Optokoppler Grundlagen: Funktion, Typen und praktische Anwendungen

Was ist ein Optokoppler?

Als PCB-Designer, Ingenieur oder Hobbyist stehen Ihnen eine Vielzahl von Schaltern, Relais und Kopplern zur Verfügung, um Ihre Leiterplatte anzupassen. Angesichts der vielen verfügbaren Bauteile und Optionen auf dem Markt fällt die Entscheidung oft schwer, welches Bauteil sich am besten für das eigene Projekt eignet.

So fragen Sie sich vielleicht, was ein Optokoppler eigentlich tut und wie er sich von anderen Relais unterscheidet. Dieser Leitfaden soll genau diese Fragen klären. Wir beleuchten den Optokoppler, seine verschiedenen Typen und wie er Ihnen und Ihrem Projekt nützen kann.

Funktionsweise und Aufbau

Optokoppler werden unter vielen Namen geführt: Optoisolator, Photokoppler, optischer Koppler, optischer Isolator oder einfach Optokoppler. Gelegentlich hört man auch den Begriff "Optionen". Im Grunde sind Optokoppler integrierte elektronische Bauelemente. Die einfachste Bauform besteht aus einem rechteckigen Gehäuse mit vier Anschlüssen. Jeder Pin repräsentiert ein Teilsystem: Der erste Pin ist die Anode, der zweite die Kathode, der dritte der Kollektor und der vierte der Emitter.

Optokoppler Grundlagen: Funktion, Typen und praktische Anwendungen — LTV-816 1-Kanal Optoisolator (Quelle: Wikimedia Commons)

Eine kreisförmige Kerbe an der Gehäuseecke nahe Pin 1 dient der Orientierung. Auf dem Gehäuse befindet sich zudem die Bauteilbezeichnung, über die sich der Typ identifizieren und das Hersteller-Datenblatt finden lässt.

Ein Optokoppler ist im Wesentlichen ein Halbleiterrelais, das zwei separate elektronische Schaltungen miteinander verbindet. Die erste Schaltung liegt an den Pins 1 und 2 (Anode/Kathode), die zweite an den Pins 3 und 4 (Kollektor/Emitter). Damit kann die erste Schaltung die zweite steuern – ohne elektrischen Kontakt.

Aufgrund ihres Aussehens werden Optokoppler leicht mit integrierten Schaltkreisen (ICs) verwechselt, besonders bei TRIAC-Optokopplern.

Wie funktioniert ein Optokoppler?

Die Hauptaufgabe eines Optokopplers ist die Signalübertragung zwischen zwei galvanisch getrennten Schaltungen. Dies ist eines seiner wichtigsten Merkmale. Spannungsspitzen und Störungen in einer Schaltung können ohne diese Isolation auf die zweite Schaltung übergreifen und Schäden verursachen. Der Optokoppler verhindert dies.

Durch seine Halbleiterstruktur lässt der Optokoppler Elektronen nur in eine Richtung fließen. Dadurch können die beiden verbundenen Schaltungen mit unterschiedlichen Spannungen und Strömen arbeiten.

Diese galvanische Trennung erweitert die Möglichkeiten Ihrer Schaltung erheblich. So lässt sich beispielsweise ein Transistor in der zweiten Schaltung hinzufügen, ohne die erste zu beeinflussen. Damit können höhere Spannungen und Ströme geschaltet werden. Auch eine Automatisierung der Schaltungssteuerung durch zusätzliche Bauteile wird möglich.

Der Aufbau eines Phototransistor-Optokopplers

Optokoppler gibt es in vielen Ausführungen. Zur Verdeutlichung konzentrieren wir uns auf die gängige Phototransistor-Variante.

Im Schaltbild erkennen Sie links das Symbol einer LED und rechts das eines Transistors. Der Phototransistor ist im Grunde ein modifizierter Transistor. Deshalb heißen die Anschlüsse auf der Transistorseite Kollektor und Emitter, auf der LED-Seite Anode und Kathode.

Ein normaler Transistor hat drei Anschlüsse (Basis, Kollektor, Emitter). Beim Phototransistor fehlt der Basisanschluss. Statt eines elektrischen Signals an der Basis steuert Licht der internen LED den Transistor. Das Licht trifft auf die Basis-Emitter-Strecke des Transistors, schaltet ihn leitend und lässt Strom im Hauptstromkreis fließen. Der Optokoppler reagiert also auf optische statt elektrische Signale.

