Was ist Fotokoppler?
Ein Fotokoppler ist ein Element, das die Eingangs- und Ausgangsschaltungen bei der Übertragung von Signalen von der Eingangsseite zur Ausgangsseite elektrisch isolieren kann.
Er wird auch Opto-Isolator oder optischer Isolator genannt. In einem Fotokoppler wird das elektrische Eingangssignal einmal mit Hilfe eines lichtemittierenden Elements in ein optisches Signal umgewandelt, und das optische Signal wird dann mit Hilfe eines lichtempfangenden Elements wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, um das Ausgangssignal zu bilden.
Dies bedeutet, dass Signale auch dann übertragen werden können, wenn die Schaltung auf der Ausgangsseite nicht mit der Schaltung auf der Eingangsseite elektrisch verbunden ist. Diese hohe Isolierung ist der Hauptgrund für den Einsatz von Fotokopplern. Ein weiteres Merkmal ist ihre relativ lange Lebensdauer als Mittel zur Signalübertragung.
Verwendungszwecke von Fotokopplern
Fotokoppler werden in Geräten eingesetzt, bei denen aufgrund ihrer Isolationseigenschaften und langen Lebensdauer eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist. Beispiele hierfür sind medizinische elektronische Geräte.
In Audio- und Kommunikationsgeräten, bei denen ein geringes Rauschen erforderlich ist, werden Fotokoppler zur Übertragung von Signalen von digitalen Schaltkreisen zu analogen Schaltkreisen verwendet, wodurch verhindert wird, dass Rauschen in analoge Schaltkreise gelangt.
Fotokoppler werden auch in Geräten eingesetzt, die Motoren antreiben. Umrichtergesteuerte Motoren sind heutzutage weit verbreitet, aber bei der Drehzahlregelung ist Rauschen unvermeidlich. Dieses Rauschen kann in die Geräte eindringen und Fehlfunktionen verursachen. Deshalb werden Signale über Fotokoppler übertragen, um das Rauschen des Motors zu blockieren.
Darüber hinaus werden sie auch für die Signalübertragung zwischen Geräten verwendet, die mit unabhängigen Stromversorgungen arbeiten. Insbesondere beim Anschluss an schwimmende Geräte besteht die Gefahr eines elektrischen Schlags, während beim Anschluss über einen Fotokoppler die Sicherheit gewährleistet werden kann, da das Gerät von schwimmenden Geräten isoliert ist.
Das Prinzip der Fotokoppler
Wie bereits erwähnt, ist ein Fotokoppler eine Einheit, die ein lichtemittierendes Element wie eine Leuchtdiode und ein lichtempfangendes Element wie einen Fototransistor kombiniert, wobei diese Elemente in einem Gehäuse eingeschlossen sind, das Licht von außen blockiert. Das lichtemittierende und das lichtempfangende Element sind nahe beieinander angebracht, und wenn das lichtemittierende Element eingeschaltet wird, wechselt das lichtempfangende Element vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand, was das Prinzip der Signalübertragung durch den Fotokoppler darstellt.
Die Vorrichtung, die das Signal ausgibt, ist mit dem Eingangsanschluss des Fotokopplers verbunden, und das lichtemittierende Element wird ein-/ausgeschaltet. Das Gerät, das das Signal empfängt, ist mit der Ausgangsklemme des Fotokopplers über einen Pull-up-Widerstand von einigen kΩ an die Stromversorgung angeschlossen. Bei dieser Konfiguration entspricht die Ausgangsklemme des Fotokopplers der Versorgungsspannung, wenn das lichtemittierende Element ausgeschaltet ist, und liegt bei etwa 0,1 V~0,3, wenn das lichtemittierende Element eingeschaltet ist.
Mit anderen Worten: Als Reaktion auf das Ein- und Ausschalten des lichtemittierenden Elements durch das Gerät, das das Signal ausgibt, erscheinen Impulse, die das Gerät auf der Empfangsseite empfängt und mit der Signalverarbeitung fortfährt. Auf diese Weise koppelt der Fotokoppler den Eingangs- und den Ausgangskreis über Licht, aber es besteht keine elektrische Verbindung zwischen ihnen und sie sind isoliert.
