光耦合器如何提供電氣安全及其安全相關特性

光耦合器和替代性隔離技術已廣泛用于各種產品中，用于信號隔離和高電壓電平轉換。這些設備還可用于提供安全相關的絕緣?？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特性。

提供防止電危害的保護

電氣安全基礎

由電流通過人體引起的電擊會導致生理影響，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。

安全系數的概念

當人身安全成為問題時，設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。安全系數已廣泛應用于廣泛的工程學科中。例如，在土木工程中，通常在建筑物的建造中經常用于縮放支撐構件的常見安全系數為2。當對材料的質量不太了解時，可以使用更高的系數。對于航空航天，通常使用1.25的安全系數。在這些應用中，重量損失極高，更高質量控制和頻繁檢修的成本也可以容忍。因此，在此基礎上，較低的安全系數是合理的。

持續工作電壓

在正常操作過程中，預計光耦合器或隔離器會承受連續的電壓應力。該電壓通常稱為工作電壓。由于此應力電壓是連續的，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計連續電壓應力能力而降低兩倍。

暫態電壓能力

除了能夠保持連續的工作應力電壓之外，還需要光耦合器或隔離器來保持或承受高瞬態電壓。瞬態電壓的類型可以分為高能瞬態或低能瞬態。（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成重大風險，進而可能導致安全隱患。

IEC60664-1脈沖額定值坐標。

光電安全的光耦合器/隔離器構造要求

在談論安全的構造要求時，要考慮的兩個主要領域是內部構造和外部機械尺寸。

1.內部結構

在確定構造要求之前，首先必須確定預期用途；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，應使用加強絕緣，以確保防止電擊危險。術語“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將額定電壓增加兩倍的能力。實現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標準之間有所不同。如果以終端設備標準IEC60950為例，則認為單一厚度（> 0.4毫米）的均質材料適合提供雙重絕緣或增強絕緣。根據固體絕緣的定義，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鍵目標是確保端子之間不會發生電閃絡。實際的閃絡電壓特別取決于海拔和濕度水平。干燥的高海拔地區提供最高的閃絡傾向。隔離坐標標準（例如IEC60664）引用了防止閃絡的合適物理尺寸。在本文檔中，給出了各種工作電壓條件的表格。這些值是基于經驗測量數據和現象學上對閃絡的理解。為了滿足增強的要求，距離乘以安全系數2。當零件在最終應用中就地使用時，不僅是隔離器本身的機械結構，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境，所謂的污染程度和包覆成型材料的材料類別。適當的爬電距離可在IEC60664標準的查找表中找到。

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

安全壽命
的定義在制造商之間，關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額定工作電壓下運行1％的部件發生故障的時間點。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險似乎很高。它還沒有考慮瞬態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計學上無關緊要的時間點：

1.絕緣退化到額定瞬態過電壓會導致永久性破壞的點。
2.絕緣層退化到無法再持續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。應當指出，實際上它們不是互斥的機制。

1.瞬態電壓磨損
瞬態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品預期壽命內的瞬態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致絕緣損壞的可能性很高，因此即使瞬變周期很短，在設備壽命期間相關的絕緣損壞累積也會非常顯著?？梢院苋菀椎仡A見，即使在適當的設備使用壽命內，所有瞬態事件的總時間也很容易超過額定瞬態測試時間。為了在終端設備的使用壽命內建立安全的暫態能力，有必要適當地縮放絕緣構造?？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，光耦合器與替代技術時，這是一個觀察到巨大性能差異的特定領域。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用中預期的瞬態壽命有非常直接的影響。

2.工作電壓磨損
第二個磨損機制發生在額定負載下且工作電壓連續的情況下。

原則上要注意的是，不應有會引起明顯老化影響的主動磨損機制，從而在預期的設備使用壽命內導致絕緣故障。

原則關注點之一是確定由于內部空隙中的局部放電而不會發生絕緣腐蝕。還需要考慮其他老化效應。對于高應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部電場，從而導致絕緣材料區域的應力不斷增加。就注入的空間電荷的數量而言，主要的決定因素是材料的厚度和所施加的電場，從而產生kV / mm的應力因數。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的研究領域。盡管如此，對這種老化現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，可用于預測壽命。如果將測得的壽命與應力測試電壓作圖，可以清楚地看到，在較低的kV / mm應力水平下，老化響應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力電壓水平的條件下工作時，預期壽命將以極快的速度增加。

在小于此起始電壓的電壓應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較低kV / mm應力水平的厚絕緣材料，因此空間電荷的退化始終是無關緊要的。

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應力導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，但更令人擔憂的事實是，在離預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出現故障設備。

編輯：hfy