DE2903554A1 - Opto-koppler zur opto-elektronischen signaluebertragung - Google Patents

Description

• Opto-Eoppler zur opto-elektronischen Signalüber-
• tagung DieErfindung betrifft einen Opto-Koppler zur optoelektronischen Signalübertragung, bestehend aus einer Licht emittierenden Diode, die in einem Bauelement mit einem auf das von der Diode ausgesendete Licht ansprechenden und leitend werdenden Foto-Transistor zusammengefaßt ist.
• Optoelektronische Koppler, kurz Opto-Koppler genannt, haben in der Digital-Elektronik ein weites Anwendungsgebiet gefunden. Sie vereinigen in vorteilhafter Weise eine definierte Eopplungs-also Ubertragungseigenschaft mit der in den betreffenden Anwendungsfällen gewünschten, und oft auch erforderlichen galvanischen Trennung der Stromkreise. Diese galvanische Trennung kann mit normalen Transistoren nicht in vollkommener Weise erreicht werden, weil zwischen dem Steuerstromkreis und dem Schaltstrumkreis eine elektrische Verbindung besteht.
• Bei Opto-Kopplern dagegen läßt sich durch Verwendung des Ubertragungsmediums Licht eine vollkommene Trennung erreichen und dabei auch ein hoher Isolationswiderstand und eine große Spannungsfestigkeit erzielen.
• Wegen dieser guten Trenneigenschaften wird der Opto-Koppler auch mit dem Begriff Opto-Isolator bezeichnet.
• Im wesentlichen besteht ein Opto-Koppler Bauelement aus auf winzigen Chips angeordneten Sende-und Empfangseinrichtungen. Diese Chips werden als Licht emittierende Diode und als Fototransistor zunächst getrennt hergestellt. Damit nun aus diesen beiden Teilen ein Opto-Koppler entstehen kann, muß die Anordnung so getroffen werden, daß das von der Diode ausgesendete Licht auf die dafür empfindliche Stelle des Foto-Transistors auftreffen kann. Im allgemeinen werden deshalb Diode und Transistor direkt einander gegenüber angeordnet, so daß eine "Sichtverbindung" besteht. Es werden hierbei gewisse Anforderungen an die Genauigkeit der Anordnung bezüglich der Ausrichtung der optischen Achsen und des Abstandes beider Teile voneinander gestellt, da insbesondere der Abstand einen direkten Einfluß auf die Übertragungseigenschaften (Wirkungsgrad) des gesamten Opto-Kopplers hat.
• Um diese genannten Forderungen zu erfüllen, ist es bekannt, die beiden Chips auf relativ starke Metallstreifen aufzubo3den,, die gleichzeitig als Anschlußpins dienen. Diese Metallstreifen lassen sich so formen, daß eine definierte optimale Ausrichtung der Chips und ein definierter Abstand erreichbar ist, wenn diese Metallstreifen zu einem Opto-Eoppler-Gehäuse zusammenmontiert werden.
• Solche Anordnungen sind beschrieben im"Opto-Kochbuch" der Firma Texas Instruments (1) in den Kapitel 24 (S.451) und 26 (S.4759. Auf der Seite 453 ist dort im Bild 24.2 eine der vorstehenden Abhandlung entsprechende Darstellung angebildet.
• Eine ausführlichere, perspektivische Darstellung eines derartigen Opto-Kopplers befindet sich auf der Seite 23 des "Optoelectronics Manual." der Firma General Electric (2), wo in der Section II B ab Seite 21 auch eine genaue Beschreibung von Opto-Kopplern der eingangs geschilderten Art abgedruckt ist.
• Gleichfalls aus der letztgenannten Literaturstelle ist es bekannt, Leuchtdiode und Fototransistor als getrennte Bauelemente so anzuordnen, daß die Lichtübertragung nicht auf direktem Weg, sondern über ein reflektierendes Medium erfolgt. Diese Anordnung wird gewählt, um die Lichtübertragung mittels einer mechanischen Vorrichtung unterbrechen zu können und auf diese Weise einen opto-elektronischen Schalter zu erhalten.
• Solche Schalteranordnungen sich auch beschrieben in den Schriften DE-OS 23 48 900 (3) und DE-AS 24 32 421 (4). Die Unterbrechung der Lichtübertragung wird bei diesen Anordnungen dadurch erreicht, daß die das Licht reflektierende Fläche beim Schaltvorgang in eine Lage hin bewegt wird, bei der keine Reflexion mehr stattfindet.
