-
Die
Erfindung betrifft einen optoelektronischen Koppler.
-
Im
wesentlichen besteht ein optoelektronischer Koppler aus einem Stromkreis
mit einem lichtemittierenden Bauelement, z.B. einer lichtemittierenden
Diode, und einem Stromkreis mit einem lichtempfindlichen Bauelement,
z.B. einem Fototransistor. Ein optoelektronischer Koppler kann Signale
bei vollständiger
galvanischer Entkopplung von seinem einen Stromkreis auf den anderen übertragen.
Deshalb ist er besonders geeignet für den Einsatz in explosionsgefährdeten
Bereichen, wozu eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe Kriechstromfestigkeit
erforderlich sind.
-
Bei
bekannten optoelektronischen Kopplern wird die hohe Spannungsfestigkeit
durch ein geschlossenes und vergossenes Gehäuse erreicht; dies gewährleistet
zusammen mit äußerst kleinen Kopplungskapazitäten die
störsichere
und rückwirkungsfreie Übertragung
auch hochfrequenter Signale, wobei ein großer Kopplungsfaktor von 50%
angestrebt und bei sehr teuren Typen auch erreicht wird. Bei weniger
teuren Exemplaren wird lediglich ein Kopplungsfaktor von 20 bis
30% erreicht, was als unzureichend anzusehen ist. Zurückzuführen ist
dieser schlechte Kopplungsfaktor auf die verhältnismäßig großen Bauteilabstände, und
zwar ausschlaggebend zwischen lichtemittierendem und lichtempfindlichem Element,
was dann zusätzlich
noch den Nachteil relativ großer
Abmessungen des Kopplers als Bauteil nach sich zieht.
-
Nachteilig
an den bekannten optoelektronischen Kopplern ist außerdem,
daß sie
wegen ihrer Bauweise in einem geschlossenen und vergossenen Gehäuse nicht
SMD-lötfähig sind,
d.h. sie können nicht
zusammen mit anderen elektronischen Bauteilen z.B. auf der Oberfläche einer
gedruckten Schaltung montiert und im SMD-Reflow-Verfahren maschinell
verlötet
werden (SMD – surface
mounted device). Zwar sind diese Koppler mit vollständig geschlossenem
und vergossenem Gehäuse
auch gasdicht und somit auch für
Feld- und Sensoranwendungen uneingeschränkt geeignet; dieses Erfordernis muß aber nicht
für jeden
Einsatz solcher Koppler, wie z.B. in einem Schaltschrank, erfüllt werden,
hier wäre die
SMD-Lötfähigkeit
von größerem Vorteil.
-
In
der
DE 196 41 988
A1 wird ein optoelektronisches Überwachungsorgan für eine Verpackungsmaschine
beschrieben. Das Überwachungsorgan
ist z.B. eine Gabellichtschranke, die aus einem optischen Sender
und einem gegenüberliegenden Empfänger besteht
und beispielsweise für
die Bahnkantensteuerung eingesetzt wird. Hierzu wird die Bahnkante
zwischen dem Sender und dem Empfänger
hindurchgeführt.
Weiterhin wird im Bereich von Sender und Empfänger ein Luftstrom ständig oder taktweise
an gezielte Bereiche des Überwachungsorgans
gerichtet. Der Luftstrom wird so geführt, dass in dem Bereich zwischen
dem Sender und dem Empfänger
etwaige Partikel weggeblasen werden. Hierdurch sollen Verschmutzungen
an dem Überwachungsorgan
verhindert werden. Das Überwachungsorgan
wird nicht im explosionsgefährdeten Bereich
eingesetzt, d.h. die dem vorliegenden Optokoppler zugrunde liegende
Problematik spielt bei der Lösung
der
DE 196 41 988
A1 keine Rolle.
-
In
der
JP 07115212 A ist
ein optisches Halbleiterelement beschrieben, das aus einem Grundkörper und
zwei Kappen besteht, die auf den Grundkörper aufsteckbar sind. Ein
lichtemittierendes Element und lichtempfangendes Element sind gegenüberliegend
an dem Grundkörper
befestigt und werden und jeweils einer Kappe positioniert. Hierdurch
lässt sich der
Lötprozeß einsparen.
-
Aus
der
JP 1-27276 A ist
ein Optokoppler auf Halbeiterbasis bekannt geworden. Um die Kriechstrecke
zwischen dem lichtemittierenden und dem lichtempfangenden Element
zu vergrößern, ist
eine transparente, isolierende Schicht vorgesehen, die, eingebettet
in ein transparentes Harz, mittig eine Öffnung mit faßförmigen Wänden hat.
