Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 211 894.1 in Anspruch, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft eine potenzialtrennende, optische Signalübertragungsvorrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass Signale und Energie auf verschiedene Arten über eine isolierende Potentialtrennstrecke übertragen werden können. Üblich sind induktive, kapazitive und optische Trennstrecken. Eine Trennstrecke zur Signalübertragung wird immer dann eingesetzt, wenn die Signale auf dem Weg verfälscht werden könnten, Signale zwischen hohen Potentialunterschieden ausgetauscht werden müssen, eine Personenschutzfunktion nötig ist oder aus anderen Gründen. Beim Transport der Signale über hohe Potentialunterschiede können die Signale durch kapazitive und induktive Kopplung zwischen den Potentialen verfälscht werden.

Optische Übertragungsstrecken haben gegenüber kapazitiver und induktiver Übertragung den Vorteil, dass der Übertragungskanal DC-fähig ist. Dabei werden die Signale über einen Sender und eine optische Übertragungsstrecke zum Empfänger übermittelt. Eine mögliche Störung erfolgt über die kapazitive Einkopplung von Störungen durch die unterschiedlichen zeitlichen Potentialverläufe zwischen Sender und Empfänger. Die optischen Empfänger reagieren empfindlich auf transiente Störungen, die als Potenti- aldifferenzen auftreten und die auf die lichtempfindlichen Elemente der Empfänger einkoppeln. Das störende elektrische Feld kann über Schirmungen und Vergrößerung des Abstandes verkleinert werden. Eine Möglichkeit, die Signale optisch zu übertragen, sind Optokoppler. Bei einigen Typen wird der Empfänger mit optisch transparenten Materialien abgeschirmt.

Als Druckschrift zum Stand der Technik ist die DE 10 2011 078 981 B4 zu nennen, die einen Opto-Isolator betrifft, der mit einem nicht-transparenten Hohlrohr arbeitet und keine signifikanten Schirmungsmaßnahmen aufweist. Die US 2017/0195065 Al offenbart einen Opto-Isolator, bei dem ein Glasstab als optisches Übertragungsmedium in einer Art toleranzbehafteten Röhrenstruktur untergebracht ist. Als spezielle Schirmungsmaßnahmen sind in dieser Druckschrift aufwändige, als gesonderte Stanz-Biege-Teile ausgeführte Schirmhauben offenbart.

Die DE 696 35 863 T2 offenbart ein optisches Modul, bei dem auf einer Leiterplatte auf einer Seite eine Senderschaltung für ein elektrisches Ausgangssignal und auf der anderen Seite eine Empfängerschaltung für das elektrische Eingangssignal angeordnet sind. Diese Schaltungen sind in einem Gehäuse mit einem metallischen Unter- und Oberteil angeordnet, das als Schirmung wirkt. Als optisches Übertragungsmedium wird eine Glasfaser verwendet.

Aus der DE 10 2006 010 145 Al geht eine Optokoppler- Vorrichtung hervor, bei der auf einer transparenten Platine auf den einander abgewandten Außenseite der Sender bzw. Empfänger angeordnet sind. Die lichtdurchlässige Platine dient als elektrische Isolierung und zur Übertragung der Lichtsignale zwischen Sender und Empfänger. Die DE 21 2015 000 174 Ul stellt die nächstkommende Druckschrift dar, da sie einen Optokoppler offenbart, dessen Sender bzw. Empfänger auf getrennten Platinen angeordnet und über einen von einer Stützstruktur umgebenen Glasstab zwischen diesen beiden Platinen verbunden sind. Abschirmungen sind ebenfalls erwähnt. Aus dieser Druckschrift ist somit eine po- tenzialtrennende optische Signalübertragungvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 bekannt, die umfasst

- eine leiterplattenbasierte Sendereinrichtung mit Signaleingang, Sen- designal-Aufbereitungsschaltung und optischem Signalsender,

- eine leiterplattenbasierte Empfängereinrichtung mit optischem Signalempfänger, Empfangssignal-Verarbeitungsschaltung und Signalausgang,

- eine optische Übertragungsstrecke zwischen Signalsender und Signalempfänger, die als ein im Wesentlichen starrer, transparenter Übertragerstab ausgeführt ist, sowie

- eine Schirmanordnung jeweils für Sender- und Empfängereinrichtung.

Die optischen Signalsender und -empfänger können mit jedweden Halblei- ter-basierten Lichtemittem und lichtempfindlichen Empfängern realisiert werden.

Die bei einigen solchen Optokopplern eingesetzten Schirme haben für hohe transiente Spannungen zwischen dem Sender und Empfänger der optischen Schnittstelle eine nicht ausreichende Schirmung und damit eine zu geringe Gleichtaktunterdrückung. Zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung können die Entfernung zwischen Sender und Empfänger und/oder die übertragende Lichtmenge vergrößert und/oder die Schirmung verbessert werden. Die vorstehenden Möglichkeiten sind in der Praxis allerdings dahingehend beschnitten, dass oftmals der verfügbare Raum und Energie begrenzt sind. Insoweit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Signalübertragungsvorrichtung anzugeben, die bei optimierten Schirmungs- und Übertragungseigenschaften, hoher Alterungsbeständigkeit und Widerstandskraft gegenüber Umwelteinflüssen einen kompakten, mechanisch einfachen Aufbau aufweist und nur einen geringen Energiebedarf hat.

