CH644472A5

CH644472A5 - OPTICALLY COUPLED SWITCH WITH A FIELD EFFECT TRANSISTOR.

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: FR2420883B1; IT1112401B; DE2910748A1; SE7902344L; GB2017297A; CA1123064A; FR2420883A1; GB2017297B; NL7902277A; ES478910A1; IT7921188A0; BE874946A; JPS5530292A

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch gekoppelten Schalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to an optically coupled switch according to the preamble of patent claim 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. Devices capable of transmitting signals from an input circuit to an electrically isolated or separate output circuit are of considerable commercial importance. For many purposes, adequate electrical decoupling can easily be achieved with electromechanical relays or isolating transformers. However, these devices have the disadvantage that they are quite large and are not compatible with many solid-state circuits.

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. For these and other reasons, devices have been developed that are commonly referred to as optocouplers or optocouplers that use optical rather than electrical coupling to link two electrical circuits. These devices use a light source located in the input circuit, usually a light-emitting diode (LED), and a photo detector located in the output circuit, which is optically coupled to the light source for coupling the input to the output circuit. A current flowing through the LED causes emission of light, part of which is transferred to the photodetector which, in response, causes an output current to be generated.

Der Fotodetektor ist im Regelfall eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein gesteuerter Fotosiliciumgleichrichter (Fotothyristor). Ein weiteres Fotodetektorbauelement ist der Foto-FET. The photodetector is usually a photodiode, a phototransistor or a controlled photosilicon rectifier (photothyristor). Another photo detector component is the photo 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. Although the photo-FET has features such as easily adjustable optical sensitivity, a zero-point linear current-voltage characteristic and thermal stability that are desired for photo-detectors in opto-isolators, the photo-FET has not been used in opto-isolators.

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. The reason for the fact that photo FET detectors have not yet been used can be shown by a brief description of the mode of operation of optically sensitive FETs. Optically sensitive FETs are usually given their optical sensitivity by making the depletion zone, which forms when the gate-source junction is biased in the reverse direction, optically accessible, so that photons can be absorbed in the depletion zone. The reverse voltage exceeds the pinch-off voltage and current cannot flow through the JFET (junction FET). The photo-induced current, which is generated by separating the components of the electron-hole pairs generated in the absorption process, then flows through an external resistor in the gate-source circuit and changes the gate-source bias. The resulting gate-source bias is less than the pinch-off voltage and the FET is turned on.

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. This results in various disadvantages of optocouplers in which optically sensitive FETs are used. First, the commercially available photo FETs are depletion type FETs, and a separate voltage source is required to reverse bias the gate-source junction to turn the FET off. Second, photo-FETs do not inherently lead to the construction of a normally on opto-isolator. Third, the photo-FETs do not inherently lead to a simple, easy construction of double-sided opto-isolators, which are desirable in many applications, since such double-sided opto-isolators can be operated without regard to the polarity of the voltage supplied.

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. Two-sided opto-isolators, i.e. anti-parallel photothyristors that do not use FETs are commercially available but have drawbacks. They have non-linear behavior at the origin of their output current-voltage characteristic and are therefore not suitable for use as switches for small analog signals. In addition, they are interlocking devices, i.e. an additional voltage signal must be applied to switch the switch to the initial state.

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. An optically coupled switch, which is constructed using an FET and can be used with optocouplers, is characterized according to the invention by the features of claim 1.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein symmetrischer zweiseitiger Schalter, bei dem wenigstens zwei Fotodiodenanordnungen und ein Verarmungstyp-FET benutzt sind. One embodiment of the invention is a symmetrical two-way switch using at least two photodiode arrays and a depletion type FET.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

o5 o5

3 3rd

644 472 644 472

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. One photodiode arrangement lies between the gate and source and the other photodiode arrangement lies between the gate and drain of the FET. Two reverse-polarity blocking diodes prevent the positive source or drain voltages from being coupled to the gate by the photodiodes 5 which are polarized in the forward direction. The two photodiode arrays can be illuminated by the same light source. The bias generated by each arrangement is sufficient to turn off the FET.

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. According to a further embodiment, optical two-level control can be achieved by using the described optically coupled switch together with an optically sensitive FET. One level of the optical control is obtained as described above, while the second level is obtained by using a second LED which illuminates the optically sensitive part of the FET and thus controls the current flow through this FET.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben ; es zeigen : 20 The invention is described in detail below with reference to the drawing; it shows: 20

Fig. 1 das Schaltbild eines üblichen lichtempfindlichen FETs, 1 shows the circuit diagram of a conventional light-sensitive FET,

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. 2 shows the circuit diagram of an optically coupled FET switch, the optical sensitivity of which is brought about by a diode arrangement in series connection, 25 which is illuminated by an LED as a light source and is connected between the gate and source of the FET.

