4N35 Optokoppler Pinout, Datenblatt und Funktionsweise erklärt

Der 4N35 Optokoppler ist ein einfaches, aber wichtiges Isolationsbauteil, das in vielen elektronischen Schaltungen verwendet wird. Dieser Artikel erklärt die 4N35 Pinbelegung, das Funktionsprinzip, die Merkmale, Bewertungen, elektrische Spezifikationen, Schaltungsbeispiele und den Vergleich mit anderen gängigen Optokopplern.

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4N35 Optokoppler Übersicht

Der Vishay 4N35 ist ein 6-poliger Phototransistor-Optokoppler, der entwickelt wurde, um elektrische Signale durch Licht zu übertragen, während die Eingangs- und Ausgangsseiten elektrisch isoliert bleiben. Er enthält eine Infrarot-LED auf der Eingangsseite und einen Silizium-NPN-Phototransistor auf der Ausgangsseite.

Wenn Strom durch die LED fließt, erzeugt sie internes Licht, das den Phototransistor aktiviert. Dadurch erfolgt die Signalübertragung ohne eine direkte elektrische Verbindung, was zur Verbesserung der Schaltsicherheit, der Störfestigkeit und des Schutzes vor Spannungsunterschieden beiträgt. Der 4N35 bietet eine hohe Isolationsspannung, eine kompakte DIP-Verpackung und eine einfache Pin-Konfiguration, die ihn für Designs geeignet macht, die zuverlässige Signalisolierung und stabile Schaltleistungen erfordern.

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4N35 Pinbelegung und Pin-Details

• Pin 1 - Anode (A): Positiver Eingangspin der internen Infrarot-LED. Dieser Pin empfängt den Eingangsstrom, der den Optokoppler aktiviert.

• Pin 2 - Kathode (C): Negativer Eingangspin der internen Infrarot-LED. Er wird typischerweise über einen strombegrenzenden Widerstand mit der Masse verbunden.

• Pin 3 - NC (Keine Verbindung): Dieser Pin ist nicht intern mit einer Komponente im 4N35 verbunden und wird normalerweise unverbunden gelassen.

• Pin 4 - Emitter (E): Emitteranschluss des internen Phototransistors. Er wird häufig mit der Masse verbunden oder als Teil des Ausgangsschaltkreises verwendet.

• Pin 5 - Kollektor (C): Kollektoranschluss des internen Phototransistors. Das Ausgangssignal wird typischerweise von diesem Pin über einen Pull-up-Widerstand entnommen.

• Pin 6 - Basis (B): Basisanschluss des internen Phototransistors. Er kann für die Biasierung, Empfindlichkeitsanpassung oder Schaltoptimierung verwendet werden, wird aber in einfachen Anwendungen oft unverbunden gelassen.

4N35 Optokoppler Grundlegendes Funktionsprinzip

Der 4N35 Optokoppler funktioniert, indem er ein elektrisches Signal durch Licht überträgt, während die Eingangs- und Ausgangsschaltungen elektrisch von einander isoliert bleiben. Im Inneren des 4N35 befinden sich zwei Hauptkomponenten: eine Infrarot-LED auf der Eingangsseite und ein Phototransistor auf der Ausgangsseite. Wenn Strom zwischen den Anoden- und Kathoden-Pins durch die LED fließt, emittiert die LED Infrarotlicht im Gehäuse. Dieses Licht ist extern nicht sichtbar, da es im Gehäuse des Optokopplers bleibt.

Wie im Bild gezeigt, trifft das emittierte Infrarotlicht auf den internen Fototransistor. Sobald der Fototransistor das Licht erkennt, beginnt er, Strom zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen zu leiten. Dies ermöglicht es der Ausgangsseite des Schaltkreises, auf das Eingangssignal umzuschalten oder zu reagieren, ohne eine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden Seiten. Das Signal wird optisch statt elektrisch übertragen, weshalb das Gerät als Optokoppler oder Optoisolator bezeichnet wird.

Die elektrische Isolation, die der 4N35 bietet, ist in vielen elektronischen Systemen sehr wichtig. Sie hilft, empfindliche Niederspannungsgeräte wie Mikrocontroller, Arduino-Boards, SPS und digitale Schaltungen vor Hochspannungsstößen, elektrischem Rauschen und Erdschleifenproblemen zu schützen. Da der Eingang und der Ausgang isoliert sind, ist es weniger wahrscheinlich, dass Fehler oder Störungen auf der einen Seite die andere Seite des Schaltkreises beschädigen.