Diese Aufgabe wird in Kombination mit den Oberbegriffsmerkmalen durch die im Keimzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst, nämlich

- eine Realisierung der Schirmanordnungen durch metallische Lagen in und/oder auf mindestens einer Leiterplatte, und

- ein starrer, transparenter Übertragerstab als optische Übertragungsstrecke, der mit seinen Enden kurz vor oder innerhalb der jeweiligen Schirmanordnung von Sender- und Empfängereinrichtung vor deren Signalsender bzw. Signalempfänger angeordnet und von der mindestens einen Leiterplatte mechanisch gehalten ist.

Der Übertragerstab hat die Funktion eines Lichtleiters. Durch dieses Grundkonzept lassen sich verschiedene produkt- und anwendungstechnische Vorteile erzielen, wie eine kostenoptimale Lösung, sehr lange Lebensdauer, mittlere bis hohe Isolationsabstände, keine Schädigung der Isolation durch transiente Verschiebungsströme oder hohe Feldstärken in der Anwendungsumgebung der Signalübertragungsvorrichtung, sehr hohe Gleichtaktunterdrückung, eine DC-fähige Signalübertragung, äußerst geringe Beeinflussung der Vorrichtung durch Umweltbedingungen und eine mittlere bis hohe Signalbandbreite. Damit ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise für Anwendungen im Bereich Trennverstärker für analoge oder digitale Signale, Temperaturmessung, Impuls-Signalvervielfachter, Buskoppler oder digitale Signaltrennung und insbesondere in den Einsatzgebieten Bahn, HV-DC- Anwendung en, Teststände, Prüfstände oder andere sicherheitsrelevante Anwendungen besonders geeignet.

Im Gegensatz zur Verwendung von Blechhauben als Schirmelemente, die großvolumig und insbesondere bei Mehrfachschirmen nur mit hohem Fertigungsaufwand zu realisieren sind, sind bei hoher Wirksamkeit die Schirmanordnungen in Form von metallischen Lage in und/oder auf der Leiterplatte sehr viel einfacher herzustellen.

Der ferner vorgesehene transparente Übertragerstab weist als Vorteile eine geringe Alterungsempfindlichkeit, geringe Dämpfung, geringe Einkoppelund Auskoppelverluste, mechanische Robustheit, Unempfindlichkeit gegen Klimaeinflüsse, geringe Streulichtauskopplung, beherrschbare Längenausdehnung, geringe Kosten und einfache Montage auf.

Über den Übertragerstab können Signale auf verschiedene Arten übertragen werden, wie beispielsweise eine direkt zur Amplitude des Signals proportionale Intensität des Lichtes, eine Modulation des Signals wie beispielsweise als Frequenzmodulation oder Amplitudenmodulation oder als digitales Signal. Da bei einer Modulation des Signals immer ein Abstand zwischen der maximalen Signalfrequenz und der Modulationsfrequenz einzuhalten ist, ist bei der begrenzten Bandbreite des optischen Kanals die direkte, proportionale Übertragung des Signals mit größerer Bandbreite gegenüber einem modulierten Signal möglich. Das optische Signal kann in mehreren Stufen übertragen werden. Ein Signalpegel entspricht einem logischen High Pegel, ein anderer Signalpegel einem logischen Low Pegel und kein optisches Signal wird im Fehlerfall übertragen. Die Vermeidung des Absinkens auf Null im fehlerfreien Betrieb bewirkt eine möglichst kleine Ansprechzeit der optischen Elemente. Das Null-Signal kann vorteilhaft im Bereich der funktionalen Sicherheit eingesetzt werden.

In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben. So kann die Signalübertragungsvorrichtung mit Sendereinrichtung, optischer Übertragungsstrecke und Empfängereinrichtung durch Kombination dreier aufeinander sitzender Leiterplatten, nämlich einer Grundleiterplatte mit zumindest der Mehrzahl der elektronischen Schaltungskomponenten darauf, einer Rahmenleiterplatte zur seitlichen Umrahmung der Schaltungskomponenten und einer Deckleiterplatte zur Abdeckung der Rahmenleiterplatte, der Schaltungskomponenten und des Übertragerstabes realisiert sein, wobei vorzugsweise die metallischen Lagen der Schirmanordnungen für die Sender- und Empfängereinrichtung in oder an der Grund-, Rahmen- und Deckleiterplatte derart angeordnet sind, dass um die Sender- und Empfängereinrichtung mit ihren elektronischen Schaltungskomponenten jeweils mindestens ein- oder mehrlagige, insbesondere zweilagige Schirmungen gebildet sind, die von dem transparenten Übertrag erstab seitens der Sender- bzw. Empfängereinrichtung durchgriffen werden.

