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Opto-Isolatoren mit WiderstandBearbeiten

Die ersten Opto-Isolatoren, ursprünglich als Lichtzellen vermarktet, kamen in den 1960er Jahren auf. Sie verwendeten Miniatur-Glühbirnen als Lichtquellen und Cadmiumsulfid- (CdS) oder Cadmiumselenid- (CdSe) Fotowiderstände (auch lichtabhängige Widerstände genannt) als Empfänger. Bei Anwendungen, bei denen die Linearität der Steuerung nicht wichtig war oder bei denen der verfügbare Strom für den Betrieb einer Glühlampe zu gering war (wie es bei Röhrenverstärkern der Fall war), wurde diese durch eine Neonlampe ersetzt. Diese Geräte (oder nur ihre LDR-Komponente) wurden gemeinhin als Vactrols bezeichnet, nach einer Marke von Vactec, Inc. Das Warenzeichen ist inzwischen zu einem Gattungsbegriff geworden, aber die ursprünglichen Vactrols werden immer noch von PerkinElmer hergestellt.

Die Ein- und Ausschaltverzögerung einer Glühlampe liegt im Bereich von Hunderten von Millisekunden, was die Glühlampe zu einem effektiven Tiefpassfilter und Gleichrichter macht, aber den praktischen Modulationsfrequenzbereich auf einige Hertz begrenzt. Mit der Einführung von Leuchtdioden (LEDs) in den Jahren 1968-1970 ersetzten die Hersteller Glüh- und Neonlampen durch LEDs und erreichten Reaktionszeiten von 5 Millisekunden und Modulationsfrequenzen bis zu 250 Hz. Der Name Vactrol wurde auf LED-basierte Geräte übertragen, die auch 2010 noch in kleinen Mengen hergestellt werden.

Die in Opto-Isolatoren verwendeten Fotowiderstände beruhen auf Bulk-Effekten in einer einheitlichen Halbleiterschicht; es gibt keine p-n-Übergänge. Einzigartig unter den Fotosensoren sind Fotowiderstände nichtpolare Bauelemente, die sowohl für Wechsel- als auch für Gleichstromschaltungen geeignet sind. Ihr Widerstand sinkt im umgekehrten Verhältnis zur Intensität des einfallenden Lichts, von praktisch unendlich bis zu einem Restwert, der unter hundert Ohm liegen kann. Diese Eigenschaften machten den ursprünglichen Vactrol zu einem praktischen und preiswerten automatischen Verstärkungsregler und Kompressor für Telefonnetzwerke. Die Fotowiderstände hielten problemlos Spannungen bis zu 400 Volt stand, was sie ideal für die Ansteuerung von Vakuumleuchtstoffanzeigen machte. Weitere industrielle Anwendungen waren Fotokopierer, industrielle Automatisierung, professionelle Lichtmessgeräte und automatische Belichtungsmesser. Die meisten dieser Anwendungen sind heute überholt, aber resistive Opto-Isolatoren haben sich eine Nische im Audiobereich, insbesondere bei Gitarrenverstärkern, bewahrt.

Amerikanische Gitarren- und Orgelhersteller der 1960er Jahre setzten den resistiven Opto-Isolator als praktischen und preiswerten Tremolo-Modulator ein. Die frühen Tremolo-Effekte von Fender verwendeten zwei Vakuumröhren; nach 1964 wurde eine dieser Röhren durch einen Optokoppler aus einem LDR und einer Neonlampe ersetzt. Bis heute sind Vactrols, die durch Betätigung des Pedals der Stompbox aktiviert werden, in der Musikindustrie allgegenwärtig. Der Mangel an Original-Vactrols von PerkinElmer zwang die DIY-Gitarrengemeinde, ihre eigenen resistiven Opto-Isolatoren zu bauen. Gitarristen bevorzugen bis heute optoisolierte Effekte, weil ihre überlegene Trennung von Audio- und Steuermasse zu einer „inhärent hohen Klangqualität“ führt. Allerdings ist die Verzerrung, die ein Fotowiderstand bei einem Line-Level-Signal verursacht, höher als die eines professionellen, elektrisch gekoppelten, spannungsgesteuerten Verstärkers. Die Leistung wird außerdem durch langsame Schwankungen des Widerstands aufgrund der Lichtgeschichte beeinträchtigt, ein Gedächtniseffekt, der den Cadmiumverbindungen eigen ist. Solche Schwankungen brauchen Stunden, um sich einzupendeln, und können nur teilweise durch Rückkopplung in der Steuerschaltung ausgeglichen werden.