• Bei Opto-Eopplern, deren elektronische Chips (Leuchtdiode und Fototransistor) auf starken Metallstreifen angeordnet und auch kontaktiert sind, dient dieser Metallstreifen auch gleichzeitig als Stromzuführung.
• Infolgedessen muß er beim Einlöten des bestückten Opto-Koppler-Bauelementes in eine Baugruppe direkt mit der Hitze des Lötbades in Berührung kommen. Diese Hitze wird wegen-des großen Querschnittes sofort sehr gut direkt zum Dioden-oder Transistorchip geleitet, wodurch eine Beschädigung eintreten kann, die den späteren Betrieb der gesamten Schaltungsanordnung negativ- beeinflußt.
• Außerdem sind bei Opto-Kopplern mit derartigem Aufbau, wie aus den Abbildungen hervorgeht, mindestens drei verschiedenartig geformte Metallstreifen als Anschlußpins erforderlich.
• Bei Anordnungen, die keine direkte Lichtübertragung sondern eine reflektierende ebene Fläche anwenden, sind, wie aus dem Text von (2) auf Seite 9 hervorgeht, hohe Anforderungen an die mechanische Genauigkeit bei der Ausrichtung von Leuchtdiode und Fototransistor zu stellen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Opto-Koppler vorzustellen, der alle positiven Eigenschaften eines Opto-Kopplers besitzt aber die geschilderten Nachteile bezüglich der Wärmeleitung und der mechanischen. Anordnung nicht aufweist.
• Die Lösung dieser Aufgabe geschieht dadurch, daß die Diode und der Fototransistor gemeinsam direkt auf einem Substrat-Träger hebeneinander angeordnet kontaktiert sind und von einem Kunststoffring umgeben sind, der mit einem das Licht reflektierenden oder leitenden Körper verbunden ist, und daß die Zuleitungen und Ankontaktierungen für die Diode und den Transistor in Dick-oder Dünnfilmtechnik ausgeführt sind.
• Durch die Anwendung eines Substrates als Trägermaterial für die Leuchtdiode und den Fototransistor und die zwischen diesen Chips und den Anschlußpins vorhandenen Leiterbahnen sind elektrisch leitende Verbindungen gegeben die einen hohen Wärmewiderstand haben. Dadurch kann bei beim Lötvorgang vorhandene Hitze nicht zu den Chips gelangen und dort keine Beschädigungen bewirken.
• Ein weiterer Vorteil ist, daß die Anschlußpins alle die gleiche Form haben und daß beim Herstellen der Substratleiterplatte Widerstände in die Zuleitungen eingedruckt werden können. Die Anordnung eines Ringes um die Halbleiterchips und dessen Ausfüllung mit lichtleitendem Kunstharz bietet für die gesamte Anordnung eine optimale Genauigkeit und einen guten Schutz der Chips vor Umwelteinflüssen.
• Schließlich können derart aufgebaute Opto-Koppler auch als Bestandteil einer größerensin Hybridtechnik ausgeführten Schaltungsanordnung ohne Änderung der Konzeption eingesetzt werden. Die verschiedenen Möglichkeiten bei der Ausgestaltung der Körper für die Lichtreflexion oder-leitung erlauben es, den für den jeweiligen Anwendungsfall günstigsten, am preiswertesten herstellbaren Körper zu verwenden.
• Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigt: Fig.1 Eine Seitenansicht und Draufsicht der erfindungsgemäßen -Opto-Koppler-Anordnung Fig.2 Die Anordnung von Licht reflektierenden Körpern Fig.3 Die Anordnung von Licht leitenden Eörpern Aus der Fig.1 ist ersichtlich, wie die Licht emittierende Diode D und der Fototransistor FT nebeneinander auf dem Substratträger S aufgebracht sind. Die Anschlüsse der Diode sind über Leiterbahnen L mit den Anschlußpins A2 und A3 verbunden. Dabei ist eine Elektrode direkt durch Ankontaktierung über die Leiterbahn mit dem Anschluß A2 elektrisch verbunden und die andere Elektrode ist über einen Bonddraht B geführt. In glei.cher Weise ist der Fototransistor mit den Anschlußstiften A4,A5 und A6 verbunden. Zwischen allen Anschlußstiften und den Ankontaktierpunkten befinden sich gedruckte Leiterbahnen, In diesen Leiterbahnen können auch jeweils bei Bedarf gedruckte Widerstände angeordnet sein. Es erübrigt sich dann, diesen Widerstandswert mit einem separaten Bauelement außerhalb des Opto-Kopplers mit einem Bauelement zu realisieren.
