Optokoppler

Ein CTR-Wert gilt immer nur zusammen mit dem LED-Strom, bei dem er gemessen wurde – und der ist von Serie zu Serie verschieden. Das Stromübertragungsverhältnis (CTR) ist der Quotient aus Ausgangs- und Eingangsstrom; er fällt mit sinkendem LED-Strom stark ab, weshalb gleiche Klassenzahlen Verschiedenes bedeuten:

• SFH617A-3 und CNY17-3: 100–200 % bei IF = 10 mA, VCE = 5 V
• SFH618A-3: ebenfalls 100–200 %, aber schon bei IF = 1 mA, VCE = 0,5 V
• ISP817B und IS281B: 130–400 % bzw. 130–260 % bei IF = 5 mA
• CNY75B: 30 % Minimum – gemessen bei nur 1 mA
• 4N24: 40 % Minimum bei 10 mA; die SMD-Variante 4N24U nennt 100 % bei denselben 10 mA

Wie groß der Einfluss des Prüfstroms ist, steht zum Beispiel im Datenblatt der Serie SFH615A, das zwei Spalten für dieselbe Größe führt: Klasse -3 liefert mindestens 100 % bei 10 mA, aber nur noch 34 % bei 1 mA; bei Klasse -1 sind es 40 % gegenüber 13 %. Der Mindestwert fällt also auf etwa ein Drittel, wenn der LED-Strom um den Faktor zehn sinkt.

Vergleichen Sie deshalb nie die Prozentzahl allein, sondern immer das Wertepaar aus CTR und Prüfstrom – und legen Sie die Schaltung auf den Strom aus, den sie tatsächlich liefert, nicht auf den der Datenblatttabelle. Wenn Sie einen vorhandenen Typ ersetzen wollen, rechnen wir Ihnen die Angaben der infrage kommenden Serien auf denselben Prüfstrom um.

Der häufigste Grund ist kein Defekt im engeren Sinn, sondern ein weggelaufenes Stromübertragungsverhältnis: Die Infrarot-LED im Eingang verliert über die Betriebsstunden an Lichtleistung, der CTR sinkt, und irgendwann reicht der Ausgangsstrom nicht mehr aus, um die Folgestufe sicher durchzusteuern. Nach außen wirkt das wie ein plötzlicher Ausfall, obwohl nie ein Grenzwert verletzt wurde – und ein Austauschteil funktioniert zunächst wieder einwandfrei.

Drei Gegenmaßnahmen lassen sich aus den Datenblättern ableiten:

• Klasse mit Reserve wählen. Wer den Mindest-CTR gerade eben ausnutzt, hat vom ersten Tag an keine Alterungsreserve.
• Mit dem tatsächlichen LED-Strom rechnen, nicht mit dem Prüfstrom der Datenblatttabelle – der Unterschied kann den Faktor drei ausmachen.
• Sperrschichttemperatur senken. 125 °C ist die Grenze der hier gelisteten Serien; jedes Grad darunter verlängert die Lebensdauer der LED.

Eine Alterungsrate nennt keines der Datenblätter dieser Kategorie – der CTR ist dort ausschließlich im Neuzustand und bei 25 °C angegeben. Wir fragen die Degradationsdaten zu Ihrer Serie bei Isocom Components und OPTEK Technology (TT Electronics) an, bevor Sie die Reserve festlegen.

Der Ausgangstyp entscheidet, welches Signal ein Optokoppler überhaupt übertragen kann – nicht die Isolationsspannung und nicht der CTR. Im Sortiment stehen acht Bauarten mit klar verteilten Aufgaben:

