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Hochspannungs-Optokoppler und Verfahren zur Her-
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stellung desselben Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein den Bereich von Optokopplern und Verfahren zum Herstellen derselben. Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Optokoppler und Verfahren, die eine
verbesserte Hochspannungsisolation zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen
des Kopplers liefern und in Zusammenhang mit Hochspannungsausrüstungen von besonderem
Nutzen sind.
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Gegenwärtig sind zahlreiche Optokoppler erhältlich,die sowohl Wechsel
spannungs- als auch Gleichspannungssignale passieren lassen, während sie zwischen
i.hrem Eingang und ihrem Ausgang elektrische Isolation aufweisen. Solche Vorrichtungen
umfassen im allgemeinen einen elektromagnetischen Signalsender, beispielsweise eine
infrarotstrahlende Gallium-Arsen-Diode, und einen entsprechenden elektromagnetischen
Signalempfänger, beispielsweise einen Fhototransistor, einen Phototriac, eine Photodiode
usw., und können gemeinsam untergebracht sein entweder in einem Standardgehäuse
mit sechs Anschlußstiften (DIP, dual in-line package) oder in einem größeren Gehäuse.
Die elektromagnetische Signalkopplung zwischen dem Sender und dem Empfänger wird
im allgemeinen über einen Luftspalt, einen Silizium-Lack, ein durchsichtiges Epoxid,
ein Glas oder ein anderes vergleichbares Kopplungsmedium bewirkt. Der Abstand zwischen
den elektrischen Leitern zwischen dem Eingang und dem Ausgang hierzu in Luft wird
im allgemeinen als "lichte Weite" (clearance) der Vorrichtung bezeichnet.
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"Isolierende Dicke" (thickness through insulation) ist der Abstand
von Leiter zu Leiter innerhalb der Vorrichtung, während "Kriechstrecke" den Abstand
zwischen denselben längs den isolierenden Flächen sowohl innerhalb als auch außerhalb
bezeichnet.
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Aufgrund optischer Überlegungen, einschließlich der solchen Kopplungsmedien
innewohnenden Unzulänglichkeiten, war es bislang gängig, die physikalische Trennung
zwischen dem elektromagnetischen Signalsender und -empfänger zu minimieren. Derzeit
können Vorrichtungen eine optische Trennung in der Größenordnung von ungefähr 0,762
mm (30 mils) aufweisen.
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Optische Längen dieser Größenordnung führen jedoch zu einer gleichzeitigen
und unerwünschten Verringerung der inneren Kriechstrecke und der isolierenden Dicke
zwischen den metallischen Elementen des Senders (Emitter) und des Empfängers (Detektor),
bei.spielsweise ihren elektrischen Leitungen. Ein Standard-DIP-Gehäuse mit seehs
Stiften, mit ungefähren Gehäuseabmessungen von 6,350 mm x 8,509 mm (250 mils x 335
mils), weist physikalisch eine unvermeidbar kurze innere und äußere Kriechstrecke
für den Gebrauch bei Hochspannungs-Anwendungen auf. Physikalisches Erhöhen der GehäusegröRe
zur Erhöhung der äußeren Trennung zwischen Leitungen erhöht lediglich die äußere
Kriechstrecke und lichte Weite. Die Faktoren innere Kriechstrecke und isolierende
Dicke verbleiben als schwierige Grenzen. Versuche, einen wirksam erhöhten Widerstand
gegen elektrischen Durchschla, der bei solchen herkömmlichen Optokopplern auftreten
kann, vorzusehen, sind beispielsweise in der US-PS Nr. 4 284 898 von Felkel et al
vom 18. August 1981 beschrieben. Bei diesem Patent wird ein isolierender Film aus
Silizium-Lack oder Epoxidlack auf die Leiterverbindungen der
Vorrichtung
aufgetragen.
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Der Faktor isolierende Dicke und die innere Kriechstrecke bei einem
Optokoppler in einem sechsfüßigen DIP- und einem größeren Gehäuse können daher viele
Sicherheitsstandards für Hochspannungsanwendungen einschließlich bestimmter IEC-(International
Electrotechnical Commission) und VDE-Vo.rschriften weiterhin nicht erfüllen.
