulsdauer,
• LED-Vorwärtsspannung bei Temperatur,
• zulässige Sperrspannung,
• Verlustleistung im Vorwiderstand.

Die LED-Stromwahl ist ein Kompromiss zwischen verfügbarem Ausgangsstrom, Verlustleistung, Alterung und Schaltgeschwindigkeit. Höherer LED-Strom erhöht den Fotostrom, belastet aber den Treiber stärker und erhöht die Verlustleistung. Niedriger LED-Strom reduziert den Energiebedarf, verlangt aber eine CTR-Auslegung mit mehr Reserve.

Auf der Ausgangsseite bestimmen Versorgungsspannung und Pull-up-Widerstand den Kollektorstrom:

IC ≈ VOUT / RPULLUP

Für eine 5-V-Logik mit 10-kΩ-Pull-up fließen im Low-Zustand etwa 0,5 mA. Für denselben Low-Pegel bei 1-kΩ-Pull-up wären etwa 5 mA erforderlich. Der kleinere Pull-up beschleunigt die steigende Flanke, benötigt aber mehr Ausgangsstrom und damit mehr LED-Strom oder einen höheren CTR.

Der VO615A-Fototransistor ist für eine Kollektor-Emitter-Spannung bis in den Bereich typischer Signal- und Steuerpegel spezifiziert; das Datenblatt nennt 80 V als maximale Kollektor-Emitter-Spannung. Diese Grenze darf auch bei ausgeschaltetem Fototransistor nicht überschritten werden. Induktive Lasten oder lange Leitungen können zusätzliche Überspannungsschutzmaßnahmen erfordern.

Power Sequencing ist bei einfachen Optokopplern weniger durch den Baustein selbst, sondern durch die angeschlossenen Schaltungsteile bestimmt. Wenn die Ausgangsversorgung früher aktiv ist als die Eingangsseite, bleibt der Ausgang über den Pull-up in seinem Ruhezustand. Wenn die Eingangsseite aktiv ist und die Ausgangsseite fehlt, kann kein gültiger Logikpegel entstehen. Die nachfolgende Logik sollte solche Zustände tolerieren oder über definierte Pull-ups, Pull-downs und Reset-Schaltungen abgefangen werden.

Abblockkondensatoren gehören nicht direkt an den Optokoppler, da kein Versorgungspin vorhanden ist. Sie gehören an die Treiber- und Auswerteschaltungen auf beiden Seiten der Isolation. Kurze Stromschleifen am LED-Treiber und eine saubere Versorgung der Ausgangslogik verringern Fehltrigger durch Spannungseinbrüche und Störimpulse.

Anwendungsrahmen für Optokoppler

Fototransistor-Optokoppler werden für langsame bis mittlere digitale Signale eingesetzt, wenn galvanische Trennung gefordert ist. Typische Anwendungen sind isolierte Statussignale, Fehlerausgänge, Eingangskanäle in Steuerungen, Netzteil-Feedback, Relais- oder Treiberansteuerungen über eine Trennbarriere und die Entkopplung unterschiedlicher Massepotenziale.

In Schaltnetzteilen überträgt ein Optokoppler häufig ein Rückmeldesignal von der Sekundärseite zur Primärregelung. Dabei wird der LED-Strom meist über einen Referenzregler oder Fehlerverstärker gesteuert. Die CTR-Streuung und Alterung werden in der Regel durch die Regelung kompensiert. Für präzise lineare Messwertübertragung ist ein einfacher Fototransistor-Optokoppler dagegen nur eingeschränkt geeignet, weil CTR und Temperaturverhalten keine genaue Stromübertragung garantieren.

In Industrieeingängen können Optokoppler 24-V-Signale auf Logikpegel einer Steuerplatine übertragen. Der Eingangswiderstand muss dann so gewählt werden, dass bei minimaler Eingangsspannung genügend LED-Strom fließt und bei maximaler Eingangsspannung LED und Widerstand nicht überlastet werden. Bei Wechselspannungseingängen oder verpolbaren Eingängen sind zusätzliche Dioden, Gleichrichter oder antiparallele LEDs erforderlich.

