ОПТИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ Российский патент 2018 года по МПК H04B10/00 H05K1/18 H05K3/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Оптический изолятор, также известный как оптоизолятор, оптопара или оптрон, является электрическим устройством, которое передает электрические сигналы между двумя изолированными одна от другой цепями с использованием разных частот электромагнитного спектра. Изоляция между цепями препятствует тому, чтобы большие напряжения или ток, наведенные или иначе присутствующие в одной из цепей, передавались или сообщались в другую цепь. Типичные оптические изоляторы не могут переносить между цепями измеряемую энергию, но могут передавать сигналы между этими изолированными цепями. Как может быть понятно, оптические изоляторы широко используются во множестве различных электронных устройств, где требуется изоляция.

Один конкретный электронный прибор, который использует оптические изоляторы, известен как "полевое устройство". Полевые устройства используются в области управления технологическими процессами и области измерения для множества различных целей. Как правило, такие полевые устройства имеют "полевой" упрочненный корпус, такой, что они могут быть установлены на открытом воздухе в относительно жестких окружающих условиях и способны противостоять обусловленным климатом экстремальным температурам, влажности, а также вибрации и механическим ударам. Кроме того, полевые устройства, как правило, работают при относительно низкой мощности. Например, в настоящее время имеются некоторые полевые устройства, которые получают всю свою рабочую мощность из известного замкнутого контура с током в 4-20 мА, работающего при относительно низких напряжениях (12-42 В постоянного тока).

Среда, в которой работают полевые устройства, иногда может быть крайне волатильной. Некоторые среды могут быть настолько волатильными, что мельчайшая рассеиваемая энергия в диапазоне микроджоулей или даже достаточно высокая поверхностная температура электрического компонента могла бы привести к локальному воспламенению атмосферы и к распространению взрыва. Эти области называются опасными, защищаемыми или взрывоопасными зонами. В качестве способа предупреждения нежелательных возгораний были разработаны правила "внутренней безопасности" как средство обеспечения ограниченной энергии и температуры в полевых устройств. Соблюдение требований "внутренней безопасности" гарантирует, что даже в условиях отказа схема или само устройство не сможет воспламенить волатильную окружающую среду.

Один из методов, который может быть использован для выполнения внутренних стандартов безопасности, заключается в том, чтобы разделить компоненты физическим барьером. Степень разделения зависит от конкретного материала, используемого для формирования физического барьера. Оптические изоляторы могут быть использованы для того, чтобы передавать данные через этот барьер, если они разделены в соответствии с этими внутренними стандартами безопасности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложен оптический изолятор. Оптический изолятор включает печатную плату, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности. Печатная плата имеет выемку, проходящую сквозь эту плату только частично. Первый фотоэлемент имеет активную поверхность и крепится относительно первой поверхности печатной платы. Второй фотоэлемент имеет активную поверхность и крепится относительно второй поверхности. Второй фотоэлемент выполнен с возможностью взаимодействовать с первым фотоэлементом. По меньшей мере, один из первого и второго фотоэлементов имеет свою активную поверхность, расположенную по меньшей мере частично в углублении. Между первым и вторым фотоэлементами проложен участок печатной платы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой схематичный вид пары оптронов в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет собой схематичный вид, показывающий предпочтительную конфигурацию для создания точного промежутка на печатной плате для оптрона в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения.

Фиг. 3 представляет собой схематичный вид пары оптронов, определяющих возможность возникновения перекрестных помех между соседними оптронами.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ

В соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения фотоизлучатель и фотоприемник, такой как ИК фотодиод, разнесены между собой на противоположных сторонах печатной платы. Фотоизлучатель и фотоприемник физически разделяет участок печатной платы. Фотоизлучатель и фотоприемник работают совместно, образуя оптрон, с использованием в качестве твердой изоляции саму печатную плату. Стандарт 60079-11 по защите компонентов не должен приниматься во внимание, если фотоизлучатель и фотоприемник не являются моноблочными компонентами, такими как единый модуль интегральной схемы (ИС). Сам материал печатной платы используется в качестве необходимого надежного пространственного разделителя компонентов один от другого. Таким образом, устраняется необходимость в защите компонентов, тем самым снижая количество компонентов, пространственные требования печатной платы и стоимость. Кроме того, к такой схеме больше не относятся многие из тех испытаний, которые перечислены в разделе 10.11 этого стандарта, так что затраты на тестирование также значительно сокращены.

