專利名稱：非本質安全電路的光耦合器的制作方法
技術領域：
本發明涉及從本質安全電路向非本質安全電路傳送數據。更具體地說，本發明涉及用來在電路之間傳送數據的光耦合器。更具體地說，本發明涉及連接光敏晶體管的電路系統，該電路系統避免過多能量加到光耦合器上。
這類電容耦合不夠的一個例子是，輸入和輸出電路運行在危險地點，而單靠電容耦合提供的安全并不夠。在這種情況下，眾所周知的是使用光耦合器電路系統，其中，發光二極管接收要放大或要進行其它處理的輸入信號，這樣做的同時，產生表示所接收的輸入信號的輸出光信號。該發光二極管是組合器件的一部分，所述組合器件還包括光敏晶體管，該晶體管基極接收發光二極管的光輸出，再控制光敏晶體管的集電極電流。該光敏晶體管有利地起放大器的作用，在其集電極電阻兩端產生輸出信號。
以這種方式運行的光耦合器比電容耦合的晶體管放大器所提供的絕緣強度要高。為把本質安全電路連接到非本質安全電路，必須有光耦合器提供的絕緣。本質安全電路是運行在一定的低能量電平下的電路。通過運行在一定的能量電平之下，使得此電路系統即使在危險環境下因某種方式發生故障，也不會產生火花或足夠的熱量形成物料爆炸。由一些管理機構確定了電路系統達到本質安全所要求的功率電平，諸如美國的保險商試驗室(UL)、歐洲的歐洲電工技術標準化委員會(CENELEC)、加拿大的加拿大標準協會(CSA)以及日本的勞動省產業安全研究所(TIIS)。
為了達到本質安全，本質安全電路必須在自己和那些非本質安全電路之間有電絕緣隔離層。為了把數字數據傳過電絕緣隔離層，需要大量的安全器件。光耦合器中，不管是二極管還是光敏晶體管都是本質安全電路的部分。
在共發射極配置下，當光敏晶體管被發光二極管激勵時，光敏晶體管飽和，其輸出電壓等于其集電極的飽和電壓。當光敏晶體管去激勵時，所述輸出電壓等于電源電壓。運行時連接到光敏晶體管的端子不能超過光耦合器最大電流、電壓或功率額定值的三分之二。為了避免連接到光敏晶體管的端子超過最大值，一般認為連接到端子的穩壓二極管和適當標定的熔絲足夠保護這些端子。通常電阻器也用來改善熔絲的切斷能力。在這種配置下，二極管和熔絲連接到光敏晶體管的集電極和電源。其結果是從信號引腳到地沒有經過熔絲的通路。因此在所有三根連接線上都不需要熔絲。隨著元件成本提高以及電路板尺寸減小，有必要以降低電路板成本的方式配置電路。
解決方案本發明的電路保護系統解決上述及其它問題，并且改進先有技術。本發明的電路系統將光敏晶體管的結點連接點減少到兩個結點。因此可以由單一穩壓二極管、熔絲和電阻提供保護。所需元件數減少就降低了所需電路板成本及電路板面積。
根據本發明，到光敏晶體管及光敏晶體管集電極的電源連接點減少到單個。這有利于發射極-集電極電流加到輸出電阻以觸發數據線。利用電源連接點和發射極之間的電阻分壓器把電源和發射極的連接點減少到單個。利用電阻分壓器使得光耦合器保持由特定的電源電流供電。
在本發明的第一個方面中，避免光耦合器超過某一具體標稱功率的電路系統包括下列部件電阻分壓器，它把光敏晶體管的發射極連接到光敏晶體管的電源；熔絲，它把電源連接到所述能源和電阻分壓器；二極管，它連接到能源也連接到地；最后是熔絲電阻，它連接在所述熔絲和所述光敏晶體管及所述電阻分壓器的能源之間。
在本發明的另一個方面中，電源電阻可以限制加到光敏晶體管和電阻分壓器的能源的電壓。這調節加到光敏晶體管的電流電壓。電源電阻可以連接在所述能源和所述熔絲電阻之間。