• Fototransistor: langsame bis mittelschnelle Digitalsignale und Gleichstrom. Schaltzeiten im Bereich weniger Mikrosekunden, stark vom Lastwiderstand abhängig. Die mit Abstand größte Gruppe der Kategorie
  Beispiel: CNY17, SFH617A, ISP817, TLP521, 4N24
• Foto-Darlington: sehr kleine LED-Ströme. Ein CTR von mehreren hundert bis einigen tausend Prozent, dafür die trägste Flanke im Sortiment
  Beispiel: IS660, IS7000, ISP815, OPI123
• Logikgatter: schnelle Datenleitungen wie SPI, UART oder CAN. Definierte Logikpegel bis 10 Mbit/s, dafür eine eigene Versorgungsspannung und ein Abblockkondensator dicht am Bauteil
  Beispiel: 6N137, ICPL2601
• Schmitt-Trigger: verrauschte oder langsam ansteigende Flanken. Die eingebaute Hysterese zwischen Ein- und Ausschaltschwelle macht daraus eine saubere Kante
  Beispiel: H11L1
• Fototriac: Netzwechselstrom. Der Fototriac schaltet die Last nicht selbst, sondern zündet einen externen Leistungstriac
  Beispiel: die MOC-Serien, IS3021, IS6010
• Logikausgang im Hochspannungsgehäuse: Totem-Pole- oder Open-Collector-Pegel bei 15 bis 50 kV Trennspannung
  Beispiel: OPI125 bis OPI128, OPI155
• Foto-FET: kleine analoge Wechsel- und Gleichstromsignale. Ein lichtgesteuerter, galvanisch getrennter Widerstand von unter 100 Ω bis über 300 MΩ, verzerrungsarm und in beide Richtungen leitend
  Beispiel: H11F1
• Gate-Treiber: das Gate eines IGBT oder Leistungs-MOSFET direkt, ohne Treiberstufe dazwischen. Statt eines Transistors sitzt eine komplette Endstufe im Gehäuse – Spitzenströme im Ampere-Bereich und eine hohe Gleichtaktunterdrückung, damit die steile Schaltflanke des Leistungsschalters den Koppler nicht selbst umschaltet
  Beispiel: ICPL3120

Ebenso wichtige Bauarten, die diese Kategorie nicht führt, sind:

• Linearer Optokoppler mit Rückkopplungs-Fotodiode: überträgt eine Analogspannung servogeregelt, indem eine zweite Fotodiode die LED nachführt. Der Foto-FET stellt dagegen einen Widerstand ein – er überträgt keine Spannung.
• Kapazitive und induktive Isolatoren: oberhalb von rund 10 Mbit/s ist die optische Kopplung am Ende. Dort koppeln Isolatoren über ein elektrisches oder magnetisches Feld statt über Licht.
• Foto-MOSFET: schaltet die Last selbst mit kleinem Durchgangswiderstand und ist damit kein Optokoppler mehr, sondern ein Halbleiterrelais. Die Hersteller führen diese Typen folgerichtig als eigene Gruppe „Solid State Relays“.

Der Basisanschluss macht den Fototransistor von außen beschaltbar: Ein Widerstand von Basis nach Emitter leitet den Dunkelstrom ab, senkt die Empfindlichkeit und verkürzt die Abfallzeit. Derselbe Pin ist aber auch eine Antenne: Eine offene, hochohmige Basis nimmt Störungen auf und macht den Ausgang empfindlich für steile Spannungsflanken.

Die Regel daraus ist einfach: Wer keinen Basiswiderstand vorsieht, sollte die Basis gar nicht erst herausführen – ein offener Pin bringt in dieser Beschaltung nur Nachteile. Umgekehrt ist der Basisanschluss die einzige Möglichkeit, Empfindlichkeit und Schaltzeit eines fertigen Optokopplers nachträglich zu verschieben, ohne die Serie zu wechseln.

Am Nulldurchgangsschalter im Ausgang – und der steht nicht in der Bestellnummer, sondern in der ersten Zeile des Datenblatts. Typen mit Nulldurchgangsschaltung zünden oberhalb einer Inhibit-Spannung von 5 bis 20 V zwischen MT1 und MT2 überhaupt nicht mehr. Genau das ist ihr Zweck: Sie sollen die Last im Spannungsnulldurchgang einschalten, um Einschaltstrom und Störabstrahlung klein zu halten. Für Phasenanschnitt sind sie damit unbrauchbar – der häufigste Grund, warum ein Dimmer mit einem MOC3063 nicht funktioniert.

