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Ratgeber Optokoppler

Was sind Optokoppler?

Optokoppler sind optoelektronische Bauteile, die analoge oder digitale elektrische Signale in optische und dann wieder zurück in elektrische verwandeln. Optokoppler bestehen aus einer Kombination von geeigneten Leucht- oder Laserdioden auf Senderseite und einem Fototransistor bzw. einer Fotodiode auf der Empfängerseite. Um Störungen durch Fremdlicht zu verhindern, sind sämtliche Komponenten eines Optokopplers in einem undurchsichtigen Gehäuse untergebracht, das den Optokoppler auch vor mechanischer Beschädigung schützt.

Was für Optokoppler gibt es?

Optokoppler werden in verschiedenen Bauweisen angeboten. Es gibt Optokoppler in oberflächenmontierter Bauweise (SMD) oder auch für die Durchsteckmontage. Optokoppler können auch unterschiedliche Gehäuse haben (SO, SOIC, SOP, DIP, MDIP, SMO, Mini-Flat usw.).

Wovon hängt die Größe eines Optokopplers ab?

Um ein sicheres Funktionieren des Optokopplers zu gewährleisten, ist vor allem bei höheren Spannungen eine lange Isolationsstrecke vorzusehen. Deshalb benötigt ein Optokoppler je nach Isolationsspannung ausreichend lange Kriechstrecken an den Anschlüssen. Die Anzahl der Anschlussbeinchen (Lötpads) hängt von den Kanälen des Optokopplers ab: Hat der Optokoppler einen Kanal, so benötigt man mindestens vier Beinchen (zwei am Eingang, zwei am Ausgang), während mehrkanalige Optokoppler bis zu 16 solcher Beinchen besitzen können (jeweils vier pro Kanal). Andererseits haben Optokoppler mit mehreren Kanälen einen geringeren Platzbedarf auf der Leiterplatte, und auch die Bestückung ist bei solchen Optokopplern einfacher.

Wie sind Optokoppler gebaut?

Die Bauart eines Optokopplers hängt von seinem Verwendungszweck ab. Optokoppler können sich zum einen hinsichtlich der Isolationsspannung unterscheiden. Es gibt Optokoppler mit unterschiedlicher Schaltgeschwindigkeit, und auch die Strombelastbarkeit auf der Eingangs- wie Ausgangsseite eines Optokopplers ist spezifisch: Will man etwa mit einem Optokoppler signifikant höhere Ströme übertragen, als dies unter Verwendung von Fototransistoren oder Fotodioden möglich ist, so kann man auf Optokoppler zurückgreifen, die ein Triac eingebaut haben und ähnlich wie ein Solid-State-Relay (SSR) arbeiten.

Was ist der Unterschied zwischen linearen und digitalen Optokopplern?

Lineare Optokoppler sind speziell für die Übertragung von analogen Signalen vorgesehen. Dabei ermöglicht es ein spezieller Aufbau, Driftphänomene auszugleichen und zudem die Alterung des Optokopplers zu verlangsamen. Lineare Optokoppler besitzen oft einen zweiten Lichtempfänger, der als Referenz angesteuert wird und den Eingangspegel des Optokopplers adaptieren kann. Das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgabestrom des linearen Optokopplers wird dabei als sogenanntes Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (Current Transfer Ratio, CTR) bezeichnet. Digitale Optokoppler erzeugen je nach Eingangspegel unterschiedlich hohe Pegel am Ausgang, daher ist bei diesen Optokopplern der für einen Pegelwechsel minimal benötigte Stromwert entscheidend.

Was ist bei der Auswahl des richtigen Optokopplers zu beachten?