-
Die
DE 27 03 465 A1 beschreibt
einen Optokoppler, bei dem besonderes Augenmerk auf die Verbesserung
einer optisch gekoppelten Isolationsanordnung gelegt ist. Die Isolationsanordnung
enthält
in der ersten Schaltung z.B. eine lichtemittierende Diode, deren
Licht auf einen Photodetektor fällt,
welcher sich in einer zweiten Schaltung befindet. Eine strahlungsdurchlässige Isolation
füllt den
Raum zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor. Bei einer gegebenen
Länge des
Zwischenraumes zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor, bestimmt
die Durchschlagsfestigkeit der Isolation in dem Zwischenraum die
Fähigkeit
des Isolators, angelegten Spannungen unter Aufrechterhaltung der
elektrischen Isolation zu widerstehen. Im Falle der
DE 27 03 465 A1 wird Glas
als Isolationsmaterial verwendet.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, einen auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten
Bereichen geeigneten und in einen Gehäuse befindlichen optoelektronischen
Koppler mit hohem Kopplungsfaktor und hoher Spannungsfestigkeit
zu schaffen, der zur Übertragung
hochfrequenter Signale, auch von Rechtecksignalen, geeignet ist,
also sehr kleine Kopplungskapazitäten aufweist. Außerdem soll
das Gehäuse
möglichst
kleine Außenabmessungen
haben und kostengünstig
in der Herstellung sein. Der in dem Gehäuse eingebaute elektrooptische
Koppler soll als fertiges Bauteil SMD-lötfähig sein.
-
Hiernach
besteht die Erfindung aus einem Gehäuse für einen aus einer ersten Elektronik
mit einem lichtemittierenden Element und einer zweiten Elektronik
mit einem lichtempfindlichen Element bestehenden optoelektronischen
Koppler,
- – das
aus einem ersten Gehäuseteil
und einem zweiten Gehäuseteil
aus transparentem Material mit hoher Kriechstromfestigkeit und Spannungsfestigkeit
besteht,
- – welcher
erste Gehäuseteil
mit einem ersten und einem zweiten, eine erste bzw. zweite Öffnung aufweisenden
Hohlraum versehen ist, welche Hohlräume durch eine Trennwand voneinander getrennt
sind,
- – wobei
in den ersten Hohlraum die erste Elektronik zusammen mit dem lichtemittierenden
Element und in den zweiten Hohlraum die zweite Elektronik zusammen
mit dem lichtempfindlichen Element derart einzusetzen sind, daß
- – sich
das lichtemittierende Element und das lichtempfindliche Element
in einem nur durch die Trennwand bestimmten Abstand gegenüberliegen
- – und
elektrische Anschlüsse
der Elektroniken aus den Hohlräumen
entlang von Flächen,
die in durch die Öffnungen
der Hohlräume
definierten Ebenen liegen, in entgegengesetzter Richtung herauszuführen sind,
- – welcher
zweite Gehäuseteil
die Öffnungen
der Hohlräume
verschließend
mit dem ersten Gehäuseteil
lösbar
verbunden ist,
- – wobei
aneinander zur Anlage kommende Flächen des ersten und des zweiten
Gehäuseteils durch
entgegengesetzt kongruente Ausformungen vergrößert sind.
-
Das
Material für
die Gehäuseteile
besteht vorzugsweise aus transparentem Polycarbonat oder transparentem
Polyethersulphon mit einem CTI-Wert größer als 275 und einer Spannungsfestigkeit
von ca. 30 kV/mm. Der CTI-Wert ist eine dimensionslose Größe, die
ein Maß für die Kriechstromfestigkeit
eines Materials darstellt.
-
Wegen
der hohen Kriechstromfestigkeit und der hohen Spannungsfestigkeit
des verwendeten Materials kann die Trennwand zwischen den Hohlräumen im
ersten Gehäuseteil
verhältnismäßig dünn ausgebildet
werden, und durch den damit geringen Abstand zwischen dem lichtemittierendem
und dem lichtempfindlichen Element des optoelektronischen Kopplers
kann ein hoher Kopplungsfaktor erreicht werden.
-
Während also
ein optisches Signal auf direktem Weg durch die transparente Trennwand übertragen
wird, wird ein eventuell in der Elektronik entstehender Funke sich
seinen Weg durch den bei der Verbindung der Gehäuseteile zwischen ihren Anlageflächen bestehen
bleibenden, winzigen Luftspalt suchen. Indem diese Anlageflächen durch
entgegengesetzt kongruente Ausformungen vergrößert sind, wird auch die für explosionsgefährdete Bereiche
erforderliche Kriechstromstrecke erreicht. Dadurch daß elektrische
Anschlüsse
der Elektroniken an den entgegengesetzten Schmalseiten des Gehäuses herausgeführt werden,
halten auch sie den nötigen
Abstand ein und können
so gebogen werden, daß der
fertige Koppler als Bauteil SMD-lötfähig ist.
