CH644472A5

CH644472A5 - Optisch gekoppelter schalter mit einem feldeffekttransistor.

Info

Publication number: CH644472A5
Application number: CH270879A
Authority: CH
Inventors: William Clifton King
Original assignee: Western Electric Co
Priority date: 1978-03-23
Filing date: 1979-03-22
Publication date: 1984-07-31
Also published as: SE7902344L; NL7902277A; GB2017297B; ES478910A1; DE2910748A1; IT1112401B; BE874946A; FR2420883A1; JPS5530292A; GB2017297A; IT7921188A0; CA1123064A; FR2420883B1

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch gekoppelten Schalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Vorrichtungen, die Signale von einer Eingangsschaltung auf hiergegen elektrisch entkoppelte oder getrennte Ausgangsschaltung zu übertragen vermögen, sind von beträchtlicher kommerzieller Bedeutung. Für viele Zwecke erreicht man eine adäquate elektrische Entkopplung ohne weiteres mit elektromechanischen Relais oder mit Trenntransformatoren. Diese Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass sie recht gross sind und mit vielen Festkörperschaltungen nicht kompatibel sind.

Aus diesen und anderen Gründen sind Vorrichtungen entwickelt worden, die allgemein als Optotrennglieder oder Optokoppler bezeichnet sind, die eine optische statt elektrische Kopplung zur Verknüpfung zweier elektrischer Schaltungen verwenden. Bei diesen Vorrichtungen werden eine in der Eingangsschaltung gelegene Lichtquelle, zumeist eine lichtemittierende Diode (LED), und ein in der Ausgangsschaltung gelegener Fotodetektor verwendet, der zur Kopplung der Eingangs- mit der Ausgangsschaltung mit der Lichtquelle optisch gekoppelt ist. Ein durch die LED fliessender Strom verursacht Emission von Licht, von dem ein Teil auf den Fotodetektor übertragen wird, der, hierauf ansprechend, die Erzeugung eines Ausgangsstroms verursacht.

Der Fotodetektor ist im Regelfall eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein gesteuerter Fotosiliciumgleichrichter (Fotothyristor). Ein weiteres Fotodetektorbauelement ist der Foto-FET.

Obgleich der Foto-FET Merkmale, wie leicht einstellbare optische Empfindlichkeit, eine durch den Nullpunkt gehende lineare Stromspannungskennlinie und thermische Stabilität, besitzt, die für Fotodetektoren in Optotrenngliedern erwünscht sind, ist der Foto-FET bisher nicht in Optotrenngliedern benutzt worden.

Der Grund für die bisher nicht erfolgte Verwendung von Foto-FET-Detektoren lässt sich anhand einer kurzen Beschreibung der Wirkungsweise optisch empfindlicher FETs zeigen. Optisch empfindliche FETs erhalten ihre optische Empfindlichkeit im Regelfall dadurch, dass die Verarmungszone, die sich bei Vorspannung des Gate-Source-Übergangs in Sperrichtung ausbildet, optisch zugänglich gemacht wird, dass also Photonen in der Verarmungszone absorbiert werden können. Die Sperrspannung überschreitet die Abschnürspannung, und Strom kann durch den JFET (junction FET= Sperrschicht-FET) nicht fliessen. Der fotoinduzierte Strom, der durch die Trennung der Bestandteile der beim Absorp-tionsprozess erzeugten Elektronen-Löcher-Paare erzeugt wird, fliesst dann durch einen äusseren Widerstand im Gate-Source-Stromkreis und ändert die Gate-Source-Vorspannung. Die resultierende Gate-Source-Vorspannung ist kleiner als die Abschnürspannung, und der FET wird eingeschaltet.

Verschiedene Nachteile von Optotrenngliedern, bei denen optisch empfindliche FETs benützt werden, ergeben sich hieraus. Erstens sind die kommerziell erhältlichen Foto-FETs Verarmungstyp-FETs, und es wird eine gesonderte Spannungsquelle zum sperrenden Vorspannen des Gate-Source-Überganges benötigt, um damit den FET abzuschalten. Zweitens führen Foto-FETs von Hause aus nicht zum Aufbau eines normalerweise eingeschalteten Optotrenngliedes. Drittens führen die Foto-FETs von Hause aus nicht zu einem einfachen, leichten Aufbau zweiseitiger Optotrennglieder, die in vielen Anwendungsfällen erwünscht sind, da solche zweiseitige Optotrennglieder ohne Rücksicht auf die Polarität der zugeführten Spannung betrieben werden können.

