DE2606524A1 - Optoelectronic coupling element with transparent coupling medium - has identical dielectric constant for coupling medium and enclosing reflecting substrate - Google Patents
Optoelectronic coupling element with transparent coupling medium - has identical dielectric constant for coupling medium and enclosing reflecting substrateInfo
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Abstract
Description
Optoelektronisches KoppelelementOptoelectronic coupling element
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Koppelelement mit einem Koppelmedium zwischen optischem Sender und optischem Empb fänger und einer Umhüllungsmasse.The invention relates to an optoelectronic coupling element with a Coupling medium between the optical transmitter and the optical receiver and a wrapping compound.
An das Übertragungsverhältuis (OHR) von optoelektronischen Eoppelelementen werden häufig hohe Anforderungen gestellt. Das Übertragungsverhältnis hängt vom Wirkungsgrad des optischen Senders, der Lichtleitung zwischen Sender und Empfänger, der Umwandlung des Lichtes in einen Foto strom im optischen Empfänger und der Verstärkung dieses Botostromes im Empfänger ab. Eine Erhöhung des Übertragungsverhältnisses von optoelektronischen Kopplern läßt sich daher in gewissen Grenzen durch Verwendung von#Fototransistoren hoher Stromverstärkung als Empfänger erreichen Bei einer empfängerseitigen Stromverstärkung eines optoelektronischen Koppelelementes werden jedoch nicht nur die erarinsehten Nutzströme, sondern auch alle übrigen aus unerwmnschten Effekten resultierenden#Ströme gleichermaßen verstärkt. Bei einem relativ hohem Anteil vor unerwünschten Störströmen am Gesamtstrom eines optoelektronischen Sopw pelelements, z. B. bedingt durch hohe Betriebstemperatur und hohe Betriebsspannung, ist eine #hohe empfängerseitige Stromverstärkung wegen der entsprechend hohen Verstärkung aller Störströme nicht sinnvoll anwendbar.To the transmission ratio (OHR) of optoelectronic coupling elements high demands are often made. The transmission ratio depends on the Efficiency of the optical transmitter, the light transmission between transmitter and receiver, the conversion of the light into a photo current in the optical receiver and the amplification this botostream in the recipient. An increase in the transmission ratio of optoelectronic couplers can therefore be used within certain limits of # phototransistors achieve a high current gain as a receiver However, current amplification of an optoelectronic coupling element is not only the expected useful flows, but also all other from undesired effects resulting # currents equally amplified. With a relatively high proportion before unwanted interference currents in the total current of an optoelectronic Sopw pelelement, z. B. due to high operating temperature and high operating voltage is a #high current gain on the receiver side due to the correspondingly high gain of all interference currents not usefully applicable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein optoelektronisches Koppelelement anzugeben, welches so ausgestattet ist, daß bei hohem Übertragungsverhältnis ein hoher Nutzstromanteil und ein geringer Störstromanteil erzielt wird.The object of the present invention is therefore to provide an optoelectronic Specify coupling element, which is equipped so that at a high transmission ratio a high proportion of useful current and a low proportion of interference current is achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Koppelmedium optisch durchlässig ist, das Koppelmedium und die Umhüllungsmasse für den Arbeitsbereich des optoelektronischen Koppelelements eine gute Haftfestigkeit aneinander und annähernd die gleiche Dielektrizitätskonstante aufweisen, daß die Umhüllungsmasse die Eigenschaft besitzt, die vom optischen Sender einfallende Strahlung zu reflektieren und für die von außen in das optoelektronische Koppelelement einfallende optische Strahlung für den Empfindlichkeitsbereich des optischen Empfängers in hohem Maße undurchlässig zu sein.According to the invention, this object is achieved in that the coupling medium is optically transparent, the coupling medium and the encasing compound for the work area of the optoelectronic coupling element good adhesion to each other and have approximately the same dielectric constant as the encapsulation compound has the property of reflecting the radiation incident from the optical transmitter and for the optical ones incident from the outside into the optoelectronic coupling element Radiation for the sensitivity range of the optical receiver to a great extent to be impermeable.