-
Der
durch die Trennwand zwischen den beiden Hohlräumen im ersten Gehäuseteil
bestimmte Abstand zwischen dem lichtemittierenden Element und dem
lichtempfindlichen Element kann kleiner als 10 mm gemacht werden;
damit kann ein Kopplungsfaktor von mehr als 50% erreicht werden.
-
Vorzugsweise
ist in der Trennwand zwischen den Hohlräumen des ersten Gehäuseteils
eine nach derselben Richtung wie die Hohlräume und beidseitig offene,
tunnelförmige
Ausnehmung vorhanden, und am zweiten Gehäuseteil ist ein bei der Verbindung der
beiden Gehäuseteile
in diese Ausnehmung paßgenau
einschiebbarer Fortsatz angeformt. So werden die Anlageflächen der
Gehäuseteile
vergrößert und
damit die Kriechstromstrecke zwischen der einen und der anderen
Elektronik verlängert.
Gleichzeitig werden so die äußeren Abmessungen
des Gehäuses
reduziert.
-
Sich
von Unterkanten der tunnelförmigen Ausnehmung
zu Außenkanten
des ersten Gehäuseteils
erstreckende Flächen
sind vorzugsweise einwärts
abgeschrägt
und bei der Verbindung der beiden Gehäuseteile an diesen abgeschrägten Flächen zur
Anlage kommende Flächen
des zweiten Gehäuseteils
sind als entsprechende Schrägen
ausgebildet. Auch dies trägt
nochmals zur Verlängerung
der Kriechstromstrecke bei.
-
In
den aneinander zur Anlage kommenden Flächen bzw. Schrägen des
ersten und/oder zweiten Gehäuseteils
sind vorzugsweise Einsenkungen zur Aufnahme der seitlich herauszuführenden
elektrischen Anschlüsse
ausgebildet; so kann der verbleibende Luftspalt zwischen den Gehäuseteilen
sehr klein gehalten werden.
-
In
zwei einander entgegengesetzten äußeren Seitenflächen des
ersten Gehäuseteils
ist vorteilhaft jeweils eine Vertiefung vorhanden, in die seitlich am
zweiten Gehäuseteil
angeformte Eingriffsarme mit daran ausgebildeten Rastnasen einrasten
können.
So können
die beiden Gehäuseteile
einfach zusammengesteckt werden und werden danach sicher zusammengehalten;
die Montage ist somit sehr einfach und sicher. Die Herstellungskosten
werden gesenkt; ein Vergießen
des Bauteils ist nicht erforderlich.
-
Im
folgenden wird die Erfindung anhand der anhängenden Zeichnung an einer
bevorzugten Ausführungsform
beispielhaft genauer beschrieben; es zeigen:
-
1 eine
Seitenansicht des einen Gehäuseteiles
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäß zweiteiligen
Gehäuses
für einen
optoelektronischen Koppler,
-
2 die
entsprechende Seitenansicht des zweiten Gehäuseteiles desselben erfindungsgemäßen Gehäuses,
-
2a eine
Teilansicht des zweiten Gehäuseteiles
in Richtung des Pfeiles P in 2,
-
3 die
Draufsicht auf das zweite Gehäuseteil
gemäß 2 und
-
4 die
Seitenansicht des aus den beiden Gehäuseteilen zusammengesetzten
Gehäuses
in Richtung des Pfeiles F in 1.
-
Nach
der Erfindung besteht das Gehäuse
für einen
optoelektronischen Koppler aus zwei ineinander passenden Gehäuseteilen
A und B, die aus einem transparenten Kunststoff, vorzugsweise transparentem
Polycarbonat oder Polyethersulphon, bestehen. Der erste Gehäuseteil
A hat gemäß 1 eine
nach außen
im wesentlichen quaderförmige Form;
in ihm sind spiegelbildlich zur Mittellinie zwei nach unten offene
Hohlräume 1, 2 vorhanden,
die durch eine verhältnismäßig dünne Trennwand 3 voneinander
getrennt sind und zur Aufnahme einer ersten Elektronik 4 mit
einem lichtemittierenden Element auf der einen Seite und einer zweiten
Elektronik 5 mit einem lichtempfindlichen Element auf der
gegenüberliegenden
Seite dienen. In der Trennwand 3 zwischen den beiden Hohlräumen 1, 2 weist
der Gehäuseteil
A eine durchgehende, in derselben Richtung wie die Hohlräume 1, 2 offene,
tunnelförmige
Ausnehmung 6 auf, die in der dargestellten Ausführungsform
etwa bis zur halben Höhe
des Gehäuseteils
A reicht. Die in der Ebene der Öffnungen
der Hohlräume 1, 2 liegenden
Flächen 7, 8 sind
von ihrer jeweiligen Außenkante 9, 10 aus
bis zur tunnelförmigen Ausnehmung 6 nach
innen abgeschrägt.