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Obwohl verschiedene Verfahren bei dem Versuch verwendet wurden, die
den früheren Optokoppler-Technologien in Bezug auf innere Kriechstrecke und isolierende
Dicke innewohnenden Nachteile zu umgehen, so sind doch, alles in allem, solche Versuche
von Natur aus begrenzt durch die optischen Eigenschaften der verwendeten Kopplungsmedien
und die Begleitkosten, die hervorgerufen werden beim Versuch , die Nachteile zu
umgehen, die in Verbindung mit den festliegenden optischen Eigenschaften und dem
zwischen dem Sender und dem Empfänger erforderlichen Abstand auftreten.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten
Hochspannungs-Optokoppler und ein Verfahren zur Herstellung desselben vorzusehen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen verbesserten
Hochspannungs-Optokoppler und ein Verfahren vorzusehen, die eine deutlich erhöhte
innere Kriechstrecke vorsehen, indem ein erhöhter Abstand zwischen seinem elektromagnetischen
Sender und Empfänger zugelassen ist und zu einem hohen optischen Wirkungsgrad führt.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liest darin, einen verbesserten
Hochspannunris-Optokoppler und ein Verfahren vorzusehen, die einen optimalen Faktor
"isolierende
Dicke" vorsehen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen verbesserten
Hochspannungs-Optokoppler und ein Verfahren vorzusehen, das leicht und kostengünstig
und unter Verwendung vorhandener Komponenten durchgeführt werden kann.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, einen verbesserten Hochspannungs-Optokoppler
und ein Verfahren vorzusehen, die die anwendbaren Sicherheitsstandards für Hochspannungs-Anwendungen
erfüllen.
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Die vorstehenden und weitere Ziele werden durch die vorliegende Erfindung
erreicht, bei der ein verbesserter Hochspannungs-Optokoppler und ein Verfahren vorgesehen
ist, die ein im allgemeinen längliches Gehäuse einschließen, das einander gegenüberliegende
Seiten aufweist und eine erste und eine zweite, an diese Seiten angrenzende Kammer
und eine hierzwischen verbindende Längsbohrung aufweist. Ein Signalsender ist in
der ersten Kammer angeordnet und weist einen Sender-Eingang und -Ausgang auf. Ein
Signalempfänger ist in der. zweiten Kammer angeordnet und weist einen Empfänger-Eingang
und -Ausgang auf. Eine Signal-Leitung erstreckt sich durch die Längsbohrung und
koppelt den Sender-Ausgang an den Empfänger-Eingang.
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Ein Hochspannungs-Optokoppler gemäß der vorliegenden Erfindung weist
elektrisch isolierte Eingangs- und Ausgangs-Anschlüsse in einem gemeinsamen, nicht-leitenden
Gehäuse auf; einschließlich eines Signalsenders, der auf elektrische Signale an
den Eingangs-Anschlüssen zum Erzeugen eines elektromagnetischen Signals anspricht.
Eine Signal-Leitung von wenigstens 10 mm Länge ist an den Signalsender anxekoppelt
zum Leiter
leiten des elektromagnetischen Signals. Ein Signal-Empfänger
ist an die Signal-Leitung angekoppelt und spricht auf das elektromagnetische Signal
zum Erzeugen eines elektrischen Signals an den Ausgangs-Anschlüssen an.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung
ereben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung
eines Optokopplers nach dem Stand der Technik, zur Erläuterung seiner "isolierenden
Dicke. und inneren und'äußeren Kriechstrecken, Fig. 2A eine vereinfachte Schnittdarstellung
eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Hochspannunts-Optokopplers,
zur Erläuterung seiner erhöhten inneren Kriechstrecke und isolierenden Dicke mittels
Verwendung einer Signal-Leitung, beispielsweise einer optischen Faser, Fig. 2B eine
Schnittdarstellung des Ausführungsbeispieles von Fig. 2A, im wesentlichen längs
der Bezugs linie A-A, Fig. 3 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Hochspannungs-Optokopplers, der in
einem einstückigen Gehäuse untergebracht ist, und Fig. 4 eine tabellarische Darstellung
einiger experimenteller Daten eines erfindunsgemäßen Hochspannungs-Optokopplers
und bezieht sich auf die erwähnten Parameter.
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In Fig. 1 ist ein Optokoppler 10 nach dem Stand der Technik dargestellt,
der in einem Gehäuse untergebracht ist, das größer als ein sechsfüßiges DIP-Standardgehäuse
ist, um die Faktoren lichte Zweite und äußere Kriechstrecke CP1(EXT) zu erhöhen.
Der Opt koppler 10 nach dem Stand der Technik weist in einem Hauptteil einen Sender
12 und einen entsprechenden Empfänger 14 auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse 20
untergebracht rund.
