DE2910748A1

DE2910748A1 - OPTICALLY COUPLED FET SWITCH

Info

Publication number: DE2910748A1
Application number: DE19792910748
Authority: DE
Inventors: William Clifton King
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1978-03-23
Filing date: 1979-03-19
Publication date: 1979-09-27
Also published as: ES478910A1; CH644472A5; FR2420883A1; JPS5530292A; FR2420883B1; NL7902277A; GB2017297A; BE874946A; SE7902344L; GB2017297B; IT1112401B; IT7921188A0; CA1123064A

Description

description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Opto-Trennglieder, sogenannte Optoisolatoren, insbesondere auf Optoisolatoren, bei denen eine Anordnung von einer oder mehreren in Reihe geschalteten Photodioden verwendet werden, um eine photovoltaische Steuerung eines Feldeffekttransistors zu erhalten, der selbst nicht photoempfindlich zu sein braucht.The invention relates generally to opto-isolators, so-called optoisolators, especially on optoisolators, in which an arrangement of one or more in series switched photodiodes are used to obtain photovoltaic control of a field effect transistor, who does not need to be photosensitive himself.

Vorrichtungen, die Signale von einer Eingangsschaltung auf eine 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 Trenn-Transforaatoren. Diese Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie recht groß sind und mit vielen Festkörperschaltungen nicht kompatibel sind.Devices that send signals from an input circuit to an output circuit that is electrically decoupled or separated from it are of considerable commercial importance. For many purposes one achieves one adequate electrical decoupling easily with electromechanical Relays or with isolating transformers. However, these devices have the disadvantage that they are quite large and are incompatible with many solid-state circuits.

Aus diesen und anderen Gründen sind Vorrichtungen entwickelt worden, die allgemein als Opto-Trennglieder oder Optokoppler bezeichnet sind, die eine optische statt elektrische KopplungFor these and other reasons devices have been developed which are commonly referred to as opto-isolators or optocouplers are denoted that have an optical instead of electrical coupling

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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 Photodetektor verwendet, der zur Kopplung der Eingangsschaltung 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 Photodetektor übertragen wird, der, hierauf ansprechend, die Erzeugung eines AusgangsStroms verursacht.use to link two electrical circuits. In these devices, a light source located in the input circuit, mostly a light-emitting one Diode (LED), and a photodetector located in the output circuit used, which is optically coupled to the light source for coupling the input circuit to the output circuit is. A current flowing through the LED causes emission of light, part of which is directed to the photodetector which, in response, causes an output current to be generated.

Der Photodetektor ist im Regelfall eine Photodiode, ein Phototransistor oder ein gesteuerter Photo-Siliciumgleichrichter (Photo-Thyristor). Ein weiteres Photodetektor-Bauelement ist der Photo-FET.The photodetector is usually a photodiode Phototransistor or a controlled silicon photo rectifier (Photo thyristor). Another photodetector component is the photo FET.

Obgleich der Photo-FET Merkmale, wie leicht einstellbare optische Empfindlichkeit, eine durch den Nullpunkt gehende lineare Stromspannungskennlinie und thermische Stabilität besitzt, die für Photodetektoren in Opto-Trenngliedern erwünscht sind, ist der Photo-FET bisher nicht in Opto-Trenngliedern benutzt worden.Although the Photo-FET features, such as easily adjustable optical sensitivity, a linear one going through the zero point Has voltage characteristics and thermal stability, which are desired for photodetectors in opto-isolators, the photo-FET has not been used in opto-isolators so far been.

Der Grund für die bisher nicht erfolgte Verwendung von Photo-FET-Detektoren läßt sich anhand einer kurzen Beschreibung der Wirkungsweise optisch empfindlicher FET's zeigen. OptischThe reason for the so far not used photo FET detectors can be shown by means of a brief description of the mode of operation of optically sensitive FETs. Optically

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empfindliche FET ¹S 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 (function FET = Sperrschicht-FET) nicht fließen. Der photoinduzierte Strom, der durch die Trennung der Bestandteile der beim Absorptionsprozeß erzeugten Elektronen/Löcher-Paare erzeugt v/ird, 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.sensitive FET S ¹ receive their optical sensitivity as a rule, characterized in that the depletion region of the gate / source junction is formed at reverse bias, is made 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 (function FET). The photo-induced current generated by the separation of the constituents 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 voltage. The resulting gate-to-source bias is less than the pinch-off voltage and the FET is turned on.