• Ein Ring R ist so um die Elektronik-Chips gelegt, daß ein darauf gesetzter Licht reflektierender oder leitender Körper eine optimale Übertragung des Lichtes von der Leuchtdiode zum Fototransistor bewirkt. Der vom Ring gebildete Hohlraum wird vor dem Aufsetzen des Körpers mit einem lichtdurchlässigen Kunstharz ausgefüllt, wodurch das Substrat, der Ring und der Körper fest miteinander verklebt werden. Damit ist gewährleistet, daß auch bei den weiteren Arbeitsgängen die Anordnung sich nicht verschieben kann.
• In der Fig.2 ist dargestellt, wie die das Licht reflektierenden Körper auf den Ring aufgesetzt sind Diese Körper können aus einem Kunststoff bestehen und mit einem Spritzgießverfahren auf einfache Weise in großen Stückzahlen hergestellt werden. Die Verspiegelung kann brei Verwendung eines dafür geeigneten Kunststoffes schon bei der Herstellung erfolgen oder in einem nachtäglichen Arbeitsgang bewirkt werden. Die Fig.2bzeigt einen derartig ausgebildeten Hohlkegel, und in Fig.2a ist eine konvex gewölbte Scheibe dargestellt.
• Bei dem in Fig.3a dargestellten Körper handelt es sich um ein aus lichtdurchlässigem Kunststoff bestehendes Gebilde, das ein Vollkegel oder ein Prisma sein karan.
• Der in der Fig.3b dargestellte Körper kann aus einem beliebigen Kunststoff bestehen und eine beliebige Form haben. Es ist darin eine Lichtleitfaser LF eingegossen, die auf die elektronischen Chips direkt ausgerichtet ist. Auch mit dieser Anordnung ist eine gute tbertragung des Lichtes von der Diode zum Transistor erreichbar.
• Die Form und Art der das Licht übertragenden Körper beeinflußt die grundsätzlichen Anordnungen innerhalb des Opto-Kopplers nicht, so daß es auch möglich ist, die gleiche Grundstruktur mit jeweils verschiedenen Körpern zu bestücken, wobei auch andere, hier nicht dargestellte Versionen denkbar sind.

Claims (10)

1. Opto-Koppler zur opto-elektronischen Signalübertragung Patentansprüche: S Opto-Eoppler zur opto-elektronischen Signalübertragung bestehend aus einer Licht emittierenden Diode, die in einem Bauelement mit einem auf das von der Diode ausgesendete Licht ansprechenden und leitend werdenden Fototransistor zusammengefaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D) und der Fototransistor (FT) gemeinsam direkt auf einem Substrat-Träger nebeneinander angeordnet kontaktiert und von einem Kunststoffring (.R) umgeben sind, der mit einem das Licht reflektierenden oder leitenden Körper verbunden ist, und daß die Zuleitungen und Ankontaktierungen für die Diode und den Transistor in Dick-oder Dünnfilmtechnik ausge¢ihrt sind.
2. 2. Opto-Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Licht reflektierenden oder leitenden Körper tragende Ring in seiner Höhe so bemessen ist, daß für den jeweils verwendeten Körper eine optimale Lichtübertragung gewährleistet ist.
3. 3. Opto-Koppler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Licht reflektierende Körper als innen verspiegelter Hohlkegel ausgeführt ist.
4. 4. Opto-Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Licht reflektierende Körper aus einer konvex gewölbten, verspiegelten Scheibe besteht.
5. 5. Opto-Koppler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ring ein lichtdurchlässiger Vollkegel angeordnet ist.
6. 6. Opto-Koppler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ring ein lichtdurchlässiges Prisma angeordnet ist.
7. 7. Opto-Koppler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ring ein beliebig geformter Eunststoffkörper angeordnet ist, in dem eine auf die Diode und den Foto-Uransistor ausericht-ete p:eboene (LF) Lichtleitfaser eingebettet ist.
8. 8. Opto-Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ring ein lichtdurchlässiges Kunstharz eingebracht wird, das die Halbleiter vor Umwelteinflüssen schützt, sowie den Ring auf dem Substrat und den optischen Verbindungskörper auf dem Ring befestigt.
9. 9. Opto-Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die zwischen den Anschlußpins und den Ankontaktierpunkten verlaufenden Leiterbahnen bei Bedarf Vorwiderstände für die Leuchtdiode und/oder den Foto-Transistor in bekannter Weise eingedruckt sind.
10. 10. Opto-Koppler nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Opto-Koppler auf einer Trägerplatte gemeinsam angeordnet und-in einem Bauelement vereinigt werden.