Vad tål en optokopplare?

Lysdioder, Optiska sensorer, Fiberoptik, Displayer, Lasrar, Optiska kopplare
Användarvisningsbild
slarvern
Inlägg: 42
Blev medlem: 5 januari 2009, 10:26:15
Ort: Linköping
Kontakt:

Vad tål en optokopplare?

Inlägg av slarvern »

Vad är det som styr degenerering av en optokopplare?
Någon som har några bra tips om litteratur i ämnet?
Är degeneration så viktigt att man bör sätta optokopplare i sockel?

De två parametrar som verkar intressantast är
1. Degeneration av lysdioden
2. För hög spänning mellan i/o (men under testspänningen, se nedan)

Det jag hittat:
- Det verkar som att en lysdiod som drivs av/på vid låga temperaturer håller kortare tid. Verkar rimligt om lysdioden värms upp/kyls ner. Lysdioden nämns också som den primära orsaken till degeneration. Någon som kan bekräfta detta?

- Ang. isolationsspänning verkar de flesta optokopplare testas för sisådär 5kV RMS under 1 minut vid produktion. Dessutom brukar de specas att tåla impulser på 7500V. Men vilken högsta i/o DC-spänning vågar man designa för? Kollar man farnell så listar de testspänningen. Men duger det?

- Agilent har ett dokument "Agilent application note 1074 Optocoupler Input-Output Endurance Voltage" där det finns en del matnyttigt. På sid 4 i vänstra kolumnen ("Input-Output Voltage-dc") skriver de att "No failures occurred in the 85°C, 2000 Vdc and 3000 Vdc cells for the entire test periods. Some of these cells were stressed over 5000 hours", men de rekommenderar i diagrammet på samma sida max 1kV DC som i/o spänning.

- Uppbyggnaden av en optokopplare kan vara "in-line" eller "face-to-face". Vid högspänningsapplikationer antar jag att det är materialet mellan som åldras. Vet någon vad det är för material? I så fall kan man kanske kolla materialets åldrande beroende på fält?
blueint
Inlägg: 23238
Blev medlem: 4 juli 2006, 19:26:11
Kontakt:

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av blueint »

Framspänningsfallet förändras med temperaturen. Har hänsyn tagits till det?

Samt att det uppstår sannolikt ett elektrostatiskt fält mellan lysdiod och fototransistor vilket kanske förstör materialen?, kanske överslagsspänningen ska ses som något som kan hända ibland. Inte något som ska vara konstant.
sodjan
EF Sponsor
Inlägg: 43249
Blev medlem: 10 maj 2005, 16:29:20
Ort: Söderköping

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av sodjan »

Designa inte efter test-värden eller "Abs Max" värden.
De är inte för normal drift i alla fall.
xxargs
Inlägg: 10189
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av xxargs »

Det du frågar efter är något väldigt svårt att svara på och kan möjligen byggas på fel och reparationsstatestik på väldigt stora serier, och visar det sig fungera bra så har komponenten utgått...

Det du tittar på i rapportväg är på närmast akademisk nivå och bara intressant vid väldigt stora serie eller halv/helmilitära appliationer där ett fel får stora konsekvenser eller hemskt dyra att byta (typ ingjuten eller resor med helikopter till bergstopp).

Men generellt så är inte optokopplaren någon komponent man förväntar sig gå sönder om strömbegränsningen till diodsidan är bra utformad.

90% av saker som sluta fungera brukar hänga på strömförsörjningssidan som felkälla - är det något som borde sitta på hållare så är det elektrolytkondensatorer...

---

Ur min synvinkel från analog telefoni - åsknedslag och därmed strömstöt genom lysdiodsidan och grillat dioden - - det är väl 95% av dom fallen jag har råkat på, resten typ metallånga mellan diodsidan och transistorsidan pga. brinnande överslag mellan pinnarna under och sidan av dioderna, även om det oftast brinner under linjetrafona - dom korterna slängs utan större undersökning...

Med andra ord det som skrotar dioderna är överdriven elektrisk stress.

Detta basera på ett par hundra åskadade kort, med kanske 20-ta av dessa där optokopplaren med strömbegränsning har tagit stryk. Annan typ av fel har jag banne mig knappt sett, och dom flesta kort som höll väldigt bra hade just PC817-optokopplare.

