Arduino Nano - PC817 Optokoppler: 12V/24V-DC-Eingangssignal überwachen

Erforderliche Hardware

Oder Sie können die folgenden Kits kaufen:

Die obigen Modulzeilen sind Alternativen, keine Einkaufsliste – kaufen Sie nur das eine Modul, das zur Spannung des zu überwachenden Signals passt.

Über das PC817-Optokopplermodul

Der PC817 ist ein 4-poliger Optokoppler, auch Fotokoppler oder Opto-Isolator genannt. In seinem Kunststoffgehäuse befindet sich eine Infrarot-LED, die über einen isolierenden Spalt hinweg auf einen Fototransistor gerichtet ist. Wenn Strom durch die LED fließt, schaltet ihr Licht den Transistor ein, sodass das Signal als Licht statt als Strom übertragen wird. Genau deshalb bleiben die beiden Seiten elektrisch getrennt: Nichts leitet von einer Seite zur anderen.

Ein PC817-Optokopplermodul bringt diesen Chip zusammen mit dem Vorwiderstand, den seine LED benötigt, einer Status-LED, Schraubklemmen für die Feldverdrahtung und einer Stiftleiste für das Board auf einer kleinen Platine unter. Für einen Arduino Nano bedeutet das: Eine 12V- oder 24V-Leitung kann als gewöhnlicher Digitaleingang erfasst werden, während der Nano seine eigene 5V-Welt unberührt behält, und es muss weder gelötet noch gerechnet werden.

Welches PC817-Optokopplermodul brauche ich?

Dies ist die eine Entscheidung, die vor der Bestellung getroffen werden muss, denn der Vorwiderstand auf dem Modul ist bereits bestückt und für eine einzige Eingangsspannung dimensioniert. Die Module werden daher in drei separaten Varianten verkauft, und diese sind nicht untereinander austauschbar:

• 12V-Optokopplermodul – das Modul, das überall in diesem Tutorial verwendet wird. Es eignet sich für eine Zündleitung, einen Scheinwerferstromkreis, eine Türkontaktleitung, eine 12V-Relaisspule und alles andere, was an einer Auto- oder Motorradbatterie betrieben wird.
• 24V-Optokopplermodul – für 24V-DC-Signale: eine Schütz- oder Magnetspule in einem Maschinenschaltschrank, ein SPS-Ausgang, die Bordelektrik eines LKW oder Busses.
• 3-5V-Optokopplermodul – für Signale auf Logikpegel, sowohl 3,3V als auch 5V. Dieses Modul kaufen Sie, wenn es darum geht, eine Masseschleife zwischen zwei Boards aufzubrechen, und nicht darum, eine hohe Spannung zu überstehen.

Jede Variante wird zudem in Ausführungen mit 1, 2, 4 und 8 Kanälen angeboten, sodass ein hinter dem Armaturenbrett versteckter Nano mehrere Leitungen von einer kleinen Platine aus überwachen kann – solange jede Leitung auf dieser Platine mit der Spannung des Moduls arbeitet.

Technische Daten

Dies sind die Kennwerte des PC817-Chips, der das Herzstück aller drei Module bildet:

Pinbelegung des PC817-Optokopplermoduls

Ein einkanaliges Modul hat zwei Schraubklemmen auf der isolierten Eingangsseite und eine dreipolige Stiftleiste auf der Seite des Arduino Nano.

• Klemme IN+ (oder +): der Pluspol der Eingangsseite. Das 12V- oder 24V-Signal muss an diese Klemme angeschlossen werden. Hier wird kein Vorwiderstand hinzugefügt – das Modul besitzt bereits den zu seiner Variante passenden.
• Klemme IN- (oder -): der Minuspol der Eingangsseite. Sie muss mit der Masse des 12V/24V-Stromkreises verbunden werden, NICHT mit der GND des Arduino Nano.
• VCC-Pin: muss mit dem 5V-Pin des Arduino Nano verbunden werden.
• GND-Pin: muss mit einem GND-Pin des Arduino Nano verbunden werden.
• OUT-Pin: der isolierte Ausgang, auf mehrkanaligen Platinen DO oder OUT1..OUTn genannt. Er muss mit einem digitalen Eingangspin des Arduino Nano verbunden werden.

Wie der Arduino Nano das isolierte Signal liest

Der OUT-Pin des Moduls wird mit einem digitalen Eingangspin des Arduino Nano verbunden, der mit dem internen Pull-up-Widerstand konfiguriert ist. Ein externer 10-kΩ-Widerstand nach 5V würde dieselbe Aufgabe erfüllen, aber der interne Pull-up ist einfacher und kostet nichts – derselbe Trick wie im Tutorial Arduino Nano - Button.

