Beschreibung

Opto-elektronische Vorrichtung zur übertragung eines elektrischen Signals

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine opto-elektronische Vorrichtung zur

übertragung eines elektrischen Signals über einen mittels einem einteilig ausgebildeten, transluzenten Kunststoffkörper galvanisch getrennten Eingangsstromkreis mit zumindest einem optischen Sendeelement und einen Ausgangsstromkreis mit zumindest einem optischen Empfangselement.

[0002] Die angeführten opto-elektronischen Vorrichtungen mit einem

Sendeelement, einem Empfangselement und ggf. einem transluzenten Kunststoffkörper werden beispielsweise zur digitalen und/oder analogen Signalübertragung zwischen zwei voneinander galvanisch getrennten Stromkreisen verwendet.

[0003] In der industriellen Messtechnik, insb. in der Automatisierungs- und Prozesssteuerungstechnik, werden solche opto-elektronischen Vorrichtungen in Feldgeräte zur galvanischen Trennung der Stromkreise aufgrund des Explosionsschutzes eingesetzt und gefordert. Die entsprechenden Feldgeräte ermitteln beispielsweise den Druck, den Durchfluss, den Füllstand, die Dielektrizitätskonstante, die Grenzschicht, die Temperatur oder eine andersartige physikalische und/oder chemische Prozessgröße als eine Prozessvariable in einem Prozessablauf. Von der Anmelderin werden beispielsweise Feldgeräte unter dem Namen Cerabar, Deltabar, Deltapilot, Promass, Levelflex, Micropilot, Prosonic, Soliphant, Liquiphant, Easytemp produziert und vertrieben, die vorwiegend dazu bestimmt sind, zumindest eine der oben bezeichneten Prozessvariablen eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen.

[0004] Die Galvanische Trennung wird sowohl bei so genannten

Zweileitergeräten, die die Versorgungsenergie und das Messsignal über ein gemeinsames Leitungspaar übermitteln, als auch bei Vierleitergeräten, die jeweils ein separates Leitungspaar zur übermittlung des Messsignals und der Versorgungsenergie eingesetzt. Beispiele für derartige Feldgeräte mit einer solchen als Optokoppler für galvanisch getrennte Stromkreise ausgebildeten Vorrichtung sind in der US 46 54 771 A und der WO

2004/048905 A1 beschrieben.

[0005] Die als Optokoppler zweckdienlichen opto-elektronischen Vorrichtungen sind beispielsweise in der DE199 20 403 A1 und der US 6,947,620 B2 beschrieben. Allgemein bestehen solche opto-elektronischen Vorrichtungen aus zumindest einem Sendeelement, z.B. einer Leuchtdiode, und zumindest einem Empfangselement, z.B. einer Photodiode oder einem Phototransistor, die zumindest über ein lichtleitendes Element räumlich und galvanisch voneinander getrennt.

[0006] Damit solche für die Signalübertragung verwendeten opto-elektronischen Vorrichtungen dem in der industriellen Mess- und Automatisierungstechnik geforderten Explosionsschutz genügen können, sind von diesen auch zwischen galvanisch getrennten stromführenden Komponenten geforderte Mindestabstände wie auch für Luftstrecken, Isolationsdicken und Stromkriechpfade geforderte Mindestwerte einzuhalten. So müssen beispielsweise bei einer maximal zulässigen Spannung von 250 V die Luftstrecke und die Kriechpfadlänge zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen 10 mm oder die Dicke fester Isolation mindestens 1 mm betragen. Diese Abstände beziehen sich dabei im Besonderen auf die minimalen Abstände zwischen den betriebsgemäß elektrischen Strom führenden Anschlüssen und Leiterbahnen der mittels solcher opto-elektronischen Vorrichtungen gekoppelten Stromkreise. Desweiteren sind seitens solcher als Optokoppler dienenden Vorrichtung erhöhte Anforderungen, auch hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit und der Explosionsgefährdungsrisikos so wie auch hinsichtlich der mit allfällig eintretenden überbelastungen einhergehenden Schadensbilder, zu erfüllen.