Alternativ zu dem 3 -tägigen Aufbau mit Grund-, Rahmen- und Deckleiterplatte können die beiden letztgenannten Elemente auch einstückig durch eine Haubenleiterplatte realisiert werden, die einen umlaufenden Rahmenflansch zur seitlichen Umrahmung der Schaltungskomponenten und eine Deckwand zur Abdeckung der Schaltungskomponenten und des Übertragerstabes aufweist. Der Rahmenflansch wird dabei durch eine oder mehrere entsprechende Ausnehmungen in dem dicker ausgeführten Leiterplattenrohling gebildet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Montage der Signalübertragungsvorrichtung aufgrund der wenigeren Teile rationeller durchgeführt werden kann, was den erhöhten Fertigungsaufwand für die Haubenleiterplatte überkompensiert.

Zu beiden vorstehenden alternativen Ausführungsformen ist festzuhalten, dass die eigentlichen elektronischen Schaltungen, elektrische Schirmung und die Kapselung des Lichtleiters vorteilhafter Weise also quasi in integraler Bauart mithilfe von aufeinander geschichteten Leiterplatten, nämlich der Grund-, Rahmen- und Deckleiterplatte bzw. der Grund- und Haubenleiterplatte realisiert werden. Die für die Funktion benötigten Verbindungen zwischen den auf einer Lage 1 bestückten Bauelementen können damit in der Grundleiterplatte hergestellt werden. Auf der Unterseite der Grundleiterplatte können alle Bauelemente platziert werden, die nicht geschirmt werden müssen und deren Signale bei Eintritt in den geschirmten Bereich gefiltert werden. Über die Grundleiterplatte können auch die Anschlüsse an äußere Systeme hergestellt werden.

Die Rahmenleiterplatte bzw. der Rahmenflansch der Haubenleiterplatte definiert die maximale Höhe solcher auf der Grundleiterplatte bestückbaren Bauteile, die innerhalb der Schirme liegen müssen. Die Deckleiterpatte bzw. die Deckwand der Haubenleiterplatte schließt den Schirm ab und schützt den optischen Kanal vor Verschmutzung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Grund- und Deckleiterplatte bzw. Deckwand mit zu ihren Hauptebenen parallel ange- ordneten metallischen Lagen und die Rahmenleiterplatte bzw. der Rahmenflansch an den rechtwinklig zur Hauptebene verlaufenden Kanten angeordneten metallischen Lage zur Realisierung der Schirmung versehen.

Die auf Lage 1 der Grundleiterplatte bestückten Bauelemente werden damit unterhalb und oberhalb davon durch die Metalllagen in Grund- und Deckleiterplatte bzw. Deckwand sowie seitlich von der kantenmetallisierten Rahmenleiterplatte bzw. dem kantenmetallisierten Rahmenflansch eingefasst und damit geschirmt. Mit Hilfe der Kanten-Metallisierungen an Rahmenleiterplatte bzw. Rahmenflansch kann die Schirmabdeckung deutlich verbessert werden.

Der transparente Übertragerstab kann vorteilhafter Weise mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweisen:

- hergestellt aus einem hochtransparenten Kunststoff oder Glas, vorzugsweise Quarzglas,

- Länge zwischen 10 mm und 100 mm, vorzugsweise 20 mm,

- Durchmesser 1 mm bis 4 mm, vorzugsweise 2 mm,

- Abstand der kopfseitigen Signal-Ein- und -Austrittsflächen zum Signalsender und Signalempfänger zwischen 0, 1 mm und 1 mm, vorzugsweise 0,5 mm und/oder

- optische Aufbereitung oder Veredelung der kopfseitigen Signal-Ein- und -Austrittsflächen.

Es versteht sich, dass der Übertragerstab auch eine passend gestaltete Ummantelung besitzen kann, die eine verbesserte Führung des Lichtes auch unter ungünstigen Betriebsumständen und ungünstiger mechanischer Montage ermöglicht. Solche Ummantelungen können dabei so ausgelegt sein, dass eine für den Lichttransport günstige Abstufung bzw. ein günstiger räumlicher Verlauf der Brechungsindizes eines lichtleitenden Kems und der Ummantelung erreicht wird. Die optische Strecke kann damit so gestaltet werden, dass eine Degradation der Lichtleistung über die Lebensdauer des Gerätes am optischen Empfänger minimiert wird und eine Beeinflussung des optischen Empfängers durch Gleichtaktstörungen oder andere EMV- Störung en minimiert wird. Das Licht wird vom Sender emittiert, tritt über die Luft in den Lichtleiter ein und aus dem Lichtleiter über die Luft in den optischen Empfänger ein. Der Luft-Übergang von Sender zum Über- tragerstab und vom Übertragerstab in den optischen Empfänger ist besonders anfällig für Verschmutzung, was durch die Kapselung der Übertragungsstrecke und/oder durch das Einfügen eines optischen Interfacematerials verhindert werden kann.

Ein optisches Interface-Material muss vorzugsweise die Transmission des Lichtes wenig beeinflussen und geringe Alterung der Transmission aufweisen. Die Applikation des Interfacematerials kann vorzugsweise durch die Kapslung des Gesamtsystems mittels der Leiterplattenkonstruktion entfallen.