Aus den Öffnungen
der Hohlräume 1, 2 können, wie
in 1 angedeutet, die Anschlüsse 11, 12 der
jeweiligen Elektronik 4, 5 nach unten heraus-
und an den abgeschrägten
Flächen 7, 8 entlang
herausgeführt
werden. Über
der tunnelförmigen
Ausnehmung 6 ist in den beiden einander entgegengesetzten äußeren Seitenfläche 13, 14 (siehe
auch 4) jeweils eine Vertiefung 15 vorhanden,
in die, wie weiter unten noch deutlich wird, seitliche Eingriffsarme 16, 17 des zweiten
Gehäuseteils
B mit entsprechend angeformten Rastnasen 18, 19 eingreifen
bzw. einrasten können,
um so die Verbindung der beiden Gehäuseteile A, B herzustellen
und zu sichern; das Verbinden der beiden Gehäuseteile A, B wird damit als
Arbeitsgang sehr einfach und kostensparend gemacht.
-
Der
zweite Gehäuseteil
B besteht gemäß den 2 und 3 aus
einer Grundplatte 20, deren Oberfläche den abgeschrägten Flächen 7, 8 des
ersten Gehäuseteils
A entsprechende Schrägen 21, 22 und
einen mittigen, sich über
die gesamte Tiefe der Grundplatte 20 erstreckenden Fortsatz 23 aufweist, der
genau in die tunnelförmige
Ausnehmung 6 des ersten Gehäuseteils A paßt. Beidseitig
des Fortsatzes 23 sind an diesen unmittelbar anschließend an der
Grundplatte 20 senkrecht hochragende Eingriffsarme 16, 17 angeformt,
die den Fortsatz 23 um ein gewisses Maß überragen und an deren freien
Enden jeweils eine nach innen weisende Rastnase 18, 19 angeformt
ist. Beim Zusammenbau der beiden Gehäuseteile A, B zu einem Gehäuse, wenn
also der Gehäuseteil
B mit seinem Fortsatz 23 von unten in die tunnelförmige Ausnehmung 6 des
Gehäuseteils
A geschoben wird, werden die Eingriffsarme 16, 17 zunächst leicht
gespreizt, bis die Rastnasen 18, 19 in den beidseitigen
Vertiefungen 15 oberhalb der tunnelförmigen Ausnehmung 6 einrasten
können
(siehe 4) und die beiden Gehäuseteile A, B so sicher zusammengehalten
werden. Gleichzeitig schiebt sich der Fortsatz 23 paßgenau in
die tunnelförmige
Ausnehmung 6 und die Schrägen 21, 22 der
Grundplatte 20 des zweiten Gehäuseteils B legen sich eng an
die nach innen abgeschrägten
Flächen 7, 8 des
ersten Gehäuseteils
A an. Um den Spalt zwischen den abgeschrägten Flächen 7, 8 einerseits
und den Schrägen 21, 22 andererseits
so gering wie möglich
halten zu können,
sind in den zu den Schmalseiten der Grundplatte 20 abfallenden
Schrägen 21 und 22 Einsenkungen 24 ausgebildet,
die zu diesen Schmalseiten hin offen sind; sie dienen der Aufnahme
der aus dem Gehäuse
herausgeführten
elektrischen Anschlüsse 11, 12 der
in den Hohlräumen 1, 2 untergebrachten
Elektroniken 4, 5.
-
Im
zum fertigen Gehäuse
zusammengesetzten Zustand der beiden Gehäuseteile A, B liegen die Außenflächen 26 des
Fortsatzes 23 an den Innenflächen 25 der tunnelförmigen Ausnehmung 6 und
die Schrägen 21, 22 des
zweiten Gehäuseteils
B an den abgeschrägten
Flächen 7, 8 des
ersten Gehäuseteils A
so dicht an, daß die
Anforderungen für
den Einsatz des optoelektronischen Kopplers im explosionsgefährdeten
Bereich erfüllt
werden.