[0007] Um trotz der hohen sicherheitstechnischen Anforderungen einen möglichst hohen Kopplungsfaktor sowie eine möglichst kompakte Bauform solcher opto-elektronischen Vorrichtungen zu ermöglichen sind deren lichtleitende Elemente den Anforderungen aus dem Explosionsschutz und der Signalübertragung entsprechend ausgebildet.

[0008] Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine opto-elektronische Vorrichtung als Optokoppler bereitzustellen, die kompakt, kostengünstig und einfach in der

Herstellung ist. Desweiteren sollte die opto-elektronische Vorrichtung einen hohen Kopplungsfaktor, die mechanischen Anforderungen und die geforderten Explosionsschutzanforderungen erfüllen.

[0009] Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die im Anspruch 1 angeführten Merkmale.

[0010] Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0011] Die vorgenannten sowie beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeptionen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

[0012] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren übersicht und zur Vereinfachung die Bauteile oder die Bauteilgruppen, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:

[0013] Fig. 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Vorrichtung,

[0014] Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Vorrichtung,

[0015] Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Vorrichtung,

[0016] Fig. 4: ein erstes Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Vorrichtung als Optokoppler.

[0017] Fig. 5: ein zweites Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Vorrichtung.

[0018] In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronische Vorrichtung 1 zur übertragung eines Elektrischen

Signals S rechterhand als Seitenansicht und linkerhand als Schnittansicht der Schnittebene A-B der Seitenansicht gezeigt. Diese opto-elektronische Vorrichtung 1 kann beispielsweise zur galvanischen Trennung eines Eingangsstromkreises 3 von einem Ausgangsstromkreises 5 eingesetzt werden. Die Opto-elektronische Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem einteiligen, transluzenten Kunststoffkörper 2 in den, galvanisch über eine Trennwand 12 getrennt, ein optisches Sendelement 4 im Eingangsstromkreis 3 und ein optisches Empfangselement 6 im Ausgangsstromkreis 5 eingebracht sind. Hierzu sind zwei sich gegenüberliegende und über die Trennwand 12 getrennte Ausnehmungen 10 in dem Kunststoffkörper 2 ausgebildet. über die öffnungen 11 der Ausnehmungen 10 können das optische Sendelement 4 und das optische Empfangselement 6 in dem Kunststoffkörper 2 platziert werden. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über Anschlussleiter 18 die durch eine Lötverbindung 19 mit einer Kontaktierungsfläche 21 am optischen Sendelement 4 und optischen Empfangselement 6. Die Anschlussleiter 18 sind aus den Ausnehmungen 10 heraus nach außen auf die Leiterbahnanschlüsse auf der Leiterplatte 22 geführt und über einen Lötverbindung 19 elektrisch leitend verbunden. Die Kriechpfadlänge L zwischen den Anschlussleitern 18 auf der Leiterplatte 22 oder auf der Außenfläche 14 des Kunststoffkörpers 2 ist größer als zehn Millimeter ausgestaltet. Somit ergibt sich ein Kantenlänge K des Kunststoffkörpers 2 von etwas mehr als zehn Millimetern, z.B. elf Millimeter, wodurch die elektrischen Anforderungen an die opto-elektronische Vorrichtung 1 nach der Deutschen Industrienorm EN 50020 gewährleistet sind.

[0019] Die Ausrichtung des Sendeelements 4 und des Empfangselements 6 erfolgt über die Ausnehmungen 10 im Kunststoffkörper 2. Beispielsweise sind die Ausnehmungen 10, zur Stirnfläche 13 der Trennwand hin, leicht konisch zulaufen ausgebildet. Dadurch wird beispielsweise die Hauptsendeachse 7 des Sendelements 4 zu der Hauptempfangsachse 8 des Empfangselements 6 entlang der optischen Achse 9 deckungsgleich ausgerichtet.

