Was ist ein Optoisolator und wie funktioniert er?

Ein Optoisolator (auch bekannt als Optokoppler, Fotokoppler, Optokoppler) ist ein Halbleiterbauelement, das mithilfe von Licht ein elektrisches Signal zwischen isolierten Schaltkreisen überträgt.

Diese elektronischen Komponenten werden in einer Vielzahl von Kommunikations- und Überwachungssystemen verwendet, die durch elektrische Isolierung verhindern, dass Hochspannungssender die Schaltkreise mit geringerer Leistung, die ein Signal empfangen, beeinträchtigen.

Das Schema eines Optoisolators besteht aus einem Emitter, in diesem Fall einer Infrarot-Leuchtdiode (IRED) oder Laserdiode für die Übertragung des Eingangssignals und einem Fotosensor (oder Fototransistor) für den Signalempfang. Auf diese Weise kann das Eingangssignal entweder elektrische Energie erzeugen oder einen elektrischen Strom modulieren, der von einem elektronischen Gerät oder einer anderen Stromversorgung kommt.

Wenn der Eingangsstrom an die LED-Fotodiode (ein üblicher Fotosensortyp) angelegt wird, wird Infrarotlicht erzeugt und durch das Material im optischen Isolator geleitet. Der Strahl durchläuft einen transparenten Spalt und wird vom Empfänger aufgenommen, der als Konverter fungiert. Durch die Signaltrennung ist der Sensor in der Lage, das modulierte Licht wieder in ein Ausgangssignal umzuwandeln.

Die Eingangsseite von Optoisolatoren könnte ein Fotowiderstand, eine Fotodiode, ein Fototransistor, ein siliziumgesteuerter Gleichrichter oder ein Triac sein. Ein optogekoppeltes Halbleiterrelais enthält einen Fotodioden-Optoisolator, der einen Leistungsschalter auf der Ausgangsseite ansteuert, normalerweise ein komplementäres MOSFET-Paar.

Elektronische Geräte wie Mikrocontroller, Leiterplatten und Transformatoren sind Spannungsspitzen durch Hochfrequenzübertragungen, Blitzeinschlägen und Spannungsspitzen der Stromversorgung ausgesetzt.

Optoisolatoren auf Fotowiderstandsbasis wurden erstmals 1968 in der Audio- und Musikindustrie eingesetzt, um Störungen in Geräten wie Gitarrenverstärkern zu vermeiden. Optoisolatoren bieten eine sichere Möglichkeit, Hochspannungskomponenten und Niederspannungsgeräte proportional zusammenarbeiten zu lassen.

Der Optoisolator ist in einem einzigen Gerät untergebracht (siehe Bild) und sieht aus wie ein integrierter Schaltkreis oder ein Transistor mit zusätzlichen Anschlüssen. Durch Automatisierung können Unternehmen Optokoppler verwenden, um Schaltkreise mit geringer Leistung von Ausgangsschaltkreisen mit höherer Leistung zu isolieren und elektrisches Rauschen aus Signalen zu entfernen.

Optoisolatoren eignen sich am besten zur Spannungstrennung von digitalen Signalen, können aber auch zur Übertragung analoger Signale verwendet werden.

Die Isolierung einer Datenrate von mehr als 1 Megabit pro Sekunde (Mbps) gilt als Hochgeschwindigkeit. Die am häufigsten verfügbare Geschwindigkeit für digitale und analoge Optoisolatoren beträgt 1 Mbit/s, obwohl auch digitale Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s und 15 Mbit/s verfügbar sind.

Optoisolatoren gelten für viele moderne digitale Anwendungen als zu langsam, doch Forscher haben seit den 1990er Jahren Alternativen geschaffen.

In der Kommunikation werden Hochgeschwindigkeits-Optoisolatoren in Stromversorgungen für Server und Telekommunikationsanwendungen eingesetzt – beispielsweise Power over Ethernet (PoE)-Technologie für kabelgebundene Ethernet-LANs. Optoisolator-Komponenten können auch Ethernet- und Glasfaserkabel vor elektrischen Überspannungen schützen. In VoIP-Telefonen können elektrische Signale mithilfe eines Optokopplers mit Transistorausgang isoliert werden.

Auch wenn es nicht mehr üblich ist, Modems zum Anschluss an Telefonleitungen zu verwenden, ermöglicht die Verwendung von Optoisolatoren den Anschluss eines Computers an eine Telefonleitung, ohne dass das Risiko einer Beschädigung durch Überspannungen oder Spannungsspitzen besteht. In diesem Fall werden im analogen Teil des Geräts zwei Optoisolatoren eingesetzt: einer für Upstream-Signale und der andere für Downstream-Signale. Wenn in der Telefonleitung eine Überspannung auftritt, ist der Computer davon nicht betroffen, da der optische Spalt keinen elektrischen Strom leitet.