Fig. 3 das Schaltbild eines optisch gekoppelten symmetrischen zweiseitigen Schalters und Fig. 3 shows the circuit diagram of an optically coupled symmetrical two-sided switch and

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines optisch gekop- 30 pelten Schalters mit einem optisch empfindlichen FET und optischer Zwei-Pegel-Steuerung. Fig. 4 is a schematic representation of an optically coupled switch with an optically sensitive FET and optical two-level control.

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 1 shows a conventional light-sensitive n-channel depletion type FET 1. Negative bias, represented by the minus sign, is fed to the gate G via the resistor Ri and creates a depletion zone. If the bias voltage is sufficiently high, the normally conductive (self-conductive) drain-source channel disappears and the FET no longer conducts. When light hv from a source, not shown, illuminates the depletion zone, electron-hole pairs are generated as a result of the absorbed photons. The electric field in the depletion zone separates the electrons and holes from each other, and a current flows in the outer gate-source circuit. The resulting current flows through the resistor Ri and 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 generates a bias that partially counteracts the applied gate-source bias and reduces the size of the depletion zone. If the counteracting bias voltage is sufficiently large, current flows through the channel from the drain to the source electrode and the FET conducts. 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. The present optically coupled FET switch is shown schematically in FIG. 2. The drain and source of the normally-on n-channel depletion type FET 3 are connected to an electrical output circuit, not shown. The gate bias, which controls the size of the depletion zone and 55 the current through the FET, is provided by a series connected photodiode array 7 with at least two photodiodes located between the gate and source of the FET. Instead of the photodiodes, other light-sensitive semiconductor components can also be used. The number of photodiodes results from the requirement that when they are illuminated the voltage developed at the photodiodes is at least equal to the pinch-off voltage. Since no other external gate-source bias voltage than the voltage generated by the photodiodes is supplied to the FET, the FET is normally conductive. The light source 5 shown is an LED, which is located in an electrical input circuit, not shown.

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. Some of the photons emitted by the LED are absorbed by the photodiodes, and when the voltage developed between the gate and source exceeds the pinch-off voltage, the FET is turned off. Because the FET is connected to an electrical output circuit, the entire system works as an optically coupled electrical switch.

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. The switch described has limited switching speed properties. Before the FET is switched off, its input capacitance must be charged by the current generated by the photodiodes. The time required to charge the input capacitance depends on the intensity of the illumination of the photodiodes and their efficiency. If the illumination of the photodiodes is interrupted, the FET input capacitance must first discharge before the FET can switch on again. The available paths, the reverse biased gate-channel junction and the photodiode array, both form high impedance current paths. The result is a comparatively large time constant, which can be reduced by bridging the photodiodes with a resistor R2. The latter is parallel to the photodiode arrangement between the gate and source. The value of R2 must be large enough not to significantly stress the photodiodes when illuminated, but must be small enough to have an impedance which is small in comparison to that of the photodiode arrangement or the reverse-biased gate-source junction .

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. Another embodiment of the optically coupled switch is the optically coupled two-sided, symmetrical switch according to FIG. 3. Here two photodiode arrangements are provided which control the FET. The arrangement 15 has two or more photodiodes connected in series and lies between the gate and source of an n-channel depletion-type FET 9 via the series-connected, reversely polarized blocking diode D2. The other arrangement 13 likewise has one or more photodiodes connected in series and lies between the gate and drain via the blocking diode D1 connected in series and reversed. Large resistors R3 and R4, typically of the order of magnitude megohm, can be between the gate and drain or between the gate and source 2. The drain and source of the FET 9 are connected to the electrical output circuit, and the light source 11 is connected to the electrical input circuit. Similar considerations to those described in connection with the embodiment of Figure 2 determine the number of photodiodes in each array, i.e. when illuminated, the voltage generated must be at least equal to the pinch-off voltage of the FET. The arrangement shown is symmetrical with respect to the drain and source of the FET, consequently the switch for voltages of both signs, which is applied between the drain and source, can be operated. Either R3 or R4 can be omitted from the resistors, i.e. a single resistor between the gate and either source or drain can be used when symmetrical switching times are not required, while maintaining symmetry with respect to the sign of the voltage.

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 The depletion type FET is normally conductive (= self-conductive) regardless of the drain-source polarity. The operation of the switch, which can be used as an opto-isolator, is similar to that of the switch according to FIG. 2. If the LED 11 is switched on by current flowing in the electrical input circuit, then light is emitted and falls on both photodiode arrangements. If the drain is positive with respect to the source, the arrangement 15 generates a gate voltage which is negative with respect to the source and which exceeds the pinch-off voltage of the FET and this

644 472 644 472

4 4th

644 472 644 472

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. switches off. The diode D1 prevents coupling of the positive drain voltage to the gate via the forward-biased photodiode arrangement 13 and negates the negative bias voltage which is generated at the gate by arrangement 15. When the LED 11 is on and the drain-source polarity is reversed from that described, the arrangement 13 provides a negative gate bias which exceeds the pinch-off voltage of the FET 9 and turns it off. The diode D2 prevents coupling of the positive source voltage to the gate via the forward biased device 15 and therefore negates the negative bias voltage supplied by the device 13 to the gate. The entire system works as an optically coupled electrical switch that is symmetrical with respect to the voltage applied between the drain and source. Resistors R.3 and R.4 bridge the photodiode arrays in order to discharge the FET capacitance and reduce the switching time. The size of the resistors R.3 and R4 are comparable to that of the resistor R2. R3 need not be R4 if symmetrical switching times are not required.

