DE3617057A1 - Optoelektronisches koppelelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Koppel­ element mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruchs 1.

Optoelektronische Koppelelemente, zumeist auch kurz Optokoppler genannt, dienen der Signalübertragung und der galvanischen Trennung von zwei zumeist auf unterschiedlichem Spannungspotential befindlichen Stromkreisen. Die Signalübertragung erfolgt auf optischem Wege. Dabei wird das elektrische Signal in ein optisches umgewandelt und über eine Leucht­ diode (Sender) auf einen Fototransistor (Empfänger) abge­ strahlt und wieder in ein elektrisches Signal rückge­ wandelt. Beim Einsatz eines Optokopplers im ex­ plosionsgefährdeten Bereich bzw. in explosionsge­ fährdeter Umgebung ist einer der kritischsten Punkte die Trennung zwischen dem im Sinne der Explosions­ schutzvorschriften sogenannten eigensicheren Strom­ kreis und dem nicht eigensicheren Stromkreis (normaler Stromkreis Netzseite), da hier Spannungs­ verschleppungen von der Netzseite vermieden werden müssen. Die Grundlage für die Bemessung der lsolations-,Luft- und Kriechstrecken derjenigen Bauteile, über die die Trennung erfolgt, ist die Reihenspannung, nämlich die Summe der Spannungen des eigensicheren und des nicht eigensicheren Stromkreises, die im Betrieb oder im Störungsfall an dem trennenden Bauteil auf­ treten kann. Für die galvanische Trennung zwischen den Stromkreisen kann Luft, lichtdurchlässiges Gieß­ harz oder Glas vorgesehen werden. Je höher die Reihenspannung ist, desto größer muß die lsolationsstrecke ausgeführt sein (Europäische Norm EN 50020). Da bei den bisher eingesetzten lichtleitenden Medien für die galvanische Trennung insbesondere verhältnis­ mäßig hohe Streuverluste auftreten, muß für die Leuchtdiode eine entsprechend hohe Energieversorgung mit einem senderseitigen Stromfluß von etwa 20 mA bereitgestellt werden, die eine entsprechende Er­ wärmung verursacht, wodurch die Sicherheit gegen Explosion wesentlich beeinträchtigt wird. Um dem vorzubeugen, muß der Optokoppler entsprechend groß ausgelegt sein.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektronisches Koppelelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dahingehend weiterzu­ bilden, daß mit einfachen Mitteln bei kleiner Bau­ form eine verlustarme Lichtübertragung mit kleiner Energieversorgung bei vorschriftsmäßig großer Isola­ tionsstrecke mit hoher lsolationsfestigkeit für die galvanische Trennung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie weitere Vorteile und wesentliche Einzelheiten der Erfindung sind den Merkmalen der Unteransprüche, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, die in schematischer Darstellung be­ vorzugte Ausführungsformen als Beispiel zeigt. Es stellen dar:

Fig. 1 ein mit Gießharz umhüllter erfindungsge­ mäßer Optokoppler in Unteransicht,

Fig. 2 der Optokoppler gemäß Fig. 1 in geschnittener Seitenansicht,

Fig. 3 der Übertragungsteil des Optokopplers ähnlich Fig. 2 in stark vergrößerter, teilweise geschnittener Seitenansicht,

Fig. 4 ein Schaltplan des erfindungsgemäßen Opto­ kopplers,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines er­ findungsgemäßen Optokopplers innerhalb einer explosionsgeschützten Durchführung in ge­ schnittener Seitenansicht,

Fig. 6 eine Ansicht gegen die Unterseite der Durch­ führung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teils der Optokoppler-Durchführung gemäß Fig. 5

Fig. 8 eine Sprengdarstellung des unteren Bereichs der Durchführung gemäß Fig. 7 mit dem unteren Isolierkörper und einer darüber befindlichen Leiterplatte mit den optischen Übertragungs­ teilen und

Fig. 9 eine Draufsicht auf die obere Leiterplatte der Durchführung gemäß Fig. 7.