Verschiedene Nachteile von Opto-Trenngliedern, bei denen optisch empfindliche FET's benützt werden, ergeben sich hieraus. Erstens sind die kommerziell erhältlichen Photo-FET's Verarmungstyp-FET's, und es wird eine gesonderte Spannungsquelle zum sperrenden Vorspannen des Gate/Source-Überganges benötigt, um damit den FET abzuschalten. Zweitens führen Photo-FET's von Hause aus nicht zum Aufbau eines normalerweise eingeschalteten Opto-Trenngliedes. Drittens führen die Photo-FET's von Hause aus nicht zu einem einfachen, leichten Aufbau zweiseitiger Opto-Trennglieder, die in vielenVarious disadvantages of opto-isolators where optically sensitive FETs are used, result out of this. First, the photo FETs commercially available are depletion type FETs and it becomes a separate voltage source required for the blocking biasing of the gate / source junction in order to turn off the FET. Secondly Photo-FETs do not normally lead to the construction of one switched on opto-isolator. Thirdly, the Photo-FET's inherently do not lead to a simple, easy construction of two-sided opto-isolators, which in many

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Anwendungsfällen erwünscht sind, da solche zweiseitige Opto-Trennglieder ohne Rücksicht auf die Polarität der zugeführten Spannung betrieben werden können.Applications are desirable, since such two-sided opto-isolators regardless of the polarity of the supplied Voltage can be operated.

Zweiseitige Opto-Trennglieder, d. h. antiparallelgeschaltete Photothyristoren, die keine FET's benutzen, sind kommerziell erhältlich, haben jedoch Nachteile. Sie haben im Ursprung ihrer Ausgangsstromspannungskennlinie nichtlineares Verhalten und sind deshalb zur Verwendung als Schalter für Analog-Kleinsignale nicht geeignet. Zusätzlich sind sie verriegelnde Vorrichtungen, d. h. ein zusätzliches Spannungssignal muß zur Umschaltung des Schalters in den Ausgangszustand aufgebracht werden.Double sided opto-isolators, d. H. Back-to-back photothyristors that do not use FETs are commercial available but have disadvantages. 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. Additionally, they are interlocking Devices, d. H. an additional voltage signal must be used to switch the switch to its initial state be applied.

Ein optisch empfindlicher Schalter, der unter Verwendung eines FET's aufgebaut und bei Opto-Trenngliedern anwendbar ist, wird entsprechend der Erfindung dadurch erhalten, daß die Spannung, die durch wenigstens eine in Reihenschaltung vorliegende Photodiodenanordnung mit wenigstens einer beleuchteten Photodiode entwickelt wird, zur Steuerung eines FET's benutzt wird, wobei die Photodiodenanordnung zwischen Source und Drain des FET's, beispielsweise eines {selbstleitenden) Verarmungstyp-FET's gelegen ist. Die Anzahl dar in Reihe geschalteten Photodioden in der Photodiodenanordnung reicht bei Beleuchtung der Anordnung zur Erzeugung einer SpannungAn optically sensitive switch that is constructed using an FET and can be used with opto-isolators is, is obtained according to the invention in that the voltage generated by at least one series connection The present photodiode array with at least one illuminated photodiode is developed for controlling an FET is used, the photodiode arrangement between the source and drain of the FET, for example a {self-conducting) Depletion-type FET's. The number shown in series Photodiodes in the photodiode arrangement are sufficient to generate a voltage when the arrangement is illuminated