Es ist besonders vorteilhaft, die Umhiillungsmasse so auszugestalten, daß die vom optischen Sender einfallende Strahlung reflektiert wird und die von außen in das optoelektronische Koppelelement einfallende optische Strahlung in hohem Maße nicht durchgelassen wird, weil dadurch der Nutzstromanteil des optoelektronischen Koppelelements im Vergleich zum Gesamtstrom erhöht und ein von außen indizierter Störstromanteil vermieden wird. Für das Funktionieren eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Koppelelements sind außerdem die Maßnahmen, daß das Koppelmedium optisch durchlässig ist, daß das Koppelmedium und die Umhüllungsmasse für den Arbeitsbereich des optoelektronischen Koppelelements eine gute Haftfestigkeit aneinander und annähernd die gleiche Dielektrizitätskonstante aufweisen, von ~jesonderer Bedeutung.It is particularly advantageous to design the encasing compound in such a way that that the incident radiation from the optical transmitter is reflected and that of The optical radiation incident outside in the optoelectronic coupling element is high Dimensions is not let through, because this reduces the useful current portion of the optoelectronic Coupling element increased compared to the total current and an externally indexed one Interference current component is avoided. For the functioning of an optoelectronic according to the invention Coupling elements are also the measures that the coupling medium is optically transparent is that the coupling medium and the encapsulation compound for the work area of the optoelectronic Coupling element good adhesion to each other and approximately the same dielectric constant have, of ~ special importance.
Es wurde bereits versucht, bei ähnlichen optoelektronischen Koppelelementen das Koppelmedium mit einem optischen Reflektor zu umgeben, der Strahlungsverluste des Senders mittels Totalreflexion weitgehend verringert. Mit diesem Aufbau lassen sich jedoch keine optoelektronischen Koppelelemente mit genügender Spannungsfestigkeit zwischen optischem Sender und optischem Empfänger herstellen. Unterschiedliche Materialien von Koppelmedium und Reflektor weisen im allgemeinen in einem so großen Temperaturbereich, wie dem Arbeitsbereich von optoelektronischen Koppelelementen (- 55 oC bis +125 00), keine genügende Haftfestigkeit gegeneinander auf, so daß es zu Ablöseerscheinungen kommt, die ihrerseits bei Hochspannungsbeaufschla gung zu Teilentladungen oder elektrischen Durchbrchen führen. Ausserdem treten bei stark unterschiedlichen I)ielektrizitätskonstanten zwischen Koppelmedium und Reflektor an deren Grenzfläche wegen elektrischer Feldverzerrung Teilentladungen bevorzugt auf. Nachdem eine ausreichende Spannungsfestigkeit zwischen Sender und Empfänger bei optoelektronischen Koppelelementen erforderlich ist, bietet die Anwendung von totalreflektierenden Reflektoren keine ausreichende Betriebssicherheit.Attempts have already been made with similar optoelectronic coupling elements to surround the coupling medium with an optical reflector, the radiation losses of the transmitter largely reduced by means of total reflection. Let’s with this build up However, there are no optoelectronic coupling elements with sufficient dielectric strength between the optical transmitter and the optical receiver. Different materials of the coupling medium and reflector generally have such a large temperature range like the working area of optoelectronic coupling elements (- 55 oC to +125 00), do not have sufficient adhesive strength against each other, so that there are peeling phenomena comes, which in turn lead to partial or electrical discharges when high voltage is applied Leading breakthroughs. In addition, dielectric constants occur with widely differing dielectric constants between coupling medium and reflector at their interface due to electrical field distortion Partial discharges preferred. After this sufficient dielectric strength required between transmitter and receiver for optoelectronic coupling elements is, the use of totally reflecting reflectors is not sufficient Operational safety.
Es ist vorteilhaft, daß das Koppelmedium und die Umhüllungsmasse aus Kunststoff bestehen.It is advantageous that the coupling medium and the encapsulation compound Made of plastic.
Die Venrendung von Kunststoffen hat sich wegen der leichten und angenehmen Bearbeitbarkeit derselben als besonders vorteilhaft erwiesen.The use of plastics has become easier because of their lightness and comfort Machinability of the same proved to be particularly advantageous.
Weiterhin ist es vorteilhaft, daß sowohl das Koppelmedium wie auch die Umhüllungsmasse eine Basis gleicher chemischer Zusammensetzung, insbesondere eine Basis aus ein und demselben Kunststoffharz, aufweisen.Furthermore, it is advantageous that both the coupling medium as well the coating compound has a base of the same chemical composition, in particular a base made of one and the same plastic resin.
