光耦合器如何提供电气安全及其安全相关特性

光耦合器和替代性隔离技术已广泛用于各种产品中，用于信号隔离和高电压电平转换。这些设备还可用于提供安全相关的绝缘。考虑到这些电气问题，有必要了解光耦合器或备用隔离器的安全相关特性。

提供防止电危害的保护

电气安全基础

由电流通过人体引起的电击会导致生理影响，从不自主的瞬间伤害到心室纤颤致死。由于健康，水分含量和身体阻抗的变化，危险的电压阈值有些不稳定，但是通常认为安全的电压水平是DC电压最高为42 V，AC电压最高为60V。电压高于此范围的人员被认为是危险，因此需要足够的电绝缘。

安全系数的概念

当人身安全成为问题时，设计人员被迫考虑所谓的安全因素。安全因素的目的是考虑未完全确定的用户条件，以确保极少的故障机会。安全系数已广泛应用于广泛的工程学科中。例如，在土木工程中，通常在建筑物的建造中经常用于缩放支撑构件的常见安全系数为2。当对材料的质量不太了解时，可以使用更高的系数。对于航空航天，通常使用1.25的安全系数。在这些应用中，重量损失极高，更高质量控制和频繁检修的成本也可以容忍。因此，在此基础上，较低的安全系数是合理的。

持续工作电压

在正常操作过程中，预计光耦合器或隔离器会承受连续的电压应力。该电压通常称为工作电压。由于此应力电压是连续的，因此如果绝缘失效，对人造成危险的可能性会更高。因此，工作电压额定值通常会因光耦合器或隔离器的设计连续电压应力能力而降低两倍。

暂态电压能力

除了能够保持连续的工作应力电压之外，还需要光耦合器或隔离器来保持或承受高瞬态电压。瞬态电压的类型可以分为高能瞬态或低能瞬态。（图2）

高能量瞬变具有危险性。尽管低能量瞬变通常不会直接危害健康，但它们确实会对绝缘材料的健康构成重大风险，进而可能导致安全隐患。

IEC60664-1脉冲额定值坐标。

光电安全的光耦合器/隔离器构造要求

在谈论安全的构造要求时，要考虑的两个主要领域是内部构造和外部机械尺寸。

1.内部结构

在确定构造要求之前，首先必须确定预期用途；基本绝缘或增强绝缘：

基本绝缘用于单独提供功能性绝缘，而不能用于提供抗电击危险的保护。

当需要绝缘并进行额定绝缘时，应使用加强绝缘，以确保防止电击危险。术语“加强”有时也与“双重绝缘”一词互换。 
–双重绝缘实际上是指能够将额定电压增加两倍的能力。实现这一目标的物理方法也可以是字面的。即提供两个单独的绝缘层，每个绝缘层都能够承受所需的电压。在某些情况下，可以通过使用单层固体绝缘材料来满足增强绝缘的要求。

用于安全绝缘的合适的单层绝缘绝缘层在法规标准之间有所不同。如果以终端设备标准IEC60950为例，则认为单一厚度（> 0.4毫米）的均质材料适合提供双重绝缘或增强绝缘。根据固体绝缘的定义，不仅材料本身很重要，而且材料的加工也很重要。例如，很厚的聚酰亚胺绝缘层可以很好地视为固体绝缘层，但溶剂型聚酰亚胺（搪瓷）层则不能。

2.外部机械尺寸
外部要求对于支持安全绝缘要求也很重要。在这方面，两个关键尺寸是电气间隙和爬电距离。（图3）

外包装隔离距离

清除
电气间隙是输入和输出端子之间通过空气的最短距离。足够的电气间隙距离的关键目标是确保端子之间不会发生电闪络。实际的闪络电压特别取决于海拔和湿度水平。干燥的高海拔地区提供最高的闪络倾向。隔离坐标标准（例如IEC60664）引用了防止闪络的合适物理尺寸。在本文档中，给出了各种工作电压条件的表格。这些值是基于经验测量数据和现象学上对闪络的理解。为了满足增强的要求，距离乘以安全系数2。当零件在最终应用中就地使用时，不仅是隔离器本身的机械结构，还必须考虑整体的机械隔离。特别是，需要小心以减小由于PCB焊料触点和互连迹线导致的分离距离。

爬电
另一个重要的外部尺寸是爬电距离。这是包装体周围最短的测量距离。之所以认为这个尺寸很重要，是因为在某些情况下，可以沿着绝缘表面开始形成导电的跟踪路径。影响此的因素是外部污染，例如湿气和灰尘，以及绝缘材料表面吸引和保留污染的倾向。爬电距离取决于外部环境，所谓的污染程度和包覆成型材料的材料类别。适当的爬电距离可在IEC60664标准的查找表中找到。