Im Modul liegt der Fototransistor zwischen diesem Pin und Masse. Wenn das externe Signal die Eingangs-LED bestromt, leitet der Transistor und zieht den Pin gegen den Pull-up nach unten:

Ein LOW am Pin bedeutet also, dass das externe Signal VORHANDEN ist. Das ist das Gegenteil dessen, was die meisten Einsteiger erwarten, und es muss im Code invertiert werden. Für einen Fototransistor, der direkt an den Pin angeschlossen ist, ist das feststehende Physik – genau so verhält sich der nackte Chip –, aber ein Modul kann eine Besonderheit hinzufügen, was uns zum nächsten Abschnitt bringt.

PC817-Optokopplermodul: Active-HIGH oder Active-LOW?

Die obige Tabelle beschreibt den reinen Fototransistor. Viele Module belassen es genau dabei, aber manche Hersteller fügen auf der Platine eine invertierende Stufe hinzu, sodass der OUT-Pin stattdessen dem Eingang folgt und HIGH liest, solange das Signal anliegt. Beide Arten werden mit denselben Produktfotos verkauft, und kein noch so genaues Lesen der Produktbeschreibung klärt das. Der zuverlässige Weg ist, eine Minute in die Messung Ihres eigenen Moduls zu investieren:

• Verdrahten Sie das Modul wie unten gezeigt mit dem Arduino Nano, laden Sie den Sketch aus diesem Tutorial hoch und öffnen Sie den Serial Monitor.
• Lassen Sie die Klemmen IN+ und IN- unbeschaltet und notieren Sie, was ausgegeben wird.
• Legen Sie nun das 12V- oder 24V-Signal an diese Klemmen an und notieren Sie, was sich ändert.
• Der Wert, der bei anliegendem Signal erscheint, ist der aktive Pegel Ihres Moduls. Ist er LOW, ist Ihr Modul active-LOW; ist er HIGH, ist es active-HIGH.
• Nutzen Sie die Status-LED auf dem Modul als zweite Meinung. Diese LED wird von der Eingangsseite gespeist, sie leuchtet also immer, wenn die Eingangsklemmen unter Spannung stehen. Leuchtet die LED und der Serial Monitor zeigt trotzdem OFF, ist die Polarität falsch herum, nicht die Verdrahtung.

Die Korrektur ist eine einzige Änderung. Der Sketch hält die Polarität in einer Konstante weit oben:

Lassen Sie sie für ein active-LOW-Modul, die häufigere Art und hier die Voreinstellung, auf true, und ändern Sie sie für ein active-HIGH-Modul auf false. Sonst muss im Code nichts angefasst werden.

Aufbau mit dem nackten PC817-Chip

Wenn Sie lieber den reinen 4-poligen Chip auf Ihre eigene Lochrasterplatine löten möchten, gilt alles oben Gesagte weiterhin, nur dass Sie den Vorwiderstand nun selbst bestücken müssen.

Pin 1 liegt am nächsten zum Punkt oder zur Kerbe. Pin 1 - Anode (A) und Pin 2 - Kathode (K) bilden die Eingangsseite: Das Signal muss über den Vorwiderstand an Pin 1 angeschlossen werden und Pin 2 an die Masse dieses Stromkreises. Pin 4 - Kollektor (C) muss mit dem Eingangspin des Arduino Nano verbunden werden und Pin 3 - Emitter (E) mit der GND des Arduino Nano. Auch hier gilt dieselbe Regel: Pin 2 und Pin 3 dürfen niemals verbunden werden.

Der Widerstandswert ergibt sich aus R = (Vin - 1.2) / 0.01, mit dem Ziel von 10mA durch die interne LED, deren Durchlassspannung etwa 1,2V beträgt:

Ein 1-kΩ-Widerstand an einer 24V-Leitung treibt etwa 22,8mA durch die LED – mehr als die 20mA-Grenze des PC817. 3,3V ist die praktische Untergrenze, da die LED allein schon 1,2V davon beansprucht. Ein nackter Chip ist immer active-LOW, daher bleibt MODULE_ACTIVE_LOW auf true.

Verdrahtungsdiagramm

Verdrahtung des PC817-Optokopplermoduls mit dem Arduino Nano

Das 12V- oder 24V-Signal und seine Masse kommen an die Schraubklemmen IN+ und IN-, während die Stiftleistenpins VCC, GND und OUT an 5V, GND und Pin 2 des Arduino Nano angeschlossen werden.

Dieses Bild wurde mit Fritzing erstellt. Klicken Sie, um das Bild zu vergrößern.

Siehe Der beste Weg, den Arduino Nano und andere Komponenten mit Strom zu versorgen.