[0020] Das Sendelement 4 und das Empfangselement 6 sind in dieser

Ausgestaltung als oberflächenmontierbares Bauteil 15 in einer auf der Seitenkante der Bauteile stehenden Montageweise ausgestaltet. Jedoch ist eine Verwendung von diskreten Bauteilen oder, wie in Fig. 3 gezeigt, von dünnfilmiges Bauteil 16 aus einem organischen, halbleitenden Material in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen möglich.

[0021] Die Stirnflächen 13 der Trennwand 12 sind beispielsweise poliert ausgeführt, wodurch ein erhöhtes Gleichstrom-übertragungsverhältnis, von ungefähr 240, erreicht wird. Das Gleichstrom-übertragungsverhältnis (CTR = Current Transfer Ratio) gibt bei Optokopplern das Verhältnis zwischen dem Eingangssignalstrom zum dem Ausgangssignalstrom an. Bei Optokopplern mit einer Fotodiode als Empfangselement 6 beträgt das Gleichstrom-übertragungsverhältnis im Bereich von 0,001-0,005 vom Eingangsstrom, bei Optokopplern mit einem Fototransistor als Empfangselement 6 im Bereich von 10-10000. Die Trennwand weist eine Dicke d von mindestens einem Millimeter auf.

[0022] Ein großer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kunststoffkörpers 2 ist, dass auch nach einer Explosion des Sendelements 4 oder des Empfangselements 6 aufgrund einer Beaufschlagung der Bauteile mit einer hohen Spannung, z.B. 250 Volt, kein Kriechpfad über die Außenflächen 14 des Kunststoffkörpers 2 oder die Leiterplatte 22 entstehen kann. Die entstehenden Metalldämpfe werden aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Ausnehmungen 10 aus den öffnungen 11 in unterschiedlicher Richtung herausgedrückt, so dass kein Metallnebel sich absetzen kann. Desweitern hat die zu den öffnungen 11 im Kunststoffkörper 2 gerichtet Druckwelle eines explodierenden Sendeelements 4 oder Empfangselements 6 kaum eine mechanische Wirkung auf den Kunststoffkörper 2 selbst, so dass dieser nicht zerstört wird. Deshalb reicht auch eine Dicke d der Trennwand 12 von einem Millimeter aus, um der möglichen auftretenden Druckwelle widerstehen zu können. Da die Kurzschlussfestigkeit auch nach einer Explosion der Bauteile gewährleistet ist, kann auf eine Vorsicherung des Sendeelements 4 oder des Empfangselements 6 verzichtet werde, was zu einem erheblichen Platzersparnis auf der Leiterplatte 22 führt.

[0023] In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronische Vorrichtung 1 zur übertragung eines Elektrischen Signals S rechterhand als Seitenansicht und linkerhand als Schnittansicht der Schnittebene C-D der Seitenansicht gezeigt. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 ist in dem Kunststoffkörper 2 die Trennwand 12 als ein optischer Filter 17 ausgeführt. Hierzu wird beispielsweise ein Filterelement bei der Spritzguss-Herstellung des Kunststoffkörpers 2 direkt eingespritzt. Dieser optische Filter 17 hat die Funktion nur die Wellenlänge, z.B. Infrarotlicht, des Sendeelements 4 durchzulassen und die Hintergrundlichteinstrahlung zu sperren. Der optische Filter 17 kann beispielsweise als ein Interferenzfilter ausgestaltet sein, der einen hochwertigen optischen Filter mit einem schmalen Durchlassbereich und einem hohen Unterdrückungsgrad im Sperrbereich darstellt. Dieser optische Filter 17 kann auch durch Aufbringung einer Filterfolie auf die Stirnflächen 13 der Trennwand 12 oder direkt auf das Sendeelement 4 bzw. Empfangselement 6 ausgebildet werden.