Grenzen ergeben sich aus Schaltgeschwindigkeit, CTR-Toleranz, LED-Alterung, Isolationsanforderungen und Gleichtaktstörungen. Bei hohen Datenraten sind Bausteine mit Logikausgang und spezifizierter Propagationsverzögerung geeigneter. Bei Netzspannungs-Schaltaufgaben mit Triacs kommen Optotriacs zum Einsatz. Für galvanisch getrennte Halbleiterrelais werden PhotoMOS-Optokoppler verwendet. Der Fototransistor-Typ bleibt für einfache Schaltsignale sinnvoll, wenn seine Streuungen in der Dimensionierung berücksichtigt werden.

Layout- und Routing-Hinweise für Optokoppler

Das Layout muss die galvanische Trennung des Optokopplers erhalten. Leiterbahnen der Eingangsseite und Ausgangsseite dürfen die Isolationsstrecke nicht durch Kupferflächen, Testpunkte, Bauteile oder Verschmutzungspfade verkürzen. Kriechstrecke und Luftstrecke auf der Leiterplatte müssen zur geforderten Arbeitsspannung und zur Gerätenorm passen. Die Gehäuseisolation des Optokopplers ersetzt keine ungeeignete Leiterplattenführung.

Unter dem Optokoppler sollte keine Kupferfläche beide Seiten verbinden. Auch geteilte Masseflächen dürfen nicht durch versehentliche Kupferreste, Schirmflächen oder Bestückungsdruck-Markierungen mit leitfähigen Rückständen überbrückt werden. Bei höheren Isolationsanforderungen werden häufig Schlitze in der Leiterplatte eingesetzt, um die Kriechstrecke zu verlängern. Ob das nötig ist, hängt von Spannung, Norm und Verschmutzungsgrad ab.

Die Eingangsschleife aus Treiber, Vorwiderstand und LED sollte kurz geführt werden. Das reduziert Einkopplung in die LED-Leitung und begrenzt Störabstrahlung bei schnellen Flanken. Bei langen Leitungen am Eingang können Serienwiderstände, RC-Filter oder Schutzdioden gegen transiente Spannungen erforderlich sein.

Auf der Ausgangsseite beeinflusst der Pull-up-Widerstand die Flankensteilheit. Ein sehr hoher Pull-up spart Strom, verlangsamt aber die steigende Flanke und erhöht die Empfindlichkeit gegenüber Leckströmen. Ein niedriger Pull-up beschleunigt den Pegelwechsel, verlangt aber mehr Fototransistorstrom. Die Leitung vom Kollektor zum nachfolgenden Logikeingang sollte nicht unnötig lang sein, da zusätzliche Kapazität die Schaltzeit verlängert.

Die thermische Belastung ist bei Fototransistor-Optokopplern meist durch LED-Strom, Ausgangsstrom und Umgebungstemperatur bestimmt. Eingangs- und Ausgangsverlustleistung addieren sich im Gehäuse. Das Datenblatt gibt Grenzwerte für LED, Transistor und Gesamtverlustleistung an. Bei dichter Bestückung oder erhöhter Umgebungstemperatur sollte der LED-Strom nicht ohne Reserve an der Obergrenze liegen.

Bei EMV-Prüfungen können schnelle Gleichtaktspannungsänderungen über die interne Kopplungskapazität des Optokopplers Störströme erzeugen. Kurze Bezugspfade, definierte Pull-ups oder Pull-downs und geeignete Filter an langen Leitungen reduzieren Fehlschaltungen. Für Umgebungen mit sehr schnellen Gleichtakttransienten sollte ein Optokoppler mit spezifizierter Common-Mode-Transient-Immunity oder ein digitaler Isolator geprüft werden.

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