Die Fototransistor-Ausgangsstufe des 4N35 verhält sich ähnlich wie ein normaler Transistorschalter. Wenn die LED eingeschaltet ist, leitet der Fototransistor. Wenn die LED ausgeschaltet ist, hört der Fototransistor auf zu leiten. Die Menge des Ausgangsstroms hängt von der Lichtintensität ab, die von der LED erzeugt wird, die durch den Eingangsstrom beeinflusst wird. Diese Beziehung wird üblicherweise durch das Current Transfer Ratio (CTR) beschrieben, das im Datenblatt des 4N35 zu finden ist.

Obwohl der 4N35 einfach und zuverlässig ist, ist er nicht für sehr schnelle Schaltanwendungen ausgelegt. Seine Fototransistor-Ausgangsstufe ist langsamer im Vergleich zu modernen Hochgeschwindigkeits-Optokopplern, bleibt aber aufgrund seiner geringen Kosten, Einfachheit und starken elektrischen Isolationsfähigkeit in industriellen Steuerungen, Relaisisolationsschaltungen, SMPS-Rückkopplungssystemen und Mikrocontroller-Schnittstellen weit verbreitet.

Funktionen des 4N35 Optokopplers

• 5000 VRMS Isolationsspannung - Bietet starke elektrische Isolation zwischen den Eingangs- und Ausgangsseiten und schützt Niederspannungsschaltungen vor Hochspannungsschäden und elektrischem Rauschen.

• Kompatibel mit gängigen Logikfamilien - Kann leicht mit Mikrocontrollern, TTL, CMOS, Arduino, SPS und anderen digitalen Logikschaltungen interagieren.

• Niedrige Eingangs-Ausgang-Kopplungskapazität (< 0.5 pF) - Hilft, elektrisches Rauschen und unerwünschte Signalinterferenzen zwischen isolierten Schaltungen zu reduzieren.

• Standard 6-Pin Dual-In-Line Gehäuse (DIP) - Verwendet ein weit verbreitetes Gehäuseformat, das leicht auf Leiterplatten und Steckbrettern montiert werden kann.

• Infrarot-LED und Fototransistor-Ausgang - Nutzt lichtbasierte Signalübertragung für sichere und zuverlässige elektrische Isolation.

• Gute Rauschimmunität - Hilft, die Signalstabilität in industriellen und schaltenden Umgebungen mit elektrischen Störungen zu verbessern.

• Einfache Schaltungsintegration - Benötigt nur wenige externe Komponenten, was es für Anfänger und professionelle Schaltungsdesigns geeignet macht.

• RoHS- und WEEE-konform - Erfüllt Umwelt- und Sicherheitsstandards für gefährliche Materialien in der modernen Elektronikfertigung.

• Zuverlässige elektrische Isolation - Verhindert eine direkte elektrische Verbindung zwischen Steuer- und Leistungsschaltungen, was die Systemsicherheit verbessert.

• Kostengünstige Isolationslösung - Wird häufig in kostengünstigen industriellen, Consumer- und eingebetteten Elektronik Anwendungen verwendet.

Maximale Werte des 4N35

• Vergleichender Durchschlag-Index - 175. Zeigt den Widerstand des Materials gegen elektrisches Durchschlagen auf seiner Oberfläche an.

• Isolationswiderstand bei 25°C - 10¹² Ω. Zeigt sehr hohen Widerstand zwischen den Eingangs- und Ausgangsseiten bei Raumtemperatur an.

• Isolationswiderstand bei 100°C - 10¹¹ Ω. Zeigt, dass die Isolation auch bei hohen Temperaturen stark bleibt.

• Lagertemperatur - -55°C bis +150°C. Der sichere Temperaturbereich, wenn der 4N35 gelagert, aber nicht in Betrieb ist.

• Betriebstemperatur - -55°C bis +100°C. Der sichere Arbeitsbereich während des normalen Gebrauchs.

• Sperrschichttemperatur - 100°C. Die maximale interne Halbleiter-Sperrschichttemperatur.

• Löttemperatur - 260°C. Die maximal zulässige Temperatur beim Löten für kurze Zeit.

• Rückwärts Spannung - 6 V. Die maximalen Rückwärtsspannung, die die Eingangs-LED aushalten kann.