Durch diese Maßnahme wird eine gute Haftfestigkeit zwischen Koppelmedium und Umhüllungsmasse gewährleistet. Nachdem für optoelektronische Koppler ein Lager- und Arbeitsbereich von minus 55 OC bis plus 125 oO vorgesehen ist, läßt sich für ein Koppelmedium von chemisch unterschiedlicher Zusammensetzung gegenüber der Umhüllungsmasse im allgemeinen keine gute Haftfestigkeit erreichen. Zwischen Koppelmedium und Umhüllungsmasse treten in diesem Falle häufig Risse und Abhebungen auf. Dadurch ergeben sich Bereiche unterschiedlichen Dielektrikums, die bei anliegenden hohen Spannungen zwischen Sender und Empfänger zu frühen Teilentladungserscheinungen führen.This measure ensures good adhesive strength between the coupling medium and coating compound guaranteed. After a warehouse for optoelectronic couplers and working range of minus 55 oC to plus 125 oO is provided, can be used for a coupling medium of chemically different composition compared to the encapsulation compound generally do not achieve good adhesive strength. Between the coupling medium and the encapsulation compound in this case, cracks and lift-offs often occur. This results in areas different dielectrics that are used when high voltages are present between the transmitter and receivers lead to early partial discharge phenomena.
Mit der Verwendung einer Basis gleicher chemischer Zusammensetzung für das Koppelmedium wie für die Umhüllungsmasse lassen sich die beschriebenen Nachteile vermeiden.With the use of a base of the same chemical composition the disadvantages described can be avoided for the coupling medium as well as for the encapsulation compound avoid.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Umhtillungsmasse aus zwei Teilen besteht, wobei der erste, dem Koppelmedium zugewandte Teil der Umhüllungsmasse so ausgerüstet ist, daß die vom optischen Sender einfallende Strahlung reflektiert wird, während der zweite, dem Koppelmedium abgewandte äußere Teil der Umhüllungsmasse die Eigenschaft besitzt, optische Strahlung in sehr hohem Maße zu absorbieren.A further development of the invention consists in the fact that the casing mass consists of two parts, the first part of the encapsulation compound facing the coupling medium is equipped so that the incident radiation from the optical transmitter is reflected is, while the second, the coupling medium facing away from the outer part of the encapsulation compound possesses the property of very high optical radiation Dimensions too absorb.
Diese Maßnahme gewährleistet einen hohen Nutzstromanteil am Gesamtstrom eines optoelektronischen Koppelelements, da derjenige Anteil an Strahlung, der vom Sender kommend in die Umhüllungsmasse einfällt, zu einem großen Teil durch Reflexion in den Empfänger gelangt und somit nicht verlorengeht. Durch Absorption der von außen einfallenden optischen Strahlung im äußeren Teil der Umhüllungsmasse wird andererseits ein geringer Störstromanteil gewährleistet.This measure ensures a high proportion of useful electricity in the total electricity an optoelectronic coupling element, since that portion of radiation that from The transmitter comes into the encapsulation compound, to a large extent by reflection reaches the receiver and is therefore not lost. By absorbing the from externally incident optical radiation in the outer part of the encapsulation compound on the other hand, a low interference current component is guaranteed.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß das Koppelmedium optisch klar ist, während der erste, dem Koppelmedium zugewandte Teil der Umhüllungsmasse weiß gefärbt und der zweite, dem Koppelmedium abgewandte Teil der Kunststoffumgußmasse schwarz gefärbt ist.It is also advantageous that the coupling medium is optically clear, while the first part of the encapsulation compound facing the coupling medium is colored white and the second part of the plastic encapsulation compound, facing away from the coupling medium, is black is colored.
Ein klares Koppelmedium hat den Vorteil geringer Absorptionsverluste der vom Sender kommenden optischen Strahlung. Die Weißfärbung des ersten, dem Koppelmedium zugewandten Teils der Umhüllungsmasse bewirkt eine gute Reflexion und somit eine Erhöhung des Nutzstromanteils, während die Schwarzfärbung des äußeren Teils der Umhüllungsmasse eine gute Absorption der von außen einfallenden optischen Strahlung und somit einen geringen Störstromanteil bewirkt.A clear coupling medium has the advantage of low absorption losses the optical radiation coming from the transmitter. The white color of the first, the coupling medium facing part of the encasing compound causes a good reflection and thus a Increase in the proportion of useful electricity, while the outer part of the Enveloping compound ensures good absorption of the optical radiation incident from the outside and thus causes a low level of interference current.