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Der Sender 12 weist im allgemeinen eine infrarotstrahlende Gallium-Arsen-Diode
auf, während der Empfänger 14 eine Photodiode, ein Phototransistor oder dergleichen
sein kann. Insgesamt stellen der Sender 12, ein Kopplungsmedium 16 und der Empfänger
14 eine Vorrichtung zum Durchlassen sowohl von Wechselstrom- als auch von Gleichstrom-Signalen
vom Eingang des Optokopplers 10 nach dem Stand der Technik, der mit den elektrischen
Leitungen des Senders 12 verbunden ist, zum Ausgang der Vorrichtung bei den elektrischen
Leitungen des Empfängers 14 dar. Das Kopplungsmedium 16 kann entweder ein Luftspalt,
ein Silizium-Lack, ein durchsichtiges Epoxid, ein Glas oder ein anderes herkömmliches
Optokoppler-Signalübertragungsmediurn sein. Der Sender 12 und der Empfänger 14 können,
wie dargestellt, in eine kreisförmig umschließende Hülse 18 eingebunden sein, die
ein im allgemeinen röhrenförmiges Teil aufweist. Das Gehäuse 20 ist herkömmlicherweise
aus einem undurchsichtigen Epoxid-Formteil, beispielsweise aus thermoplastischem
Material, gebildet.
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Es ist zu sehen, daß die physikalische Trennung zwischen dem Sender
12 -und dem Empfänger 14 verhältnismäßig kurz ist. Dieser aufgrund optischer Überlegungen
in Bezug auf das Kopplun.ssmedium 16 relativ kurze Abstand führt zu einer unannehmbar
kurzen inneren Kriechstrecke CP1(tNT) und isolierenden Dicke T1, wie dar-,ges!;ellt.
Es ist offensleht-lict1, d dic maximale inne-
re Kriechstrecke
CP1 <INT) einer solchen Vorrichtung entscheidend gerade durch die physikalische
Trennung zwischen dem Sender 12 und dem Empfänger 14 des Optokopplers 10 gemäß dem
Stand der. Technik begrenzt ist.
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Daraus folgt aus den gleichen Gründen, daß auch der Faktor isolierende
Dicke beschränkt ist.
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In den Figuren 2A, 2B und 3 ist ein Hochspannungs Optokoppler 30 gemäß
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Hochspannungs-Optokoppler 30 weist in
einem Hauptteil einen Signalsender 32 und einen entsprechenden Signalempfänger 34
auf, die über ein Übertragungsmedium 40 der Länge L verkoppelt sind, das als eine
Signal-Leitung dient. Der Signalsender 32, der Signalempfänger 34 und das Übertragungsmedium
40 sind in einem gemeinsamen Gehäuse befestigt, beispielsweise in einem Gehäuse
42 in Verbindung mit einem Einschub 44 (Figuren 2A und 2B) oder in einem einstückigen
Gehäuse 46 (Figur 3).
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Der Signalsender 32 ist in einer einem Ende des Gehäuse 42 (Figur
2A) oder des einstückigen Gehäuses 46 (Figur 3) benachbarten Kammer angeordnet.
Bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann.der Signalsender 32 eine Standard-Motorola-MLED
71 oder eine ähnliche Vorrichtung umfassen, die eine eingebaute Sendelinse 36 aufweist,
die in dem Acryl-Kunstharz-Gehäuse des Signalsenders 32 ausgebildet ist. Die Senderlinse
3-6 fluchtet mit dem senderseitien Ende 50 des über tragungs mediums 40. Das bertragungsmedium
40 kann eine herkömmliche optische Faser, beispielsweise Crofon 1066, aufweisen.
Diese kann ersetzt werden durch andere Kunststoff- oder Glasfasern mit einem Umgebungsmaterial,
das einen geringeren Brechunsinex aufweist als die innere Faser oder auf andere
Weise mittels innerer Reflexion als eine Siznal-Leitung für
ein
zugeführtes Signal dient. Das übertragungsmedium 40 weist ebenfalls ein empfängerseitiges.
Ende 52 auf, das mit der an dem Acryl-Kunststoff-Gehäuse des Signalempfängers 34
angeformten Linse fluchtet. Der Signalempfänger 34 kann als eine Motorola-MRD-701-Einheit
oder als ein anderer ähnlicher Detektor vorgesehen sein. Der Signalempfänger 34
ist in einer der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 42 (Figur 2A) oder des einstückigen
Gehäuses 46 (Figur 3) benachbarten Kammer angeordnet.
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Ein Hochspannungs-Optokoppler 30 gemaß der vorliegenden Erfindung,
vergleiche insbesondere die Figuren 2A und 2B, kann dadurch gebildet sein, daß ein
Signalsender 32 und ein Signalempfänger 311 in ihren jeweiligen in dem Gehäuse 42
ausgebildeten Kammern angeordnet werden.
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Danach kann das Ubertragungsmedium 40 auf ähnliche Weise in den den
Signalsender 32 von dem Signalempfänger 34 trennenden Zwischenraum eingeführt werden.