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aus, die die Abschnürspannung des FET's überschreitet und diesen abschaltet. Wenn Anreicherungstyp-FET's benutzt werden, wird dabei deren Gate-Schwellenwertspannung überschritten. Wenn Drain und Source des FET's mit einer elektrischen Schaltung verbunden sind und wenn die Photodiodenanordnung von einer Lichtquelle beleuchtet wird, beispielsweise von einer LED, die mit einer anderen elektrischen Schaltung verbunden ist, dann erhält man ein normalerweise eingeschaltetes Opto-Trennglied.which exceeds the pinch-off voltage of the FET and switches it off. If enhancement type FETs are used, their gate threshold voltage will be exceeded. If the drain and source of the FET are connected to an electrical circuit, and when the photodiode array is illuminated by a light source, for example by a LED, which is connected to another electric circuit, one obtains a normally switched on opto-isolator.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein symmetrischer zweiseitiger Schalter, bei dem wenigstens zwei Photodiodenanordnungen und ein Verarmungstyp-FET benutzt sind. Die eine Photodiodenanordnung liegt zwischen Gate und Source und die andere Photodiodenanordnung zwischen Gate und Drain des FET¹S. Zwei umgekehrt gepolte Blockierdioden verhindern ein Durchkoppeln der positiven Source'oder Drainspannungen zum Gate durch die in Durchlaßrichtung gepolten Photodioden. Die beiden Photodiodenanordnungen können von derselben Lichtquelle beleuchtet werden. Die von jeder Anordnung erzeugte Vorspannung reicht zur Abschaltung des FET's aus.Another embodiment of the invention is a balanced bilateral switch using at least two photodiode arrays and a depletion type FET. One photodiode arrangement lies between the gate and source and the other photodiode arrangement between the gate and drain of the FET ¹ S. Two reverse polarity blocking diodes prevent the positive source or drain voltages from being coupled through to the gate by the photodiodes polarized in the forward direction. The two photodiode arrays can be illuminated by the same light source. The bias voltage generated by each arrangement is sufficient to turn off the FET.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform läßt sich eine optische Zweipegelsteuerung durch Verwendung des beschriebenen optisch empfindlichen FET-Schalters zusammen mit einemAccording to a further embodiment, a optical two-level control by using the described optically sensitive FET switch together with a

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optisch empfindlichen FET erreichen. Der eine Pegel der optischen Steuerung wird wie vorstehend beschrieben erhalten, während der zweite Pegel durch Verwendung einer zweiten LED erhalten wird, die den optisch empfindlichen Teil des FET's beleuchtet und damit den Stromfluß durch diesen FET steuert.achieve optically sensitive FET. The one level of optical control is obtained as described above, while the second level is obtained by using a second LED which is the optically sensitive part of the FET illuminated and thus controls the flow of current through this FET.

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

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

Fig. 2 das Schaltbild eines optisch empfindlichen FET-Schalters, dessen optische Empfindlichkeit durch eine in Reihenschaltung vorliegende Diodenanordnung bewerkstelligt ist, die von einer LED als Lichtquelle beleuchtet wird und zwischen Gate und Source des FET's angeschlossen ist,2 shows the circuit diagram of an optically sensitive FET switch, its optical sensitivity is brought about by a series-connected diode arrangement which is illuminated by an LED as a light source and between the gate and source of the FET's is connected,

Fig. 3 das Schaltbild eines optisch gekoppelten symmetrischen zweiseitigen Schalters und3 shows the circuit diagram of an optically coupled symmetrical two-sided switch and

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines optisch empfindlichen FET-Schalters mit optischer Zwei-Pegel-Steuerung. 4 shows a schematic representation of an optically sensitive FET switch with optical two-level control.

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Fig.- 1 zeigt einen üblichen lichtempfindlichen n-Kanal-Verarmungstyp-FET 1. Negative Vorspannung, dargestellt durch das Minuszeichen, wird dem Gate G über den Widerstand R₁ zugeführt und erzeugt eine Verarmungszone. Ist die Vorspannung ausreichend groß, verschwindet der normalerweise leitende (selbstleitende) Drain/Source-Kanal und der FET leitet nicht langer. Wenn Licht hy einer nicht dargestellten Quelle die Verarmungszone beleuchtet, werden Elektronen-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-Souroe-Stromkreis. Der resultierende Strom fließt über den Widerstand R,. und 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 Sourceelektrode, und der FET leitet.Fig. 1 shows a conventional n-channel depletion type photosensitive FET 1. Negative bias, represented by the minus sign, is applied to gate G through resistor R ₁ and creates a depletion region. If the bias is high enough, the normally conducting (self-conducting) drain / source channel disappears and the FET no longer conducts. When light from a source (not shown) illuminates the depletion zone, electron-hole pairs are generated as a result of the absorbed photons. The electric field present in the depletion zone separates the electrons and holes from one another, and a current flows in the outer gate-source circuit. The resulting current flows through the resistor R ,. and creates a bias that partially counteracts the applied gate-source bias and reduces the size of the depletion region. If the counteracting bias is sufficiently high, current flows through the channel from the drain to the source electrode and the FET conducts.