Verdrahtung des nackten PC817-Chips mit dem Arduino Nano

Beim optionalen Aufbau mit dem nackten Chip gelangt das Signal über seinen Vorwiderstand an Pin 1, die Masse dieses Stromkreises wird an Pin 2 zurückgeführt, und auf der anderen Seite wird Pin 4 des Chips mit Pin 2 des Arduino Nano und Pin 3 des Chips mit GND des Arduino Nano verbunden.

PC817 parallel zu einem Gerät anschließen, um dessen Ein/Aus-Zustand zu überwachen

Beide obigen Schaltpläne gehen davon aus, dass Ihnen ein Signal bequem auf einem Adernpaar geliefert wird. In einem Fahrzeug ist das nie der Fall. Ein Scheinwerfer, eine Zündleitung, eine Türkontaktleitung oder eine 24V-Schützspule hat keinen freien Ausgang, den man auslesen könnte, also muss der Arduino Nano direkt am Gerät selbst abgreifen.

Der Moduleingang muss über das Gerät, also parallel dazu, angeschlossen werden. Er darf niemals in Reihe damit geschaltet werden. In Reihe würde der gesamte Betriebsstrom des Geräts – vier oder fünf Ampere bei einem Scheinwerfer – durch die winzige LED im PC817 gezwungen, und das Bauteil wäre in dem Moment zerstört, in dem der Stromkreis eingeschaltet wird. Parallel wird an der bestehenden Verdrahtung nichts durchtrennt, geöffnet oder umgelegt; es werden lediglich zwei Drähte an bereits vorhandene Anschlüsse hinzugefügt.

Am Beispiel einer 12V-Scheinwerferleitung mit dem 12V-Modul:

• Der geschaltete Plusanschluss der Lampe muss mit der Schraubklemme IN+ des Moduls verbunden werden.
• Der negative Rückleiteranschluss derselben Lampe muss mit der Schraubklemme IN- verbunden werden.
• Auf der isolierten Seite ändert sich nichts: OUT muss mit Pin 2 des Arduino Nano verbunden werden, VCC mit 5V des Arduino Nano und GND mit GND des Arduino Nano.

In keiner dieser beiden Leitungen wird ein Vorwiderstand eingesetzt – genau dafür kauft man die zur Leitung passende Variante. Der Abgriff zieht etwa 10mA. Neben den 4 bis 5A eines Scheinwerfers oder den paar hundert Milliampere einer Magnetspule ist das überhaupt nichts – die Lampe verhält sich genau wie vorher, und die Messung bleibt rein lesend. Da der Abgriff direkt über dem Gerät liegt, folgt der Messwert dem tatsächlichen Zustand dieses Geräts und nicht einem an es gesendeten Befehl: Er wird aktiv, wenn der Fahrer den Schalter betätigt oder ein Karosseriesteuerrelais selbstständig schließt, und er bleibt inaktiv, wenn die Lampe angefordert wurde, aber nie angegangen ist. Das macht einen Betriebsstundenzähler, ein Leerlaufzeit-Protokoll oder einen „Ist es wirklich angesprungen?“-Alarm auf einem so kleinen Board möglich.

Eine ehrliche Einschränkung: Damit erfahren Sie, dass das Gerät unter Spannung steht, nicht, dass es seine Aufgabe erfüllt. Ein festgefressener Gebläsemotor oder ein Heizelement mit unterbrochener Wicklung hat trotzdem die volle Spannung an seinen Anschlüssen und wird weiterhin als ON gemeldet.

Drei Punkte entscheiden darüber, ob der Abgriff auf Anhieb funktioniert:

• Polarität. Die Eingangsseite des PC817 ist eine LED, sie leitet also nur in eine Richtung. Vertauschen Sie IN+ und IN-, passiert überhaupt nichts – die LED leuchtet nie, die Status-LED auf dem Modul bleibt dunkel und der Pin des Arduino Nano ändert sich nie. Fahrzeuge sind voller minusgeschalteter Stromkreise, prüfen Sie also, welcher der beiden Anschlüsse der positive ist, bevor irgendetwas festgeschraubt wird.
• Induktive Lasten brauchen eine Freilaufdiode. Eine Relaisspule, eine Magnetspule, ein Schütz, ein Ventil oder ein kleiner Motor erzeugt im Moment des Abschaltens eine große Gegenspannungsspitze an den eigenen Anschlüssen. Die Eingangs-LED des PC817 hält in Sperrrichtung nur 6V aus, sodass diese Spitze ausreicht, um sie zu zerstören. Setzen Sie eine gewöhnliche Diode antiparallel direkt über die beiden Eingangsklemmen – Kathode der Diode an IN+, Anode der Diode an IN-. Im Normalbetrieb ist sie in Sperrrichtung gepolt und tut nichts; bei einer Spitze leitet sie und hält die Sperrspannung deutlich unter einem Volt. Eine 1N4148 genügt für einen kleinen Abgriff, eine 1N4007 für einen stärkeren.
• Ein Treiber mit Leckstrom meldet ein falsches ON. In einem modernen Fahrzeug wird kaum noch etwas über einen einfachen mechanischen Kontakt geschaltet – stattdessen übernimmt ein Halbleitertreiber die Arbeit, und viele davon lassen selbst im ausgeschalteten Zustand einen kleinen Strom durch. Dasselbe gilt für SPS-Transistorausgänge, Triac-Ausgänge und LED-Lampentreiber. Genügend Leckstrom lässt die PC817-LED teilweise leuchten, und der Arduino Nano meldet das Gerät dann als ON, obwohl es aus ist. Das Symptom ist unverkennbar: ein Messwert, der nie wieder auf inaktiv zurückfällt. Abhilfe schafft ein Ableitwiderstand von etwa 4,7 kΩ bis 10 kΩ parallel zum Moduleingang, sodass der Leckstrom durch den Widerstand statt durch die LED fließt.

