DE2555492A1

DE2555492A1 - Optoelektronischer koppler

Info

Publication number: DE2555492A1
Application number: DE19752555492
Authority: DE
Inventors: Reinhard Deeg; Horst Dipl Ing Hampel
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1975-12-10
Filing date: 1975-12-10
Publication date: 1977-06-23
Also published as: DE2555492C3; DE2555492B2; GB1518399A

Description

Standard Elektrik Lorenz AG
Stuttgart

H.Hampel - R.Deeg 3-14

Optoelektronischer Koppler

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Koppler mit Lichtemitter und Lichtsensor, die in einem lichtdichten Gehäuse aus Isolationsmaterial einander gegenüberliegend angeordnet sind und von denen zumindest der Lichtsensor in einer durchsichtigen Vergußmasse aus Kuststoff eingebettet ist.

Stand der Technik

Optoelektronische. Koppler dienen vornehmlich zur Potentialtrennung zweier Stromkreise. Der Lichtemitter ist im allgemeinen eine Leuchtdiode. Der Lichtsensor besteht aus einer Fotodiode oder einem Fototransistor. In einer vorgeschlagenen Ausführung eines aktiven optoelektronischen Kopplers besteht der Lichtsensor aus einer Reihenschaltung von zwei Fotoelementen. Bei den bekannten Ausführungen sind der Lichtemitter und der Lichtsensor in einem einteiligen Gehäuse untergebracht, das im übrigen mit einer durchsichtigen Vergußmasse relativ hoher Isolationsgüte ausgefüllt ist. Dieses dient außer zur Spannungsisolation noch dem Zweck, die Koppelelemente und ihre Anschlußverbindungen stoß- und vibrationsunercpfindlich zu machen und vor sonstigen Umwelteinflüssen zu schützen.

Wie festgestellt werden konnte, verschlechtert sich die Eigenschaft von optoelektronischen Kopplern der vorgenannten Bauart in Abhängigkeit der zwischen dem Lichtemitter und dem Lichtsensor bestehenden Potentialdifferenz. Die Ursache ist das sich zwischen dem Lichtemitter und dem Lichtsensor ausbildende elektrische Feld. Selbst hochwertige Isolations-

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stoffe weisen eine molekulare Struktur auf, in der in einem allerdings geringen Prozentsatz noch freibewegliche LadungstrMoer vorhanden sind. Bein Auftreten eines entsprechend gerichteten elektrischen Feldes tritt eine Konzentration dieser freien Ladungsträger auf der Oberfläche des Lichtsensors auf. Mit ihren relativ starken Eiaenfeld wirken sie auf die durch Dotierung erzeugte Sperrschicht des Lichtsensors ein und rufen dort eine dem Feldeffekt entsprechende Wirkung hervor. Die Folae ist, daß der Lichtsensor auf eine optische Ansteuerung durch den Lichteritter unzureichend oder gar nicht reaaiert.

Aufgabe und L9suno

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen optoelektronischen Koppler zu schaffen, dessen Funktionssicherheit auch bei einem hohen Potentialunterschied zwischen den beiden gekoppelten Stromkreisen gewährleistet ist.

Durch die in den beiden Ansprüchen angegebene Erfindung wird die vorgenannte Aufgabe gelöst.

Vorteile

Die durch die Erfindung gemäß den Ansprüchen erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Dielektrikumschichtung von Luft und Kunststoff eine günstige Feldstärkenverteilung auftritt, durch die der Feldeffekt drastisch reduziert wird. Weiterhin wird durch die elektrisch leitende « Zwischenlage, die die beiden Gehäuseteile trennt, ein Teil des elektrischen Feldes abgeleitet und gleichzeitig verhindert,- daß aufgrund der Potentialdifferenz ein Isolationsstrom über das Gehäuse vom Lichtemitter zum Lichtsensor fließt.

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Beschreibung der Erfindung

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen optoelektronischen Koppler gemäß der Frfindung im Längsschnitt.

Figur 2 eine Explosionszeichnung des Kopplers von Figur 1.

Figur 3 einen Koppler gemäß der Erfindung in Prinzipdarstellung.

Figur 4 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Kopplers.

Die Schnittdarstellung der Figur 1 und die Explosionszeichnung der Figur 2 zeigen die konstruktive Gestaltung eines optoelektronischen Kopplers. Im Gegensatz zu den bekannten Ausführuncen besteht das Gehäuse 1 aus zwei Gehäuseteilen 2 und 4, die in herkömmlicher Weise aus einem lichtundurchlässigen Kunststoff bestehen. Im oberen Gehäuseteil 2 ist eine z.B. in einer Metallkapsel befindliche Leuchtdiode als Lichtemitter 7 angeordnet* In einem seitlich überstehenden Teil sind Anschlußstifte 3 angeordnet, mit denen der Lichtemitter 7 über Anschlußdrähte 7a verbunden ist. Im unteren Gehäuseteil 4 sind zwei Fotoelemente als Lichtsensor 8 angeordnet. Sie sind in gleichsinniger Reihenschaltung mit den Anschlußstiften 5 verbunden. Der eine Pol des Lichtsensors 8 ist über einen Anschlußdraht 8a mit einem weiteren Anschlußstift 6 verbunden. Der Lichtsensor 8 1st zusammen mit den Anschlußdrähten in eine Vergußmasse 9 aus Kunststoff, vorzugsweise Epoxidharz eingebettet. Die beiden Gehäuseteile 2 und 4 sind