Zweiseitige Optotrennglieder, d.h. antiparallelgeschaltete Fotothyristoren, die keine FETs benutzen, sind kommerziell erhältlich, haben jedoch Nachteile. Sie haben im Ursprung ihrer Ausgangsstromspannungskennlinie nichtlineares Verhalten und sind deshalb zur Verwendung als Schalter für Analogkleinsignale nicht geeignet. Zusätzlich sind sie verriegelnde Vorrichtungen, d.h. ein zusätzliches Spannungssignal muss zur Umschaltung des Schalters in den Ausgangszustand aufgebracht werden.

Ein optisch gekoppelter Schalter, der unter Verwendung eines FETs aufgebaut und bei Optotrenngliedern anwendbar ist, ist entsprechend der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein symmetrischer zweiseitiger Schalter, bei dem wenigstens zwei Fotodiodenanordnungen und ein Verarmungstyp-FET benutzt sind.

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Die eine Fotodiodenanordnung liegt zwischen Gate und Source und die andere Fotodiodenanordnung zwischen Gate und Drain des FETs . Zwei umgekehrt gepolte Blockierdioden verhindern ein Durchkoppeln der positiven Source- oder Drain-Spannungen zum Gate durch die in Durchlassrichtung 5 gepolten Fotodioden. Die beiden Fotodiodenanordnungen können von derselben Lichtquelle beleuchtet werden. Die von jeder Anordnung erzeugte Vorspannung reicht zur Abschaltung des FETs aus.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform lässt sich io eine optische Zweipegelsteuerung durch Verwendung des beschriebenen optisch gekoppelten Schalters zusammen mit einem optisch empfindlichen FET erreichen. Der eine Pegel der optischen Steuerung wird wie vorstehend beschrieben erhalten, während der zweite Pegel durch Verwendung einer is zweiten LED erhalten wird, die den optisch empfindlichen Teil des FETs beleuchtet und damit den Stromfluss durch diesen FET steuert.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben ; es zeigen : 20

Fig. 1 das Schaltbild eines üblichen lichtempfindlichen FETs,

Fig. 2 das Schaltbild eines optisch gekoppelten FET-Schalters, dessen optische Empfindlichkeit durch eine in Reihenschaltung vorliegende Diodenanordung bewerkstelligt ist, 25 die von einer LED als Lichtquelle beleuchtet wird und zwischen Gate und Source des FETs angeschlossen ist.

Fig. 3 das Schaltbild eines optisch gekoppelten symmetrischen zweiseitigen Schalters und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines optisch gekop- 30 pelten Schalters mit einem optisch empfindlichen FET und optischer Zwei-Pegel-Steuerung.

Fig. 1 zeigt einen üblichen lichtempfindlichen n-Kanal-Verarmungstyp-FET 1. Negative Vorspannung, dargestellt durch das Minuszeichen, wird dem Gate G über den Wider- 35 stand Ri zugeführt und erzeugt eine Verarmungszone. Ist die Vorspannung ausreichend gross, verschwindet der normalerweise leitende (selbstleitende) Drain-Source-Kanal und der FET leitet nicht länger. Wenn Licht hv einer nicht dargestellten Quelle die Verarmungszone beleuchtet, werden Elektro- 40 nen-Löcher-Paare als Folge der absorbierten Photonen erzeugt. Das in der Verarmungszone vorhandene elektrische Feld trennt die Elektronen und Löcher voneinander, und es fliesst ein Strom im äusseren Gate-Source-Stromkreis. Der resultierende Strom fliesst über den Widerstand Ri und 45

erzeugt eine Vorspannung, die der angelegten Gate-Source-Vorspannung teilweise entgegenwirkt und die Grösse der Verarmungszone reduziert. Ist die gegenwirkende Vorspannung ausreichend gross, fliesst Strom durch den Kanal von der Drain- zur Source-Elektrode, und der FET leitet. 50

Der vorliegende optisch gekoppelte FET-Schalter ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Drain und Source des selbstleitenden n-Kanal-Verarmungstyp-FETs 3 sind mit einer nicht dargestellten elektrischen Ausgangsschaltung verbunden. Die Gate-Vorspannung, die die Grösse der Verarmungszone und 55 den Strom durch den FET steuert, wird durch eine in Reihenschaltung vorliegende Fotodiodenanordnung 7 mit wenigstens zwei Fotodioden geliefert, die zwischen Gate und Source des FETs gelegen ist. Anstelle der Fotodioden können auch andere lichtempfindliche Halbleiterbauelemente ver- 60 wendet werden. Die Anzahl der Fotodioden ergibt sich aus der Forderung, dass bei deren Beleuchtung die an den Fotodioden entwickelte Spannung wenigstens gleich der Abschnürspannung ist. Da keine andere, äussere Gate-Source-Vorspannung als die von den Fotodioden erzeugte 05 Spannung dem FET zugeführt wird, ist der FET normalerweise leitend. Die dargestellte Lichtquelle 5 ist ein LED, die in einer nicht dargestellten elektrischen Eingangsschaltung liegt.