在本發明的另一個方面中，接地電阻可以在電源電阻、二極管和熔絲電阻之間連接能源和地。
在本發明的另一個方面中，輸出電阻可以連接在發射極和地之間。輸出電阻可以是604歐姆電阻器。
在本發明的另一個方面中，所述電源可以向電路系統提供14伏電壓。
在本發明的另一個方面中，所述電阻分壓器可以是1.0千歐姆電阻器。
在本發明的另一個方面中，所述熔絲可以是63毫安熔絲。
在本發明的另一個方面中，所述接地電阻可以是49.9千歐姆電阻器。
在本發明的另一個方面中，所述熔絲電阻可以是6.2歐姆電阻器。
在本發明的另一個方面中，所述二極管可以是16.0伏穩壓管。


在以下的詳細描述和各附圖將說明本發明的以上及其它方面圖1圖示先有技術中的光耦合器和保護電路系統；以及圖2圖示本發明的光耦合器和保護電路系統。
詳細描述圖1圖示先有技術的電路系統100，它包括本質安全電路101和非本質安全電路102。電隔離阻擋層103在本質安全電路101和非本質安全電路102之間建立隔離，對于安全額定值來說，它將所述兩個電路隔離。發光二極管(LED)L1和光敏晶體管Q1構成光耦合器105，它將數字信號從本質安全電路101傳輸到非本質安全電路102。
光耦合器105是諸如惠普HCNW4506光耦合器那種傳統類型的光耦合器。為傳送數據，發光二極管L1發射由光敏晶體管Q1接收的光信號，以激活及截止Q1。當Q1被激活時，光敏晶體管因來自電源Vdd的功率而飽和。飽和時輸出電壓Vo等于光敏晶體管Q1的發射極-集電極飽和電壓。當光敏晶體管Q1截止時，輸出電壓Vo被拉高到Vdd。連接到Q1的電源連接點保持Vdd偏置。
根據諸如標題為“用于潛在爆炸性氣氛-本質安全的電工儀器”的歐洲電工技術標準化委員會文件EN50020，光耦合器的非本質安全端必須有保護電路以保證光耦合器的電流、電壓或功率不會超過其最大額定值的三分之二。在先有技術中，光敏晶體管Q1的三個接頭中二個需要保護。只要三個接頭中二個被保護，就不存在不通過熔絲的電流通路。
為保護光敏晶體管Q1的電源結點，熔絲F1連接在電源和電源結點之間。熔絲F1具有適合于足夠保護的標稱值。連接到地的二極管Z1連接在電源結點和熔絲F1之間。電阻R1連接在熔絲F1、電源結點和二極管Z1之間，以保護熔絲的開斷能力。
光敏晶體管Q1的集電極結點提供Vo。集電極結點由電阻R2連接到電源結點。熔絲F2也連接到集電極結點。二極管Z2將光敏晶體管Q1的集電極結點連接到地。電阻R3連接在集電極結點和熔絲F2之間，以保護它們不受熔絲斷路能力的影響。光敏晶體管Q1的發射極結點連接到地和二極管Z2。從以上討論可以看到，非本質安全電路102中的電源結點和集電極結點受到保護。
圖2圖示根據本發明的電路保護系統的實施例。本發明的電路為了減少必要的元件數量而減少了結點數，這些必要的元件是在光耦合器超過三分之二最大電壓、電流或功率時保護耦合器的。電路200包括本質安全電路201和非本質安全電路202。電隔離阻擋層203分開本質安全電路201和非本質安全電路202。發光二極管L1和光敏晶體管Q1構成光耦合器205。光耦合器的例子是惠普公司生產的HCNW 4506光耦合器。光耦合器205經由電隔離阻擋層203在本質安全電路201和非本質安全電路202之間傳送數據。