Der vorliegende optisch empfindliche FET-Schalter ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Drain und Source des selbstleitenden n-Kanal-Verarmungstyp-FET's 3 sind mit einer nicht dargestellten elektrischen Ausgangsschaltung verbunden. Die Gatevorspannung, die die Größe der Verarmungszone und den Strom durch den FET steuert, wird durch eine in Reihenschal-The present optically sensitive FET switch is shown schematically in FIG. Drain and source of the normally on N-channel depletion type FETs 3 are provided with an unillustrated one electrical output circuit connected. The gate bias, which determines the size of the depletion region and the Current through the FET is controlled by a series-connected

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tung vorliegende Photodiodenanordnung 7 mit wenigstens einer Photodiode geliefert, die zwischen Gate und Source des FET's gelegen ist. Der Ausdruck Photodiode, wie er hier benutzt wird, bedeutet jedes lichtempfindliche Halbleiterbauelement. Die Anzahl der Photodioden ergibt sich aus der Forderung, daß bei deren Beleuchtung die an den Photodioden entwickelte Spannung wenigstens gleich der Abschnürspannung ist. Da keine andere, äußere Gate-Source-Vorspannung als die von den Photodioden erzeugte Spannung dem FET zugeführt wird, ist der FET normalerweise leitend. Die klargestellte Lichtquelle 5 ist eine LED, die in einer nicht dargestellten elektrischen Eingangsschaltung liegt.device present photodiode array 7 with at least a photodiode which is located between the gate and source of the FET. The term photodiode as used here is used means any photosensitive semiconductor device. The number of photodiodes results from the Requirement that when they are illuminated on the photodiodes developed tension at least equal to the pinch-off tension is. There is no external gate-source bias other than that voltage generated by the photodiodes is supplied to the FET, the FET is normally conductive. The clarified Light source 5 is an LED, which is not shown in a electrical input circuit is located.

Einige der von der LED emittierten Photonen werden von den Photodioden 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 Sehalter.Some of the photons emitted by the LED are absorbed by the photodiodes, and if those between the gate and source developed voltage exceeds the pinch-off voltage, the FET is turned off. Since the FET is connected to an electrical When the output circuit is connected, the entire system works as an optically coupled electrical switch.

Der beschriebene Schalter hat begrenzte Schaltgeschwindigkeitseigenschaften. Vor dem Abschalten des FET's muß nämlich dessen Eingangskapazität vom durch die Photodioden erzeugten-Strom aufgeladen werden. Die zur Aufladung der Eingangskapazität erforderliche Zeit hängt von der Intensität der Beleuchtung der Photodioden und deren Wirkungsgrad ab* Wenn die Be-The switch described has limited switching speed characteristics. Before switching off the FET, you have to its input capacitance from the current generated by the photodiodes to be charged. The one used to charge the input capacitance required time depends on the intensity of the illumination of the photodiodes and their efficiency * If the loading

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leuchtung der Photodioden 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 Photodiodenanordnung, bilden beide Stromwege hoher Impedanz. Das Resultat ist eine vergleichsweise große Zeitkonstante, die durch Überbrücken der Photodioden mit einem Widerstand Rp reduziert werden kann. Letzterer liegt parallel zur Photodiodenanordnung zwischen Gate und Source. Der Wert von Rp muß groß genug sein, um die Photodioden bei Beleuchtung nicht nennenswert zu belasten, muß aber klein genug sein, um eine Impedanz zu haben, iie im Vergleich zu der der Photodiodenanordnung oder des in Sperrichtung vorgespannten Gate/Source-Überganges klein ist.If the lighting of the photodiodes is interrupted, the FET input capacitance must first discharge before the FET is again can turn on. The paths available, the reverse biased gate / channel junction and the photodiode array, both current paths form high impedance. The result is a comparatively large time constant, which by Bridging the photodiodes with a resistor Rp is reduced can be. The latter lies parallel to the photodiode arrangement between the gate and source. The value of Rp must be large enough be so as not to load the photodiodes significantly when illuminated, but must be small enough to have an impedance to have iie compared to that of the photodiode array or the reverse biased gate / source junction is small.