Fotodioden-OptoisolatorenBearbeiten

Ein schneller Fotodioden-Optoisolator mit einer ausgangsseitigen Verstärkerschaltung.

Dioden-Optoisolatoren verwenden LEDs als Lichtquellen und Silizium-Fotodioden als Sensoren. Wenn die Fotodiode mit einer externen Spannungsquelle in Sperrrichtung vorgespannt wird, erhöht das einfallende Licht den durch die Diode fließenden Sperrstrom. Die Diode selbst erzeugt keine Energie, sondern moduliert den Energiefluss aus einer externen Quelle. Diese Betriebsart wird als photoleitender Modus bezeichnet. Alternativ wandelt die Diode bei fehlender externer Vorspannung die Lichtenergie in elektrische Energie um, indem sie ihre Anschlüsse auf eine Spannung von bis zu 0,7 V auflädt. Die Ladungsrate ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Die Energie wird durch Ableitung der Ladung über einen externen Pfad mit hoher Impedanz gewonnen; das Verhältnis der Stromübertragung kann 0,2 % erreichen. Diese Betriebsart wird als photovoltaischer Modus bezeichnet.

Die schnellsten Opto-Isolatoren verwenden PIN-Dioden im photoleitenden Modus. Die Reaktionszeiten von PIN-Dioden liegen im Subnanosekundenbereich; die Gesamtgeschwindigkeit des Systems wird durch Verzögerungen bei der LED-Ausgabe und in der Vorspannungsschaltung begrenzt. Um diese Verzögerungen zu minimieren, enthalten schnelle digitale Opto-Isolatoren ihre eigenen LED-Treiber und Ausgangsverstärker, die auf Geschwindigkeit optimiert sind. Diese Geräte werden als Volllogik-Optoisolatoren bezeichnet: Ihre LEDs und Sensoren sind vollständig in einer digitalen Logikschaltung gekapselt. Die Gerätefamilie 6N137/HPCL2601 von Hewlett-Packard mit internen Ausgangsverstärkern wurde in den späten 1970er Jahren eingeführt und erreichte Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 10 MBd. Sie blieb ein Industriestandard bis zur Einführung der 7723/0723-Familie von Agilent Technologies mit 50 MBd im Jahr 2002. Die Opto-Isolatoren der Serie 7723/0723 enthalten CMOS-LED-Treiber und einen CMOS-Pufferverstärker, die zwei unabhängige externe Stromversorgungen mit jeweils 5 V benötigen.

Photodioden-Opto-Isolatoren können für die Kopplung analoger Signale verwendet werden, obwohl ihre Nichtlinearität das Signal immer verzerrt. Eine spezielle Klasse von analogen Opto-Isolatoren, die von Burr-Brown eingeführt wurde, verwendet zwei Fotodioden und einen eingangsseitigen Operationsverstärker, um die Nichtlinearität der Dioden zu kompensieren. Eine der beiden identischen Dioden wird in die Rückkopplungsschleife des Verstärkers geschaltet, wodurch das Gesamtstromübertragungsverhältnis unabhängig von der Nichtlinearität der zweiten (Ausgangs-)Diode konstant gehalten wird.

Am 3. Juni 2011 wurde eine neuartige Idee für einen besonderen optischen Analogsignalisolator eingereicht. Die vorgeschlagene Konfiguration besteht aus zwei verschiedenen Teilen. Eines davon überträgt das Signal, und das andere stellt eine Gegenkopplung her, um sicherzustellen, dass das Ausgangssignal die gleichen Eigenschaften wie das Eingangssignal hat. Der vorgeschlagene analoge Isolator ist über einen großen Bereich von Eingangsspannung und Frequenz linear. Lineare Optokoppler, die nach diesem Prinzip arbeiten, gibt es jedoch schon seit vielen Jahren, zum Beispiel den IL300.

Festkörperrelais, die mit MOSFET-Schaltern aufgebaut sind, verwenden in der Regel einen Fotodioden-Optokoppler zur Ansteuerung des Schalters. Das Gate eines MOSFET benötigt eine relativ geringe Gesamtladung, um sich einzuschalten, und sein Leckstrom ist im stationären Zustand sehr gering. Eine Fotodiode im photovoltaischen Modus kann die Einschaltladung in relativ kurzer Zeit erzeugen, aber ihre Ausgangsspannung ist um ein Vielfaches geringer als die Schwellenspannung des MOSFET. Um den erforderlichen Schwellenwert zu erreichen, enthalten Halbleiterrelais Stapel von bis zu dreißig in Reihe geschalteten Fotodioden.

