Optokoppler in der Leistungselektronik: Sicherheit, Isolation und Funktionalität vereint

Maßgeschneiderte Optokoppler-Lösungen für Ihre Stromversorgungsanwendungen – zertifiziert, robust und exakt auf Ihre Leistungselektronik abgestimmt.
Als Spezialist für Entwicklung und Fertigung von Stromversorgungen mit hoher Performance und EMV-Konformität liefern wir Ihnen nicht nur die passenden Systeme, sondern auch tiefgehendes Know-how zur optimalen galvanischen Trennung mittels Optokopplern. Ob Standard- oder Hochleistungsoptokoppler – wir entwickeln passgenaue Konzepte für Ihre Industrie-, Medizin- oder Automatisierungsanwendung.

Was ist ein Optokoppler?

Ein Optokoppler, auch Optoisolator genannt, ist ein Halbleiterbauelement, das zwei elektrische Schaltungen mittels Lichtsignal galvanisch voneinander trennt. Diese Isolation erfolgt innerhalb eines kompakten, lichtdichten Gehäuses, in dem sich mindestens eine infrarote Leuchtdiode (IR-LED) und ein lichtempfindlicher Empfänger befinden. Wird auf der Eingangsseite Strom durch die LED geschickt, emittiert diese Licht, das über einen transparenten Isolator den Empfänger aktiviert – in der Regel ein Phototransistor, eine Photodiode oder ein Phototriac.

Diese Technologie eignet sich hervorragend zur Übertragung von Steuer-, Regel- und Feedbacksignalen zwischen unterschiedlichen Potentialbereichen, wie sie in primär- und sekundärseitigen Stromversorgungstopologien üblicherweise vorkommen. Dabei bietet der Optokoppler Schutz vor Überspannung, Masseverschleppung, EMV-Störungen sowie transienten Ereignissen, wie sie in der industriellen Umgebung alltäglich sind.

Optokoppler
Optokoppler

Typische Einsatzgebiete:

  • Optisch isoliertes Feedback in Flyback- oder Vorwärtswandlern
  • Gleichtaktfeste Gate-Treiber für IGBT- oder MOSFET-Endstufen
  • Netzspannungsfeste Steuerung via Optotriac in SSR
  • Lineare optische Verstärker für analoge Messübertragung
  • Entkopplung digitaler Kommunikationssignale zwischen Microcontroller und Netzseite
  • Gleichtakt-Störfestigkeit (CMTI, Common Mode Transient Immunity), besonders relevant für Gate-Treiber >25 kV/µs

Wie funktioniert ein Optokoppler technisch?

Optokoppler arbeiten mit der Umwandlung eines elektrischen Signals in Licht, welches einen auf der Ausgangsseite befindlichen Halbleiter steuert. Dieser Halbleiter detektiert das Lichtsignal und wandelt es wieder in ein elektrisches Signal um. Die beiden Seiten sind elektrisch vollkommen voneinander getrennt. Die Kopplungskapazität liegt im Bereich weniger Pikofarad, was zu einer exzellenten Gleichtaktunterdrückung führt.

Typen und physikalische Prinzipien:

  • Phototransistor-Optokoppler: Die am weitesten verbreitete Bauart. Der Ausgangsphototransistor verhält sich wie ein Stromverstärker, der durch den Lichtstrom der LED angesteuert wird. Die Stromübertragungskennzahl (CTR, Current Transfer Ratio) definiert das Verhältnis zwischen LED-Strom und Kollektorstrom des Transistors. Typische CTR-Werte liegen zwischen 20 % und 600 %, abhängig vom Typ, der Temperatur und dem Alter.
  • Photodarlington-Optokoppler: Diese beinhalten zwei hintereinandergeschaltete Transistoren zur Erhöhung der Verstärkung, jedoch auf Kosten der Geschwindigkeit. Schaltzeiten liegen im Mikrosekundenbereich.
  • Photovoltaik-Optokoppler: Bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Photodioden, erzeugen sie eine Ausgangsspannung (typischerweise 7–8 V) bei Lichteinfall. Damit lassen sich MOSFETs direkt ansteuern. Solche Koppler sind essenziell in Solid-State-Relais und isolierten Hochvolt-Gate-Treibern.
  • Phototriac-Optokoppler: Diese zünden einen Halbleiter-Triac auf der Netzseite. Sie arbeiten mit Zero-Cross-Erkennung zur Vermeidung hoher Einschaltströme. Ihre dV/dt-Festigkeit ist entscheidend für EMV-feste Anwendungen.
  • Lineare Optokoppler: Spezielle Ausführungen wie der IL300 verwenden eine zweite Photodiode zur optischen Gegenkopplung, wodurch lineare Spannungsverstärkung mit hoher Genauigkeit möglich ist.

 

Wichtig für die Auslegung:

  • CTR-Degradation durch LED-Alterung
  • Temperaturabhängigkeit der LED-Emission und Phototransistor-Verstärkung
  • Schaltflanken (tr, tf) typ. 2–10 µs für Transistor-Optokoppler
  • Isolationsspannung, z. B. 3750 V RMS nach UL1577
  • Gleichtakt-Störfestigkeit (CMTI), besonders relevant für Gate-Treiber >25 kV/µs

Herausforderungen bei der galvanischen Trennung in Stromversorgungen

Unsere individuelle Lösung mit Optokoppler-basierter Leistungselektronik

Wir entwickeln und liefern leistungsstarke, normgerechte Stromversorgungen mit optisch entkoppelter Signaltechnik – exakt auf Ihre Anforderungen abgestimmt wird.

Zukunftssicherheit und technische Tiefe: So isolieren Sie richtig

Optokoppler sind ein zentraler Bestandteil zukunftssicherer Stromversorgungssysteme. Ihre korrekte Auswahl und Integration erfordert fundiertes Wissen über Isolationsanforderungen.

Isolationsart
Definition
Typische Anwendung
Min. Kriechstrecke (250 V AC, Verschmutzungsgrad 2)
Bemerkungen
Funktionsisolation
Nur für die Funktion, ohne Schutz gegen elektrischen Schlag
Interne Signalkopplung
ca. 0,4 mm
Keine Personensicherheit
Basisisolation
Einfache Schutzisolation
Netzteil Primär/Sekundär (mit Schutzleiter)
2,5 mm (je nach Materialgruppe)
Kombiniert mit Schutzleiter ausreichend
Zusatzisolation
Zweite unabhängige Isolation
Teil doppelter Isolation
2,5 mm
Wird mit Basis kombiniert
Doppelte Isolation
Kombination aus Basis- und Zusatzisolation
Schutzklasse II
≥5 mm
Kein Schutzleiter erforderlich
Verstärkte Isolation
Einzelne Isolation mit Schutzwirkung wie doppelte Isolation
Medizintechnik, Schaltnetzteile
5–8 mm
Muss Kriech-/Luftstrecken, Impulstests, Teilentladung erfüllen

Wir verwenden nur Komponenten mit UL1577, IEC 60747-5-5, VDE 0884-11 Zertifikat. Dies erleichtert die Konformität mit IEC 62368-1, 60601-1 und 61010-1.

Wir lösen diese Herausforderungen mit maßgeschneiderter Entwicklung:

Sie planen eine Stromversorgung mit galvanischer Trennung, ein isoliertes Gate-Treibermodul oder ein Netzteil mit anspruchsvoller Sicherheitszertifizierung?

Dann sprechen Sie mit unseren Experten. Gemeinsam analysieren wir Ihre Anforderungen und erstellen ein maßgeschneidertes Konzept mit normkonformen Optokoppler-Lösungen