光敏晶體管Q1具有電源結點、集電極結點和發射極結點。電源連接到電源結點。熔絲F1處在電源和熔絲電阻RF之間的通路210上。通路210上的熔絲電阻RF連接在熔絲F1和電源結點之間。熔絲電阻RF保護熔絲F1的開斷能力。二極管Z1通過通路215將通路210連接到地。二極管Z1連接到電源電阻Rdd和熔絲電阻RF之間的通路210。電阻Rg把電源電阻Rdd和熔絲電阻RF之間的通路210連接到通路215。
通路210還可以包括電源電阻Rdd，用以調節輸送到光耦合器205的電量。電源電阻Rdd連接在電源結點和通路210上的熔絲電阻RF之間。光敏晶體管Q1的集電極連接到電阻分壓器Rd。電阻分壓器Rd連接到電源結點和電源電阻Rdd之間，把集電極連接到通路210。光敏晶體管Q1的集電極連接到到通路210，使得單個熔絲和單個二極管就能提供對光耦合器205的保護。
通路215將光敏晶體管的發射極結點連接到地。通路215的輸出電阻連接在發射極和地之間。接地電阻Rg連接到發射極和輸出電阻Ro之間的通路215上。二極管Z1連接到發射極和輸出電阻Ro之間的通路215，與接地電阻Rg并聯。
在優選實施例中，光耦合器205是惠普制造的HCNW 4506。根據歐洲電工技術標準化委員會文件EN50020，這個光耦合器205不能超過下表所列值的三分之二。

下表包含優選實施例中非本質安全電路201的元件值。這些值將在后面的說明中用來確定加到光耦合器205上的電壓和電流值以及光敏晶體管Q1的輸出。

輸出電壓以以下方式確定。當光敏晶體管Q1接收不到來自發光二極管L1的光信號而處于截止狀態時，來自電源的電流限制在0.6毫安。這樣，輸出電壓可由下式確定。vo=(vddRf+Rg+Ro+Icch)Ro----(1)]]>當把所述元件值表格中的值插入圖1中時，晶體管Q1處于截止狀態時的輸出電壓可確定為0.53伏。這遠低于所需的20伏值。
當光敏晶體管接收到來自發光二極管L1的光信號而處于激活狀態時，光敏晶體管導通電流，輸出電壓由下式確定。vo=vdd(RoRf+Ro+Rg(Rdd+Rd)Rd+Rdd+Rg)----(2)]]>代入上述表中元件值可得，當光敏晶體管Q1處于激活狀態時優選實施例的輸出電壓是3.10伏，遠低于光耦合器205的最大額定值表中給出的最大輸出電壓的三分之二。
來自電源的電源電壓Vss隨光敏晶體管Q1是否激活而變化。當光敏晶體管接收到來自發光二極管L1的光信號而處于激活狀態時，Vss等于流過分壓器電阻Rd的電流電壓。根據等式2，流過分壓器電阻Rd的電流是IRd=(Vdd-Vo)Rg(Rdd-Rd)Rg+Rdd+Rd----(3)]]>代入上述表中元件值及最大值可得，流過分壓器電阻的電流是5.15毫安，它提供5.15伏的電源電壓Vss。
在本實施例中，電源電壓Vss、電阻電壓Vr以及輸出電壓Vo受二極管Z1的限制。因此二極管Z1必須限定在低于電源電壓最大值的三分之二，從最大值表可確定優選實施例中是20伏。熔絲F1限制來自電源的電流，以避免二極管D1超過最大電源電壓的三分之在本實施例中，二極管D1額定值3.0瓦，即二極管的最大功率必須限制在2.0瓦。二極管D1的功率可通過以下方式計算。Pzener＝1.7×IF1×Vτmax(4)這里，Vzmax是二極管Z1的電壓額定值加上其容限偏差(5％)以及1.7的倍數，這個倍數是歐洲電工技術標準化委員會文件En50020對包含熔絲的電路系統所要求的。二極管D1的額定值是3.0瓦表示二極管的最大電壓功率必須限制在2.0瓦。在本優選實施例中，二極管Z1的最大功率是1.8瓦。