Einige der von der LED emittierten Photonen werden von den Fotodioden absorbiert, und wenn die zwischen Gate und Source entwickelte Spannung die Abschnürspannung überschreitet, wird der FET abgeschaltet. Da der FET an eine elektrische Ausgangsschaltung verbunden ist, arbeitet das gesamte System als ein optisch gekoppelter elektrischer Schalter.

Der beschriebene Schalter hat begrenzte Schaltgeschwin-digkeitseigenschaften. Vor dem Abschalten des FETs muss nämlich dessen Eingangskapazität vom durch die Fotodioden erzeugten Strom aufgeladen werden. Die zur Aufladung der Eingangskapazität erforderliche Zeit hängt von der Intensität der Beleuchtung der Fotodioden und deren Wirkungsgrad ab. Wenn die Beleuchtung der Fotodioden unterbrochen wird, muss sich die FET-Eingangskapazität erst entladen, bevor sich der FET wieder einschalten kann. Die verfügbaren Wege, der in Sperrichtung vorgespannte Gate-Kanal-Übergang und die Fotodiodenanordnung, bilden beide Stromwege hoher Impedanz. Das Resultat ist eine vergleichsweise grosse Zeitkonstante, die durch Überbrücken der Fotodioden mit einem Widerstand R2 reduziert werden kann. Letzterer liegt parallel zur Fotodiodenanordnung zwischen Gate und Source. Der Wert von R2 muss gross genug sein, um die Fotodioden bei Beleuchtung nicht nennenswert zu belasten, muss aber klein genug sein, um eine Impedanz zu haben, die im Vergleich zu der der Fotodiodenanordnung oder des in Sperrrichtung vorgespannten Gate-Source-Überganges klein ist.

Eine weitere Ausführungsform des optisch gekoppelten Schalters ist der optisch gekoppelte zweiseitige, symmetrische Schalter nach Fig. 3. Hier sind zwei Fotodiodenanordnungen vorgesehen, die den FET steuern. Die Anordnung 15 hat zwei oder mehr in Serie verbundene Fotodioden und liegt zwischen Gate und Source eines n-Kanal-Verarmungstyp-FET 9 über die in Reihe geschaltete, umgekehrt gepolte Blockierdiode D2. Die andere Anordnung 13 hat gleichfalls eine oder mehrere in Reihe geschaltete Fotodioden und liegt zwischen Gate und Drain über die in Reihe geschaltete umgekehrt gepolte Blockierdiode Dl. Grosse Widerstände R3 und R4, typischerweise Grössenordnung Megohm, können zwischen Gate und Drain bzw. zwischen Gate und Source vorgesehen sein und dienen dem selben Zweck wie der Widerstand R2 nach Fig. 2. Drain und Source des FETs 9 sind mit der elektrischen Ausgangsschaltung verbunden, und die Lichtquelle 11 ist mit der elektrischen Eingangsschaltung verbunden. Ähnliche Überlegungen wie die in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 2 beschriebenen bestimmen die Anzahl der Fotodioden in jeder Anordnung, d.h. bei Beleuchtung muss die erzeugte Spannung wenigstens gleich der Abschnürspannung des FETs sein. Die dargestellte Anordnung ist symmetrisch bezüglich Drain und Source des FETs, folglich kann der Schalter für Spannungen beiderlei Vorzeichens, die zwischen Drain und Source angelegt wird, betrieben werden. Von den Widerständen kann entweder R3 oder R4 weggelassen werden, d.h. ein einziger Widerstand zwischen Gate-Elektrode und entweder Source- oder Drain-Elektrode kann benutzt werden, wenn symmetrische Schaltzeiten nicht erforderlich sind, wobei die Symmetrie bezüglich des Vorzeichens der Spannung beibehalten bleibt.

