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Ein '''Optokoppler''' ist ein Bauelement der [[Optoelektronik]] und dient zur Übertragung eines Signals zwischen zwei [[galvanische Trennung|galvanisch getrennten]] [[Stromkreis]]en. Er besteht üblicherweise aus einer [[Leuchtdiode]] (LED) oder [[Laserdiode]] (LD) als optischem Sender und einer [[Photodiode]] oder einem [[Fototransistor]] als optischem Empfänger. Die Sende- und Empfängerbauelemente sind untereinander optisch gekoppelt in einem von außen lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht.

Mit Optokopplern können sowohl [[Digitalsignal|digitale]] als auch [[Analogsignal|analoge Signale]] übertragen werden. Von Optokopplern zu unterscheiden sind [[Relais#Halbleiterrelais|Halbleiterrelais]], welche als Bauteil zur galvanischen Trennung einen Optokoppler enthalten können und primär in der elektrischen Energietechnik eingesetzt werden. Optokoppler unterscheiden sich von [[Gabelkoppler]]n und [[Lichtschranke]]n, da sie über ein von außen lichtundurchlässiges Gehäuse verfügen und nicht für optisch abtastende Anwendungen gebaut wurden. Ebenso haben '''Reflexkoppler''' und [[Lichtschranke#Reflexions-Lichttaster|Reflextaster]] einen nach außen gerichtete Sender und Empfänger und dienen zum Erkennen nahegelegener reflektierender Flächen.

== Geschichte ==
[[Datei:OEP series optocouples.jpg|mini|Zwei Vactrol in historischer Bauform mit Glühlampe und CdS-Fotowiderstand]]
Die ersten Optokoppler wurden 1963 von Ivars G. Akmenkalns et al. bei der Firma [[IBM]] entwickelt und waren resistive Optokoppler, auch als '''Vactrol''' bezeichnet, die in den ersten Versionen kleinere [[Glühlampe]]n oder [[Glimmlampe]]n als Sendeelement und einen [[Fotowiderstand]] als Empfängerelement in einem lichtundurchlässigen Metallgehäuse verwendet haben.<ref name="akmen1"/> Vactrol wurden unter anderem in analogen Schaltungen wie [[Analogfilter]] oder in [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärkerschaltungen]] wie [[Gitarrenverstärker]] zur Steuerung der Kennlinie eingesetzt. Vactrol weisen eine geringe Grenzfrequenz von 1…200 Hz auf.<ref name="perk1"/>

Seit Mitte der 1970er Jahre werden Optokoppler als elektronisches Bauelement in Gehäusen angeboten, die denen von [[Chipgehäuse]]n gleichen, wie beispielsweise das [[Dual in-line package]] (DIP). Für hohe Isolationsspannungen ab etwa 4 [[Volt (Einheit)|kV]] werden auch langgestreckte Gehäusebauformen gefertigt. Zur sicheren Netztrennung werden Optokoppler teils mit vergrößertem Abstand der Anschlüsse gefertigt, um auf [[Leiterplatte]]n eine [[Kriechstrecke]] von 8 mm zwischen den Anschlüssen von Sender und Empfänger einhalten zu können. Die Kriechstrecke unter dem Optokoppler kann auch mit einem Schlitz verlängert werden, wenn die Abstände der Lotpads nicht ausreichen.

{{Absatz}}

== Aufbau ==
[[Datei:Optoisolator topologies both.svg|mini|Schnittdarstellung von Optokopplern<br />oben: ''Face to face'', unten: ''coplanar'' mit galvanischer Isolierung]]
Entweder stehen sich Sender und Empfänger direkt gegenüber ({{EnS|''Face-to-face design''}}) oder befinden sich in einer Ebene ({{EnS|''Coplanar design''}}). Besonders im letzteren Fall wird der Lichtstrahl ähnlich wie beim [[Lichtwellenleiter]] durch Reflexion übertragen.

Als Sender werden [[Leuchtdiode]]n oder [[Laserdiode]]n verwendet, die im optimalen Empfangsbereich von Silicium-basierten Empfängern arbeiten (um 850 nm Wellenlänge). Als Empfänger werden [[Phototransistor]]en oder [[Photodiode]]n eingesetzt.

So genannte PhotoMOS-Relais verwenden eine [[Serienschaltung]] von Photodioden die im photovoltaischen Betrieb wie eine [[Solarzelle]] betrieben werden, um mit der Spannung [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor|MOSFET]] zu schalten; Damit können kleine und große Gleich- und Wechselströme geschaltet werden.