Der in der Zeichnung dargestellte Optokoppler 1 ist gemäß Fig. 1 und 2 in einem aus einer elektrisch isolierenden Vergußmasse 2 gebildeten rechteck­ förmigen Gehäuse hermetisch dicht eingebettet. An der Unterseite 3 des Verguß-Gehäuses 2 können vier Anschlußstifte 4, 4′ herausragen. Dicht neben der linken Außenseite 5 des Vergußmassen-Gehäuses 2 erstreckt sich ein dem Anschlußstift 4 zugehöriger Anschlußteil 6 zu einer Niedrigstrom-Leuchtdiode 7, die mit sehr kleiner Energie versorgt wird und bei einem Stromfluß von nur 2 mA voll funktionsfähig ist, so daß eine sogenannte "low-current-LED" zum Einsatz gelangen kann.

Dicht neben der rechten Außenseite 8 des Verguß- Gehäuses 2 ist eine Leiterplatte 9 vorgesehen, an deren unterem Endbereich der Anschlußstift 4′ kontaktiert ist. Auf der der Außenseite 8 zugewandten Oberfläche der Leiterplatte 9 sind elektronische Bauteile 10 vorgesehen, die so geschaltet sind, daß eine elektrische Signalverstärkung erzielt wird. Die elektronlschen Bauteile 10 können bevorzugt in raumsparender Flachbauweise, sogenannter SMD- Technik (surface mounted devices), an der Leiter­ platte 9 angeordnet sein, so daß eine ausgesprochen platzsparende Ausführung gegeben ist.

An der der rechten Außenseite 8 abgewandten Fläche der Leiterplatte 9 ist ein Fototransistor 11 kontaktiert, der das von der Lumineszenz-Diode bzw. Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 ausgesandte Licht empfängt. Der Fototransistor 11, der ein sogenannter elektronischer Schalter ist, wird bei Lichteinfall stromdurchlässig.

Zwischen der Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 und dem Fototransistor 11 ist ein Lichtleitstab 12 angeordnet. Dieser bevorzugt kreiszylindrisch ausge­ führte Lichtleitstab 12 liegt in derselben Längsachse 13 wie die Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 und der Fototransistor 11. Den Fig. 2 und 3 ist zudem zu entnehmen, daß der Lichtleitstab 12 im wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist wie die Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 und der Foto­ transistor 11.

Der Lichtleitstab 12 besteht aus zwei unter­ schiedlichen Glasschichten bzw. Glassorten, und zwar aus der als lichtleitender Kern 14 ausgeführten ersten inneren Glassorte und der den Kern 14 als Mantel 15 umgebenden zweiten Glassorte. Der Kern 14 besteht aus einem optisch dichteren Medium als der Mantel 15. Dadurch wird eine Total­ reflexion des von der Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 abgestrahlten Lichtsignals im Lichtleitstab 12 erreicht. Wenn das Licht unter einem bestimmten Winkel auf die gestrichelt dargestellte Grenzfläche 50 des optisch dichteren Kerns 14 und des optisch dünneren Mantels 15 fällt, wird es total reflektiert und verbleibt somit innerhalb des Kerns 14, da der Brechungsindex des Kerns 14 und der Brechungsindex des Mantels 15 unter­ schiedlich sind. Aufgrund dieser total reflektieren­ den Lichtleitung im Lichtleitstab 12 wird eine äußerst verlustarme Signalübertragung erzielt, wobei insbesondere Streuverluste und Auskopplungsverluste weitgehend eliminiert sind. Da im Lichtleitstab 12 die Lichtübertragung annähernd verlustfrei erfolgt und praktisch das gesamte ausgestrahlte Licht vom Fototransistor 11 empfangen wird, kann die Niedrig­ strom-Leuchtdiode 7 ein entsprechend klein ausge­ legtes Lichtsignal aussenden, wofür eine nur sehr kleine Leistung erforderlich ist, so daß mit einem Strom von etwa 2 mA gearbeitet werden kann, der etwa zehn mal kleiner als bei herkömmlichen Optokopplern ist. Demgemäß tritt beim Optokoppler 1 praktisch auch keine nennenswerte Erwärmung auf, so daß bei Anwendungen in explosionsgefährdeter Umgebung eine hohe Sicherheit gegen Explosion gewährleistet ist, wobei der Lichtleitstab 12, dessen Durchmesser für eine optimale Entkopplung etwa zwei bis fünf, vorzugsweise etwa drei Millimeter beträgt, mehrere Funktionen erfüllt, nämlich die verlustarme Licht­ signalübertragung mit galvanischer Trennung der beiden Stromkreise und die im Sinne des Explosions­ schutzes sichere Trennung durch Einhalten der genau vorgeschriebenen Isolationsstrecken.

