Worum es geht: Ein Signal übertragen, ohne dass die beiden Seiten einen Draht gemeinsam haben — mit einem Optokoppler.
Wozu du das brauchst: Jede Schaltung dieses Kurses hat stillschweigend eine gemeinsame Masse vorausgesetzt. Bei langen Leitungen, fremden Anlagen oder Störquellen daneben gilt das nicht mehr, und dann macht der Massedraht mehr Ärger als das Signal.
Danach kannst du: einen Optokoppler auf beiden Seiten dimensionieren, mit CTR und seiner Alterung rechnen, und einschätzen, wo er zu langsam wird.
Die stille Voraussetzung
Jede Schaltung dieses Kurses hat bisher etwas vorausgesetzt, ohne es je zu erwähnen: eine gemeinsame Masse. Ein Signal ist nichts weiter als eine Spannung, und eine Spannung ist immer eine Differenz zu etwas. Ohne gemeinsamen Bezugspunkt bedeutet «3.3 V» gar nichts.
Drei Fälle, in denen diese Voraussetzung nicht mehr gilt:
- Lange Leitungen. Zwischen zwei Masseanschlüssen, die zwanzig Meter Kabel trennen, liegen leicht einige Volt Differenz — Ausgleichsströme, die anderswo fliessen, machen aus dem Massedraht einen Spannungsteiler.
- Zwei getrennte Anlagen. Ein Sensor an einer fremden Maschine hat seine eigene Versorgung. Die beiden Massen zu verbinden heisst, eine Schleife zu bauen, durch die Ströme fliessen, die niemand bestellt hat.
- Störquellen. Ein Motor oder ein Schaltregler auf derselben Masse verteilt seinen Dreck an alle.
In allen drei Fällen willst du das Signal übertragen, ohne einen leitenden Weg.
Im Inneren des Bauteils sitzen zwei Dinge, die sich nicht berühren. Links eine Leuchtdiode, rechts ein Fototransistor; die gestrichelte Linie dazwischen ist der Isolator, und die beiden Pfeile sind das Licht, das die einzige Verbindung darstellt.
Links steuert der GPIO über einen Vorwiderstand von 220 Ω die LED gegen die erste Masse. Rechts liegt der Fototransistor mit 2.2 kΩ an 5 V; der Ausgang wird am Kollektor abgegriffen, der Emitter liegt an einer zweiten, getrennten Masse.
Die beiden Massen heissen im Bild GND1 und GND2, und zwischen ihnen ist kein Draht. Das ist der ganze Punkt.
Die Eingangsseite kennst du schon
Die LED im Optokoppler ist eine ganz gewöhnliche LED, und ihr Vorwiderstand wird genauso gerechnet wie in Modul 7 des Grundkurses. Mit einer Flussspannung von 1.2 V und einem Zielstrom von 10 mA:
R = (3.3 V − 1.2 V) / 10 mA = 210 Ω → E24: 220 Ω
Mit dem Normwert fliessen tatsächlich:
I(F) = 2.1 V / 220 Ω = 9.55 mA
Keine neue Rechnung, kein zweiter Erklärungsanlauf — dieselbe Formel, dieselben drei Schritte.
Die Ausgangsseite: CTR
Neu ist, wie viel auf der anderen Seite ankommt. Die Kennzahl heisst CTR, current transfer ratio: das Verhältnis von Kollektorstrom zu LED-Strom, angegeben in Prozent.
Bei einem üblichen Typ liegt CTR bei 50 % im ungünstigsten Fall:
I(C) = 50 % · 9.55 mA = 4.77 mA
So viel könnte der Fototransistor liefern. Wie viel wirklich nötig ist, bestimmt der Kollektorwiderstand — er muss den Ausgang auf unter 0.3 V ziehen können:
I(nötig) = (5 V − 0.3 V) / 2.2 kΩ = 2.14 mA
Verfügbar 4.77 mA, nötig 2.14 mA. Der Faktor zwei ist die Reserve, und die brauchst du.
CTR wird schlechter, und zwar planmässig
Die CTR-Angabe im Datenblatt ist ein Anfangswert. Zwei Dinge verschlechtern ihn:
- Alterung. Die LED wird über Jahre schwächer. Nach 50 000 Betriebsstunden können 50 % vom ursprünglichen CTR übrig sein.
- Kleiner LED-Strom. CTR ist nicht konstant; unterhalb weniger Milliampere fällt er deutlich ab.
Deshalb wird mit CTR(min) gerechnet, nicht mit dem typischen Wert, und deshalb legt man mit Faktor zwei bis drei Reserve aus. Eine Schaltung, die frisch aufgebaut gerade eben funktioniert, funktioniert in zwei Jahren nicht mehr — und dieser Fehler ist besonders unangenehm, weil er sich langsam einschleicht.
Zwei Eigenschaften, die überraschen
Das Signal ist invertiert. LED an heisst Fototransistor leitet heisst Kollektor unten. Aus High wird Low. Das ist kein Fehler, sondern die Bauart — man muss es nur wissen, bevor man sich über die Logik wundert.
Optokoppler sind langsam. Der Fototransistor braucht einige Mikrosekunden zum Ein- und wieder Ausschalten, und das Ausschalten dauert länger als das Einschalten. Für einen Taster, ein Relaissignal oder eine langsame serielle Verbindung ist das gleichgültig. Für einen schnellen Bus nicht.
| Anwendung | Optokoppler geeignet? |
|---|---|
| Schaltsignal, Taster, Alarm | ja, ohne Einschränkung |
| UART bis 115 kBd | ja, mit einem schnellen Typ |
| I²C oder SPI | nein — dafür gibt es digitale Isolatoren |
Die drei Zeilen nennen serielle Schnittstellen: UART (universal asynchronous receiver-transmitter) überträgt ohne eigene Taktleitung zwischen zwei Teilnehmern, SPI (serial peripheral interface) mit Taktleitung und hoher Geschwindigkeit, und I²C ist der Bus aus Modul 8.
Digitale Isolatoren übertragen nicht mit Licht, sondern über ein winziges Übertragerpaar im Gehäuse. Sie sind schneller, teurer und für dieselbe Aufgabe gedacht.
Worum es hier nicht geht
Optokoppler werden auch dort eingesetzt, wo eine Trennung aus Sicherheitsgründen vorgeschrieben ist. Das ist ein eigenes Fachgebiet mit eigenen Normen und kein Thema dieser Kursreihe.
Hier geht es ausschliesslich um Kleinspannung und um Störfreiheit: zwei Massen, die nicht zusammengehören, sollen nicht verbunden werden. Was ein Optokoppler sonst noch trennen kann, steht in anderen Büchern.
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.Ein Optokoppler mit CTR(min) = 50 % wird mit 9.55 mA durch die LED betrieben. Der Kollektorwiderstand beträgt 2.2 kΩ an 5 V. Reicht das?
2.Warum eignet sich ein gewöhnlicher Optokoppler nicht für einen I²C-Bus?