Optokoppler Widerstände richtig wählen

Eine Optokoppler-Schaltung zu entwerfen ist einfach. Aber wie üblich sind einige Punkte zu beachten, damit das Design auch robust ist und störungsfrei arbeitet – zum Beispiel die Wahl der Arbeitswiderstände.

Beim Entwurf einer Optokoppler-Schaltung (Bild 1) muss ein Entwickler zuallererst auf die Versorgungsspannung achten. Nur weil im Schaltplan steht, dass die Versorgungsspannungen 5,0 V und 3,3 V betragen, heißt das noch lange nicht, dass dies auch wirklich so ist. Entscheidend ist es zu wissen, wie schlecht sie in Wirklichkeit ausfallen können. In unserem Beispiel, bei dem wir das Optokoppler-IC PS8902 von Renesas Electronics nehmen, gehen wir davon aus, dass die Stromversorgungen innerhalb von ±10 % liegen. Das bedeutet, dass sie minimal bei 4,5 V und 3,0 V liegen können.

Berechnen wir zuerst den Eingangswiderstand R1. Wir müssen sicherstellen, dass der Vorwärtsstrom IF für die Sendediode groß genug ist. 5 mA sind ein sicherer Wert, der das Bauteil weder überlastet noch zu schnell altern lässt.

Laut Datenblatt des PS8902 kann die Vorwärtsspannung des Emitters UF zwischen 1,35 V und 1,85 V betragen. Da wir diesen aber nicht mit den dort angegebenen 16 mA betreiben, ist zu erwarten, dass UF niedriger ausfällt. Aber wenn wir die 1,85 V verwenden sind wir auf der sicheren Seite und haben noch einen gewissen Spielraum.

Die für den Betrieb des Emitters erforderliche Spannung ist die Versorgungsspannung abzüglich der Durchlassspannung des Emitters und des Treibers – in diesem Fall angenommen als Null, was für diesen Mosfet-Treiber ausreichend groß ist. Damit lässt sich R1 aus dem Quotienten aus niedrigster Betriebsspannung (4,5 V) und Durchlassspannung des Emitters (1,85 V) zu Vorwärtsstrom IF (5 mA) ermitteln. Der berechnete Wert ist 530 Ω, wobei wir den nächsten Standardwert 536 Ω verwenden.

Eingang und Ausgang sind über das Stromübertragungsverhältnis (Current Transfer Ratio, CTR) miteinander gekoppelt. Laut Datenblatt beträgt das CTR mindestens 15 Prozent (maximal 35 Prozent) betragen. Das bedeutet, dass aus den eingangsseitigen 5 mA nur noch 750 µA am Ausgang des Optokopplers herauskommen.

Da der Optokoppler altert, sinkt das Stromübertragungsverhältnis über die Zeit. Wie stark der Verschleiß ausfällt, hängt von den Einsatzbedingungen und der Intensität ab, mit der der Emitter betrieben wird; in unserem Falle also nicht sehr hart. Eine konservative Schätzung für den Verschleiß liegt bei zwei Prozent pro Jahr. Gehen wir von einer Nutzungsdauer für unsere Schaltung von zehn Jahren aus, dann sinkt der Ausgangsstrom am Ende dieser Betriebsdauer auf nur noch 610 µA.

Die Herausforderung besteht nun darin, sicherzustellen, dass das Logikgatter den Ein-Zustand sicher erkennt. Demzufolge muss die Spannung am Logikgatter bei weniger als 30 Prozent der minimalen Versorgungsspannung (3,0 V) liegen, also unter 0,9 V. Wenn 610 µA durch R2 fließen und weniger als 0,9 V am Gate-Eingang benötigen, dann bleiben 2,1 V übrig, die über R2 abfallen. Damit ergibt sich R2 zu 3,4 kΩ.

Überprüfen wir noch eine Sache, bevor wir diesen Entwurf freigeben. Wir müssen sicherstellen, dass der Leckstrom im Fototransistor auf der Empfangsseite zusammen mit dem Spannungsabfall über R2 dem Gatter eine Spannung liefert, die es sicher als logisch High erkennt. Aus dem Datenblatt entnehmen wir, dass der Leckstrom maximal 500 nA beträgt. Fließt so viel Strom durch R2, fallen an ihm 1,7 mV ab. Somit gibt es kein Problem, die Gate-Spannung über 2,52 V zu halten. Alles ist bestens.

Wie versprochen, dies ist kein komplizierter Entwurfsprozess. Aber es gibt wichtige Dinge, die man währenddessen im Auge behalten sollte.