Dom flesta Optokopplarkonstruktioner är för det mesta av ON/OFF indikering - inte att de sitter som en del analog förstärkar-lösning vilket gör att dom flesta inte märker en degradation typ att förstärkningen/konduktansen minskar på transistorsidan vid en given ström genom dioden - är det fel av den typen så är det få som märker detta, därmed ingen statestik.


temperaturväxlingsprover påverka alla komponenter - det är ingen hit att slå på spänningen på en pryl som är -40 grader, allt som förväntas vara något elastiskt är stenhårt vid dessa temperaturer och en snabb uppvärmning på högeffektprylar som slutsteg kan skapa spänningar inne i helgjutna plastkapslar mm. och är en orsak varför militären alltid körde med keramiska kapslar...

felutfallet här är nog inte högre för optokopplare än någon annan krets.
Nerre
Inlägg: 27210
Blev medlem: 19 maj 2008, 07:51:04
Ort: Upplands väsby

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av Nerre »

Normalt när det gäller en optokopplare som skall isolera för nätspänning (max 250 V ac) så kräver de flesta elsäkerhetsstandarder att de tål 3000 V i 60 sekunder. Så att den tål 3000 V i 60 s är då ett "bevis" på att den är "godkänd" för nätspänning.

(För medicintekniska produkter är kravet 4000 V, därför specar väldigt många tillverkare av optokopplare numera 5000 V för att ha lite marginal till vad som kan krävas.)

Flera standarder kräver också att avståndet genom isolationen (d.v.s. "fönstret" mellan diod och transistor) skall vara minst 0,4 mm tjockt (för nätspänning fortfarande).

Sen tillkommer ju kravet på luft/krypavstånd på utsidan av optokopplaren.


Dessa krav baserar sig på normalt nätspänning, max 250 V och en transientnivå på 2500 V (installationskategori II). För de som vill fördjupa sig rekommenderas IEC 60664-1.


Men detta är ju då optokopplarens isolationsegenskaper. Sen vad den tål utan att sluta fungera är ju en helt annan sak, och det går knappast att säga generellt. Men min erfarenhet är att optokopplare håller väldigt länge, så att sockelmontera för att kunna byta verkar inte vettigt (man lär få större problem med oxid i sockeln än vad man får med att byta de få optokopplare som eventuellt slutar fungera under produktens livstid).
Användarvisningsbild
slarvern
Inlägg: 42
Blev medlem: 5 januari 2009, 10:26:15
Ort: Linköping
Kontakt:

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av slarvern »

Blueint: Ja vi diskuterade precis det på jobbet; om ljuset från lysdioden genererar elektron/hålpar i plasten och högre fält separerar dessa snabbare vilket bryter ner / försämrar ljusledaren. I så fall borde en DC-spänning degenerera på annat sätt än en AC-spänning. Men det är ingen som vet förstås.

Sodjan: Just det. Vad ska man designa efter?

xxargs: Tack för ett utomordentligt svar! Kan man säga att från din erfarenhet bör man sätta optokopplare i sockel bara om man väntar sig att de kan dö av en transient?
Åldring (så pass att en logisk av/på detektion slutar fungera) är inget du har sett?

Nerre: Låter vettigt. De specar alltså efter de normala isolationskrav som finns för att användas i nätspänningsapplikationer, men om man vill bygga en högspänningsapplikation (inte vet jag, kanske en fotoblixt eller nåt) så saknas egentligen erfarenhet om detta map MTBF.

Med åldring pga för hög i/o spänning menar jag egentligen inte så hög spänning att det blir överslag (då ser man ju ofta ganska direkt vad det berodde på :) ) utan att man helt enkelt designat med för hög konstant i/o spänning. Antag att man lägger sig på 50% av det RMS-värde de är produktionstestade för. Om det inte är ok, vad ska man då gå efter?
Agilent har ju sitt generella dokument de hänvisar till, men även de verkar lite pessimistiska låter det som, kanske för att de lägger in säkerhetskrav också.

Den stora frågan är alltså: Antag att jag vill designa för tex 2kV. Var hittar jag optokopplare för detta? Kan jag använda en som är testad för 3500Vrms under 1minut?

Det enkla svaret är ju att säga att "Du måste ha en 10kV specialoptokopplare eller en toshlink", och för att undvika all form av ansvar är det väl det svaret man får av en tillverkare.
sodjan
EF Sponsor
Inlägg: 43249
Blev medlem: 10 maj 2005, 16:29:20
Ort: Söderköping

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av sodjan »

> Den stora frågan är alltså: Antag att jag vill designa för tex 2kV. Var hittar jag optokopplare för detta?