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äurch einen Metallrahmen 1o voneinander getrennt. Der Metallrahmen 1o hat eine Anzahl Löcher 1oa. In Ausrichtung auf diese Löcher 1oa ist das obere und das untere Gehäuseteil 2 und 4 nit P.astnasen 2a bzw. 4a versehen. Jedem Loch 1oa ist eine Pastnase 2a bzw. 4a zugeordnet. Im zusammengebautem Zustand werden das obere und das untere Gehäuseteil 2 und 4 durch Einrasten der Nasen 2a und 4a in die Löcher 1oa über den Metallrahmen 1o zusammengehalten ohne sich gegenseitig zu berühren. Gleichzeitig steht der Anschlußstift 6 durch Klemmsitz in einem Loch 1ob in leitender Verbindung mit dem Metallrahmen 1o. ?us Sicherheitsgründen sind die Gehäuseteile 2 und 4 an den Stellen mit Aussparungen 11 versehen, wo sich ir" Metallrahmen 1o Löcher 1oa br'inden, die vom anderen Gehäuseteil belegt sind. Wie Figur 1 erkennen läßt, befindet sich zwischen dem Lichtertitter 7 und der Oberfläche der Vergußmasse 9 ein Luftspalt 12. Diesem kommt, wie nachstehend näher erläutert, besondere Bedeutung zu.

Der vorbeschriebene optoelektronische Koppler liegt mit der Unterseite plan auf einer leitenden Beschichtung 14 einer Leiterplatte 13 auf. Auch der Anschlußstift 6 ist mit der Beschichtung 14 leitend verbunden, die auf dem Potential des angeschlossenen Stromkreises liegt.

In Verbindung mit Figur 3 und 4 wird nachfolgend die Funktionsweise des vorbeschriebenen optoelektronischen Kcppleig erläutert. Während Figur 3 den Koppler in einer Prinzipdarstellung zeigt, stellt Figur 4 das Ersatzschaltbild dar.

Wie eingangs bereits erwähnt, werden optoelektronische Koppler vornehmlich zur galvanischen Trennung von Stromkreisen verwendet. Eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Stromkreisen lMßt zwischen dem Liöhtemitter 2 und dem Lichtsensor 8 ein elektrisches Feld entstehen, das ab einer gewissen Größe die

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eingangs genannte negative Wirkung hervorruft. Zwar tritt diese Erscheinung in beiden Richtungen des Potentialgefälles auf, doch ist sie bei einem vom Lichtemitter 7 (Pluspol) auf d<?n Lichtsensor 8 (Minuspol) gerichteten Feld unvergleichlich größer. Der nachfolgenden Betrachtung wird daher dieser Fall zugrunde gelegt.

In Übereinstimmung mit der vorbeschriebenen Ausführungsform ist in Figur 3 als Lichtemitter 7 eine Leuchtdiode vorgesehen, die in eine Metallkapsel eingegossen ist. Der eine Pol der Leuchtdiode ist in üblicher Weise mit der Metallkapsel verbunden, so daß sich bei einem PotentialgefHlle ein elektrisches Feld ausbreitet, das durch die in Figur 3 dargestellten Feldlinien 15 veranschaulicht ist. Die mögliche Verwendung eines Leuchtdiodenchips" statt der Kapselausführung bewirkt keine wesentliche änderung, da auch in diesem Fall genügend Metallteile vorhanden sind, die als Ausgangsbasis des elektrischen Feldes dienen würden. Der Lichtsensor 8, der im vorliegenden Beispiel aus zwei Fotoelementen besteht, ist in eine durchsichtige Vergußmasse 9 aus Kunststoff, vorzugsweise Epoxidharz, eincebettet. Außer einem Schutz vor mechanischen Einflüssen wird durch die Einbettung z.B. eine bessere Lichtkopplung erreicht, was zu einem höherem Ausgangsstrom als im unvergessenen Zustand führt.

Der die beiden Gehäuseteile 2 und 4 trennende Metallrahmen 1o hat eine Doppelfunktion. Durch seine geometrische Anordnung und seine elektrische Verbindung zum Potential des zweiten Stromkreises bildet er den Gegenpol für einen Teil des elektrischen Feldes, wie Figur 3 schematisch zeigt. Zum anderen stellt er eine leitende Unterbrechung der beiden GehMuseteile 2 und 4 dar. Dadurch werden Isolationsströrte, die sich unter dem Einfluß der Potentialdifferenz im Gehäusematerial ausbilden, ebenfalls über den Metallrahmen 1o abgeleitet. Es findet somit eine überbrückung des Gehäuseteils 4 statt. Dadurch wird

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verhindert, daß sich durch einen Isolationsstrofti über die Gehäuseteil^ 2 und 4 und die Vergußmasse 9 freie Ladungsträger auf der Oberfläche des Lichtsensors 8 ansammeln.