Im Sortiment verteilt sich das so:

• Ohne Nulldurchgang („random phase“): MOC3020 bis MOC3023, MOC3052, IS3021, IS3052, IS6010 – frei wählbarer Zündzeitpunkt, VDRM mindestens 400 V, dv/dt mindestens 1 000 V/µs
• Mit Nulldurchgang: MOC3040–3043 mit 400 V, MOC3060–3063 mit mindestens 600 V, MOC3080–3083 mit 800 V Sperrspannung

Die Endziffer bedeutet in allen vier MOC-Familien dasselbe – den Triggerstrom IFT: 0 = 30 mA, 1 = 15 mA, 2 = 10 mA, 3 = 5 mA. Ein MOC3023 und ein MOC3063 brauchen also denselben LED-Strom und verhalten sich trotzdem grundverschieden. Bei der Sperrspannung lohnt sich Reserve: Am 230-V-Netz liegt allein der Scheitelwert bei rund 325 V, sodass 400 V nur wenig Luft für Schaltspitzen lassen.

Ja – aber nicht mit jedem Typ. Am Eingang eines Optokopplers sitzt eine Leuchtdiode, und eine Leuchtdiode leitet nur in einer Richtung. Die negative Halbwelle liegt als Sperrspannung an ihr an, und davon vertragen gewöhnliche Serien nur wenige Volt – häufig 6 V, bei den hermetischen Typen sogar nur 2 V. Alles darüber zerstört die LED, auch wenn der Vorwiderstand den Vorwärtsstrom korrekt begrenzt. Ein gewöhnlicher Optokoppler scheitert an Wechselspannung also nicht an der Höhe des Signals, sondern an seiner Polarität.

Drei Wege führen zum Ziel:

• Ein Optokoppler mit AC-Eingang. Zwei antiparallel geschaltete Leuchtdioden im Gehäuse: Jede Halbwelle findet ihre eigene LED, die Polarität spielt keine Rolle mehr
  Beispiel: ISP620, SFH620A, IS280-4
• Eine Schutzdiode antiparallel zur LED bei einem gewöhnlichen Typ. Sie fängt die Sperrspannung ab, überträgt aber nur die positive Halbwelle – für eine reine Anwesenheitserkennung genügt das.
• Ein Foto-FET, wenn das Signal nicht nur erkannt, sondern verzerrungsarm übertragen werden soll. Er ist der einzige Ausgang dieser Kategorie, der bidirektional arbeitet und den Strom in beide Richtungen leitet
  Beispiel: H11F1

Drei Punkte bleiben in jedem Fall zu beachten. Der Ausgang folgt jeder Halbwelle: Am Fototransistor entsteht ein pulsierendes Signal mit doppelter Netzfrequenz, das die Auswertung glätten oder auszählen muss. Der Vorwiderstand muss die volle Halbwelle abfangen, nicht den Effektivwert – und die dabei anfallende Verlustleistung dauerhaft aushalten. Und die Isolationsspannung muss zur Anwendung passen, nicht zum Signal: Liegt Netzspannung am Eingang, entscheidet sie über die Schutztrennung. Wer Netzwechselspannung dagegen nicht erfassen, sondern schalten will, ist bei den Fototriac-Typen richtig.

Ein Optokoppler ersetzt ein Relais überall dort, wo ein Signal getrennt werden muss – nicht dort, wo Leistung geschaltet wird. Der Unterschied lässt sich an den Ausgangsströmen ablesen: Die Fototransistor-Typen dieser Kategorie sind auf 50 mA Kollektorstrom begrenzt, die Darlington-Typen auf 80 bis 150 mA, die Fototriacs auf 100 mA RMS Durchlassstrom. Ein Kleinrelais schaltet Ampere.