Es ist besonders vorteilhaft, daß eine Weißfärbung des ersten, dem Koppelmedium zugewandten Teils der. Umhüllungsmasse durch Zusätze von Titandioxid erzeugt wird.It is particularly advantageous that a whitening of the first, the Coupling medium facing part of the. Encapsulation mass through the addition of titanium dioxide is produced.
Das Zusetzen von Titandioxid hat sich für diese Zwecke, insbesondere in eine Basis aus Kunstharz, als besonders geeignet erwiesen.The addition of titanium dioxide has been found particularly useful for these purposes in a base made of synthetic resin, proved to be particularly suitable.
Es ist besonders günstig, daß der Gewichtsanteil des Titandioxid-Zusatzes bei dem ersten Teil der Umhüllungsmasse 10 bis 30 % beträgt.It is particularly favorable that the proportion by weight of the titanium dioxide additive in the first part of the coating compound is 10 to 30%.
Weiterhin ist es erfinderisch, daß das optoelektronische Koppelelement als optischen Sender eine Diode, z. B. Lumineszenzdiode, und als optischen Empfänger eine Diode, einen oder mehrere Transistoren, einen Thyristor oder einen Foto-IO enthält.Furthermore, it is inventive that the optoelectronic coupling element as an optical transmitter a diode, e.g. B. light emitting diode, and as an optical receiver a diode, one or more transistors, a thyristor or a photo IO contains.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung und an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert: Die Figur stellt einen Querschnitt durch ein schematisch dargestelltes optoelektronisches Koppelelement dar.The invention is based on the drawing and on a Exemplary embodiment explained in more detail: The figure represents a cross section by a schematically illustrated optoelectronic coupling element.
In einem optoelektronischen Koppelelement 1 ist ein optischer Sender 2 mittels eines Eoppelmediums4 aus Kunststoff mit einem optischen Empfänger 3 optisch und mechanisch verbunden. Das Koppelmedium 4 wird von einem ersten Teil 5 der Umhüllungsmasse, die aus Kunststoff gefertigt ist, und durch Zusätze von Titandioxid, angedeutet durch die Punkte 6, weiß gefärbt ist, umgeben. Der zweite Teil 7 der Umhüllungsmasse umgibt den ersten Teil 5 der Umhüllungsmasse sowie den optischen Sender 2 und den optischen Empfänger 3.An optical transmitter is located in an optoelectronic coupling element 1 2 by means of an Eoppelmediums4 made of plastic with an optical receiver 3 optically and mechanically connected. The coupling medium 4 is from a first part 5 of the encasing compound, which is made of plastic and indicated by the addition of titanium dioxide surrounded by the points 6, colored white. The second part 7 of the coating compound surrounds the first part 5 of the encapsulation compound and the optical transmitter 2 and the optical receiver 3.
Der zweite Teil 7 der Umhüllungsmasse besteht ebenfalls aus Kunststoff und ist schwarz gefärbt. Aus der Umhüllungsmasse ragen einerseits Anschlußdrähte 8 und 9 des optischen Senders 2 mit ihren Anschlüssen 10 und 11 und andererseits Anschlußdrähte 12, 13, 14 des optischen Empfängers 3 mit ihren Anschlüssen 15, 16, 17.The second part 7 of the encapsulation compound is also made of plastic and is colored black. On the one hand, connecting wires protrude from the encapsulation compound 8 and 9 of the optical transmitter 2 with their connections 10 and 11 and on the other hand Connecting wires 12, 13, 14 of the optical receiver 3 with their connections 15, 16, 17th
Ein erfindungsgemäßes optoelektronisches Koppelelement kann z. 3.An inventive optoelectronic coupling element can, for. 3.