• Vorwärtsstrom - 50 mA. Der maximal zulässige Dauerstrom, der durch die Eingangs-LED fließen darf.

• Überschussstrom - 1 A. Der maximale Kurzzeitimpulsstrom, den die LED verarbeiten kann.

• Eingangsleistungsdissipation - 70 mW. Die maximale Leistung, die die Eingangsseite sicher abführen kann.

• Kollektor-Emitter Durchbruchspannung - 70 V. Die maximale Spannung, die der Ausgangstransistor zwischen Kollektor und Emitter blockieren kann.

• Emitter-Basis Durchbruchspannung - 7 V. Die maximal zulässige Rückwärtsspannung zwischen Emitter und Basis.

• Kollektorstrom - 50 mA. Der maximal zulässige Dauerstrom durch den Ausgang des Fototransistors.

• Spitzenkollektorstrom - 100 mA. Der höchstzulässige Ausgangsstrom über eine kurze Dauer von bis zu 1 ms.

• Ausgangsleistung Abwärme - 70 mW. Die maximale Leistung, die der Ausgangstransistor sicher abführen kann.

• Isolationsprüfspannung - 5000 VRMS. Die getestete Spannungsisolationsfestigkeit zwischen Eingang und Ausgang.

• Kriechdistanz - ≥ 7 mm. Die minimale Oberflächendistanz zwischen Eingangs- und Ausgangspins für die elektrische Isolation.

• Durchgangsabstand - ≥ 7 mm. Der minimale Luftspalt zwischen Eingangs- und Ausgangsleitungen.

• Isolationsdicke zwischen Emitter und Detektor - ≥ 0,4 mm. Die physikalische Isolationstärke zwischen der LED und dem Fototransistor.

Häufige Anwendungen des 4N35 Optokopplers

Mikrocontroller-Isolation

Der 4N35 wird häufig verwendet, um Mikrocontroller wie Arduino, Raspberry Pi, PIC und STM32 von Hochspannungsschaltungen zu isolieren. Elektrische Isolation hilft, empfindliche GPIO-Pins vor Spannungsspitzen, elektrischen Störungen und versehentlichen Kurzschlüssen zu schützen. In vielen eingebetteten Systemen ermöglicht der 4N35 eine sichere Kommunikation zwischen Niederspannungs-Digitiallogik und industriellen oder leistungssteuernden Schaltungen.

Relais-Treiber-Schaltungen

Viele Relaissteuerungsschaltungen verwenden den 4N35, um die Steuerseite von der Relaisumschaltseite zu trennen. Diese Isolation hilft, Niederspannungssteuerungen vor Rück-EMK der Relaiswicklung, Umschaltübertragungen und Hochstromrauschen zu schützen. Er ist häufig in Automatisierungssystemen, Smart-Home-Geräten und industriellen Steuerungskarten zu finden.

SMPS-Rückkopplungsisolierung

Schaltnetzteile (SMPS) verwenden häufig Optokoppler wie den 4N35 für isolierte Rückkopplungssteuerung. Der Optokoppler überträgt Rückkopplungssignale von der sekundären Seite zur primären Seite und hält dabei die sichere elektrische Isolation aufrecht. Dies hilft, die Ausgangsspannung zu regeln, ohne eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Hochspannungs- und Niederspannungsabschnitten herzustellen.

SPS- und Industrieautomatisierungssysteme

Industrielle Steuerungssysteme verwenden häufig den 4N35 zur Signalisolierung zwischen SPS, Sensoren, Aktuatoren und Motorsteuerungen. Industrielle Umgebungen enthalten häufig elektrische Störungen, Spannungsüberhöhungen und Erdschleifenprobleme, daher verbessert die optische Isolation die Systemzuverlässigkeit und schützt empfindliche Steuerungselektronik.

AC-Last- und TRIAC-Steuerungsschaltungen

Der 4N35 kann in AC-Umschalt- und TRIAC-Steuerungsschaltungen eingesetzt werden, in denen Niederspannungssteuerungen sicher mit Hochspannungs-AC-Lasten interagieren müssen. Der Optokoppler hilft, den Steuerkreis von der gefährlichen AC-Netzspannung zu isolieren und erhöht die Benutzersicherheit sowie den Schutz der Schaltung in Lichtdimmern, Heizungssteuerungen und Geräten.