Der Lichtwellenleiter kann aus verschiedenen optischen Materialien bestehen. Da es in dieser Applikation auf Langzeit- Stabilität ankommt, wird kein alterungsempfindliches Material als Lichtleiter gewählt, sondern ein Übertragerstab allenfalls aus alterungsbeständigem, hochtransparenten Kunststoff, wie z.B. Polycarbonat, besonders bevorzugt jedoch aus Glas, wie natürlichem Quarz-Glas eingesetzt. Der Glasstab hat eine Länge von 20mm +/- 0,5mm und einen Durchmesser von 2mm +/- 0, 1mm. Der Glasstab kann geritzt und gebrochen werden. Eine Bearbeitung oder Veredlung der optischen Ein- und Austrittsflächen ist möglich, aber nicht notwendig. Eine Trübung durch den Einfluss von Feuchtigkeit und Temperatur ist bei einem Glasstab zu vernachlässigen. Die Wellenlänge des Senders, die wellenlängenabhängige Dämpfung des Lichtleiters und die wellenlängenabhängige Empfindlichkeit des Empfängers sind natürlich aufeinander abgestimmt. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger und damit die Höhe der Isolation ist durch die geringen Verluste der optischen Strecke fast frei wählbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Übertragerstab in einer Aussparung der Rahmenleiterplatte bzw. des Rahmenflansches angeordnet und/oder über Vorsprünge der Rahmenleiterplatte bzw. des Rahmenflansches durch Presssitz gehalten ist. Der Glasstab ist durch diese Konstruktion so gelagert, dass der Stab durch Belastungen nicht bricht und dass die temperaturbedingte Längenausdehnung und die Verwindung des Gehäuses kompensiert werden können. Durch diese Lagerung werden Mik- rophonie-Effekte und Schädigungen durch Vibration oder Verwindung vermieden, die zu einem Bruch des Lichtleiters führen könnten. Darüber hinaus gibt es keine relevanten Lichtverluste durch zu große Auflageflächen des Übertragerstabes und es können Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden. Anschläge zum Schutz der optischen Bauteile bei Vibration sind denkbar. Da bei der Lagerung des Übertragerstabs keine Klebstoffe eingesetzt werden, werden dadurch hervorgerufene Transmissionsverluste, Alterungserscheinungen und eingeschränkte Umweltfestigkeit vermieden.

Weiterhin kann bevorzugtermaßen der Übertragerstab in einer Ausrichtvertiefung in der Oberfläche der Grundleiterplatte liegen, so dass die optischen Achsen des Senders und des Empfängers quasi „automatisch“ auf die Mitte des Übertragerstabs ausgerichtet sind. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Signalübertragungsvorrichtung sieht vor, dass der Signalsender als lichtemittierendes Halbleiterbauteil ausgebildet ist. Hier kommen z.B. Laserdioden oder LEDs in Frage. Besonders geeignet ist die Verwendung einer LED, deren Alterung vorzugsweise durch Anpassung des LED-Stromes mittels einer Alterungs-Kompensationsschaltung auf Basis einer Referenz-LED-Übertragungsstrecke kompensierbar ist. Mit dieser Maßnahme kann der größte Nachteil beim Einsatz von LEDs, nämlich deren Alterung, nicht nur durch Ausnutzung des Nennstroms der LED nur zu einem kleinen Teil minimiert, sondern auch durch automatische Anpassung des LED-Stromes hochgradig kompensiert werden. Eine zweite LED, die unter gleichen oder ähnlichen Bedingungen betrieben wird, kann als Referenz zur Steuerung des Stromes der SendeLED genutzt werden. Liegen beide LEDs dicht beieinander, werden sie mit dem gleichen Temperaturprofil belastet. Der Strom der Referenz-LED ist auf den mittleren zu erwartenden Strom der Sende-LED eingestellt oder beide LEDs werden mit dem gleichen Strom durchflossen. Die ReferenzLED wirft ihr Licht dann auf einen optischen Empfänger, der den Strom der Sende-LED steuert.

Der Signalempfänger kann bevorzugtermaßen als CCD, Fototransistor, Fotodiode oder Foto widerstand ausgeführt sein. Eine große Übertragungs- Bandbreite, passende Empfängerflächen, gute wirtschaftliche Verfügbarkeit, einfache Montage vorzugsweise in SMD-Bauweise, großer Temperaturbereich, passende Empfindlichkeit und Dynamik, gute Klimabeständigkeit, passender Wellenlängenbereich und spektrale Empfindlichkeit sind Parameter für die Auswahl eines geeigneten Signalempfängers.

