Optokoppler
Was ist ein Optokoppler?
Ein Optokoppler (auch als Optoisolator, Fotokoppler bezeichnet) ist ein Halbleiterbauelement, das ein elektrisches Signal zwischen isolierten Schaltkreisen mit Licht überträgt.
Diese elektronischen Bauteile werden in einer Vielzahl von Kommunikations- und Überwachungssystemen verwendet, die eine elektrische Trennung nutzen, um zu verhindern, dass Hochspannungsquellen die Schaltkreise mit geringerer Leistung beeinträchtigen, die ein Signal empfangen.
Wie funktionieren Optokoppler?
In seiner einfachsten Form besteht ein Optokoppler für die Signalübertragung aus einer LED (Light-Emitting Diode), IRED (Infrared-Emitting Diode) oder eine Laserdiode als Sender und einem Fotosensor oder Fototransistor für den Empfang.
Ein Optokoppler funktioniert, indem an die LED am Eingang eine elektrische Spannung angelegt und somit (Infrarot-)Licht erzeugt wird. Das Licht wandert über einen transparenten Spalt im Optokoppler und wird vom Empfänger aufgenommen, der das modulierte oder Infrarotlicht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt.
Warum sind Optokoppler wichtig?
Elektronische Geräte, zum Beispiel Mikrocontroller, Leiterplatten und Stromversorgungen, sind Überspannungen ausgesetzt, die durch Hochfrequenzübertragungen, Blitzeinschläge und Spannungsspitzen in der Energieversorgung entstehen.
Optokoppler auf Fotowiderstandsbasis wurden erstmals 1968 in der Audio- und Musikindustrie eingesetzt, um Störungen in Geräten, zum Beispiel in Gitarrenverstärkern, zu vermeiden. Optokoppler bieten eine sichere Möglichkeit, Hochspannungskomponenten und Niederspannungsgeräte proportional zusammenarbeiten zu lassen.
Der Optokoppler ist in einem einzigen Gerät untergebracht (siehe Abbildung) und sieht aus wie ein integrierter Schaltkreis (IC) oder ein Transistor mit zusätzlichen Anschlüssen. Unternehmen können Optokoppler einsetzen, um Schaltungen mit geringer Leistung von Ausgangsschaltungen mit höherer Leistung galvanisch zu isolieren und um elektrisches Rauschen aus Signalen zu entfernen.
Welche Anwendungen gibt es für Optokoppler?
Optokoppler eignen sich am besten für die Trennung von Spannung und digitalen Signalen, können aber auch für die Übertragung analoger Signale verwendet werden.
Die Isolierung einer Datenrate von mehr als 1 Megabit pro Sekunde (MBit/s) wird als Hochgeschwindigkeit angesehen. Die gebräuchlichste Geschwindigkeit für digitale und analoge Optokoppler ist 1 MBit/s, obwohl auch digitale Geschwindigkeiten von 10 MBit/s und 15 MBit/s verfügbar sind.
Optokoppler gelten für viele moderne digitale Anwendungen als zu langsam, aber Forscher haben seit den 1990er Jahren Alternativen entwickelt.
In der Kommunikationstechnik werden Hochgeschwindigkeits-Optokoppler in Stromversorgungen für Server und Telekommunikationsanwendungen eingesetzt, zum Beispiel in der PoE-Technologie (Power over Ethernet) für verkabelte Ethernet-LANs. Optokoppler-Komponenten können auch Ethernet- und Glasfaserkabel vor Stromstößen schützen. In VoIP-Telefonen lassen sich elektrische Signale mit einem Optokoppler mit Transistorausgang isolieren.
Obwohl Modems nicht mehr üblich sind, ermöglichte der Einsatz von Optokopplern deren Anschluss an eine Telefonleitung, ohne dass die Gefahr bestand, dass Überspannungen oder Spannungsspitzen den Computer beschädigen konnten. In diesem Anwendungsfall wurden im analogen Teil des Geräts zwei Optokoppler eingesetzt: einer für Upstream- und einer für Downstream-Signale. Trat in der Telefonleitung eine Überspannung auf, war der Computer davon nicht betroffen, da der optische Spalt im Optokoppler keinen elektrischen Strom leitet.