Det normala vore att ta en som har 2 KV under normala driftvillkor (d.v.s ej under "abs max").
Användarvisningsbild
grym
EF Sponsor
Inlägg: 17596
Blev medlem: 16 november 2003, 12:22:57
Ort: i det mörka småland

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av grym »

skam na ha högre spänningar finns ju fiber, inga problem, förr fanns gulliga lysdioder och fototransistorer men direkt anslutning till 1mm/2mm fiber då kunde man få vilket rimligt säkerhetsavstånd som helst
Användarvisningsbild
Marta
EF Sponsor
Inlägg: 7462
Blev medlem: 30 mars 2005, 01:19:59
Ort: Landskrona
Kontakt:

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av Marta »

Skapa inget problem där det inte finns något! Det finns mer än tillräckligt med saker som kan gå sönder ändå.... Hög effekt = felbenäget. Det är grundregeln. En annan sak att tänka på: Vi bygger hobbyprylar, inte marslandare... :wink:

Behöver Du en väl tilltagen isolationsspänning så sätt en lysdiod och en fotodiod pekande mot varandra och med en svart krympslang omkring. Eller köp en speciellt för höga spänningar om Du tycker det är värt kostnaden.

Har aldrig varit med om att en opto gått sönder spontant. Har alltid varit en yttre omständighet inblandad de ytterst få gånger det råkat hända.
Nerre
Inlägg: 27210
Blev medlem: 19 maj 2008, 07:51:04
Ort: Upplands väsby

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av Nerre »

slarvern skrev: Nerre: Låter vettigt. De specar alltså efter de normala isolationskrav som finns för att användas i nätspänningsapplikationer, men om man vill bygga en högspänningsapplikation (inte vet jag, kanske en fotoblixt eller nåt) så saknas egentligen erfarenhet om detta map MTBF.
Nja, grejer för användning till högspänning brukar ju vara specificerade för det.

Man skiljer ju mellan "arbetsspänning" (ex. 250 V) och "spänningshållfasthet" (ex. 3000 V i 60 s). Det ena är ett dimensioneringsvärde, det andra är ett testvärde.

Om du tar en lysdiod som är specad 20 mA så brinner den ju inte upp vid 21 mA. (Nu anger man ju ingen "strömhållfasthet" för lysdioder, men hade man gjort det hade en sån diod kanske varit specad "50 mA i 30 sekunder".)

Ska du ha nåt för 2 kv så måste du ju leta efter nåt som är specat för 2 kV arbetsspänning.


Men sen som sagt var, för nätspänning räknar man med 2500 V transientnivå, optokopplaren skall alltså tåla transienter på upp till 2500 V för att vara ok som isolation för nätspänning. Men har du 250 V batterispänning har du ju normalt inga transienter som riskerar att slå så där behöver du in 3 kV isolation.


Det är ju samma sak med t.ex. vanliga elkablar. En vanlig nätkabel för 300 V är isolationsprovad med nåt i stil med 3000 V i 60 sekunder. En vanlig transformator 230 -> 12 V tål också 3000 V i 60 sekunder.
Användarvisningsbild
slarvern
Inlägg: 42
Blev medlem: 5 januari 2009, 10:26:15
Ort: Linköping
Kontakt:

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av slarvern »

Mm... Jag ska alltså använda en optokopplare som är specificerad för 2kV om jag ska använda 2kV.
Ållrajt.

Här är databladet för PC817:
http://www.farnell.com/datasheets/62627.pdf

Kan jag ur detta datablad avgöra om den tåler 2kVDC (konstant) som isolations-arbetsspänning? Till min hypotetiska kamerablixtkonstruktion?

Kan jag avgöra om den tål 230VAC som arbetsspänning? Jo det kan jag nog eftersom den är "Recognized by UL1577", så jag kan nog läsa vidare där. Men det står inte explicit i databladet vad den tål som arbetsspänning (jag kan iaf inte hitta det).

EDIT:
---
Om vi tolkar detta i stil med en lysdiod där det i databladet kanske står If = abs max 50mA, så skulle 20mA vara ok (2/5 av maxvärdet). Med samma resonemang skulle 2kV vara ok för PC817, om man ser Viso(rms) som abs max värde.
---

De bulletpoints de anger i början av databladet:

Description:
* Input-output isolation voltage(rms) is 5.0kV

Features:
* High isolation voltage between input and output (Viso(rms) : 5.0 kV)

(lite längre ner i abs max ratings står det en not om isolation voltage:
"40 to 60%RH, AC for 1minute, f=60Hz").

Jag misstänker att de flesta optokopplares datablad förutsätter att de ska användas i nätapplikationer, och därför skriver man inte ut max arbets-isolations-spänning. Eller så vet man helt enkelt inte riktigt.

Det är klart att man måste definitivt hålla sig under Viso(rms), men hur högt vågar man gå?
limpan4all
Inlägg: 8445
Blev medlem: 15 april 2006, 18:57:29
Ort: Typ Nyköping

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av limpan4all »

Den enkla grundregeln som gäller all form av dimensionering för rimlig livslängd.
Låt ALDRIG någon parameter gå över 50% av någon MAX parameter.

Om man använder denna enkla grundregel så når man mycket lång livslängd på sina produkter.
Hur lång går väl inte att säga enkelt sett MEN.