Motorsteuerung und Treiberschaltungen

Motorsysteme verwenden häufig den 4N35, um PWM-Signale, Steuerlogik oder Rückführungsleitungen von rauschenden Motorstromkreisen zu isolieren. Die Isolation hilft, Störungen durch induktive Lasten, Umschaltgeräusche und plötzliche Spannungsspitzen zu reduzieren, die von Gleichstrommotoren und Industriemotoren erzeugt werden.

Signalisolierung zwischen verschiedenen Spannungsniveaus

Der 4N35 ist nützlich in Systemen, in denen Geräte auf unterschiedlichen Spannungsniveaus arbeiten. Beispielsweise kann ein 3,3 V Mikrocontroller sicher mit einem 12 V oder 24 V Kreis durch optische Isolation kommunizieren. Dies verhindert eine direkte elektrische Verbindung, während dennoch die Signalübertragung zwischen den beiden Kreisen ermöglicht wird.

Batterie-Management- und Ladesysteme

Batterieladeschaltungen und Batterie-Management-Systeme verwenden manchmal den 4N35 für Überwachungs- und isolierte Steuerungsfunktionen. Die Isolation hilft, die Sicherheit in Hochspannungsbatteriesystemen zu verbessern, indem die Niederspannungsüberwachungsschaltung von der Lade- oder Leistungsstufe getrennt wird.

Geräuschisolierung in Audio- und Kommunikationsschaltungen

Der 4N35 kann helfen, Erdschleifenprobleme und elektrische Störungen in einigen Kommunikations- und Audiosystemen zu reduzieren. Durch die Isolation des Signalpfads hilft der Optokoppler, unerwünschte Geräusche zu minimieren, die die Signalqualität und Systemstabilität beeinträchtigen können.

Digitale Schaltung und Logikverknüpfung

Digitale Schaltungen verwenden häufig den 4N35 als isolierten Transistorschalter. Der Ausgang des Fototransistors kann mit Logikgattern, Zählern, Timern oder digitalen Steuerungen interfacing, während sicher zwischen verschiedenen Schaltkreisen getrennt bleibt.

4N35 Typische Schaltbeispiele

MIDI-Eingangsisolationsschaltung mit dem 4N35 Optokoppler

In diesem MIDI-Eingangsschaltkreis wird der 4N35-Optokoppler verwendet, um den MIDI-Empfänger sicher vom sendenden Gerät zu isolieren. Das eingehende MIDI-Signal durchläuft Strombegrenzungs- und Rauschfilterkomponenten, bevor es die interne LED des 4N35 ansteuert. Wenn das MIDI-Signal aktiv ist, emittiert die LED im Optokoppler Infrarotlicht, das den internen Phototransistor auf der Ausgangsseite einschaltet. Der Phototransistor erzeugt dann das isolierte MIDI-Ausgangssignal mit der Bezeichnung "MIDI In."

Diese optische Isolation ist in MIDI-Systemen sehr wichtig, da verschiedene Audiogeräte möglicherweise separate Stromversorgungen und Erdungsverbindungen verwenden. Ohne Isolation könnten unerwünschte Erdschleifen und elektrisches Rauschen die Signalqualität beeinträchtigen oder angeschlossene Geräte beschädigen. Die Ferritperlen im Schaltkreis helfen, hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken, während der Pull-Up-Widerstand es dem Ausgangstransistor ermöglicht, ein stabiles digitales Signal für den Empfangskreis zu erzeugen.

Grundlegender Arduino-Isolationsschnittstellenkreis mit dem 4N35-Optokoppler

Dieser Arduino-Schnittstellenschaltkreis verwendet den 4N35, um eine externe Signalquelle vom Arduino-Eingangspin zu isolieren. Das externe Eingangssignal durchläuft den Widerstand R1, der den LED-Strom im Optokoppler begrenzt. Wenn das Eingangssignal angelegt wird, schaltet sich die interne LED ein und emittiert Licht, das den Phototransistor auf der Ausgangsseite aktiviert. Der Phototransistor zieht dann die Arduino-Eingangsleitung gegen Masse, sodass die Arduino das Signal sicher erkennen kann.