[0024] Desweitern zeigt Fig. 2 eine weitere Methode das Sendeelement 4 und das Empfangselement 6 zu kontaktieren. Hierzu wurde der Kunststoffkörper 2 partiell mit einem Metall beschichtet oder es wurden dünne Metallschichten als Anschulleiter 18 auf die Oberfläche des Kunststoffkörpers 2 in den Ausnehmungen 10 aufgebracht. Die Anschlussleiter 18 sind ein Stückweit an der Außenfläche 14 entlang geführt, so dass diese mit den Leiterbahnen auf der Leiterplatte 22 verbunden werden können.

[0025] Eine weitere Herstellungsart von Anschlussleitern stellt die MID-Technik (Moulded Interconnected Devices) bereit. Hierbei wird entweder eine kerkatlytisch gefüllter, metallisierbarer Kunststoff in bestimmten Bereichen durch einen Laser so modifiziert, dass partiell eine Metallschicht galvanisch abgeschieden werden kann oder es bei einem großflächig metallisierten Kunststoffkörper 2 durch einen Laser die Metallschicht partiell verdampft und somit die Anschlussleiter 18 gestaltet.

[0026] Die elektrische Verbindung zwischen den Anschlussleitern 18 und

Kontaktierungsf lache 21 des Sendeelements 4 bzw. Empfangselements 6,

sowie zu den Leiterbahnen erfolgt mittels einer elektrischen Klebeverbindung 20.

[0027] In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronische Vorrichtung 1 zur übertragung eines Elektrischen Signals S rechterhand als Seitenansicht und linkerhand als Schnittansicht der Schnittebene E-F der Seitenansicht gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei dünnfilmige Bauteile 16 aus einem organischen, halbleitenden Material direkt auf die Stirnflächen 13 der Trennwand 12 mittels eines optischen Klebers aufgeklebt. Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Anschlussleiter 18 großflächig auf der Rückseite des dünnfilmigen Sendeelements 4 oder Empfangselements 6 mittels einer elektrische leitenden Klebeverbindung 20 aufgeklebt werden können, wodurch eine einfache Montage des opto-elektronischen Elements 1 möglich ist.

[0028] In Fig. 4 ist ein erstes Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Vorrichtung 1als Optokoppler zur übertragung eines Wechselspannungssignals gezeigt. Der Eingansstromkreis 3 umfasst einen Signalgenerator 33 der über eine Widerstand 30 begrenzt eine Leuchtdiode 25 als Sendeelement 4 speist. Die Leuchtdiode 25 sendet entsprechend dem Signal des Signalgenerators ein Lichtsignal zu dem Empfangselement 6 im Ausgangsstromkreis 5. Der Ausgangsstromkreis 5 umfasst ein Phototransistor 24 als Empfangselement 6 dessen Ausgangssignal durch eine nichtinvertierende Operationsverstärkerschaltung verstärkt wird. Die nichtinvertierende Operationsverstärkerschaltung besteht aus einem Operationsverstärker 23 und mehreren Widerständen 30 zur Einstellung der Verstärkung.

[0029] In Fig. 5 ist ein zweites Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Vorrichtung als Optokoppler zur übertragung des Regelungssignals eines AC/DC-Wandlers oder DC/DC-Wandlers. Der Eingangsstromkreis 3 umfasst eine Regel-/Steuereinheit 27, einen Feldeffekttransistor 26 und eine erste Wicklung eines übertragers 21. Der Ausgangsstromkreis umfasst einen Kondensator 29 und eine Diode 28. Die opto-elektronische Vorrichtung misst im Ausgangsstromkreis 5 die

Ausgangsspannung Ua, indem über die Leuchtdiode 25 diese Spannung anliegt und diese proportional zur Ausgangsspannung Ua zum Leuchten bringt. Der Phototransistor 24 als Empfangselement 6 steuert entsprechend des Lichtsignals durch. Die Regel-/Steuereinheit 27 misst diesen Durchsteuerungsstrom und regelt über den Feldeffekttransistor 26 die in den übertrager 21 induzierte Energie der anliegenden Eingangsspannung Ue. Bezugszeichenliste

Tabelle 1

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