熔絲的開斷能力也要保護。在優選實施例中，熔絲F1的開斷能力是50安，額定250伏。因為元件值表所給的熔絲電阻RF的值是6.2歐姆，所以熔絲F1的電流限定在250伏除以6.2歐姆，即40.3安。
最后要保護的是流過光敏晶體管Q1的集電極電流。在光敏晶體管被激活時該電流達到最大值。用式4的結果除輸出電阻Ro可得最大電流值。Icollector=1.7×Ifuse×VτmaxRo----(5)]]>在優選實施例中，當代入上述表中最大值及元件值時，輸出電流Io是5.13毫安。這遠低于輸出電流Io的最大值的三分之二，即10毫安。
以上是對建立光耦合器保護電路系統的說明。預期本專業的技術人員會直接或通過推論設計出違背以下權利要求書中闡明的本發明的另外的電路系統。
權利要求
1.一種電路系統(200)，它防止光耦合器(205)超過特定的功率額定值，它包括電阻分壓器(Rd)，它把光敏晶體管的集電極連接到所述光敏晶體管的能源；熔絲(F1)，它把所述電源連接到能源和所述電阻分壓器(Rd)；二極管(Z1)，它連接在所述能源和地之間；以及熔絲電阻(R1)，它連接在所述熔絲電阻和所述光敏晶體管能源以及所述電阻分壓器之間。
2.如權利要求1所述的電路系統(200)，其特征在于還包括電源電阻(Rdd)，它限制加到所述光敏晶體管(Q1)的所述能源的電源電壓。
3.如權利要求2所述的電路系統，其特征在于所述電源電阻(Rdd)連接在所述能源和所述熔絲電阻(R1)之間。
4.如權利要求2所述的電路系統，其特征在于還包括接地電阻(R0)，它把所述能源和地連接在所述電源電阻(Rdd)、所述二極管(Z1)以及所述熔絲電阻(R1)之間。
5.如權利要求4所述的電路系統，其特征在于還包括輸出電阻(R6)，它連接在所述發射極和地之間。
6.如權利要求5所述的電路系統，其特征在于所述輸出電阻(R6)是604歐姆電阻器。
7.如權利要求4所述的電路系統，其特征在于所述電源提供14伏電壓。
8.如權利要求4所述的電路系統，其特征在于所述電阻分壓器(Rd)是1.0千歐姆電阻器。
9.如權利要求4所述的電路系統，其特征在于所述熔絲(F1)是63毫安熔絲。
10.如權利要求4所述的電路系統，其特征在于所述接地電阻(R0)是49.9千歐姆電阻器。
11.如權利要求4所述的電路系統，其特征在于所述熔絲電阻(R1)，是6.2歐姆電阻器。
12.如權利要求4所述的電路系統，其特征在于所述二極管(Z1)是16伏特二極管。
全文摘要
一種電路系統(200)，它防止光電耦合器(205)超過特定的功率額定值。電路系統中的電阻分壓器(Rd)把光敏晶體管(Q1)的發射極連接到光敏晶體管(Q1)的電源上。熔絲(F1)將所述電源連接到能源和電阻分壓器上。二極管(Z1)連接在所述能源和地之間以控制電壓。在所述熔絲、所述光敏晶體管的所述能源和所述電阻分壓器(Rd)之間的熔絲電阻(R1)限制各器件之間的電壓。
文檔編號H03K17/0814GK1430825SQ01810147
公開日2003年7月16日 申請日期2001年1月25日 優先權日2000年3月31日
發明者W·M·曼斯菲爾德, C·B·麥克阿納利 申請人:微動公司