Optoelektronik Ein Optokoppler entkoppelt Störsignale

Ein Opotokoppler lässt sich nicht nur zur elektrischen Isolation verwenden, sondern er entkoppelt elektrische Störsignale. Ein Schwerpunkt stellt die elektromagnetische Verträglichkeit dar.

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Ein Optokoppler wird häufig für die sichere elektrische Isolation von Geräten oder Subsystemen entsprechend den Anforderungen nationaler und internationaler Sicherheitsstandards eingesetzt. Diese Aufgabe erfüllen Optokoppler in Geräten wie Stromversorgungen. Hier führen Funktionsblöcke lebensgefährlich hohe Spannungen und müssen gegenüber Niederspannungsblöcken, die für den Benutzer zugänglich sind, isoliert werden. Ebenfalls eingesetzt werden Optokoppler in Systemen, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen bestimmt sind.

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Hier ist es ihre Aufgabe, Daten optisch zu übertragen und Schalter optisch zu steuern. Dabei kommen zwei Eigenheiten der Optokoppler zugute: sie sind kostengünstig und beanspruchen wenig Platz. Dabei wird oft übersehen, dass Optokoppler sich nicht nur zur elektrischen Isolation, sondern auch zur Entkopplung von elektrischen Störsignalen eignen. Beide Funktionen ergänzen sich.

Der Optokoppler hilft der Design- und Prototypen-Iteration

Ziel ist es, unerwünschte Auswirkungen von Störsignalen sowohl auf der Leiterplattenebene als auch auf der Systemebene abzumildern. Sie separieren störsignalerzeugende und störempfindliche Schaltungen voneinander und ermöglichen es, Signale zwischen den beiden zu übertragen, ohne dass diese durch eine gemeinsame Masse miteinander verbunden sein müssen. Die Möglichkeit, einzelne Schaltungsteile innerhalb einer Baugruppe auf einfache und wirksame Weise voneinander zu separieren, kann die Design-Risiken bei Systemen, die sowohl störsignalproduzierende als auch störempfindliche Funktionsblöcke enthalten, erheblich reduzieren.

Die meisten Entwicklungsingenieure können, wenn man ihnen genügend Zeit lässt, eine solche Entkopplung ohne Optokoppler erreichen – durch Optimierung des Leiterplattenlayouts, Aufteilung der Gesamtschaltung auf mehrere Leiterplatten, effektive Filterung, geschickte Bauteilauswahl oder der Optimierung der Taktfrequenz. Mit einem geeigneten Optokoppler lässt sich das jedoch wesentlich einfacher bewerkstelligen. Er reduziert die Anzahl der notwendigen Design- und Prototypen-Iterationen auf ein Minimum. Das spart Zeit und verkürzt den Entwicklungszyklus.

Die Wirksamkeit der Störsignalunterdrückung eines Optokopplers hat sowohl funktionale als auch regulatorische Aspekte. Der funktionale Aspekt liegt auf der Hand: Störeinstreuungen können zur Folge haben, dass eine Schaltung oder ein elektrisches System nicht oder nicht immer richtig funktioniert. Der regulatorische Aspekt ist folgender: Nationale und internationale Behörden schreiben nicht nur vor, dass elektrische Systeme ordnungsgemäß zu funktionieren haben, sondern auch, dass sie den Betrieb von Rundfunk-/Fernsehgeräten und sonstigen elektrischen Geräten nicht stören dürfen. Darüber hinaus verlangen sie, dass elektrische Systeme unempfindlich gegenüber externen elektrischen und magnetischen Feldern sein müssen. Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV, im Englischen wird zwischen EMI, Electromagnetic Interference, und RFI, Radio Frequency Interference, unterschieden) soll dabei im Mittelpunkt stehen.

Optokoppler als wirksame EMV-Filter

Viele Systeme verwenden für die interne Kommunikation oder die Kommunikation mit anderen Systemen elektrische Schnittstellen, die über Kabel miteinander verbunden sind. Diese Kabel können als Antennen wirken, die elektronische Systeme auf zweierlei Weise negativ beeinflussen können: Sie können Störsignale aus der Umgebung aufnehmen und in das Zielsystem einkoppeln, oder sie wirken als Sendeantennen und strahlen HF-Energie in die Umgebung ab.

Im ersten Fall kann die unerwünschte HF-Einkopplung die Funktion des Zielsystems beeinträchtigen. Im letzteren Fall können die Hochfrequenzemissionen die durch EMV-Standards vorgegebenen Grenzwerte überschreiten oder externe Geräte in ihrer Funktion stören. Die Methoden zur Bekämpfung dieser beiden unerwünschten Phänomene lassen sich in drei Kategorien einteilen: Reduktion der von dem Störer produzierten Störstrahlung, Reduktion der Wirksamkeit der Sendeantenne und Verhinderung des Eindringens von Störstrahlung in empfindliche Geräte mit sperrigen und teuren Filtern oder Abschirmungen.

Die letztgenannte Methode ist nur von begrenzter Wirksamkeit und zudem so teuer, dass sie schon von daher kaum in Frage kommt. Optokoppler sind sehr wirksame Filter, da sie einerseits verhindern, dass HF-Störsignale in Kabel gelangen und dann abgestrahlt werden, und andererseits verhindern, dass Störsignale aus Kabeln in das Zielsystem eingekoppelt werden. Die Störsignalübertragung eines Optokopplers lässt sich sehr einfach modellieren: durch die sehr kleine effektive Kapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Kopplers.

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