Fototransistor-OptoisolatorenBearbeiten

Fototransistoren sind von Natur aus langsamer als Fotodioden. Der älteste und langsamste, aber immer noch gebräuchliche Opto-Isolator 4N35 hat beispielsweise Anstiegs- und Abfallzeiten von 5 μs an einer 100-Ohm-Last, und seine Bandbreite ist auf etwa 10 Kilohertz begrenzt – ausreichend für Anwendungen wie Elektroenzephalographie oder Pulsbreiten-Motorsteuerung. Bauelemente wie PC-900 oder 6N138, die in der ursprünglichen Spezifikation für die digitale Schnittstelle von Musikinstrumenten aus dem Jahr 1983 empfohlen werden, ermöglichen digitale Datenübertragungsgeschwindigkeiten von mehreren zehn Kilobaud. Fototransistoren müssen richtig vorgespannt und belastet werden, um ihre Höchstgeschwindigkeiten zu erreichen. Der 4N28 beispielsweise arbeitet mit optimaler Vorspannung mit bis zu 50 kHz und ohne Vorspannung mit weniger als 4 kHz.

Die Entwicklung mit Transistor-Optoisolatoren erfordert großzügige Toleranzen für die starken Schwankungen der Parameter, die bei handelsüblichen Geräten auftreten. Solche Schwankungen können destruktiv sein, z. B. wenn ein Opto-Isolator in der Rückkopplungsschleife eines DC/DC-Wandlers seine Übertragungsfunktion ändert und unerwünschte Oszillationen verursacht, oder wenn unerwartete Verzögerungen in Opto-Isolatoren einen Kurzschluss auf einer Seite einer H-Brücke verursachen. In den Datenblättern der Hersteller sind in der Regel nur Worst-Case-Werte für kritische Parameter aufgeführt; die tatsächlichen Geräte übertreffen diese Worst-Case-Schätzungen auf unvorhersehbare Weise. Bob Pease hat beobachtet, dass das Stromübertragungsverhältnis in einer Charge von 4N28 von 15 % bis zu mehr als 100 % variieren kann, obwohl im Datenblatt nur ein Minimum von 10 % angegeben ist. Transistor-Beta in derselben Charge kann von 300 bis 3000 variieren, was zu einer 10:1-Varianz in der Bandbreite führt.

Opto-Isolatoren, die Feldeffekttransistoren (FETs) als Sensoren verwenden, sind selten und können wie Vactrols als ferngesteuerte analoge Potentiometer verwendet werden, vorausgesetzt, die Spannung über dem FET-Ausgangsanschluss überschreitet nicht einige hundert mV. Opto-FETs schalten sich ein, ohne Schaltladungen in den Ausgangskreis zu injizieren, was besonders in Abtast- und Halteschaltungen nützlich ist.

Bidirektionale Opto-IsolatorenBearbeiten

Alle bisher beschriebenen Opto-Isolatoren sind unidirektional. Der optische Kanal funktioniert immer in eine Richtung, von der Quelle (LED) zum Sensor. Die Sensoren, seien es Fotowiderstände, Fotodioden oder Fototransistoren, können kein Licht aussenden. LEDs sind jedoch, wie alle Halbleiterdioden, in der Lage, einfallendes Licht zu detektieren, was die Konstruktion eines bidirektionalen Opto-Isolators aus einem LED-Paar ermöglicht. Der einfachste bidirektionale Opto-Isolator besteht lediglich aus einem Paar LEDs, die einander gegenüberliegen und mit Schrumpfschlauch zusammengehalten werden. Falls erforderlich, kann der Abstand zwischen zwei LEDs mit einem Glasfasereinsatz vergrößert werden.

LEDs im sichtbaren Spektrum haben eine relativ schlechte Übertragungseffizienz, daher sind GaAs, GaAs:Si und AlGaAs:Si-LEDs im nahen Infrarotspektrum die bevorzugte Wahl für bidirektionale Geräte. Bidirektionale Opto-Isolatoren, die um Paare von GaAs:Si-LEDs herum aufgebaut sind, haben ein Stromübertragungsverhältnis von etwa 0,06 % entweder im photovoltaischen oder im photoleitenden Modus – weniger als Photodioden-basierte Isolatoren, aber ausreichend praktisch für reale Anwendungen.