Wo der Optokoppler überlegen ist:

• Geschwindigkeit: zum Beispiel 10 Mbit/s beim 6N137 gegenüber Millisekunden beim Relais
• Kein mechanischer Verschleiß: kein Kontaktprellen, keine Funkenbildung, keine begrenzte Schaltspielzahl
• Steuerleistung: 1 bis 10 mA LED-Strom genügen, ein Relais braucht Spulenleistung und oft einen Treiber
• Bauraum und Geräusch: ein DIP-4 statt eines Relaisgehäuses, lautlos

Wo das Relais bleibt: bei Lastströmen im Ampere-Bereich, bei einem echten potentialfreien Kontakt ohne Leckstrom – der Optokoppler-Ausgang sperrt nie vollständig – und bei Anwendungen, die über Jahre einen unveränderten Schaltpunkt brauchen, denn der CTR driftet mit der Alterung der LED. Der übliche Kompromiss ist beides zusammen: Der Optokoppler trennt das Signal, ein Triac oder Transistor dahinter schaltet die Last. Genau dafür sind die Fototriac-Typen gebaut.

Ein Optokoppler darf bei 70 °C deutlich weniger umsetzen als bei 25 °C – und weniger, als die Summe der Einzelwerte vermuten lässt. In einem Optokoppler sitzen zwei Chips in einem Gehäuse, deshalb nennen die Datenblätter drei Grenzwerte: einen für die Eingangs-LED, einen für den Ausgang und einen für das gesamte Bauteil. Der dritte ist kleiner als die Summe der ersten beiden – beim H11L1 etwa stehen 70 mW und 150 mW gegen 170 mW gesamt, bei IS281, ISP321 und TLP321 sind es 70 + 150 mW gegen 200 mW. Beide Seiten gleichzeitig auszureizen ist damit ausgeschlossen.

Über die Temperatur entscheidet dann die Deratinggerade:

• SFH617A: 200 mW ab 25 °C, −2,67 mW/°C → rund 80 mW bei 70 °C
• H11L1: 170 mW ab 25 °C, −2,94 mW/°C → rund 38 mW bei 70 °C

Beim H11L1 lohnt ein Blick auf das Ende dieser Geraden: 170 mW ÷ 2,94 mW/°C ergibt 57,8 °C Spielraum, sie erreicht also bei rund 83 °C null – obwohl das Bauteil bis 85 °C spezifiziert ist. In den letzten zwei Grad ist rechnerisch keine Verlustleistung mehr zulässig. Beim SFH617A gehen Deratinggerade und Temperaturgrenze dagegen sauber zusammen: null bei 100 °C, exakt am Ende des Betriebsbereichs. Die Betriebstemperatur allein sagt also nichts darüber, was das Bauteil dort noch leisten darf.

Ja – in Parametern, die die Datenblätter selbst als wählbar ausweisen. Isocom Components vermerkt bei den meisten Serien „Custom electrical selections available“ bzw. „Special Selections are available on request“, OPTEK Technology (TT Electronics) führt die Optionen als eigene Bestellnummern:

• CTR-Klasse: enger selektierte Bins statt der Standardklassen
• Anschlussraster: Standard-DIP oder ein größeres Rastermaß für mehr Kriechstrecke – zum Beispiel 10,16 mm für mindestens 8,0 mm Kriechstrecke
• Montageart: bedrahtet, oberflächenmontierbar oder gegurtet
• Zulassungsvariante: zum Beispiel eine VDE-geprüfte Ausführung
• Screening-Stufe: Standard, TX oder TXV bzw. JAN, JANTX und JANTXV nach MIL-PRF-19500
• Isolationsabstand bei den LWL-Isolatoren: 18, 26, 32, 66 oder 80 mm. Die Ziffer in der Bestellnummer ist genau dieser Abstand in Millimetern, bei über 10 kV je Zoll.

Nennen Sie uns die Zielwerte Ihrer Anwendung – Trennspannung, LED-Strom, benötigter Ausgangsstrom, Umgebungstemperatur und Bauform –, dann klären wir mit Isocom und TT Electronics, welche Kombination herstellbar ist.