Optokoppler können als [[Triac]]s ausgeführt sein und als ''Optotriac''<ref>Datenblatt MOC302</ref> oder ''Phototriac'' funktionieren oder mit Triacs und [[Photothyristor]]en zusammen geschaltet werden. Damit erhält man ein Halbleiterrelais ({{EnS|''Solid State Relais''}}) zum Schalten von Netzwechselspannung.

{{Absatz}}

== Kennwerte ==
[[Datei:Optoisolator Pinout.svg|mini|Schaltsymbol, mit Fototransistor als Ausgang]]
[[Datei:Optokoppler.gif|mini|Funktionsprinzip]]
Bei analogen Optokopplern gibt das [[Gleichstrom-Übertragungsverhältnis]] ({{EnS|''current transfer ratio''}}, CTR) das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsstrom bei Gleichstromsignalen oder niedrigen Signalfrequenzen an. Die Werte liegen je nach Empfänger zwischen 0,1…0,5 % (Photodiode), 2…120 % ([[Phototransistor]]) und 1.000…15.000 % (mit [[Darlington-Transistor]])<ref>https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD852.pdf</ref>. Dieser Wert ist insbesondere bei Einsatz von Phototransistoren erheblich stromabhängig. Weiterhin ist er temperaturabhängig und verringert sich mit der Alterung des Bauelements. Eine Reduktion der Helligkeit um mehr als 50 % bei der Leuchtdiode infolge Alterung gilt als Fehler.<ref name="fairchild1"/> Bei digitalen Optokopplern wird kein CTR angegeben, sondern ein LED-Mindeststrom, der zum Pegelwechsel am Ausgang erforderlich ist.

Die Isolationsspannung ist abhängig von Abstand und Anordnung von Sender und Empfänger, dem Isolationswerkstoff und dem Abstand der Anschlüsse. Übliche Isolationsspannungen sind 200 V, 500 V, 1,5 kV, 2,5 kV, 4 kV oder 5 kV, in Sonderfällen bis zu 25 kV.

Der [[Isolationswiderstand]] zwischen dem Eingang und dem Ausgang ist sehr hoch und beträgt bis zu 10<sup>13</sup> [[Ohm (Einheit)|Ω]].

Der Strom gängiger Optokoppler beträgt 50 mA durch die [[Infrarot-LED]], um den Fototransistor voll auszusteuern.<ref>Datenblatt PC817</ref> Seltener verbaute Optokoppler für einen Ansteuerungsstrom bis 10 mA benutzen dafür einen integrierten [[Darlingtontransistor]].<ref>Datenblatt PC8171</ref>

Die [[Grenzfrequenz]] ist die höchste Arbeitsfrequenz, bei der ein Optokoppler noch arbeiten kann. Je nach Typ liegt dieser Kennwert zwischen einigen kHz und einigen GHz. Optokoppler mit Fototransistoren haben eine Grenzfrequenz im unteren Bereich, im Wesentlichen durch die langsamen Fototransistoren begrenzt (Beispiel: FOD852 von [[Fairchild Semiconductor]]: 7 kHz). Optokoppler mit LEDs und Photodioden haben eine Grenzfrequenz von 10 [[MHz]] und darüber, im Wesentlichen durch die Ansteuerung und die Leuchtdiode begrenzt. Optokoppler mit Laserdioden, meist [[VCSEL]], und Photodioden haben eine Grenzfrequenz von einigen GHz, im Wesentlichen durch die Laserdioden-Treiber und die Eingangsstufe der Photodioden begrenzt.

Leuchtdioden vertragen nur [[Sperrspannung]]en von ca. 5 V, bei Fototransistoren liegt die zulässige Sperrspannung bei 30 V bis 50 V. Digitale Optokoppler arbeiten empfängerseitig meist an einer Spannung von 5 V.

CMTI (Common mode transient Immunity) ist die Impulsfestigkeit des Optokopplers und wird in kV/µs angegeben. Sie wird durch die Kapazität zwischen Sender und Empfänger und durch eine ggf. vorhandene [[Abschirmung (Elektrotechnik)|Abschirmung]] bestimmt.