*绝缘寿命*
由于绝大多数使用光耦合器或替代隔离器的应用都不需要定期检查绝缘质量，因此必须对绝缘性能进行评估以确保最终产品在整个生命周期中的安全性而无任何要求用户干预。

安全寿命
的定义在制造商之间，关于安全性的定义有些主观。例如，替代隔离器的制造商可能会将安全使用寿命视为在连续额定工作电压下运行1％的部件发生故障的时间点。这个定义的问题在于，对某些人而言，使1％的人面临威胁生命的风险似乎很高。它还没有考虑瞬态过电压的影响或安全因素的必要性。

一种更保守，更安全的方法是，将寿命终止定义视为存在以下两种可能性的统计学上无关紧要的时间点：

1.绝缘退化到额定瞬态过电压会导致永久性破坏的点。
2.绝缘层退化到无法再持续承受两倍额定工作电压的程度。

由于存在两种可能的故障情况，因此我们还将分别考虑两种磨损机制。应当指出，实际上它们不是互斥的机制。

1.瞬态电压磨损
瞬态额定值在一定程度上受到了UL1577介电测试额定值和IEC60747-5-5瞬态额定值的影响。但是存在一个问题，即它不能直接提供最终产品预期寿命内的瞬态电压能力的详细信息。特别地，问题在于仅在非常短的时间段内对测试电压额定值进行测试。

由于瞬变电压由于电晕腐蚀和其他降级机制而导致绝缘损坏的可能性很高，因此即使瞬变周期很短，在设备寿命期间相关的绝缘损坏累积也会非常显着。可以很容易地预见，即使在适当的设备使用寿命内，所有瞬态事件的总时间也很容易超过额定瞬态测试时间。为了在终端设备的使用寿命内建立安全的暂态能力，有必要适当地缩放绝缘构造。可以通过在高测试电压（例如UL1577测试中使用的测试电压）下进行延长寿命的测试来验证此功能。

在比较不同技术，光耦合器与替代技术时，这是一个观察到巨大性能差异的特定领域。举例来说，在不到15分钟的时间后，找到无法通过UL1577介电测试的替代隔离器是很平常的事。而光耦合器通常具有超过数百小时的UL1577介电测试寿命。这种巨大的性能差异显然对最终应用中预期的瞬态寿命有非常直接的影响。

2.工作电压磨损
第二个磨损机制发生在额定负载下且工作电压连续的情况下。

原则上要注意的是，不应有会引起明显老化影响的主动磨损机制，从而在预期的设备使用寿命内导致绝缘故障。

原则关注点之一是确定由于内部空隙中的局部放电而不会发生绝缘腐蚀。还需要考虑其他老化效应。对于高应力的聚合物绝缘材料，一个显着的老化机理是空间电荷的降解（图3）。

外包装隔离距离

空间电荷是在高压下施加到绝缘材料中的电荷的表达。注入空间电荷会改变内部电场，从而导致绝缘材料区域的应力不断增加。就注入的空间电荷的数量而言，主要的决定因素是材料的厚度和所施加的电场，从而产生kV / mm的应力因数。其他重要因素包括工作温度以及波形类型和频率。

聚合物材料中的空间电荷老化是一个非常活跃的研究领域。尽管如此，对这种老化现象的理解还远远不够。有一些清晰且始终如一的空间电荷降解特征，可用于预测寿命。如果将测得的寿命与应力测试电压作图，可以清楚地看到，在较低的kV / mm应力水平下，老化响应曲线具有清晰可辨的渐近线。

该特性表明，当在低于某个初始应力电压水平的条件下工作时，预期寿命将以极快的速度增加。

在小于此起始电压的电压应力下运行可有效地将空间电荷退化的影响降低到微不足道的水平。

由于光耦合器使用了具有相应较低kV / mm应力水平的厚绝缘材料，因此空间电荷的退化始终是无关紧要的。

在使用薄聚合物涂层的替代隔离器中，空间电荷的降解是一个非常重要的问题。在这种情况下，固有的高kV / mm应力导致空间电荷退化的开始。在高介电测试电压下测试寿命时可以观察到这种效果，但更令人担忧的事实是，在离预期标称工作电压不远的测试电压下进行长期测试，通常表明在最终用户认为典型的时间范围内出现故障设备。

编辑：hfy