Die Fig. 2 zeigt, daß an den einander gegenüber­ liegenden Stirnendbereichen des Lichtleitstabs 12 jeweils ein hülsen- oder schlauchförmiges Rohr 16, 16′ vorgesehen ist. Das linke Rohr 16 übergreift einen Teil der Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 und einen Teil des Lichtleitstabs 12, während das rechte Rohr 16′ einen Teil des Lichtleitstabs 12 und einen Teil des Fototransistors 11 übergreift. Die Wand des Rohres 16, 16′ kann zweckmäßig lichtundurch­ lässig ausgeführt sein. Durch die beiden Rohre 16, 16′ ist der Optokoppler 1 mit der Niedrigstrom-Leucht­ diode 7, dem Lichtleitstab 12 und dem Foto­ transistor 11 exakt konzentrisch ausgerichtet, so daß eine einwandfreie koaxiale Lichtübertragung gewährleistet ist.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist das Rohr 16 durchgehend ausgeführt und erstreckt sich somit vom Anschluß der Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 bis zum Anschluß des Fototransistors 11. Dabei ist zu erkennen, daß die Endbereiche 17 des Rohres 16 im Durchmesser kleiner ausgeführt sind, so daß die Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 und der Fototransistor 11 an den Enden formschlüssig übergriffen sind, wodurch eine dauerhaft einwandfreie Fixierung ge­ währleistet ist. Die Nierdrigstrom-Leuchtdiode 7, der Lichtleitstab 12 und der Fototransistor 11 sind damit sowohl in axialer als auch in radialer Richtung baueinheitlich kompakt zusammengefaßt und geschützt gelagert, so daß durch die bei der Montage auftretenden Manipulationen keine Beschädigungen auftreten können.

Der in der Fig. 4 dargestellte Schaltplan des er­ findungsgemäßen Optokopplers 1 zeigt, daß zwischen den beiden Anschlüssen 4 der Niedrigstrom-Leucht­ diode 7 eine weitere Diode 18 als Verpolungsschutz vorgesehen ist, während zwischen den Anschlüssen 4′ dem Fototransistor 11 ein weiterer Transistor 19 und ein Widerstand 20 zur Signalverstärkung zugeschaltet ist.

Bezüglich der Fig. 2 ist noch zu erwähnen, daß die die Bauteile hermetisch umschließende Vergußmasse 2 in axialer Richtung des Optokopplers 1 so kurz wie möglich ausgeführt ist und nur etwas größer ist als der Abstand zwischen dem linken Anschlußteil 6 der Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 einerseits und den elektronischen Bauteilen 10 der Leiterplatte 9 auf der gegenüberliegenden anderen Seite, so daß insgesamt eine ausgesprochen kleine und kompakte Ausführungsform erreicht werden kann.

Bei dem in den Fig. 5 bis 9 dargestellten Aus­ führungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Optokoppler 1 in einer rohrförmigen Durchführung 21 gelagert und mit dieser als explosionsgeschützte Leitungsdurchführung ausgebildet. Dazu sind im lnnenraum der Durchführung 21, die außen ein Gewinde 22 aufweist, zwei auf Abstand zueinander angeordnete Leiterplatten, 23, 24 vorgesehen, deren Ebene quer zur Durchführungslängsachse 25 liegt. Die Leiterplatten 23, 24 sind im wesentlichen als Kreisscheiben ausgeführt und besitzen einen Durch­ messer, der etwas kleiner ist als der lnnendurch­ messer der Durchführung 21, so daß eine gewisse Ausrichtung im Innenraum gewährleistet ist. An den einander zugewandten Innenseiten der Leiterplatten 23,24 sind die Anschlüsse 26 der Niedrigstrom-Leucht­ diode 7 und des Fototransistors 11 von beim vor­ liegenden Ausführungsbeispiel zwei parallel ausge­ richteten Optokopplern 1 kontaktiert. Die beiden Opto­ koppler 1 sind im wesentlichen wie der in Fig. 3 dargestellte Optokoppler 1 ausgeführt und besitzen somit in dem durchgehenden schlauchförmigen Rohr 16 jeweils eine Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 und einen Fototransistor 11, zwischen denen der Licht­ leitstab 12 sich befindet. Die beiden Optokoppler 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind als sogenannte Zwei-Kanal-Optokoppler ausgeführt, die gegensinnig geschaltet sind. Das heißt, daß die Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 des einen Optokopplers 1 an der einen Leiterplatte 23 angeschlossen ist, während die Niedrigstrom-Leuchtdiode 7 des anderen gegensinnig ausgerichteten Optokopplers 1 an der gegenüberliegenden anderen Leiterplatte 24 kontaktiert ist. Statt der beiden Optokoppler 1 ist es auch möglich, drei und mehr Optokoppler 1 in gleich- oder gegensinniger Ausrichtung vorzu­ sehen. Hier sei noch angemerkt, daß der erfindungs­ gemäße Optokoppler 1 zweckmäßig am Ein- und Ausgang sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrombe­ trieb ausgeführt sein kann, so daß ein sogenannter Allstrom-Optokoppler 1 gegeben ist, der unabhängig von der jeweiligen Spannungsart betrieben werden kann.