Wie man den PC817-Optokoppler programmiert

Im ersten Schritt legen Sie den Pin des Arduino Nano fest, der mit dem OUT-Pin des PC817-Optokopplermoduls verbunden ist. In diesem Tutorial wird Pin 2 verwendet:

Im nächsten Schritt geben Sie an, in welche Richtung das Modul schaltet. Die meisten Module ziehen ihren Ausgang auf LOW, solange das Eingangssignal anliegt, daher bleibt dieser Wert auf true, sofern der oben beschriebene Test nichts anderes ergibt:

Dieser Pin wird dann mit der Funktion pinMode() als Eingang mit internem Pull-up konfiguriert:

Der Zustand des Pins wird mit der Funktion digitalRead() gelesen:

Im letzten Schritt wird dieser Rohwert in eine Ja-oder-Nein-Antwort umgewandelt. Dabei wird die Konstante verwendet, sodass ein Modul beliebiger Polarität von derselben Zeile behandelt wird:

Für dieses Projekt wird keine Bibliothek benötigt.

Arduino Nano Code für den PC817-Optokoppler

Schnelle Schritte

• Verdrahten Sie die Bauteile wie im Schaltplan gezeigt.
• Verbinden Sie das Arduino-Nano-Board über ein USB-Kabel mit Ihrem Computer.
• Öffnen Sie die Arduino IDE auf Ihrem Computer.
• Wählen Sie das richtige Board und den richtigen Port aus.
• Kopieren Sie den obigen Code und fügen Sie ihn in die Arduino IDE ein.
• Klicken Sie in der Arduino IDE auf die Schaltfläche Upload, um den Code zu kompilieren und auf den Arduino Nano hochzuladen.
• Öffnen Sie den Serial Monitor.
• Legen Sie das 12V- oder 24V-Signal an die Eingangsklemmen an und entfernen Sie es anschließend wieder.
• Sehen Sie sich das Ergebnis im Serial Monitor an.

Wenn der Serial Monitor ENERGIZED meldet, während nichts angelegt ist, und OFF, während das Signal anliegt, ist Ihr Modul vom Typ active-HIGH. Setzen Sie MODULE_ACTIVE_LOW im obigen Code auf false und laden Sie ihn erneut hoch.

Video Tutorial

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Zusätzliches Wissen

Nachdem die Wahl auf das Modul statt auf den nackten Chip gefallen ist, bleibt eine Frage, die vor der Bestellung beantwortet werden muss: Welche der drei Varianten gehört in genau diese Installation? Die Signalspannung entscheidet das meiste, aber nicht alles – auch was passiert, wenn die falsche geliefert wird, und wie viele Leitungen überwacht werden müssen, spielt eine Rolle.

Es ist offensichtlich, dass die 12V-Variante diejenige ist, zu der man bei der Fahrzeuginstallation greift, um die sich dieses Tutorial dreht, dass die 24V-Variante in den Maschinenschaltschrank gehört, in dem die Spulen sitzen, und dass die 3-5V-Variante aus einem ganz anderen Grund gekauft wird – nicht weil die Spannung gefährlich ist, sondern weil es die Masse ist. Wenn mehrere Leitungen von einem versteckten Nano überwacht werden sollen, ist eine mehrkanalige Platine der richtigen Variante günstiger und aufgeräumter als mehrere einkanalige, vorausgesetzt, jede Leitung darauf arbeitet mit derselben Spannung; ein Nano, der sowohl einen 12V-Türkontaktschalter als auch eine 24V-Spule überwacht, braucht zwei Module, nicht eines.

Funktionsreferenzen

• pinMode()
• digitalRead()
• Serial.begin()
• Serial.println()

Verwandte Tutorials

• Arduino Nano - Measure Voltage