Vie Figur 3 schematisch zeigt, reicht der Metallrahmen 1o nicht aus, das gesamte elektrische Feld abzuleiten, so daß noch ein beträchtlicher Teil auf den Lichtsensor 8 ausgerichtet ist. Durch die bereits angedeutete Dielektrikumsschichtunrr von Luftspalt 12 und Vergußmasse 9 wird jedoch eine Feldaufteilunq erreicht, die die auf den Lichtsensor 8 einwirkende Feldstärke auf ein wirkungsloses Maß reduziert.

Anhand des Ersatzschaltbildes Figur 4 werden nachfolgend die sich aus der Dielektrikumsschichtung ergebenden Verhältnisse erläutert. In diesem Ersatzschaltbild stellt der Widerstand Π,,_ο das Gehäuseteil 2 und der Widerstand R-_A das Gehäuseteil 4 dar. über den Widerstand IL₇₁, der die Vergußmasse 9 darstellt, besteht eine sehr hochohmige Verbindung zwischen dem Cehäuseteil 4 und der Oberfläche des Lichtsensors 4. Durch die leitende Verbindung des Metallrahmens 1o mit einem Pol des Lichtsensors 4 sind die Widerstände Rp₄ und R-... überbrückt. In diesem Gehäuseteil ist somit jeder Isolationsstrom unterbunden. Isolationsströme über den Widerstand R_G« werden durch den Metallrahmen 1o abgeleitet. Der Abstand zwischen den feldemittierenden Teilen des Lichtemitters 2 und der Oberfläche des Lichtsensors 4 ist in etwa zu gleichen Teilen von dem Luftspalt 12 und der Vergußmasse 9 ausgefüllt. Der Luftspalt 12 entspricht einem Kondensator C1, die Vergußmasse einem Kondensator C2. Der spezifische Verlustwiderstand des jeweiligen Dielektrikums wirkt sich als ParalIe!widerstand R^ und *> aus, wobei der Widerstand R^ wesentlich größer als der Widerstand R^₂ ist. Bei der Vergußmasse 9 steht an erster Stelle eine möglichst gute Durchsichtigkeit. An zweiter Stelle die Durchschlagfestigkeit. Die handelsüblichen Verguß -

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nassen der besagten Art haben eine relative Dielektrizitätskonstante von ungefähr <i_p = 3 (Luft: £„ = 1) . Da die Feldstärke sich bei einer Dielektrikuirmschichtung im umgekehrten Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten aufteilt, ist in vorlieaenden Fall in der Vergußmasse 9 nur noch ein Drittel der vorhandenen Feldstärke wirksam. Durch den gegenüber dem Widerstand P sehr niedrigen Widerstand R^₇ wird der Kondensator C2 ständig entladen, wodurch die Ladung und damit die Feldstärke weiter abnimmt. Eine völlige Entladung tritt jedoch nicht ein, da über den V'iderstand R_ ständig neue Ladung zufließt. Die sich als resultierende einstellende Feldstärke ist jedoch so gering, daß keine spürbare Beeinflussung des Lichtsensors 8 mehr auftritt.

3 Patentansprüche
2 Blatt Zeichnunoen

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

1.J Optoelektronischer Koppler mit Lichtemitter und Lichtsensor, die in einem lichtdichten Gehäuse aus Isolationsmaterial einander gegenüberliegend anaeordnet sind und von denen zumindest der Lichtsensor in einer durchsichtigen Vergußmasse aus Kunststoff eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus zwei Teilen (2, 4) Vesteht, daß in den einen Gehäuseteil (2) der Lichtemitter (7) und in dem anderen Gehäuseteil (4) der Lichtsensor (8) angeordnet ist, daß die Gehäuseteile (2, 4) nur über eine elektrisch leitende Zwischenlage miteinander verbunden sind, die auf dem gleichen elektrischen Potential liegt wie der Lichtsensor, und daß sich zwischen dem Lichtemitter und der Oberfläche der den Lichtsensor abdeckenden Vergußmasse (9) ein Luftspalt (12) befindet.

2. Optoelektronischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage ein Metallrahmen (1o) ist, der eine Anzahl Löcher (1oa) hat, daß die Gehäuseteile (2, 4) in Ausrichtung auf diese Löcher Rastnasen (2a, 4a) haben, die jeweils in eines der Löcher greifen, und daß die Gehäuseteile im Bereich der nicht selbst beanspruchten Löcher mit Aussparungen (11) "ersehen sind,

3. Optoelektronischer Koppler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die GehHuseteile (2, 4) mit Anschlußstiften (3, 5, 6) versehen sind und daß einer dieser Anschlußstifte (6) mit der elektrisch leitenden Zwischenlage (Metallrahmen 1o) und einen Pol des Lichtsensors (8) leitend verbunden ist.

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ORIGINAL INSPECTED