Schließlich können in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Grund-, Rahmen- und Deckleiterplatte bzw. die Grund- und Haubenleiterplatte nach Art eines Sandwichaufbaus, vorzugsweise mittels Lötstiften, verlöteten Kanten-Metallisierungen, Einpressstiften, Verklebungen, Verpressungen, Verschraubungen, Vernietungen oder Verschweißungen mechanisch miteinander verbunden sein. Damit wird eine hohe Verwindung s Steifheit der Anordnung erzielt, sodass beispielsweise beim Einschrauben von Kabeln in die Anschlussklemmen der Signalübertragungsvorrichtung keine nennenswerten Belastungen auf empfindliche Bauteile, wie insbesondere den Übertragerstab oder etwa keramische Kondensatoren, ausgeübt und Partialschwingungen unterdrückt werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 bzw. 2 grobe Übersicht-Blockschaltbilder einer potenzialtrennen- den optischen Signalübertragungsvorrichtung für Strom- bzw. Spannungssignale,

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung der Signalübertragungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 4 einen ausschnittsweisen schematischen Horizontalschnitt der Rahmenleiterplatte dieser Signalübertragungsvorrichtung,

Fig. 5 einen ausschnittsweisen schematischen Vertikalschnitt der

Signalübertragungsvorrichtung entlang der Schnittlinie V- V nach Fig. 4, Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Signalübertragungsvor- richtung in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der Grundleiterplatte der

Signalübertragungsvorrichtung gemäß Fig. 6 bei abgehobener Haubenleiterplatte,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht der Unterseite der Haubenleiterplatte der Signalübertragungsvorrichtung gemäß Fig. 6,

Fig. 9 einen ausschnittsweisen schematischen Horizontalschnitt der Haubenleiterplatte gemäß Fig. 8 im Bereich ihres Rahmenflansches, sowie

Fig. 10 und 11 schematische Vertikalschnitte der Signalübertragungsvorrichtung gemäß Fig. 6 entlang den Schnittlinie X-X bzw. XI-XI gemäß Fig. 9.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist eine potenzialtrennende optische Signalübertragungsvorrichtung eine Sendereinrichtung 1 mit Signaleingang 2, Eingangsmasseanschluss GNDin, Sendesignal-Aufbereitungsschaltung 3 und einem optischen Signalsender 4 in Form einer LED auf. Auf der Empfängerseite ist eine Empfängereinrichtung 5 mit einem optischen Signalempfänger 6 in Form einer Fotodiode, eine Empfangssignal-Verarbeitungsschaltung 7, ein Signalausgang 8 und ein Ausgangsmasseanschluss GNDout vorgesehen. Zwischen Signalsender 4 und Signalempfänger 6 ist eine optische Übertragungsstrecke 9 angelegt, die durch einen im Wesentlichen starren, transparenten Übertrag erstab 10 realisiert ist. Der Signaleingang 2 ist für ein Stromsignal lin ausgelegt. Dementsprechend ist zwischen Signaleingang 2 und Eingangsmasseanschluss GNDin der Signalübertragungsvorrichtung ein Eingangswiderstand 12 geschaltet.

Wie gestrichelt in Fig. 1 dargestellt ist, sind jeweils Schirmungen 13, 14 um die Sendeeinrichtung 1 bzw. Empfängereinrichtung 5 angeordnet, die jeweils als Doppelschirmung mit einem inneren Schirm 13i, 14i und einen äußeren Schirm 13a, 14a ausgelegt sind. Diese Doppelschirmung ist besonders beim gezeigten Strom- Signaleingang 2 von Vorteil, da in diesem Fall die Eingangsmasse GNDin, auf deren Potenzial der innere Schirm 13i liegt, gegenüber der Umgebung ihr Potenzial ändert und dementsprechend Poten- zialunterschiede entstehen. Eine wirksame Abschirmung ist durch den äußeren Schirm 13a gegeben, dessen Potenzial SCREENin gegenüber der Umgebung elektrisch ruhig ist. So wird insbesondere auch beim Einfügen des Stromeingangs in eine typische automatisierungstechnische Stromschleife, die aus weiteren Signalsenken (Stromeingängen anderer Komponenten) bestehen kann, eine gute Schirmung bewahrt. Die entsprechenden Potenzialverhältnisse und Schirmungseigenschaften ergeben sich auf der Empfängerseite mit dem inneren Schirm 14i auf Ausgangsmasse GNDout und dem äußeren Schirm 14a auf dem Potenzial SCREENout.

Wie in Fig. 1 lediglich angedeutet ist, durchgreift der Übertragerstab 10 die beiden Doppel-Schirmungen 13, 14 durch enge Öffnungen (siehe Fig. 4 bei 44, 45), um die Schirmungseigenschaften möglichst gering zu beeinträchtigen. In Fig. 2 ist die Signalübertragungsvorrichtung in einer Auslegung gezeigt, bei der der Signaleingang 2 für Spannungsignale Uin ausgelegt ist. Dementsprechend kann der Eingangswiderstand 12 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 entfallen. Wenngleich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wieder zwei Doppel-Schirmungen 13, 14 gezeigt sind, ist bei einer Spannungssignalübertragung oftmals eine Einfachschirmung mit den Schirmen 13i, 14i ausreichend. Im Übrigen ist zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich der Beschreibung der Fig. 2 auf die Ausführungen zu Fig. 1 zu verweisen. In den beiden Zeichnungen übereinstimmende Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffem versehen.

