Optokoppler

Eine Steuerung soll erkennen, ob an einem 24-V-Sensor Spannung anliegt, ohne dass die 24-V-Welt mit dem Mikrocontroller elektrisch verbunden ist. Ein Schaltnetzteil muss die Ausgangsspannung messen und die Information zurück auf die Netzseite bringen – über eine Grenze, an der auf der einen Seite 230 V liegen und auf der anderen eine berührbare USB-Buchse. Für beides ist der Optokoppler das klassische Bauteil: Er überträgt ein Signal mit Licht und hält dabei die beiden Seiten elektrisch vollständig getrennt.

Aufbau und Funktionsweise

In einem Optokoppler sitzen ein Lichtsender und ein Lichtempfänger einander gegenüber, eingegossen in ein lichtdichtes Gehäuse. Der Sender ist fast immer eine Infrarot-LED, der Empfänger meist ein Fototransistor. Fließt Strom durch die LED, fällt ihr Licht auf den Empfänger, und dieser leitet. Zwischen den beiden Chips liegt ein durchsichtiger Kunststoff, der das Licht leitet, aber isoliert – je nach Bauart von einigen Zehntel Millimetern bis über einen Millimeter dick.

Weil nur Licht die Grenze überquert, sind Eingang und Ausgang galvanisch getrennt: Es gibt keinen leitenden Pfad, die beiden Seiten können auf völlig verschiedenen Potentialen liegen. Masseschleifen werden aufgetrennt, Störungen und gefährliche Spannungen bleiben auf ihrer Seite. Die Grundidee findest du auch unter Optoelektronik.

Schaltzeichen und Anschlüsse

Im Schaltzeichen siehst du die beiden Bauteile nebeneinander in einem Rahmen: links die LED mit Pfeilen nach außen, rechts den Empfänger, dazwischen zwei Pfeile, die das Licht andeuten. Der weit verbreitete PC817 im vierpoligen DIP-Gehäuse hat diese Belegung: 1 Anode, 2 Kathode, 3 Emitter, 4 Kollektor. Sechspolige Typen wie der 4N35 führen zusätzlich die Basis des Fototransistors heraus; ein Pin bleibt frei.

Kennwerte

Der wichtigste Kennwert ist das Stromübertragungsverhältnis CTR (Current Transfer Ratio), auch Koppelfaktor genannt:

Es sagt, wie viel Ausgangsstrom I_C ein bestimmter LED-Strom I_F hervorruft. Am Beispiel des PC817:

Der CTR streut stark von Exemplar zu Exemplar, sinkt mit steigender Temperatur und – wichtig für langlebige Geräte – mit dem Alter. Die LED verliert über Jahre an Lichtleistung, besonders wenn sie mit hohem Strom und warm betrieben wird. Hersteller geben Alterungskurven an; als Faustregel planst du mit der Hälfte des kleinsten Datenblattwerts.

Die Isolationsprüfspannung ist eine kurzzeitige Prüfung, keine Dauerspannung. Für Netzanwendungen zählen zusätzlich die dauerhaft zulässige Arbeitsspannung sowie Luft- und Kriechstrecken außen am Gehäuse: DIP-Gehäuse haben etwa 7 mm zwischen den Pinreihen, Breitgehäuse mit gespreizten Beinen 8 mm und mehr. Nach welchen Regeln du Abstände auf der Platine planst, zeigen Schutzmaßnahmen und der Rechner Leiterabstand.

Bauformen und Varianten

Nach dem Empfänger unterscheidet man:

• Transistorausgang (PC817, 4N35): universell, langsam (einige µs), CTR einige zehn bis hundert Prozent.
• Darlington-Ausgang (4N33): CTR über 500 %, dafür noch langsamer und mit höherer Sättigungsspannung.
• Logikausgang (6N137, schnelle Digitalkoppler): Fotodiode mit Verstärker und Schmitt-Trigger, Datenraten bis etwa 10 Mbit/s, braucht eine Versorgung auf der Ausgangsseite.
• Triac-Ausgang (MOC3021, MOC3041 mit Nullspannungsschalter): steuert einen Leistungs-Triac am Netz an.
• Fotovoltaischer Ausgang: Eine Kette winziger Solarzellen erzeugt aus dem Licht genug Spannung, um ein MOSFET-Gate anzusteuern. Das ist der Kern vieler Halbleiterrelais.
• Linearkoppler mit zwei abgeglichenen Fotodioden für analoge Signale.

Für sehr schnelle Datenübertragung gibt es heute auch digitale Isolatoren, die kapazitiv oder magnetisch statt optisch koppeln. Sie sind schneller und altern nicht, brauchen aber auf beiden Seiten eine Versorgung.

Optokoppler dimensionieren

Die Standardschaltung trennt einen Signaleingang von einem Mikrocontroller: Eingangsseitig ein Vorwiderstand vor der LED, ausgangsseitig ein Pull-up am Kollektor, der Emitter an der Masse des Controllers.

Den LED-Vorwiderstand rechnest du wie bei jeder LED, siehe LED-Vorwiderstand berechnen:

Liegt am Eingang womöglich eine falsch gepolte Spannung, schützt eine Diode antiparallel zur LED (Kathode an Anode) deren empfindliche Sperrschicht. Der Ausgang invertiert: Liegen 24 V an, leitet der Transistor und der Controller liest Low.

Auswahl und Praxistipps

Für digitale Signale bis einige Kilohertz – Schaltereingänge, Netzerkennung, Rückmeldungen – genügt ein PC817 oder ähnlicher Typ. Für serielle Schnittstellen oder PWM nimmst du einen Logik-Optokoppler oder digitalen Isolator. Für Netzspannung prüfst du Isolationsklasse, Zulassungen und Kriechstrecken des Gehäuses.

Häufige Fehler:

• Mit dem typischen statt dem kleinsten CTR gerechnet: Dann funktioniert die Schaltung mit dem Musterbauteil, aber nicht mit jedem aus der Serie.
• Alterung vergessen: Nach Jahren im warmen Gerät schaltet der Ausgang nicht mehr sicher durch.
• Massen doch verbunden: Eine gemeinsame Masse über das Messgerät, den Programmieradapter oder eine Schirmung hebt die Trennung auf.
• Kriechstrecke auf der Platine ignoriert: Die Leiterbahnen unter dem Bauteil oder eine Masseebene, die unter dem Koppler hindurchläuft, verkürzen den Abstand. Unter dem Gehäuse gehört bei Netzanwendungen ein kupferfreier Streifen hin, oft mit Schlitz.
• Zu schnell betrieben: Ein Transistorkoppler mit großem Pull-up verschleift Flanken; Signale über einige Kilohertz kommen verzerrt an.

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