Arten von Fotokopplern
Es gibt verschiedene Arten von Fotokopplern mit unterschiedlichen Elementen, je nach Anwendung. Typische Elemente sind die folgenden
1. Fotokoppler mit Transistorausgang
Dies ist die Grundkonfiguration von Fotokopplern. Aufgrund ihres niedrigen Preises und ihrer Vielseitigkeit ist sie auf dem Markt immer noch am weitesten verbreitet. Es gibt Produkte mit verschiedenen Merkmalen wie hohem Umwandlungswirkungsgrad, hoher Spannungsfestigkeit und geringer Eingangsansteuerung. Sie haben eine breite Palette von Funktionen und ihre Hauptanwendungen sind Signaltrennung, Rückkopplungserkennung und isolierte Schalter.
2. Fotokoppler mit IC-Ausgang
Photokoppler sind integrierte Schaltungen mit einem lichtempfangenden Element, um eine hohe Geschwindigkeit und spezifische Funktionen zu erreichen. Fotokoppler mit IC-Ausgang lassen sich in drei weitere Kategorien einteilen:
- Produktgruppen für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Logiksignalen
- Produktgruppen mit einer Treiberfunktion für externe Leistungselemente
- Produktgruppen mit Strom-/Spannungsrückkopplungsfunktionen
3. Fotokoppler mit Triac-Ausgang
Verwendung als Trennschalter zur direkten Steuerung von Wechselstromlasten wie Motoren und Magneten, die direkt an kommerzielle 100-V- oder 200-V-Stromversorgungen angeschlossen sind, die in Haushalten, Büros und Fabriken verwendet werden. Durch die Verwendung von Triacs mit hoher Elementdurchbruchsspannung ist es möglich, Wechselstromlasten mit winzigen Strömen von etwa 10 oder mehr mA ein- und auszuschalten und sie gleichzeitig elektrisch zu isolieren.
Das Element allein kann nur Wechselströme von etwa 100 mA steuern, aber wenn es als Treiber für einen externen Triac verwendet wird, können Wechselströme von bis zu mehreren A gesteuert werden.
4. MOSFET-Ausgangsfotokoppler
Dieses Gerät verfügt über zwei MOSFETs, die in der Ausgangsstufe an der gemeinsamen Quelle angeschlossen sind, und hat die gleiche Funktionalität wie ein mechanisches Relais. Die Besonderheit des MOSFET besteht darin, dass er nicht nur als einfacher Schalter, sondern auch als Analogsignal-Schalter arbeiten kann.
Weitere Informationen über Fotokoppler
Leistungsschwankungen und Lebensdauer von Fotokopplern
Der Stromübertragungskoeffizient (CRT) ist ein charakteristischer Parameter von Fotokopplern. Der Stromübertragungsfaktor ist das Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom (IC) und dem Eingangsdurchlassstrom (IF) und entspricht dem Gleichstromverstärkungsfaktor (hFE) eines Transistors.
- Der Wert variiert mit IF
- Beeinflusst durch die Umgebungstemperatur
- Er nimmt mit der Zeit ab.
Dies muss beim Entwurf von Schaltungen berücksichtigt werden. Das heißt, wenn der Stromübertragungskoeffizient aufgrund von Umweltveränderungen oder im Laufe der Zeit schwankt, ändert sich der Ausgangsstrom, was zu Fehlfunktionen der Schaltung führen kann. Daher ist es wichtig, den ZF-Wert, den Widerstandswert des Pull-up-Widerstands usw. zu prüfen, damit Schwankungen des Signalpegels sie nicht beeinträchtigen.
Wenn der Optokoppler über einen längeren Zeitraum verwendet wird, nimmt der Stromübertragungskoeffizient allmählich ab und es wird kein ausreichendes Signal mehr ausgegeben. Die Hauptursache für die Abnahme des Stromübertragungskoeffizienten ist die fortschreitende Verschlechterung der LEDs, die zu einer Abnahme der Lichtausbeute führt.
Die Lebensdauer eines Fotokopplers ist in den Unterlagen des Geräteherstellers eindeutig angegeben, so dass das Modell und die Einsatzbedingungen unter Berücksichtigung dieser Angaben bestimmt werden müssen.