Die elektronischen Bauteile 10 für die Beschaltung und Verstärkung der Optokoppler 1 sind ebenfalls an den einander zugewandten Innenseiten der beiden Leiterplatten 23, 24 angeordnet. An der gegenüber­ liegenden Außenseite der Leiterplatte 24 sind elektrische Leiter 27 angeordnet, die an der oberen gegenüberliegenden Stirnseite der Durchführung 21 herausgeführt sind. An der in der Fig. 5 unteren Seite ist ein Isolierkörper 28 angeordnet, der zwischen Isolierstegen 29 bevorzugt sternförmig (Fig. 6) angeordnete Leiterklemmen 30 besitzt,die mit der Leiterplatte 23 elektrisch verbunden sind.

An den Leiterklemmen 30 können weitere Zu- bzw. Ableitungen angeschlossen werden. Der Isolierkörper 28 ist mit einem in etwa kreisscheibenförmigen Stirnteil 31 in die Stirn­ seitenöffnung der Durchführung 21 dicht eingepaßt. Die an der gegenüberliegenden Leiterplatte 24 ange­ schlossenen Leiter 27 sind durch eine isolierende Distanzplatte 32 hindurchgeführt und an KLemmen 33 angelötet, die beim vorliegenden Ausführungs­ beispiel auf einer Isolierleiste 34 in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen den Klemmen 33 jeweils eine Isolierwand 35 sich befindet. Die Durchführung 21 ist vollständig mit der Verguß­ masse 2 ausgegossen, so daß ein dichter Abschluß am Isolierkörper 28 gegeben ist und die Optokoppler 1 mit den Leiterplatten 23,24, den elektronischen Bauteilen 10, den Leitern 27 sowie die Distanzplatte 32 vollständig in der Vergußmasse 2 eingebettet sind. Es ist auch möglich, statt des Isolierkörpers 28 und der gegenüberliegenden Klemmen 33 an einer oder beiden Stirnseiten der Durchführung 21 jeweils einzelne Aderleitungen oder mehradrige Schlauch­ leitungen oder anders ausgeführte Klemmanschlüsse vorzusehen.

Die Fig. 8 offenbart, wie die den Leiterklemmen 30 des Isolierkörpers 28 zugehörigen Kontaktenden 36 an den Lötaugen 37 der Leiterplatte 23 angelötet werden können. Auch ist zu erkennen, daß die Opto­ koppler 1 eine im Querschnitt rechteckförmige bzw. quadratische Außenkontur aufweisen. Dies ist dadurch erreicht worden, daß das schlauchförmige Rohr 16 zusätzlich mit Kunststoff umgossen wurde, wodurch ein rechteckförmiger Stab mit hoher Festigkeit vor­ liegt, so daß bei der weiteren Montage und beim Umgießen mit der Vergußmasse 2 keine Beschädigungen am Optokoppler 1 auftreten können. Der Fig. 9 ist zu entnehmen, wie die einzelnen Leiter 27 an der gegenüberliegenden Leiterplatte 24 an deren Lötaugen 37 kontaktiert werden können. Außerdem ist zu er­ kennen, wie die elektronischen Bauteile 10 auf der gegenüberliegenden Leiterplattenseite positioniert sein können.