Um das Gehäuse der Vorrichtung abzuschließen,wird der Einschub 44 mit dem Umfangsrand
des Gehäuses 42 innen verbunden, um die Versiegelung der Vorrichtung abzuschließen.
Das Gehäuse 42 und der Einschub 44 können aus thermoplastischem oder einem anderen
undurchsichti-.
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gen Epoxid-Formteil gebildet sein.
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Ein Hochspannungs-Optokoppler 30, vergleiche das Ausführungsbeispiel
in Figur 3, kann vorteilhaft so hergestellt werden, daß der Signalsender 32 in sein
entsprechendes Gehäuse innerhalb des einstückigen Gehäuses 46 eingesetzt wird. Danach
wird das Übertragungsmedium 40 in eine einem gegenüberliegenden Ende des einstückigen
Gehäuses 46 benachbarte Bohrung so eingeführt, daß der Signalempfänger 34 danach
in sein Gehäuse innerhalb des einstückigen Gehäuses h6 eingesetzt werden kann. Danach
können herkömmliche Mittel
verwendet werden, um das Gehäuse des
Hochspannungs-Optokopplers 30 zu versiegeln.
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Bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel weist das über tragungsmedium
40 eine Länge L von ungefähr 12,7 mm (500 mils) auf. Somit läßt sich aufgrund des
hohen optischen Wirkungsgrades eine größere physikalische Trennung zwischen dem
Signalsender 32 und dem Signalempfänger 34 erzielen, und ein wirkungsvolles optisches
Ankoppeln der Faseroptik bewirkt eine Signalübertragung zwischen dem Signalsender
32 und dem Signalempfänger 34. Dadurch ergibt sich zusammen mit einem viel größeren
Faktor isolierende Dicke T2 eine (nicht dargestellte) erhöhte innere Kriechstrecke,
die sogar noch größer ist als die äußere Kriechstrecke cP2(ExT).
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Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das Übertragungsmedium
40, sofern es als optische Faser mit einem Außendurchmesser von 1,473 mm (58 mil)
versehen ist, bei den vorkommenden Frequenzen eine optische Abschwächung von 10
000 dB./km auf. Dieser Abschwächungsfaktor beträgt jedoch umgerechnet lediglich
0,1 dB/cm und kann bei den verhältnismäßig kurzen Längen, um die es sich hier handelt,
gedanklich vernachlässigt werden. Auf diese Weise sind großräumige Trennungen zwischen
dem Signalsender 32 und dem Signalempfänger 34 ermöglicht. Diese großräumige Trennung
überträgt sich ferner, wie dargestellt, zugleich auf eine größere innere Kriechstrecke
und einen größeren Faktor isolierende Dicke T2. Bei Verwendung eines über tragungsmediums
40 von ungefähr 12,7 mm (50C mils) weist der Hochspannungs-Optokoppler 30 äußere
physikalische Abmessungen von ungefähr 6,35 mm x 18,796 mm (250 mils x 740 mils)
auf. Ein Hochspannungs-Optokoppler 30 gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch
so gefertigt werden, daß er eine noch größere Trennung ZWischen dem Signalsender
32 und dem Signalempfänger 31!
aufweist, sofern ein Übertragungsmedium
40 verwendet wird, das eine Länge L von mehr als 12,7 mm (500 mils) aufweist.
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Figur 4 zeigt eine tapellarische Darstellung von einigen experimentellen
Stromübertragungsverhältnissen, bei denen in den Hochspannungs-Optokoppler 30 eintretender
Strom in Verhältnis gesetzt ist ZU austretendem Strom bei einer Vorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung, wobei ein Übertragungsmedium 40 verwendet wird, das
eine optische Faser aufweist, die auf eine Läne L von un gefähr 10 mm (394 mils)
oder etwas kürzer als oben beschrieben zugeschnitten ist.
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Es wird somit ein verbesserter Hochspannungs-Optokoppler und ein Verfahren
vorgesehen, die eine deutlich erhöhte innere Kriechstrecke erzielen, indem ein erhöhter
Abstand zwischen seinem elektromagnetischen Sender und Empfänger zugelassen wird,
was zu einem hohen optischen Wirkungsgrad führt. Ein verbesserter Hochspannungs-Optokoppler
gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt ferner einen optimalen Faktor isolierende
Dicke und kann trotzdem leicht und kostengünstig durch Verwendung vorhandener Komponenten
hergestellt werden. Ein verbesserter Optokoppler gemäß der orliegenden Erfindung
erfüllt als ein Ergebnis anzuwendende Sicherheitsstandards für Hochspannungs-Anwendungen.