Фиг. 1 представляет собой схематичный вид пары оптронов в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения. Оптрон 100 образован фотоизлучателем 102 и фотоприемником 104, расположенными на противоположных сторонах печатной платы 106. В варианте, показанном на фиг. 1, фотоизлучатель 102 является инфракрасным фотодиодом, имеющим полусферический участок 108, который расположен в отверстии 110 в печатной плате 106. Кроме того, в этом варианте исполнения фотоприемник 104 представляет собой pin-диод. Такую конфигурацию можно рассматривать как представляющую собой два взаимодействующих между собой фотоэлемента, в которой по меньшей мере один из фотоэлементов (в данном случае фотоизлучатель) имеет активную поверхность, которая, по меньшей мере, частично расположена в углублении печатной платы 106. В соответствии с одним из вариантов исполнения настоящего изобретения отверстие или углубление (выемка) 110 заканчивается на поверхности 112, а боковые стенки углубления 110, предпочтительно, продолжаются к поверхности 112 приблизительно под 90 градусов. Поверхность 112 отстоит от поверхности 114 печатной платы 106 схемы по меньшей мере на 0,2 мм, что является минимальным требованием для твердого материала на соответствие приложению F стандарта 60079-11 для 300 В. Фотоприемник 104 установлен смежно к поверхности 114 таким образом, что свет, испущенный из фотоизлучателя 102, который проходит через поверхность 112, принимается фотоприемником 104. Таким образом, фотоизлучатель 102 и фотоприемник 104 взаимодействуют между собой, образуя оптрон. Как может быть понятно, расположение фотоизлучателя 102 и фотоприемника 104 обеспечивает передачу сигнала в одном направлении (от фотоизлучателя к фотоприемнику). Таким образом, для того чтобы через печатную плату 106 обеспечить двунаправленную связь, установлен второй оптрон 121, который по существу является обратным по отношению к оптрону 100. В частности, оптрон 121 включает в себя фотоизлучатель 116, продолжающийся в отверстие или углубление 118 в печатной плате 106. Углубление (выемка)118 заканчивается в поверхности 120, которая удалена от поверхности 122 печатной платы 106 на минимальную величину "твердой" изоляции (0,2 мм). Фотоприемник 124 в одном варианте исполнения установлен смежно с поверхностью 122, так что свет, проходящий через поверхность 120, принимается фотоприемником 124. Таким образом, фотоизлучатель 116 и фотоприемник 124 представляют собой второй оптрон, который во взаимодействии с оптроном 100 посредством печатной платы 106 обеспечивает двунаправленную связь.

Фиг. 1 иллюстрирует печатную плату 106, имеющую шесть различных слоев меди - 126, 128, 130, 132, 134 и 136, которые разделены между собой материалом 119 печатной платы и удалены или иным образом отделены от углублений 110, 118 на минимальную величину для твердого материала в соответствии с приложением F стандарта 60079-11. Более конкретно, в варианте исполнения, показанном на фиг. 1, это расстояние составляет минимально 0,2 мм. Фотоизлучатель 102 продолжается в углубление 110 таким образом, что выпуклость 108 фотоизлучателя 102 находится вблизи поверхности 112. Такая близость увеличивает отношение сигнал-шум на оптроне 100 и позволяет снизить общую потребляемую мощность. Хотя варианты исполнения настоящего изобретения, как правило, описаны, для случая, когда в углублении печатной платы расположена часть фотоизлучателя, явно предполагается, что вместо этого или, а также, в углублении может быть расположен фотоприемник. Однако во всех таких конфигурациях, по меньшей мере одна активная поверхность (выпуклость фотоизлучателя или чувствительная поверхность фотоприемника) расположена внутри углубления печатной платы.