Durch den in der Durchführung 21 integrierten Opto­ koppler 1 kann gleichzeitig eine galvanische Trennung der Stromkreise im Innern eines hier nicht darge­ stellten druckfesten Gehäuses und der Stromkreise außerhalb des explosionsgefährdeten Raumes erreicht werden.

Claims (11)

1. Optoelektronisches Koppelelement zur Signalüber­ tragung mit galvanischer Trennung zwischen zwei Elektrokreisen, wobei ein elektrisches Signal in ein optisches verwandelt, von einer Leuchtdiode abgestrahlt und von einem Fototransistor aufgenommen und in ein elektrisches Signal rückgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eingebettet in einer elektrisch isolierenden Vergußmasse (2) zwischen einer kalten (erwärmungsarmen) Niedrigstrom-Leucht­ diode (7) und dem Fototransistor (11) ein das optische Signal mittels Totalreflexion verlustarm übertragender Lichtleitstab (12) vorgesehen ist, der einen inneren lichttragenden Kern (14) und einen aus einem optisch dünneren Medium bestehenden Mantel (15) auf­ weist.

2. Koppelelement nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitstab (12) und die Niedrigstrom-Leuchtdiode (7) und/oder der Fototransistor (11) im Durchmesser etwa gleich groß ausgeführt und koaxial in der Vergußmasse (2) ange­ ordnet sind.

3. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedrig­ strom-Leuchtdiode (7), der Fototransistor (11) und der Lichtleitstab (12) mindestens an dessen Stirnendbereichen am jeweiligen Lichtübergang von einem bevorzugt lichtundurchlässigen Rohr (16, 16′) umhüllt sind.

4. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schlauch­ förmige Rohr (16) einstückig durchgehend ausgeführt ist und mit im Durchmesser verengten Endbereichen (17) die Niedrigstrom-Leuchtdiode (7) und den Foto­ transistor (11) formschlüssig übergreift.

5. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verguß­ masse (2) mindestens eine Leiterplatte (9, 23, 24) mit elektronischen Bauteilen (10) zur Verstärkung des von dem Fototransistor (11) erfaßten Signals mit eingebettet ist.

6. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Leiter­ platte (9) der Fototransistor (11) und mindestens ein aus der Vergußmasse (2) herausgeführter Anschluß­ stift (4′) vorgesehen und die elektronischen Bau­ teile (10) in raumsparender Flachbauweise (SMD- Technik) aufgebracht sind.

7. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus der Vergußmasse (2) herausgeführter weiterer Anschluß­ stift (4) über einen Anschlußteil (6) direkt an der Niedrigstrom-Leuchtdiode (7) kontaktiert ist und die Länge der Vergußmasse (2) in axialer Richtung des Lichtleitstabes (12) nur geringfügig größer ist als der Abstand zwischen dem Anschlußteil (6) der Niedrigstrom-Leuchtdiode (7) einerseits und der Leiterplatte (9) mit den Bauteilen (10) anderer­ seits.

8. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht­ leitstab (12), die Niedrigstrom-Leuchtdiode (7), der Fototransistor (11) und die die elektronischen Bauteile (10) tragende Leiterplatte (23, 24) mit der Vergußmasse (2) im Innenraum einer rohrförmigen Durchführung (21) gelagert und mit letzterer als explosionsgeschützte Leitungsdurchführung ausgebildet sind.

9. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht­ leitstab (12) mit der Niedrigstrom-Leuchtdiode (7) und dem Fototransistor (11) zwischen zwei auf Abstand zueinander angeordneten Leiterplatten (23, 24) vorge­ sehen ist, deren Ebene quer zur Durchführungslängs­ achse (25) ausgerichtet und deren Durchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser der Durchführung (21) ist und daß elektrische Leiter (27) für die Niedrigstrom-Leuchtdiode (7), den Fototransistor (11) und die elektronischen Bauteile (10) von der dem Lichtleitstab (12) abgewandten Außenseite der Leiterplatte (23, 24) an den gegenüberliegenden Stirnseiten der Durchführung (21) herausgeführt sind.

10. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (27) der den Lichtleitstab (12) mittragenden Leiter­ platte (23) an in mindestens einem die Durchführung (21) stirnseitig abschließenden lsolierkörper (28) etwa sternförmig angeordneten Leiterklemmen (30) angeschlossen sind.

11. Koppelelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (27) an in Reihe isoliert nebeneinander ange­ ordneten Klemmen (33) kontaktiert sind.