-
Der
besondere Vorteil dieses Gehäuses
für einen
optoelektronischen Koppler liegt darin, daß, wenn die eine Elektronik 4 mit
dem lichtemittierenden Element und die andere Elektronik 5 mit
dem lichtempfindlichen Element in den jeweiligen Hohlraum 1, 2 des
ersten Gehäuseteils
A eingesetzt sind, das lichtemittierende Element und das lichtempfindliche
Element sich nur durch die vergleichsweise dünne Trennwand 3 des
Gehäuseteils
A getrennt direkt gegenüberliegen.
Bei der Wahl eines Materials für
die Gehäuseteile
A, B mit ausreichend hoher Kriechstromfestigkeit und Spannungsfestigkeit
kann der durch diese Trennwand 3 bestimmte Abstand kleiner als
10 mm gemacht werden. Die anhängende
Zeichnung gibt die Gehäuseteile
A, B im Maßstab
10:1 wieder; es kann also ein Abstand zwischen lichtemittierendem
und lichtempfindlichem Element von ca. 3,8 mm erreicht werden. Der
geringe Abstand zwischen lichtemittierendem und lichtempfindlichem Element
gewährleistet
zusammen mit der Transparenz des Materials einen sehr hohen Kopplungsfaktor
für die Übertragung
der Signale; es kann ein Kopplungsfaktor von mehr als 50% erreicht
werden.
-
Gleichzeitig
können
durch die Wahl des Materials und die besondere bauliche Ausgestaltung
der Gehäuseteile
A, B auch die geforderten Sicherheitsabstände für explosionsgefährdete Bereiche,
insbesondere nach DIN EN 50019 und DIN EN 50020, eingehalten werden.
Als Material wird bevorzugt ein transparenter Kunststoff, wie transparentes
Polycarbonat oder Polyethersulphon, mit einer Kriechstromfestigkeit
entsprechend einem CTI-Wert größer als 275
und einer Spannungsfestigkeit von ca. 30 kV/mm eingesetzt. Dabei
ist der CTI-Wert eine dimensionslose Größe, die ein Maß für die Kriechstromfestigkeit eines
Materials darstellt. Für
den vorgesehenen Anwendungsbereich, z.B in einem Schaltschrank,
muß dann
eine Kriechstrecke von 10 mm und eine Luftstrecke von 6 mm gewährleistet
werden.
-
Der
erforderliche Abstand zwischen den Anschlüssen 11, 12 der
Elektroniken 4, 5 wird ohne weiters erreicht,
indem diese an den gegenüberliegenden
Schmalseiten des Gehäuses
in entgegengesetzter Richtung zwischen den beiden Gehäuseteilen
A, B herausgeführt
werden. Sie lassen sich dann auch so biegen, daß das fertige Bauteil mit der
SMD-Reflow-Lötlinie
maschinell verabeitbar ist.
-
Die
Kriechstrecke wird bestimmt durch den winzigen Luftspalt, der beim
Zusammenbau der beiden Gehäuseteile
A, B zwischen den aneinander zur Anlage kommenden abgeschrägten Flächen 7, 8 sowie
der Innenfläche 25 der
tunnelförmigen
Ausnehmung 6 des ersten Gehäuseteils A einerseits und den Schrägen 21, 22 sowie
der Außenfläche 26 des
Fortsatzes 23 des zweiten Gehäuseteils B andererseits bestehen
bleibt. Sollte während
des Betriebes des optoelektronischen Kopplers in der ersten oder
zweiten Elektronik ein Funke entstehen, so wird wegen des hohen
CTI-Wertes des verwendeten Materials kein Durchschlag durch die
den Fortsatz 23 einschließende Trennwand 3 zwischen
der ersten und zweiten Elektronik 4, 5 erfolgen,
sondern er wird sich sofort den Weg durch diesen kleinen Luftspalt
suchen, dessen Gesamtlänge
durch die besondere entgegengesetzt kongruente Ausformung der aneinander
zur Anlage kommenden Flächen
die geforderte Kriechstrecke von 10 mm für den explosionsgefährdeten
Bereich gewährleistet.
-
Vorteilhafterweise
werden durch die besondere Bauweise des Gehäuses bei Einhaltung der geforderten
Sicherheitsabstände
geringe äußere Abmessungen
des fertigen Bauteils erreicht und die Herstellungskosten vergleichsweise
niedrig gehalten; auf ein Vergießen des Gehäuses kann und soll verzichtet
werden. Das Gehäuse
ist zusammen mit unterschiedlichen Ausführungen von optoelektronischen
Kopplern verwendbar.