Für die Übertragung von analogen Signalen ist bei einem linearen Optokoppler die Möglichkeit zur ausgangsseitigen Adaptierung des Pegels unverzichtbar. Digitale Optokoppler müssen je nach Eingangspegel zuverlässig hohe bzw. niedrige Ausgangspegel erzeugen können. Eine reine „on-off“-Funktionalität ist charakteristisch für Optokoppler, bei denen ein Triac integriert ist, diese sind daher insbesondere für hohe Ströme vorzuziehen. Weiterhin haben Optokoppler mit einem Triac relativ niedrige Innenwiderstände, zeichnen sich durch eine geringe Verlustleistung aus und benötigen daher auch weniger Kühlung. Dies hat wiederum einen positiven Effekt auf den Gesamtstromverbrauch und verlängert daher die Batterielebensdauer. Natürlich müssen die Optokoppler jeweils die benötigte Zulassung für die entsprechenden Netzspannungen besitzen. Auch die jeweiligen Kriechstrecken müssen strikt den Vorschriften entsprechen, um die benötigten Sicherheitsabstände zu gewährleisten. Ansonsten steht zu befürchten, dass der Betrieb des Optokopplers nicht störungsfrei ablaufen oder gar zu Unfällen führen könnte.

Worauf kommt es beim Kauf eines Optokopplers an?

Vorrangig spielt natürlich die vorgesehene Verwendung des Optokopplers eine zentrale Rolle. Handelt es sich um anspruchsvolle mess- oder regelungstechnische Aufgaben, so sind linearisierte Optokoppler mit hoher zeitlicher Stabilität und besonders präzisen Verhalten gefragt. Genügt dagegen eine weniger genaue Pegelübertragung, so kommen auch konventionelle Optokoppler infrage. Konkret ist bei der Auswahl des richtigen Optokopplers zunächst auf die benötigte Isolationsspannung zu achten, außerdem darf am Ausgang der für die jeweilige Anwendung vorgesehene Maximalstrom nicht überschritten werden. Es wird auch dringend empfohlen, die Bandbreite des Optokopplers großzügig zu dimensionieren, um entsprechende Reserven zur Verfügung zu haben.

Lohnt ein Blick ins Datenblatt des Optokopplers?

Das Datenblatt eines Optokopplers spezifiziert unter anderem die maximale Schaltfrequenz des Optokopplers, diese liegt je nach Typ zwischen wenigen Kilohertz und einigen Gigahertz. Weiterhin lassen sich dem Datenblatt die Ein- und Abschaltzeiten des Optokopplers und die Bandbreite für bestimmte Eingangsströme spezifiziert. Hinsichtlich der Grenzfrequenz des Optokopplers ist zu beachten, dass sich die zugehörigen Angaben immer auf ein ideales Szenario mit genau spezifizierten Treiberstrom beziehen. Dies bedeutet, dass bei einem Optokoppler, der in der Nähe seiner Grenzfrequenz arbeitet, schon kleinere Unstimmigkeiten etwa im Design zu Unterbrechungen in der Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal führen können.

Was ist beim Austausch von Optokopplern zu beachten?

Bei der Reparatur von Optokopplern, insbesondere den Austausch nicht mehr funktionsfähiger Bauteile, kommt es vor allem auf die Bauform des Optokopplers an. Ist das auszutauschende Bauteil konventionell verdrahtet, dann muss das jeweilige Rastermaß des Optokopplers übereinstimmen. Im Fall von SMD-Bausteinen sind vor allem die Größe und Positionierung der Beinchen entscheidend. Ferner ist zu überprüfen, ob die Austauschteile die notwendigen Prüfzeichen tragen und die Einhaltung der entsprechenden Normen garantiert ist. Optokoppler, die bei Voelkner erworben werden, erfüllen selbstverständlich diese Anforderungen. Es handelt sich bei ihnen um Optokoppler, die qualitativ hochwertig, zuverlässig und langlebig sind.

Wie lange lassen sich Optokoppler verwenden?

Optokoppler sind grundsätzlich verschleißfrei, jedenfalls im Hinblick auf mechanische Abnutzung. Wie alle elektronischen Bauelemente altern aber natürlich auch Optokoppler. Dies kann insbesondere die Senderseite des Optokopplers betreffen, da sich zum Beispiel die Lichtleistung von Leucht- und Laserdioden im Lauf der Zeit vermindert. Andererseits kann man durch geeignete Maßnahmen auch eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer von Optokopplern erzielen, zum Beispiel im Falle analoger Optokoppler durch entsprechend niedrige Eingangsströme, die sich deutlich unterhalb des maximal zulässigen Werts bewegen.
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