[发明专利]经由光缆和光导耦合器耦合光信号与封装电路的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及经由光导和塑料光纤将光信号传播和/或供给到光生伏打和光电耦合器装置，该装置包括开关、MOSFET、晶体管、半导体闸流管、三端双向可控硅元件和光控继电器，用于与家庭、办公室和工厂自动化和通信介质的电和通信装置和器件一起使用。

背景技术

有线或无线控制装置用于远程操作AC或DC供电的电子装置和器件以切换该器件的通断，一般而言，所述电装置和器件例如为家庭、公寓、办公室、工厂和建筑中的加热器、空调、马达和带有马达的装置、照明和其它电子器件。

可用于例如经由三端双向可控硅元件或FET开关或经由半导体闸流管来切换器件的通断和/或设置或命令操作等级的开关和中继装置被手动地操作或者经由网络（称为低压网络）被线连接到远程控制器。低压网络无法被连接到同一暗线箱中的电开关装置。在世界的大多数国家中，低压网络与电力线连接一起是被电规范和建筑规范所禁止的。

然而，所述规范延迟了用于电装置和灯的自动化开关和控制的低成本简单方案的推行。现在，由于普遍要求降低电功耗并且越来越需要对建筑和工厂中的许多开关以及其它电和电子装置进行编程，需要不同于低压线的简单方案，用于将控制和通信信号传播和供给到电箱中的电力线开关和其它控制装置，电力线被连接在该电箱中。

类似地，不同的地电势或不同的信号等级或电力线电势阻止了经由电和通信装置之间或内部的硬线（铜）的互连。光电耦合器的使用克服了关于其互连点处的不同电势的限制。公知的光电耦合装置在不同封装中均具有宽广的范围，并且该宽广的范围被提供到遍及电、电子和通信产业。在所有已知的光电耦合器中，需要将电流信号供给到LED或激光器，LED或激光器内嵌到IC封装和其它封装中或者被单独地安装以便将光信号传播到pin二极管或光电晶体管或相对侧上的其它光的或光生伏打的接收结构，由此切断发射器的输入端子和接收装置或结构的输出端子之间的任何电流。

即使光电耦合器的输入和输出是电绝缘的，但这种光电耦合器没有克服电规范和建筑规范的限制，因为光电耦合器装置的输入和输出端子需要被硬连线，并且这种电线或连接不能与世界上发达国家中的建筑和工厂的AC电布线系统同时或一起使用。

2008年9月24日提交的美国专利申请12/236,656中公开了这种限制的解决方案，其中，电暗线箱内的继电器和调光器被光导或光纤缆线连接，该专利申请通过引用并入本文中。

然而，上述美国专利申请12/236,656中公开的光导方案教导了使用光电晶体管和/或pin二极管与其它电路一起用于提供控制器和开关（继电器或调光器装置，涉及组装到小封装装置中的多个零件和部件，其增加了制造成本）之间的单向或双向通信。

上述美国申请12/236,656以及2007年10月18日的美国申请11/874,309和2007年11月14日的美国申请11/939,785中公开的现有技术均教导了探测通过开关、调光器和电源插座的电流，以便向控制器供给电流耗用信息，例如电源开或关的状态或待机和/或关于给定器件的电流耗用的特定数据。通过电流传感器来探测这种数据，并经由诸如LED的发射装置通过光导或光纤缆线将该数据传播到控制器。

美国申请12/236,656中的现有技术公开了用于将单向控制命令从控制器传播到开关装置的单光导。其还公开了用于双向传播的双光导，一个方向用于将命令传播到开关装置，并且在相反方向上传播来自开关装置的返回数据。其进一步公开了使用包括单向透视玻璃结构的光棱柱，以经由单光导或光纤将命令传播到开关并从开关传输诸如电流耗用或负载状态的返回数据。

如上所述，将美国申请12/236,656中公开的装置（包括IR或可见光发射器和接收器以及它们的相关电路、零件和部件）制造到开关装置的有限空间中的成本高于常用的机械开关和装置，因此需要一种简单的结构，其使得能够以低成本经由光导或光纤进行光信号的互连。

类似地，公知的光电耦合器中使用的光传导材料（例如硅，其填充在光电发射器和光电接收器之间的空间中）及其厚度用它们的内部结构代表了两个相反的条件。规定绝缘的规范和规则指定了使用非常高的电压的测试步骤，该电压被施加在光电耦合器的输入和输出端子之间，这要求LED和光电晶体管或其它接收结构之间的硅或光传导材料的厚度的增加。材料厚度的增加意味着IR或可见光传输的距离增加，这指数地（1/距离²）降低了到达光接收器的光或IR，从而降低了灵敏度、响应时间并增大了噪声敏感性。需要一种更简单且改进的方法和设备用于光电耦合方案。

发明内容