光耦合器如何提供電氣安全及其安全相關(guān)特性

光耦合器和替代性隔離技術(shù)已廣泛用于各種產(chǎn)品中，用于信號隔離和高電壓電平轉(zhuǎn)換。這些設(shè)備還可用于提供安全相關(guān)的絕緣?？紤]到這些電氣問題，有必要了解光耦合器或備用隔離器的安全相關(guān)特性。

提供防止電危害的保護

電氣安全基礎(chǔ)

由電流通過人體引起的電擊會導(dǎo)致生理影響，從不自主的瞬間傷害到心室纖顫致死。由于健康，水分含量和身體阻抗的變化，危險的電壓閾值有些不穩(wěn)定，但是通常認為安全的電壓水平是DC電壓最高為42 V，AC電壓最高為60V。電壓高于此范圍的人員被認為是危險，因此需要足夠的電絕緣。

安全系數(shù)的概念

當人身安全成為問題時，設(shè)計人員被迫考慮所謂的安全因素。安全因素的目的是考慮未完全確定的用戶條件，以確保極少的故障機會。安全系數(shù)已廣泛應(yīng)用于廣泛的工程學(xué)科中。例如，在土木工程中，通常在建筑物的建造中經(jīng)常用于縮放支撐構(gòu)件的常見安全系數(shù)為2。當對材料的質(zhì)量不太了解時，可以使用更高的系數(shù)。對于航空航天，通常使用1.25的安全系數(shù)。在這些應(yīng)用中，重量損失極高，更高質(zhì)量控制和頻繁檢修的成本也可以容忍。因此，在此基礎(chǔ)上，較低的安全系數(shù)是合理的。

持續(xù)工作電壓

在正常操作過程中，預(yù)計光耦合器或隔離器會承受連續(xù)的電壓應(yīng)力。該電壓通常稱為工作電壓。由于此應(yīng)力電壓是連續(xù)的，因此如果絕緣失效，對人造成危險的可能性會更高。因此，工作電壓額定值通常會因光耦合器或隔離器的設(shè)計連續(xù)電壓應(yīng)力能力而降低兩倍。

暫態(tài)電壓能力

除了能夠保持連續(xù)的工作應(yīng)力電壓之外，還需要光耦合器或隔離器來保持或承受高瞬態(tài)電壓。瞬態(tài)電壓的類型可以分為高能瞬態(tài)或低能瞬態(tài)。（圖2）

高能量瞬變具有危險性。盡管低能量瞬變通常不會直接危害健康，但它們確實會對絕緣材料的健康構(gòu)成重大風(fēng)險，進而可能導(dǎo)致安全隱患。

IEC60664-1脈沖額定值坐標。

光電安全的光耦合器/隔離器構(gòu)造要求

在談?wù)摪踩臉?gòu)造要求時，要考慮的兩個主要領(lǐng)域是內(nèi)部構(gòu)造和外部機械尺寸。

1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在確定構(gòu)造要求之前，首先必須確定預(yù)期用途；基本絕緣或增強絕緣：

基本絕緣用于單獨提供功能性絕緣，而不能用于提供抗電擊危險的保護。

當需要絕緣并進行額定絕緣時，應(yīng)使用加強絕緣，以確保防止電擊危險。術(shù)語“加強”有時也與“雙重絕緣”一詞互換。
–雙重絕緣實際上是指能夠?qū)㈩~定電壓增加兩倍的能力。實現(xiàn)這一目標的物理方法也可以是字面的。即提供兩個單獨的絕緣層，每個絕緣層都能夠承受所需的電壓。在某些情況下，可以通過使用單層固體絕緣材料來滿足增強絕緣的要求。

用于安全絕緣的合適的單層絕緣絕緣層在法規(guī)標準之間有所不同。如果以終端設(shè)備標準IEC60950為例，則認為單一厚度（> 0.4毫米）的均質(zhì)材料適合提供雙重絕緣或增強絕緣。根據(jù)固體絕緣的定義，不僅材料本身很重要，而且材料的加工也很重要。例如，很厚的聚酰亞胺絕緣層可以很好地視為固體絕緣層，但溶劑型聚酰亞胺（搪瓷）層則不能。

2.外部機械尺寸
外部要求對于支持安全絕緣要求也很重要。在這方面，兩個關(guān)鍵尺寸是電氣間隙和爬電距離。（圖3）

外包裝隔離距離

清除
電氣間隙是輸入和輸出端子之間通過空氣的最短距離。足夠的電氣間隙距離的關(guān)鍵目標是確保端子之間不會發(fā)生電閃絡(luò)。實際的閃絡(luò)電壓特別取決于海拔和濕度水平。干燥的高海拔地區(qū)提供最高的閃絡(luò)傾向。隔離坐標標準（例如IEC60664）引用了防止閃絡(luò)的合適物理尺寸。在本文檔中，給出了各種工作電壓條件的表格。這些值是基于經(jīng)驗測量數(shù)據(jù)和現(xiàn)象學(xué)上對閃絡(luò)的理解。為了滿足增強的要求，距離乘以安全系數(shù)2。當零件在最終應(yīng)用中就地使用時，不僅是隔離器本身的機械結(jié)構(gòu)，還必須考慮整體的機械隔離。特別是，需要小心以減小由于PCB焊料觸點和互連跡線導(dǎo)致的分離距離。

爬電
另一個重要的外部尺寸是爬電距離。這是包裝體周圍最短的測量距離。之所以認為這個尺寸很重要，是因為在某些情況下，可以沿著絕緣表面開始形成導(dǎo)電的跟蹤路徑。影響此的因素是外部污染，例如濕氣和灰塵，以及絕緣材料表面吸引和保留污染的傾向。爬電距離取決于外部環(huán)境，所謂的污染程度和包覆成型材料的材料類別。適當?shù)呐离娋嚯x可在IEC60664標準的查找表中找到。