eine Lumineszenzdiode als optischen Sender enthalten. Als optische Empfänger können lioden, sowohl einzelne Transistoren als auch Transistoren in Darlington-Schaltung, Thyristoren oder Foto-IC's fungieren. Als Materialien für Koppelmedien kommen alle Stoffe in Frage, die hinreichend gut elektrisch isolieren, für optische Strahlung sehr gut durchlässig sind, die andererseits eine geeignete Dielektrizitätskonstante aufweisen, die der Dielektrizitätskonstante der Umhüllungsmasse annähernd entspricht und Stoffe, die in einem Temperaturbereich von minus 55 9C bis plus 125 oO eine hinreichend gute Haftfestigkeit des Koppelmediums gegen die Umhüllungsmasse hin aufweisen. Materialien, die für die Umhüllungsmasse eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Koppelelements in Betracht kommen, müssen außer den angeführten Eigenschaften eine weitere besitzen, nämlich die vom optischen Sender einfallende Strahlung zu reflektieren und für die von außen in das optoelektronische Koppelelement einfallende Strahlung in hohem Maße undurchlässig zu sein. Es hat sich als besonders geeignet erwiesen, als Koppelmedium ein klares Kunstharz, z. B. Epoxidharz (R), zu verwenden, und als Basis der Umhüllungsmasse das gleiche Kunstharz, z. B. Epoxidharz (R), zu verwenden, wobei ein erster Teil der Umhüllungsmasse, derjenige Teil, der das Koppelmedium unmittelbar umgibt, mittels eines Zusatzes von 10 bis 30 Gew% Titandioxid weiß gefärbt ist, während der zweite äußere Teil der Umhülluiismasse durch geeignete Stoffe schwarz gefärbt ist. Durch das Aufteilen der Umhüliungsmasse in einen inneren weißen Teil und einen äußeren schwarzen weil, läßt sich die optische Ankoppelung hiernach gefertigter optoelektronischer Koppelelernente, verglichen mit optoelektronischen Koppelelementen, die eine durchgehend schwarze Umhüllungsasse aufweisen, um 100 % bis 500 % verbessern. Die empfängerseitige .tromverstärkung derartiger optoelektronischer Koppler kann somit entsprechend reduziert werden, so daß bei der Verwendung von Transistoren als optischen Empfängern bessere Meßdaten, insbesondere bei höheren Temperaturen und höheren Betriebsspannungen, erzielt werden.contain a light emitting diode as an optical transmitter. As optical Receivers can have diodes, both single transistors and transistors in a Darlington circuit, Thyristors or photo IC's function. All of them come as materials for coupling media Substances in question that provide adequate electrical insulation for optical radiation are very permeable, which on the other hand have a suitable dielectric constant have, which corresponds approximately to the dielectric constant of the encapsulation compound and substances in a temperature range from minus 55 9C to plus 125 oO a Sufficiently good adhesive strength of the coupling medium against the encapsulation compound exhibit. Materials that are used for the encapsulation compound of an optoelectronic according to the invention Coupling elements come into consideration, in addition to the properties listed, must have a have more, namely to reflect the incident radiation from the optical transmitter and for the radiation incident on the optoelectronic coupling element from the outside to be highly impermeable. It has proven to be particularly suitable as a coupling medium a clear synthetic resin, e.g. B. epoxy resin (R) to use, and as Base of the coating compound the same synthetic resin, for. B. epoxy resin (R), to be used, a first part of the coating compound, the one Part of that Coupling medium immediately surrounds, by means of an addition of 10 to 30% by weight of titanium dioxide is colored white, while the second outer part of the Umhülluiismasse by suitable Fabric is dyed black. By dividing the wrapping compound into an inner one white part and an outer black part because the optical coupling can be used subsequently manufactured optoelectronic coupling elements compared to optoelectronic Coupling elements, which have a continuous black coating mass, by 100 Improve% to 500%. The receiver-side .current amplification of such optoelectronic Coupler can thus be reduced accordingly, so that when using Transistors as optical receivers provide better measurement data, especially with higher Temperatures and higher operating voltages can be achieved.
Das erfindungsgemäße optoelektronische Koppelelement bewährt sich besonders bei Hochspannungsbeaufschlagung.The optoelectronic coupling element according to the invention has proven itself especially when high voltage is applied.
8 Patentansprüche 1 Figur8 claims 1 figure
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0103032A1 (en) * | 1982-09-09 | 1984-03-21 | General Electric Company | Semiconductor optocoupler |
-
1976
- 1976-02-18 DE DE19762606524 patent/DE2606524A1/en active Pending
Cited By (1)
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| EP0103032A1 (en) * | 1982-09-09 | 1984-03-21 | General Electric Company | Semiconductor optocoupler |
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