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. In the embodiment according to FIG. 4, an optical two-level control is achieved. The N-channel depletion type FET 17, the photodiode array 23 and the LED 21 operate like the optically coupled switch described above in connection with FIG. 2. LED 19 and FET 17, which is now optically sensitive, operate like the usual photosensitive FET switch according to FIG. 1. The optically sensitive FET is switched on when LED 21 is switched off. When LED 21 is on, the FET is off when LED 19 is off, but is on when LED 19 is on. In this embodiment the LED 19 provides control similar to the light source, e.g. an LED, in the usual light-sensitive FET switch. A voltage is developed across the gate resistor Rs by the current flowing in the external circuit, which is generated by the photons absorbed in the depletion zone.

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. The design parameters to be observed are known. For example, the photodiode collection area, the efficiency, the illumination density and the number of photodiodes are linked to the time required to switch off the FET. In addition, after the LED has been switched off, the time constant associated with the discharge of the gate-source capacitance via the parallel resistor (if present), the large impedance of the photodiode arrangement and the gate-source transition operated in the reverse direction are linked with time, which is required to switch on the FET. In general, minimum switching times with saturated 5 switching with large LED currents, i.e. high photodiode array currents, low junction capacities and low parallel resistances. Changes in and relationships between the parallel resistors, the load resistance, the photodiode current, the number of photodiodes, 10 the photodiode voltage, the FET pinch-off voltage and the switching speeds are known to the person skilled in the art and need not be discussed further.

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. As an example of the switching speeds and other parameters to be expected in practice, the response behavior of the switch according to FIG. 2, which had a transconductance of approximately 32000 uOhm_1, was measured. The pinch voltage of the FET was 2.5 volts and the self pinch current (VGS = 0) was 110 mA. R2 was 470 kOhm, the supply voltage was 10 volts and the load resistance was 1000 20 ohms. With a GaAlAs LED operated with 10 mA direct current, the saturated switching behavior of an arrangement with three GaAlAs LEDs connected in series as photodetectors was found as follows: total turn-off time of about 50 microseconds, total turn-on time about 50 microseconds.

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 Although the invention has been described in terms of embodiments with n-channel depletion type FETs that result in normally on switches and opto-isolators, p-channel depletion type 30 FETs can also be used if the polarities of the photodiode arrays and blocking diodes are reversed . N-channel or p-channel enhancement type FETs can also be used. With enhancement type FETs, the photodiode array must generate a voltage that exceeds the 35 gate threshold voltage. This results in switches and opto-isolators normally turned off, and the polarity of the diode array will be reversed from that described in connection with the n-channel depletion type FETs. The symmetrical 40 switch with amplification type FETs is only useful for small values of the drain-source voltage. The resistors act as a voltage divider and the gate-source or gate-drain voltage generated by the voltage divider must be less than that

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

644 472

1. Optically coupled switch with a field effect transistor, which has a source, a gate and a drain electrode, the source and drain electrodes being connectable to an electrical output circuit, and with a control arrangement optically coupled to a light source for control of the current through the FET, characterized in that the control arrangement has an arrangement connected between the gate and the source electrode with at least two photosensitive semiconductors, the photosensitive semiconductors being connected in series with one another and the number of photosensitive semiconductors in the arrangement so is chosen that when illuminated by the light source, sufficient voltage is generated to control the current flowing through the FET.

2. Switch according to claim 1, characterized in that the light-sensitive semiconductors are photodiodes and that the FET is present as a depletion type FET.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Switch according to claim 2, characterized in that the light source can be connected to an electrical input circuit.

4. Switch according to claim 2 or 3, characterized in that a resistor is located between the gate and the source electrode for increasing the switching speed of the FET between its on and off states.

5. Switch according to one of claims 2, 3 or 4, characterized in that the control arrangement is constructed from a reverse-polarity blocking diode, which is located in series with the photodiode arrangement between the gate and the source electrode, with a further similar photodiode arrangement at least one photodiode, which is located between the gate and the drain electrode, and a further reverse-polarity blocking diode, which is in series with the further photodiode arrangement between the gate and the drain electrode.

6. Switch according to claim 5, characterized in that the control arrangement has one or a further parallel resistor which is located between the gate and the drain electrode to increase the speed of sound of the FET between its on and off states.

7. Switch according to claim 2 or 3, characterized in that the FET has an optically sensitive zone and that a further light source which can be connected to a or a second electrical input circuit,

is optically coupled to the optically sensitive zone.

8. Switch according to claim 7, characterized in that a resistor is provided between the gate and the source electrode in series with the photodiode arrangement.

9. Switch according to claim 1, characterized in

that the FET exists as an enrichment type FET.