Anhand der Fig. 3 bis 5 ist nun der konkrete Aufbau einer potenzialtren- nenden optischen Signalübertragungsvorrichtung zu erläutern, die im konkreten Ausführungsbeispiels als 2-Kanal-Übertrager ausgeführt ist. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist die Vorrichtung durch die Kombination dreier aufeinandersitzender Leiterplatten, nämlich von unten nach oben gesehen eine Grundleiterplatte 15, eine darauf sitzende Rahmenleiterplatte 16 und eine das Ganze oben abschließende Deckleiterplatte 17. Auf der Grundleiterplatte 15 sind alle elektronischen Komponenten 18, die nicht einzeln benannt werden sollen, in der Regel in SMD-Technik in üblicher Weise auf entsprechenden Leiterbahnen platziert und bilden die Sendesignal- Aufbereitungsschaltung 3.1, 3.2 sowie die Empfangssignal-Verarbeitungsschal- tung 7.1, 7.2 der beiden Kanäle aus. Ferner sind auf der Grundleiterplatte 15 die eingangsseitigen Stecksockel 19 und ausgangsseitigen Stecksockel 20 für die jeweiligen Anschlusskabel der Signalübertragungsvorrichtung montiert und elektrisch angeschlossen. In Fig. 3 ist zudem ein Gehäuse- Unterteil 21 gezeigt, das zusammen mit weiteren, in der Zeichnung weggelassenen Gehäuseteilen ein Gehäuse der Signalübertragungsvorrichtung zur Aufnahme der Leiterplatten 15, 16, 17 bildet. Die Rahmenleiterplatte 16 weist vier größere Durchbrechungen 22, 23, 24, 25 auf, deren Umriss an den Montageraum der elektronischen Komponenten 18 der Sendesignal-Aufbereitungsschaltungen 3.1, 3.2 sowie Empfangssignal-Verarbeitungsschaltungen 7.1, 7.2 derart angepasst ist, dass diese Schaltungen in diesen Durchbrechungen 22, 23, 24, 25 positioniert sind. Die Dicke der Rahmenleiterplatte 16 ist so bemessen, dass die elektronischen Komponenten 18 nicht über die Oberseite der Rahmenleiterplatte 16 hinausstehen. Damit kann die Deckleiterplatte 17 plan auf die Rahmenleiterplatte 16 gesetzt und der Plattenverbund durch entsprechende Verbinder, wie beispielsweise Lötstifte (nicht dargestellt) in Lötöffnungen 26 hermetisch dicht und mechanisch stabil miteinander verbunden werden. Durch die Lackierung von Außenflächen und -kanten kann eine Art Versiegelung der die Schaltungen 3.1, 3.2, 7.1, 7.2 aufnehmenden Volumina erzielt werden. Die beiden kleineren Durchbrechungen 27, 28 in der Rahmenleiterplatte 16 und damit kongruente Durchbrechungen 29, 30 in der Deckleiterplatte 17 nehmen im montierten Zustand die beiden großvolumigeren, ebenfalls auf der Grundleiterplatte 15 sitzenden, potenzialtrennenden Transformatoren 31, 32 auf. Diese Transformatoren transportieren elektrische Energie und dienen damit der potenzialgetrennten Energieversorgung. So kann zum Beispiel der Sender potenzialgetrennt mit Energie versorgt werden, sofern eine Speisung über die Seite des Empfängers erfolgt. Dementsprechend ist auch der umgekehrte Fall möglich, die potenzialgetrennte Energieversorgung des Empfängers bei einer Speisung über die Seite des Senders. Die Transformatoren sind in den Figuren 1, 2, 4 und 5 nicht berücksichtigt. Die konkrete Ausgestaltung der optischen Übertragungsstrecken 9.1, 9.2 mit den beiden Übertrag erstäben 10.1, 10.2 der beiden Kanäle der Übertragung s Vorrichtung wird nun anhand der Fig. 3 bis 5 näher beschrieben. So sind auf der Grundleiterplatte 15 die LED- Signalsender 4.1 der beiden Kanäle (in Fig. 3 liegt der LED- Signalsender 4.2 verdeckt hinter dem Transformator 31) sowie deren Signalempfänger 6.1, 6.2 an den einander abgewandten Ende jeweils einer Ausrichtvertiefung 33.1, 33.2 in der Oberfläche der Grundleiterplatte 15 angeordnet. Die Ausrichtvertiefungen 33.1,

33.2 sind so bemessen, dass der jeweilige, in der Länge etwa 20 mm und im Durchmesser etwa 2 mm messende Übertragerstab 10.1, 10.2 aus natürlichem Quarzglas mit seinem unteren Kreisbogenquerschnitt darin so zu liegen kommt, dass seine optische Achse 34 auf die Signalaustritts- bzw. - eintrittszonen der Signalsender 4.1, 4.2 bzw. Signalempfänger 6.1, 6.2 exakt ausgerichtet sind. Die eigentliche Halterung der Übertragerstäbe

10.1, 10.2 wird allerdings von der Rahmenleiterplatte 16 mit ihren die Durchbrechungen 22, 24 bzw. 23, 25 verbindenden Aussparungen 35.1,

35.2 übernommen, deren nach innen ragende Vorsprünge 36 (siehe Fig. 5) den jeweiligen Übertragerstab 10.1, 10.2 unter Presssitz halten.