Когда фотоприемник выставлен должным образом, он будет получать сигнал от фотоизлучателя, который расположен прямо напротив него. В одном варианте исполнения фотоприемник имеет свою активную поверхность, выставленную по центру выпуклость фотоизлучателя (такую, как выпуклость 108).

Фиг. 2 представляет собой схематичный вид предпочтительного способа создания выемок 110, 118. Как правило, отверстие выполняют сверлильным инструментом, таким как сверло 150, которое имеет заостренный конец 152, что приводит к получению конической торцевой поверхности 154. Однако коническая торцевая поверхность 154 на практике будет отклонять или преломлять иным образом проходящие через эту граничную поверхность лучи электромагнитного спектра. Таким образом, электромагнитный сигнал 156 рассеивается, и электрический отклик кристалла 158 фотоприемника ослабляется. В предпочтительном варианте исполнения используют сверло 160 с плоским концом. Сверло 160 имеет конец 162, который по существу плоский. Это приводит к образованию отверстия 164, имеющего дно 166, которое расположено приблизительно под прямым углом к боковой стенке отверстия 164. Плоская поверхность 166 гарантирует, что сигнал, проходящий по воздуху к граничной поверхности печатной платы, сохраняет свое первоначальное направление и не преломляется или не подвергается другим изменениям. Таким образом, сигнал 168 проходит прямо к кристаллу 170 фотоприемника, который имеет бóльший отклик по сравнению с кристаллом 158 фотоприемника. В другой иллюстративной конфигурации сверло имеет конец вогнутой формы.

В соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения для уменьшения ослабления сигнала из-за материала печатной платы и других факторов может быть использовано несколько способов. В частности, можно удалять материал печатной платы, оставляя при этом лишь достаточное количество материала для удовлетворения требований по размещению, принимая во внимание производственные допуски. Кроме того, компоненты фотоизлучателя и фотоприемника могут выбираться, исходя из величины сигнала и картины оптического рассеяния. Далее, трафарет припоя между активными поверхностями оптических компонентов может быть опущен. Наконец, как изложено выше со ссылкой на фиг. 2, для выполнения встречного отверстия может быть использовано сверло с плоским наконечником. Любые или все эти различные конструктивные характеристики взаимно увязывают между собой, для того чтобы получить оптрон, образованный из множества отдельных компонентов, который бы в значительной степени реально соответствовал внутренним критериям безопасности при сохранении небольшой площади печатной платы.

Как можно заметить, формирование смежных оптронов для того, чтобы обеспечить изолированную двустороннюю связь через печатную плату 106 с использованием отдельных компонентов, может породить перекрестные помехи между этими оптронами, если нежелательные или паразитные сигналы не подавить полностью. Есть два основных пути, в которых могут присутствовать перекрестные помехи. Фиг. 3 иллюстрирует эти два основных канала перекрестных помех. Первый канал перекрестных помех идет по поверхности платы, как это показано пунктирной линией 180. В этом случае инфракрасное освещение от фотоизлучателя 102 может проходить прямо вдоль поверхности 122 платы к фотоприемнику 124. Этот первый вид перекрестных помех может быть уменьшен увеличением расстояния между фотоизлучателем 102 и фотоприемником 124. Однако увеличение расстояния между этими компонентами является нежелательным, поскольку при этом будет использоваться ценное пространство печатной платы. Более благоприятное решение заключается в добавлении над фотоприемником 124 непрозрачной крышки, так чтобы он не мог получать освещение 180, создающее перекрестные помехи. Одной предпочтительной формой такой непрозрачной крышки является непрозрачная заливка, обеспеченная вокруг и (или) поверх фотоприемника 124. Это непрозрачная заливка имеет дополнительное преимущество, заключающееся в устранении влияния окружающего света на фотоприемник 124. Примерные материалы заливки включают эпоксидную смолу или силикон RTV.