Der Verarmungstyp-FET ist unabhängig von der Drain-Source-Polarität normalerweise leitend ( = selbstleitend). Der Betrieb des Schalters, der als Optotrennglied benutzt werden kann, ist ähnlich dem des Schalters nach Fig. 2. Wird die LED 11 durch in der elektrischen Eingangsschaltung fliessenden Strom eingeschaltet, dann wird Licht emittiert und fällt auf beide Fotodiodenanordnungen. Wird der Drain gegenüber der Source positiv, dann erzeugt die Anordnung 15 eine gegen die Source negative Gate-Spannung, die die Abschnürspannung des FETs überschreitet und diesen

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abschaltet. Die Diode Dl verhindert eine Kopplung der positiven Drain-Spannung auf das Gate über die in Durchlassrichtung vorgespannte Fotodiodenanordnung 13 und negiert die negative Vorspannung, die am Gate durch Anordnung 15 erzeugt wird. Wenn die LED 11 eingeschaltet ist und die Drain-Source-Polarität gegenüber der beschriebenen umgekehrt ist, liefert die Anordnung 13 eine negative Gate-Vorspannung, die die Abschnürspannung des FETs 9 überschreitet und diesen abschaltet. Die Diode D2 verhindert eine Kopplung der positiven Source-Spannung auf das Gate über die in Durchlassrichtung vorgespannte Anordnung 15 und negiert daher die negative Vorspannung, die von der Anordnung 13 an das Gate geliefert wird. Das gesamte System arbeitet als optisch gekoppelter elektrischer Schalter, der bezüglich der zwischen Drain und Source angelegten Spannung symmetrisch ist. Die Widerstände R.3 und R.4 überbrük-ken die Fotodiodenanordnungen, um die FET-Kapazität zu entladen und die Schaltzeit herabzusetzen. Die Grösse der Widerstände R.3 und R4 sind vergleichbar mit der des Widerstandes R2. R3 braucht nicht gleich R4 zu sein, wenn symmetrische Schaltzeiten nicht erforderlich sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird eine optische Zweipegelsteuerung erreicht. Der n-Kanal-Verarmungstyp-FET 17, die Fotodiodenanordnung 23 und die LED 21 arbeiten wie der vorstehend in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene optisch gekoppelte Schalter. LED 19 und FET 17, der nun optisch empfindlich ist, arbeiten wie der üblich fotoempfindliche FET-Schalter nach Fig. 1. Der optisch empfindliche FET ist eingeschaltet, wenn die LED 21 abgeschaltet ist. Ist die LED 21 eingeschaltet, dann ist der FET abgeschaltet, wenn die LED 19 abgeschaltet ist, ist aber eingeschaltet, wenn die LED 19 eingeschaltet ist. In dieser Ausführungsform sorgt die LED 19 für eine Steuerung ähnlich der Lichtquelle, z.B. einer LED, beim üblichen lichtempfindlichen FET-Schalter. Am Gate-Widerstand Rs wird eine Spannung durch den im äusseren Stromkreis fliessenden Strom entwickelt, der durch die in der Verarmungszone absorbierten Photonen erzeugt wird.

Die zu beachtenden Entwurfsparameter sind bekannt. Beispielsweise sind die Fotodiodensammelfläche, der Wirkungsgrad, die Beleuchtungsdichte und die Anzahl der Fotodioden mit der zur Abschaltung des FETs erforderlichen Zeit verknüpft. Zusätzlich sind, nach Abschalten der LED, die Zeitkonstante, die der Entladung der Gate-Source-Kapazität über den Parallelwiderstand (wenn vorhanden) zugeordnet ist, die grosse Impedanz der Fotodiodenanordnung und des in Sperrichtung betriebenen Gate-Source-Überganges mit der Zeit verknüpft, die zum Einschalten des FETs benötigt wird. Im allgemeinen werden minimale Schaltzeiten bei gesättigtem 5 Schalten mit grossen LED-Strömen, d.h. hohen Fotodiodenanordnung-Strömen, niedrigen Übergangskapazitäten und niedrigen Parallelwiderständen erreicht. Änderungen in und Beziehungen zwischen den Parallelwiderständen, dem Lastwiderstand, dem Fotodiodenstrom, der Anzahl Fotodioden, 10 der Fotodiodenspannung, der FET-Abschnürspannung und den Schaltgeschwindigkeiten sind dem einschlägigen Fachmann bekannt und brauchen nicht weiter erörtert zu werden.