Aus einer Zusammenschau der Fig. 3 bis 5 sind nun die in Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 erwähnten Doppel-Schirmungen 13, 14 näher zu erläutern. So sind die jeweiligen Sendesignal- Aufbereitungsschaltungen 3.1, 3.2 und Empfangssignal-Verarbeitungsschaltungen 7.1, 7.2 allseits durch Doppel- Schirmungen 13.1, 14.1 umgeben, die durch entsprechende metallische Lagen in oder an den Grund- 15, Rahmen- 16 und Deckleiterplatten 17 angelegt sind. So weist die Deckleiterplatte 17 auf ihrer parallel zur Platten- Hauptebene HE verlaufenden Ober- und Unterseite jeweils in Fig. 3 schraffiert hervorgehobene Zonen mit einer metallischen Lage 37 und 38 auf, die sich mit der Position der Schaltungen 3.1, 3.2, 7.1, 7.2 decken. Die auf der Oberseite sitzende Lage 37 bildet einen Abschnitt des entsprechenden Außenschirms 14, die auf der Unterseite sitzende Lage 38 einen Abschnitt des entsprechenden Innenschirms 13 der zweilagigen Schirmungsanordnungen.

Weitere Abschnitte der Schirmungen werden nach unten im Anschluss daran an der Rahmenleiterplatte 16 gebildet, indem dort die zur Hauptebene HE vertikalen Kanten 47 der Durchbrechungen 22, 23, 24, 25 mit einer metallischen Lage 39 als entsprechender Abschnitt des Innenschirms 13i, 14i belegt sind. Außenseitige Kanten 48 der Rahmenleiterplatte 16 können ebenfalls durch metallische Lagen 40 zur Bildung entsprechender Abschnitte des Außenschirms 13a, 14a beschichtet sein.

Zur Komplettierung von Innen- 13i, 14i und Außenschirm 13 a, 14a sind in kongruenter Überdeckung mit den in Fig. 3 auf der Deckleiterplatte 17 schraffiert gekennzeichneten Zonen in der Grundleiterplatte 15 wiederum zwei metallische Lagen 41 (für den Innenschirm 13), 42 (für den Außenschirm 14) durch Einbettung in einer inneren Lage der Leiterplatte integriert. Die verschiedenen metallischen Lagen 37 bis 42 bilden also durch ihre gegenseitige räumliche Zuordnung jeweils zweilagige Schirmanordnungen um die Sendesignal- Aufbereitungsschaltungen 3.1, 3.2 und Empfangssignal-Verarbeitungsschaltungen 7.1, 7.2, die bei den optischen Übertragungsstrecken 9.1, 9.2 lediglich durch die mit ihren Enden 43, 44 durch die metallischen Lagen 39, 40 an der Rahmenleiterplatte 16 über enge Öffnungen 45, 46 hindurchstehenden Übertrag erstäbe 10.1, 10.2 durchbrochen werden. An den Übergängen der metallischen Lagen 38 bis 42 zwischen den verschiedenen Leiterplatten 15, 16, 17 können ebenfalls schmale Spalte in den Schirmanordnungen gebildet sein, deren an sich negative Wirkung jedoch durch entsprechende Überlappung der Lagen 37 bis 42 in zwei benachbarten Leiterplatten 15, 16, 17 kompensiert werden kann. Schließlich ist abschließend darauf hinzuweisen, dass zwischen den Bereichen der um die Schaltungen 3.1, 3.2, 7.1, 7.2 gebildeten doppellagigen Schirme 13, 14 ein neben dem Leiterplattenmaterial nur von den Übertra- gerstäben 10.1, 10.2 überbrückter Streifen zwischen Sende- und Empfangsseite der Übertragungsvorrichtung ohne metallische Komponenten gebildet ist, der den Isolationsabstand der Vorrichtung maßgeblich mitbestimmt.

Anhand der Fig. 6 bis 11 wird nun eine zweite Ausführungsform der Signalübertragungsvorrichtung näher erläutert, die sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen im Aufbau des Leiterplatten-basierten Gehäuses unterscheidet. Die grundsätzlichen schaltungstechnischen Eigenschaften, wie sie anhand von Fig. 1 und 2 erläutert wurden, treffen auch auf die zweite Ausführungsform zu und müssen daher nicht nochmals wiederholt werden.

Der Hauptunterschied der zweiten Ausführungsform erschließt sich aus den Fig. 6 bis 8. So ist zwar nach wie vor eine Grundleiterplatte 15 ‘ vorgesehen, die die anhand des ersten Ausführungsbeispiels erläuterte Bestückung mit elektronischen Komponenten 18 auf der Ober- und Unterseite zur Ausbildung der Sendesignal- Aufbereitungsschaltung 3.1,3.2 sowie die Empfangssignal-Verarbeitungsschaltung 7.1,7.2 der beiden Kanäle trägt. Ferner sind auf der Grundleiterplatte 15 ‘ wieder die eingangsseitigen Stecksockel 19 und ausgangsseitigen Stecksockel 20 für die jeweiligen Anschlusskabel der Signalübertragungsvorrichtung montiert und elektrisch angeschlossen. Das in Fig. 3 dargestellte Gehäuse-Unterteil ist in den Fig.