Второй канал перекрестных помех на фиг. 3 показан ссылочной позицией 182. В частности, этот канал перекрестных помех образован инфракрасным излучением, прошедшем через материал печатной платы 106. Эти перекрестные помехи могут быть уменьшены путем размещения медных слоев 126, 128, 130, 132, 134, 136 как можно ближе друг к другу, чтобы заставить свет при прохождении через плату рассеиваться как можно быстрее. Далее, размещение медных слоев ближе к выемке фотоизлучателя уменьшает часть сигнала, которая рассеивается от фотоприемника. При этом уменьшается размер отверстия в слоях меди и тем самым блокируется канал 182 перекрестных помех. Кроме того, можно воздействовать на внутреннюю стенку выемки, чтобы облегчить передачу сигнала от фотоизлучателя к фотоприемнику и (или) изменить ее для снижения перекрестных помех. Например, в выпуклость излучателя может быть вставлен какой-то рукав или саму выемку можно покрыть или обработать каким-нибудь материалом иным образом для облегчения передачи сигнала.

Варианты исполнения настоящего изобретения, в общем, обеспечивают в высокой степени компактную конфигурацию оптрона, которая может легко удовлетворить внутренним требованиям безопасности для полевых устройств и других электронных приборов. Считается, что оптроны в соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения могут обеспечить передачу сигнала на частоте 125 кГц и, возможно, до 250 кГц.

Варианты исполнения настоящего изобретения могут быть использованы в любом электронном устройстве, где применение оптронов является оправданными. Тем не менее варианты исполнения настоящего изобретения особенно полезны для полевых устройств, которые должны соответствовать стандарту внутренней безопасности, такому, как описаны выше.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты, специалистам в данной области техники будет понятно, что как по форме, так и в деталях в него могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения. Вышеприведенное описание относится к фиксированному зазору между оптическими компонентами величиной в 0,2 мм. Хотя такая конфигурация специально предназначена для обеспечения изоляции между по своей природе надежной областью и своей природе ненадежной областью, изобретение этой конфигурацией не ограничено. Такое же самое расстояние изоляции может быть использовано для отделения друг от друга ненадежных секций. Аналогичным образом, в зависимости от требований по изоляции и конструктивных ограничений величина разделения может быть большей или меньшей чем 0,2 мм. Изобретение применимо к электромагнитному излучению любой частоты, включая видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Между фотоизлучателем и печатной платой для снижения ослабления, обусловленного преломлением или отражением между слоями различных сред, может быть применено полупрозрачное заполняющее вещество.

Изобретение относится к оптическому изолятору, передающему электрические сигналы между двумя изолированными одна от другой цепями с использованием разных частот электромагнитного спектра. Технический результат – использование материала печатной платы (ПП) для физического разделения компонентов оптопары, что устраняет необходимость в защите компонентов оптоизолятора, подлежащего встраиванию в «полевое устройство», снижает пространственные требования к ПП, а также затраты на тестирование. Достигается тем, что оптический изолятор (100) включает в себя ПП (106), имеющую первую поверхность (114) и вторую поверхность (122), противолежащую первой поверхности. ПП (106) имеет выемку (110), продолжающуюся сквозь эту плату (106) лишь частично. Первый фотоэлемент (104) имеет активную поверхность и установлен относительно первой поверхности (114) ПП. Второй фотоэлемент (102) имеет активную поверхность и установлен относительно второй поверхности ПП (126). Второй фотоэлемент (102) сконфигурирован с возможностью взаимодействия с первым фотоэлементом (104). По меньшей мере один из первого и второго фотоэлементов имеет свою активную поверхность, расположенную по меньшей мере частично в выемке (110). Между первым и вторым фотоэлементами (104, 102) проложен участок ПП (106). 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптический изолятор, содержащий:

печатную плату, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, противолежащую первой поверхности, при этом печатная плата имеет выемку, продолжающуюся сквозь нее лишь частично,

оптопару, содержащую первый фотоэлемент и второй фотоэлемент,

при этом первый фотоэлемент имеет активную поверхность, причем первый фотоэлемент установлен относительно первой поверхности печатной платы,

при этом второй фотоэлемент имеет активную поверхность, причем второй фотоэлемент установлен относительно второй поверхности и сконфигурирован с возможностью взаимодействия с первым фотоэлементом, и

при этом по меньшей мере один из первого и второго фотоэлементов имеет свою активную поверхность, расположенную по меньшей мере частично в выемке, и

при этом между первым фотоэлементом и вторым фотоэлементом проложен участок печатной платы,

при этом участок печатной платы, проложенный между первым и вторым фотоэлементами, обеспечивает внутреннюю безопасность оптопары оптического изолятора, подлежащего встраиванию в полевое устройство.

2. Оптический изолятор по п. 1, в котором выемка является круговой и имеет концевую поверхность.

3. Оптический изолятор по п. 2, в котором концевая поверхность пересекается с боковой поверхностью под по существу прямым углом.

4. Оптический изолятор по п. 2, в котором концевая поверхность является плоской.

5. Оптический изолятор по п. 1, в котором первый фотоэлемент является фотоизлучателем.

6. Оптический изолятор по п. 5, в котором фотоизлучатель является светоизлучающим диодом.

7. Оптический изолятор по п. 6, в котором светоизлучающий диод является ИК светоизлучающим диодом.

8. Оптический изолятор по п. 5, в котором фотоизлучатель по меньшей мере частично расположен в выемке.

9. Оптический изолятор по п. 8, в котором фотоизлучатель имеет выпуклость, которая расположена в выемке.

10. Оптический изолятор по п. 1, в котором второй фотоэлемент является фотоприемником.

11. Оптический изолятор по п. 10, в котором фотоприемник является pin-диодом.

12. Оптический изолятор по п. 10, в котором фотоприемник покрыт непрозрачной крышкой.

13. Оптический изолятор по п. 1, в котором участок печатной платы, проложенный между первым и вторым фотоэлементами, обеспечивает минимальное отстояние в соответствии с правилами внутренней безопасности оптопары.

14. Оптический изолятор по п. 13, в котором минимальное отстояние равно по меньшей мере 0,2 мм.

15. Оптический изолятор по п. 13, в котором печатная плата имеет множество медьсодержащих слоев и в котором медь в таких медьсодержащих слоях расположена на по меньшей мере минимальном отделяющем расстоянии от углубления.

16. Способ изоляции электрических компонентов для оптического изолятора, содержащий:

размещение первых электрических компонентов на первой стороне печатной платы,

размещение вторых электрических компонентов на второй стороне печатной платы,

формирование выемки на первой стороне печатной платы, которая частично продолжается через эту печатную плату в направлении второй стороны,

установку первого фотоэлемента, имеющего активную поверхность в этой выемке и соединенного с первой электрической схемой, и

установку второго фотоэлемента, имеющего активную поверхность на второй стороне печатной платы, при этом второй фотоэлемент сконфигурирован с возможностью взаимодействия с первым фотоэлементом, и второй фотоэлемент электрически подсоединен ко второй схеме, при этом первый и второй фотоэлементы образую оптопару,

при этом участок печатной платы, проложенный между первым и вторым фотоэлементами, обеспечивает внутреннюю безопасность оптопары оптического изолятора, подлежащего встраиванию в полевое устройство.

17. Способ по п. 16, в котором первый фотоэлемент содержит диод.

18. Способ по п. 16, в котором формирование выемки включает в себя сверление печатной платы.