Als Beispiel für in der Praxis zu erwartenden Schaltgeschwindigkeiten und anderer Parameter wurde das Ansprech-15 verhalten des Schalters nach Fig. 2, der eine Transkonduktanz von etwa 32000 ,uOhm_1 besass, gemessen. Die Abschnürspannung des FETs war 2,5 Volt, und der Selbstabschnür-strom (VGS = 0) war 110 mA. R2 war 470 kOhm, die Speisesspannung war 10 Volt und der Lastwiderstand betrug 1000 20 Ohm. Mit einer mit 10 mA Gleichstrom betriebenen GaAlAs-LED wurde das gesättigte Schaltverhalten einer Anordnung mit drei in Reihe geschalteter GaAlAs-LEDs als Fotodetektoren wie folgt befunden: Gesamt-Abschaltzeit von etwa 50 Mikrosekunden, Gesamt-Einschaltzeit etwa 50 Mikrosekun-25 den.

Obgleich die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit n-Kanal-Verarmungstyp-FETs beschrieben worden ist, die zu normalerweise eingeschalteten Schaltern und Optotrenngliedern führen, können auch p-Kanal-Verarmungstyp-30 FETs benutzt werden, wenn die Polaritäten der Fotodiodenanordnungen und der Blockierdioden umgekehrt werden. nKanal- oder p-Kanal-Anreicherungstyp-FETs können gleichfalls benutzt werden. Mit Anreicherungstyp-FETs muss die Fotodiodenanordnung eine Spannung erzeugen, die die 35 Gate-Schwellenwertspannung überschreitet. Dieses führt zu normalerweise ausgeschalteten Schaltern und Optotrenngliedern, und die Polarität der Diodenanordnung wird gegenüber der in Verbindung mit den n-Kanal-Verarmungstyp-FETs beschriebenen umgekehrt sein. Der symmetrische 40 Schalter mit Verstärkungstyp-FETs ist nur für kleine Werte der Drain-Source-Spannung brauchbar. Die Widerstände wirken als Spannungsteiler und die durch den Spannungsteiler erzeugte Gate-Source- oder Gate-Drain-Spannung muss kleiner als die

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Optisch gekoppelter Schalter mit einem Feldeffekttransistor, der eine Source-, eine Gate- und eine Drain-Elektrode aufweist, wobei die Source- und Drain-Elektrode mit einer elektrischen Ausgangsschaltung verbindbar sind, und mit einer optisch an eine Lichtquelle gekoppelten Steueranordnung zum Steuern des Stromes durch den FET, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung eine zwischen die Gate- und die Source-Elektrode geschaltete Anordnung mit wenigstens zwei lichtempfindlichen Halbleitern aufweist, wobei die lichtempfindlichen Halbleiter untereinander in Reihe geschaltet sind und die Anzahl der lichtempfindlichen Halbleiter in der Anordnung so gewählt ist, dass bei Beleuchtung durch die Lichtquelle ausreichend Spannung für eine Steuerung des durch den FET fliessenden Stroms erzeugt wird.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Halbleiter Fotodioden sind und dass der FET als Verarmungstyp-FET vorliegt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle mit einer elektrischen Eingangsschaltung verbindbar ist.

4. Schalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand zwischen der Gate- und der Source-Elektrode zum Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit des FETs zwischen dessen Ein- und Ausschaltzuständen gelegen ist.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung aufgebaut ist aus einer umgekehrt gepolten Blockierdiode, die in Reihe mit der Fotodiodenanordnung zwischen der Gate- und der Source-Elektrode gelegen ist, einer weiteren ähnlichen Fotodiodenanordnung mit wenigstens einer Fotodiode, die zwischen der Gate- und der Drain-Elektrode gelegen ist, und einer weiteren umgekehrt gepolten Blockierdiode, die in Reihe mit der weiteren Fotodiodenanordnung zwischen der Gate- und der Drain-Elektrode gelegen ist.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steueranordnung einen bzw. einen weiteren Parallelwiderstand aufweist, der zwischen der Gate- und der Drain-Elektrode zum Erhöhen der Schallgeschwindigkeit des FETs zwischen dessen Ein- und Ausschaltzuständen gelegen ist.

7. Schalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der FET eine optisch empfindliche Zone aufweist und dass eine weitere Lichtquelle, die an eine bzw. eine zweite elektrische Eingangsschaltung anschliessbar ist,

optisch mit der optisch empfindlichen Zone gekoppelt ist.

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand zwischen der Gate- und der Source-Elek-trode in Reihe mit der Fotodiodenanordnung vorgesehen ist.

9. Schalternach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der FET als Anreicherungstyp-FET vorliegt.