7 und 8 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Bei der zweiten Ausführungsform ist anstatt der Rahmenleiterplatte 16 und Deckleiterplatte 17 eine aus einem dickeren Leiterplattenrohling bestehende, einstückige Haubenleiterplatte 50 vorgesehen, die einen umlaufenden Rahmenflansch 51 (analog der Rahmenplatte 16 bei der ersten Ausführungsform) zur seitlichen Umrahmung der Schaltungskomponenten 18 und eine Deckwand 52 (analog der Deckplatte 17 bei der ersten Ausführungsform) zur Abdeckung der Schaltungskomponenten 18 und der Übertragerstäbe 10 aufweist.

Wie insbesondere aus Fig. 8 hervorgeht, umgrenzt der Rahmenflansch 51 vier größere Ausnehmungen 53, 54, 55, 56 in der Haubenleiterplatte 50, deren Umriss und Höhe über der Deckwand 52 an den Montageraum der elektronischen Komponenten 18 auf der Grundleiterplatte 15 ‘ so angepasst ist, dass die Schaltungen 3.1, 3.2, 7.1, 7.2 darin positioniert sind. Dementsprechend kann die Haubenleiterplatte 50 plan auf die Grundleiterplatte 15 ‘ aufgesetzt und über Zentrierbohrungen 57 in der Grundleiterplatte 15 ‘ und Haubenleiterplatte 50 zur Aufnahme von Führung s stiften zur deckungsgleichen Führung während des Fertigungsprozesses beispielsweise in Montage-, Löt- oder Prüfvorrichtungen passgenau positioniert werden. Die Haubenleiterplatte 15 ist ebenfalls mit Durchbrechungen 59, 60 zur Aufnahme der auf der Grundleiterplatte 15 ‘ sitzenden, potenzialtrennenden Transformatoren 31,32 versehen. Über metallisierte Flächen 58, metallisierte Löcher 58a und den Kantenmetallisierungen in Form der metallischen Lagen 39, 40 kann die Haubenleiterplatte 50 mit der Grundleiterplatte 15 ‘ durch einen Lötvorgang verbunden werden.

Bei der zweiten Ausführungsform sind die optischen Übertragungsstrecken 9.1, 9.2 mit den beiden Übertragerstäben 10.1, 10.2 im Rahmenflansch 51 in analoger Weise wie bei der ersten Ausführungsform in der Rahmenplatte 16 angeordnet, wie sich dies aus einem Vergleich der Fig. 4 und 5 einerseits mit den Fig. 9 bis 11 andererseits ergibt. Insoweit kann zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen werden, wobei übereinstimmende Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Es wird lediglich darauf hingewiesen, dass der Übertragerstab 10 (in beiden Ausführungsformen) kürzer ausgelegt sein kann und seine Enden 43, 44 bereits vor den Schirmen 13.1, 14.1 positioniert sind, wie dies in Fig. 9 gestrichelt dargestellt ist.

Auch die im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erwähnten Doppel- Schirmungen 13, 14 sind bei der zweiten Ausführungsform analog der ersten Ausführungsform an der Grundleiterplatte 15 ‘, am Rahmenflansch 51 und der Deckwand 52 der Haubenleiterplatte 50 durch metallische Lagen 37 bis 42 realisiert, wie sie anhand der Fig. 3 bis 5 erläutert wurden. Deren Positionierung und Funktion stimmen mit der der ersten und zweiten Ausführungsform im Wesentlichen überein, sodass für die Beschreibung der Schirmung der zweiten Ausführungsform, wie sie in den Fig. 6 bis 10 dargestellt ist, wiederum auf die diesbezüglichen Erläuterungen zur ersten Ausführungsform unter Verwendung identischer Bezugszeichen für gleiche Komponenten verwiesen werden kann. Es wird lediglich der guten Ordnung halber festgehalten, dass - wie in Fig. 10 erkennbar ist - die metallische Lage 37 auf die Oberseite und die metallische Lage 38 an die Unterseite der Deckwand 52 der Haubenleiterplatte 50 aufgebracht sind. Die metallischen Lage 39, 40 sind an den senkrecht zur Hauptebene HE verlaufenden Seitenkanten 61, 62 des Rahmenflansches 51 angeordnet. In der Grundleiterplatte 15 ‘ verlaufen wiederum analog die beiden metallischen Lagen 41, 42. Zum Vertikalschnitt gemäß Fig. 11 ist festzuhalten, dass dieser den zentralen Bereich der optischen Übertragungsstrecke 9 mit dem Übertragerstab 10, der Grundleiterplatte 15 ‘ und der Haubenleiterplatte 50 beim zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, der analog dem ersten Ausführungsbeispiel zur optimalen galvanischen Trennung zwischen Empfänger und Sender keine Schirmflächen aufweist.