{{Absatz}}

== Einsatzgebiete ==
[[Datei:Opto-isolator (aka).jpg|mini|hochkant=0.6|Digitaler Optokoppler im [[Dual in-line package|DIL]]-8-Gehäuse]]
[[Datei:CNY21N.jpg|mini|hochkant=0.6|Optokoppler mit 8 kV Stoßspannungsfestigkeit]]
Optokoppler werden unter anderem dort eingesetzt, wo Stromkreise galvanisch voneinander getrennt werden und eine Information, wie ein Steuersignal, über die elektrisch isolierende Trennstrecke übertragen werden muss. Einsatzbeispiele sind:

Analoge Signalübertragung:
* Galvanisch vom Stromnetz getrennte Stromversorgungen, wie Schaltnetzteile zur Regelung der Ausgangsspannung. Dabei wird die sekundärseitige Ausgangsspannung gemessen, die Abweichung der Ausgangsspannung zum Sollwert, beispielsweise als Folge von Laständerungen, wird über einen Optokoppler auf die Primärseite übertragen, wo das [[Tastverhältnis]] oder die Steuerfrequenz so verändert wird, dass die Ausgangsspannung am Sollwert gehalten werden kann. Keine Anforderung an die Linearität.
* bei hohen Linearitätsanforderungen werden Optokoppler mit einer zweiten, möglichst gleichen Fotodiode verwendet, die im Rückführkreis des LED-Treiberverstärkers liegt; siehe [[Trennverstärker#Arbeitsprinzipien|Trennverstärker]].
Digitale Signalübertragung:
* Bei [[Schnittstelle]]nkarten von Computern müssen die Stromkreise elektrisch voneinander getrennt werden, da die miteinander verbundenen Geräte unterschiedliche [[Masse (Elektronik)|Massepotenziale]] haben können.
* Baugruppen, die vor transienten [[Überspannung (Elektrotechnik)|Überspannungen]] und Gleichtakt-Störimpulsen geschützt werden müssen, haben oft Optokopplung ihrer Ein- und Ausgänge. Beispiele sind [[Speicherprogrammierbare Steuerung]]en (SPS).
* [[Musical Instrument Digital Interface]] (MIDI) zur Vermeidung von [[Brummschleife]]n

== Alternativen ==
Als Alternative gibt es [[Isolationsverstärker]] und digitale Koppler, die mit induktiver oder kapazitiver Übertragung arbeiten und damit eine galvanische Trennung erreichen. Diese Übertragungsverfahren können im Gegensatz zu Optokopplern keine Gleichpegel direkt übertragen, daher ist eine zusätzliche [[Modulation (Technik)|Modulation]] des zu übertragenden analogen Signals im Isolationsverstärker notwendig. Induktive Koppler übertragen mit den Signalen elektrisch induzierte Energie auf die andere Seite.

Als Alternative zur potentialgetrennten Übertragung von Wechselspannungen und Impulsen können [[Übertrager]] dienen.

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor = [[Ulrich Tietze]], Christoph Schenk
|Titel = Halbleiter-Schaltungstechnik
|Verlag= Springer |Jahr = 2002 | Auflage = 12. | Ort = Berlin | ISBN = 978-3-540-42849-7 }}
* {{Literatur
|Autor = [[Stefan Goßner]]
|Titel = Grundlagen der Elektronik
|Verlag= Shaker
|Jahr = 2019
|Auflage = 11.
|Ort = Aachen
|ISBN = 978-3-8440-6784-2 }}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Opto-isolators|Optokoppler}}
{{Wiktionary}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="akmen1">{{Patent | Land = US | V-Nr = 3417249 | Titel = Four terminal electro-optical logic device | A-Datum = 1963-12-30 | V-Datum = 1968-12-17 | Erfinder = Ivars G. Akmenkalns, Raymond J. Wilfinger, Alan D. Wilson | Anmelder = IBM }}</ref>
<ref name="perk1">{{Internetquelle | url = http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/perkinelmer/VT500.pdf | titel = Photoconductive Cells and Analog Optoisolators (Vactrols), Seite 28 ff. | hrsg = PerkinElmer | zugriff = 2015-01-27 }}</ref>
<ref name="fairchild1">{{Internetquelle |url=https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-3001.pdf |titel=Application Note AN-3001: Optocoupler Input Drive Circuits, Seite 2 |hrsg=Fairchild Semiconductor Corporation |zugriff=2015-01-27}}</ref>
</references>

[[Kategorie:Halbleiterbauelement]]
[[Kategorie:Optoelektronik]]

Optokoppler - Versionsgeschichte

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