Der mit 5V verbundene Pull-Up-Widerstand hilft, ein sauberes digitales Logikniveau für den Arduino-Eingangspin zu erzeugen. Da das Signal durch Licht anstelle einer direkten elektrischen Verbindung übertragen wird, bleibt der Arduino elektrisch von dem externen Schaltkreis isoliert. Dies hilft, den Mikrocontroller vor Spannungsspitzen, elektrischem Rauschen und versehentlicher Hochspannungsexposition zu schützen, die in industriellen oder motorischen Steuerumgebungen häufig vorkommen.

4N35 vs Andere beliebte Optokoppler

4N35 vs PC817

Der 4N35 und der PC817 sind beide Fototransistor-Optokoppler, die zur Signalisolierung verwendet werden. Der 4N35 bietet Zugang zu dem internen Transistoreingangspin, was zusätzliche Kontrolle und Flexibilität der Schaltung ermöglicht, während der PC817 ein einfacheres 4-Pin-Design verwendet. Der PC817 wird oft für kompakte, kostengünstige Isolationsschaltungen und Rückkopplungsanwendungen in Schaltnetzteilen bevorzugt. Der 4N35 ist in der Regel die bessere Wahl, wenn ein einstellbares Transistorverhalten oder flexiblere Ausgangskonfigurationen erforderlich sind.

4N35 vs 4N25

Der 4N35 und der 4N25 haben ähnliche Fototransistor-Ausgänge und bieten beide optische Isolation. Der 4N35 bietet jedoch typischerweise einen höheren CTR und eine bessere Leistung als das ältere Design des 4N25. Während der 4N25 weiterhin für grundlegende Isolationsschaltungen und Legacy-Systeme geeignet ist, wird der 4N35 normalerweise für neue Designs bevorzugt, da er eine zuverlässigere Schaltung und eine verbesserte Signalübertragungseffizienz bietet.

4N35 vs MOC3021

Der 4N35 und der MOC3021 dienen unterschiedlichen Zwecken, obwohl beide Optokoppler sind. Der 4N35 verwendet einen Fototransistor-Ausgang und ist für die DC-Signalisolierung, die Mikrocontroller-Schnittstelle und Steuerungen konzipiert. Der MOC3021 verwendet einen TRIAC-Treiber-Ausgang, der speziell zum Triggern von TRIACs in AC-Stromsteuerungsanwendungen gedacht ist. Für die Isolierung von Logic-Level-Signalen ist der 4N35 die bessere Wahl, während der MOC3021 mehr für das Schalten von AC-Lasten, Dimmern und netzbetriebenen Steuerungssystemen geeignet ist.

Hersteller

Vishay Intertechnology ist einer der Hauptanbieter des 4N35-Optokopplers und wird weithin für die Herstellung zuverlässiger diskreter Halbleiter und passiver elektronischer Komponenten anerkannt. Die Fertigungskapazitäten von Vishay umfassen die großtechnische Halbleiterfertigung, automatisierte Montage, präzise Tests, Produktion optischer Isolationstechnologien und strenge Qualitätskontrollprozesse, die darauf ausgelegt sind, internationale Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstandards zu erfüllen.

Häufig gestellte Fragen FAQ]

1. Warum ist die elektrische Isolation beim Einsatz des 4N35 wichtig?

Sie schützt Niederspannungsschaltungen vor Spannungsstößen, Rauschen und Problemen mit Erdschleifen, indem sie Signale durch Licht anstelle von direktem elektrischem Kontakt überträgt.

2. Wie beeinflusst der Phototransistor des 4N35 die Schaltleistung?

Der Phototransistor schaltet sich ein, wenn er Licht von der LED empfängt. Er funktioniert gut für mäßig schnelle Schaltungen, ist jedoch nicht ideal für Hochgeschwindigkeitsdaten.

3. Was passiert, wenn der LED-Eingangswiderstand falsch ist?

Ein zu niedriger Widerstand kann die LED beschädigen, während ein zu hoher Widerstand schwache oder instabile Ausgangsschaltungen verursachen kann.

4. Wie unterscheidet sich der 4N35 vom MOC3021?

Der 4N35 hat einen Phototransistor-Ausgang zur DC-Signaltrennung, während der MOC3021 zum Auslösen von TRIACs in der AC-Laststeuerung entwickelt wurde.

5. Wie reduziert der 4N35 Rauschen und Erdschleifen?

Er trennt die Eingangs- und Ausgangserdungen, sodass unerwünschter Strom und Störsignale nicht leicht zwischen den verbundenen Schaltungen fließen können.