*絕緣壽命*
由于絕大多數(shù)使用光耦合器或替代隔離器的應(yīng)用都不需要定期檢查絕緣質(zhì)量，因此必須對絕緣性能進行評估以確保最終產(chǎn)品在整個生命周期中的安全性而無任何要求用戶干預(yù)。

安全壽命
的定義在制造商之間，關(guān)于安全性的定義有些主觀。例如，替代隔離器的制造商可能會將安全使用壽命視為在連續(xù)額定工作電壓下運行1％的部件發(fā)生故障的時間點。這個定義的問題在于，對某些人而言，使1％的人面臨威脅生命的風(fēng)險似乎很高。它還沒有考慮瞬態(tài)過電壓的影響或安全因素的必要性。

一種更保守，更安全的方法是，將壽命終止定義視為存在以下兩種可能性的統(tǒng)計學(xué)上無關(guān)緊要的時間點：

1.絕緣退化到額定瞬態(tài)過電壓會導(dǎo)致永久性破壞的點。
2.絕緣層退化到無法再持續(xù)承受兩倍額定工作電壓的程度。

由于存在兩種可能的故障情況，因此我們還將分別考慮兩種磨損機制。應(yīng)當指出，實際上它們不是互斥的機制。

1.瞬態(tài)電壓磨損
瞬態(tài)額定值在一定程度上受到了UL1577介電測試額定值和IEC60747-5-5瞬態(tài)額定值的影響。但是存在一個問題，即它不能直接提供最終產(chǎn)品預(yù)期壽命內(nèi)的瞬態(tài)電壓能力的詳細信息。特別地，問題在于僅在非常短的時間段內(nèi)對測試電壓額定值進行測試。

由于瞬變電壓由于電暈腐蝕和其他降級機制而導(dǎo)致絕緣損壞的可能性很高，因此即使瞬變周期很短，在設(shè)備壽命期間相關(guān)的絕緣損壞累積也會非常顯著?？梢院苋菀椎仡A(yù)見，即使在適當?shù)脑O(shè)備使用壽命內(nèi)，所有瞬態(tài)事件的總時間也很容易超過額定瞬態(tài)測試時間。為了在終端設(shè)備的使用壽命內(nèi)建立安全的暫態(tài)能力，有必要適當?shù)乜s放絕緣構(gòu)造?？梢酝ㄟ^在高測試電壓（例如UL1577測試中使用的測試電壓）下進行延長壽命的測試來驗證此功能。

在比較不同技術(shù)，光耦合器與替代技術(shù)時，這是一個觀察到巨大性能差異的特定領(lǐng)域。舉例來說，在不到15分鐘的時間后，找到無法通過UL1577介電測試的替代隔離器是很平常的事。而光耦合器通常具有超過數(shù)百小時的UL1577介電測試壽命。這種巨大的性能差異顯然對最終應(yīng)用中預(yù)期的瞬態(tài)壽命有非常直接的影響。

2.工作電壓磨損
第二個磨損機制發(fā)生在額定負載下且工作電壓連續(xù)的情況下。

原則上要注意的是，不應(yīng)有會引起明顯老化影響的主動磨損機制，從而在預(yù)期的設(shè)備使用壽命內(nèi)導(dǎo)致絕緣故障。

原則關(guān)注點之一是確定由于內(nèi)部空隙中的局部放電而不會發(fā)生絕緣腐蝕。還需要考慮其他老化效應(yīng)。對于高應(yīng)力的聚合物絕緣材料，一個顯著的老化機理是空間電荷的降解（圖3）。

外包裝隔離距離

空間電荷是在高壓下施加到絕緣材料中的電荷的表達。注入空間電荷會改變內(nèi)部電場，從而導(dǎo)致絕緣材料區(qū)域的應(yīng)力不斷增加。就注入的空間電荷的數(shù)量而言，主要的決定因素是材料的厚度和所施加的電場，從而產(chǎn)生kV / mm的應(yīng)力因數(shù)。其他重要因素包括工作溫度以及波形類型和頻率。

聚合物材料中的空間電荷老化是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。盡管如此，對這種老化現(xiàn)象的理解還遠遠不夠。有一些清晰且始終如一的空間電荷降解特征，可用于預(yù)測壽命。如果將測得的壽命與應(yīng)力測試電壓作圖，可以清楚地看到，在較低的kV / mm應(yīng)力水平下，老化響應(yīng)曲線具有清晰可辨的漸近線。

該特性表明，當在低于某個初始應(yīng)力電壓水平的條件下工作時，預(yù)期壽命將以極快的速度增加。

在小于此起始電壓的電壓應(yīng)力下運行可有效地將空間電荷退化的影響降低到微不足道的水平。

由于光耦合器使用了具有相應(yīng)較低kV / mm應(yīng)力水平的厚絕緣材料，因此空間電荷的退化始終是無關(guān)緊要的。

在使用薄聚合物涂層的替代隔離器中，空間電荷的降解是一個非常重要的問題。在這種情況下，固有的高kV / mm應(yīng)力導(dǎo)致空間電荷退化的開始。在高介電測試電壓下測試壽命時可以觀察到這種效果，但更令人擔(dān)憂的事實是，在離預(yù)期標稱工作電壓不遠的測試電壓下進行長期測試，通常表明在最終用戶認為典型的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)故障設(shè)備。

編輯：hfy