Im Inneren können die Bauteile übereinander (vertikal) oder nebeneinander (horizontal) angeordnet sein.

Da das Innere meist nicht einsehbar ist, können wir die Funktionsweise mit einem einfachen Nachbau nachvollziehen – dazu später mehr. Zunächst betrachten wir die gängigen Typen.

Typen von Optokopplern

Es gibt sechs Haupttypen, die sich durch ihre Lichtsender und Empfänger unterscheiden:

Widerstands-Optokoppler (Vactrols): Älteste Bauform. Verwendeten Glühlampen, Neonlampen oder GaAs-IR-LEDs als Sender und Cadmiumsulfid als empfindliches Element. Sind langsam und heute praktisch obsolet.
Dioden-Optokoppler: Nutzen GaAs-IR-LEDs und Silizium-Photodioden (oft PIN-Dioden). Sind die schnellsten Optokoppler.
Transistor-Optokoppler: Ebenfalls GaAs-IR-LEDs als Sender, aber bipolare Silizium-Phototransistoren oder Darlington-Phototransistoren als Empfänger. Schneller als Widerstands-, aber langsamer als Dioden-Typen.
Optoisolierte SCR (Silicon Controlled Rectifier): Infrarot-LED plus Thyristor. Mittlere Schaltgeschwindigkeit, aber gute Übertragungsverhältnisse.
Optoisolierte TRIAC: Infrarot-LED plus Triac für Wechselstrom. Nicht besonders schnell, aber sehr hohe Stromübertragungsverhältnisse (CTR).
Halbleiterrelais (Solid State Relays): Stapel aus GaAs-IR-LEDs und Photodioden, die MOSFETs oder IGBTs ansteuern. Sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und praktisch unbegrenzte Stromübertragungsverhältnisse.

Einfacher Optokoppler-Nachbau

Bauteilliste:

Lichtabhängiger Widerstand (LDR), 50–100 kΩ
Weiße LED, 3 V, 20 mA
Rote LED, 2 V, 20 mA
2 × 9-V-Blockbatterie
Schalter
Widerstand 300 Ω
2 × Widerstand 150 Ω (oder 1 × 300 Ω)

Aufbau und Erklärung:

Dieser einfache Optokoppler nutzt einen lichtabhängigen Widerstand (LDR) und eine weiße LED. Der LDR ändert seinen Widerstand je nach Lichteinfall: Im Dunkeln hochohmig, bei hellem Licht niederohmig. Er fungiert hier als Fotoempfänger.

Primärkreis (Steuerkreis): Die weiße LED benötigt 3 V bei 20 mA. An 9 V muss der Vorwiderstand 6 V abfallen: (9 V – 3 V) / 0,02 A = 300 Ω. Der Kreis besteht aus Batterie, Schalter, 300-Ω-Widerstand und weißer LED.

Sekundärkreis (Lastkreis): Eine rote LED (2 V, 20 mA) dient als Anzeige. Der LDR wird direkt neben die weiße LED positioniert. Bei Beleuchtung sinkt sein Widerstand auf ca. 70 Ω. Der Sekundärkreis wird mit der zweiten 9-V-Batterie gespeist. Der Vorwiderstand für die rote LED: (9 V – 2 V) / 0,02 A = 350 Ω – realisiert durch zwei 150-Ω-Widerstände in Reihe (300 Ω) oder einen 300-Ω-Widerstand (etwas höherer Strom).

Wichtig: LDR und weiße LED müssen mit schwarzem Isolierband umwickelt oder in völliger Dunkelheit betrieben werden, um Störlicht auszuschließen.

Wird der Schalter im Primärkreis betätigt, leuchtet die weiße LED, der LDR wird niederohmig, und die rote LED im Sekundärkreis leuchtet auf. Das Licht der weißen LED übernimmt die Funktion eines elektrischen Signals in einem Schalter. Dieses Experiment veranschaulicht das Prinzip anschaulich. Eine Verbesserung wäre der Einsatz von Infrarot-Sender und -Empfänger statt sichtbarem Licht.