Jag har gjort fullständiga MTBF beräkningar på några av mig konstruerade produkter enligt MIL handbok 217 (enligt olika revisioner).
Dessa beräkningar konstaterades faktiskt stämma inom 5% mot verkliga felutfall på en population på 2000 enheter av en produktserie, så resonemangen stämmer.
Nerre
Inlägg: 27210
Blev medlem: 19 maj 2008, 07:51:04
Ort: Upplands väsby

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av Nerre »

slarvern skrev: Kan jag ur detta datablad avgöra om den tåler 2kVDC (konstant) som isolations-arbetsspänning?
Nej. Av den enkla anledning att en isolation kan inte dimensioneras enbart utifrån arbetsspänningen. Du måste ta hänsyn till en massa andra saker, som förväntad transientnivå (installationskategori), omgivningsmiljö (pollution degree) osv.

Baserat på de sakerna kommer du få fram de krav du måsta ställa på luftavstånd, krypavstånd och spänningshållfasthet. Först DÅ kan du avgöra om optokopplaren klarar det.
Kan jag avgöra om den tål 230VAC som arbetsspänning? Jo det kan jag nog eftersom den är "Recognized by UL1577", så jag kan nog läsa vidare där. Men det står inte explicit i databladet vad den tål som arbetsspänning (jag kan iaf inte hitta det).
Nej, tyvärr:

http://ulstandardsinfonet.ul.com/scopes ... =1577.html

Där står att den standarden bara kräver isolation för 125 V nätspänning.
Användarvisningsbild
slarvern
Inlägg: 42
Blev medlem: 5 januari 2009, 10:26:15
Ort: Linköping
Kontakt:

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av slarvern »

Vet ni vad, jag frågade tre tillverkare om jag kunde använda 2kVDC (utan transienter). Det är olika optokopplare iofs men med liknande Viso(rms), definitivt över 2kV.

Vishay:
"The K817P series is rated for 5000Vrms for isolation voltage, which is equivalent to its DC voltage performance as well."

Fairchild:
"The VISO of 7500 Vpk withstand test voltage (WTV) specifies a short term tranient condition. Long term insulation working voltage is 850V as presented in the VDE test document 102497. This is found on our web site."

Isocom:
"Although rated at 5300Vrms this is for 1 minute. Normally an optocoupler
has a max rated working voltage around the 300V. This part should not be
used at 2000V continuously".

Summerat tolkar jag detta som att rekommenderad högsta arbetsspänning beror på tillverkaren (IsoCom och Fairchild säljer båda H11L1 som jag frågade om, Vishay pratar om en enklare optokopplare som heter K817P).

Vishay: 5kV
Fairchild: 850V
Isocom: 300V
Avago: 1kV

Inget av detta framgår ur tillverkarnas respektive datablad.
Speciellt missvisande är Isocoms datablad: http://www.farnell.com/datasheets/131854.pdf (kolla in rubriken "Features"). En mer noggrann undersökning av databladet visar att de troligen använder samma die som Fairchild.

Eftersom max rekommenderad arbetsspänning inte står i databladet och tillverkarna svarar så olika misstänker jag att det bara återstår att slicka på fingret, hålla upp det i luften och gissa själv på något << Viso(rms). Sen får man testa och hålla tummarna.
xxargs
Inlägg: 10189
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Re: Vad tål en optokopplare?

Inlägg av xxargs »

Ta den som lovar mest spänningstålighet då (Vishay), även om jag tycker 5000 Volt är lite liten marginal gentemot använd spänning @ 2000V - men är det välkonditionerad 2000V (egengenererad) som inte är kopplad till stort ledningsnät och ha en massa transienter så... annars vill man minst 10 ggr i marginal i elnät och telekom-sammanhang. Detta har inte att göra med degradering utan för att inte få överslag när det far runt transienter på inkopplad nätverk. 2-3000 Volt är inget ovanligt på tex. telefonnät trots att den har arbetsspänning 48 V...

Du bör också göra själv några destruktiva tester och helt enkelt höja spänningen tills det blir överslag någonstanns - oftast är det inte optokopplaren utan det är något annat (gärna trafo eller ledare på kretskort) som slår över först... se till att ha utfräst spår i kortet mellan opto och transistorsidan på optokopplaren för att inte riskera krypning där - och hållare är bara att glömma om du skall ha konstant högspänning.

Högspänningstrafo då för tester - tja närmaste biltillbehörsaffär har tändspolar och tändtrafo (för CDI-system) dessa är ratade för 30 - 40 kV utan att det blir överslag i dessa - men det är _DU_ som bestämmer spänningen beroende på hur du matar dessa.
Skriv svar