Eine weitere Ausführungsform des optisch empfindlichen Schalters ist der optisch gekoppelte zweiseitige, symmetrische Schalter nach Fig. 3. Hier sind zwei Photodiodenanordnungen vorgesehen, die den FET steuern. Die Anordnung 15 hat eine oder mehrere in Serie verbundene Photodioden 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 Photodioden und liegt zwischen Gate und Drain über die in Reihe geschaltete umgekehrt gepolte Blockier-Another embodiment of the optically sensitive switch is the optically coupled bilateral, symmetrical switch of Fig. 3. Here are two photodiode arrays provided that control the FET. The arrangement 15 has one or more photodiodes connected in series and lies between Gate and source of an n-channel depletion type FET 9 across the series-connected, reversed polarity blocking diode D2. The other arrangement 13 also has one or more in Series-connected photodiodes and is located between gate and drain via the series-connected reverse-polarized blocking

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- 13 -..-■.-■ 221Q748- 13 -..- ■ .- ■ 221Q748

diode D1, Große Widerstände R^ und R^, typischerweise Grossenordnung Megohm, können zwischen Gate und Drain bzw. zwischen Gate und Source vorgesehen sein und dienen dem selben-Zweck wie der Widerstand Rp nach Fig. 2. Drain und Source des FET's 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 Photodioden in jeder Anordnung, d. h., bei Beleuchtung muß die erzeugte Spannung wenigstens gleich der Abschnürspannung des FET's sein. Die dargestellte Anordnung ist symmetrisch bezüglich Drain und Source des FET's, folglich kann der Schalter für Spannungen beiderlei Vorzeichens, die zwischen Drain und Source angelegt wird, betrieben werden. Von den Widerständen kann entweder R, oder R^ weggelassen werden, d. h., ein einziger Widerstand zwischen Gateelektrode und entweder Source-oder Drainelektrode kann benutzt werden, wenn symmetrische Schaltzeiten nicht erfoiderlich sind, wobei die Symmetrie bezüglich des Vorzeichens der Spannung beibehalten bleibt.diode D1, large resistances R ^ and R ^, typically order of magnitude Megohms, can be provided between gate and drain or between gate and source and serve the same purpose like the resistor Rp according to FIG. 2. Drain and source of the FET 9 are connected to the electrical output circuit, and the light source 11 is connected to the input electrical circuit tied together. Similar considerations as those described in connection with the embodiment of FIG. 2, determine the number of photodiodes in each array; that is, with lighting, the voltage generated must be at least equal to the pinch-off voltage of the FET. The one shown The arrangement is symmetrical with respect to the drain and source of the FET, so the voltage switch can do both Sign, which is applied between drain and source, are operated. The resistors can be either R, or R ^ can be omitted, i.e. i.e., a single resistance between Gate electrode and either source or drain electrode can be used if symmetrical switching times are not necessary while maintaining the 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 Opto-Trennglied benutzt werden kann, ist ähnlich dem des Schalters nach Fig. 2. Wird dieThe depletion type FET is independent of drain / source polarity normally conductive (= self-conductive). Operation of the switch used as an opto-isolator can, is similar to that of the switch of Fig. 2. If the

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BAD ORiGlNALORIGlNAL BATHROOM

LED 11 durch in der elektrischen Eingangsschaltung fließenden Strom eingeschaltet, dann wird Licht emittiert und fällt auf beide Photodiodenanordnungen. Wird der Drain gegenüber der Source positiv, dann erzeugt die Anordnung 15 eine gegen die Source negative Gatespannung, die die Abschnürspannung des FET's überschreitet und diesen abschaltet. Die Diode D1 verhindert eine Kopplung der positiven Drainspannung auf das Gate über die in Durchlaßrichtung vorgespannte Photodiodenanordnung 13 und negiert die negative Vorspannung, die am Gate durch die 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 Gatevorspannung, die die Abschnürspannung des FET's 9 überschreitet und diesen abschaltet. Die Diode D2 verhindert eine Kopplung der positiven Sourcespannung 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, und R^ überbrücken die Photodiodenanordnungen, um die FET-Kapazität zu entladen und die Schaltzeit herabzusetzen. Die Größen der Widerstände R-* und R. sind vergleichbar mit derLED 11 is turned on by current flowing in the input electric circuit, then light is emitted and falls on both photodiode arrays. If the drain becomes positive with respect to the source, then the arrangement produces 15 a gate voltage negative with respect to the source, which exceeds the pinch-off voltage of the FET and switches it off. The diode D1 prevents coupling of the positive drain voltage to the gate via the forward biased one Photodiode array 13 and negates the negative bias voltage generated at the gate by the array 15. When the LED 11 is on and the drain-source polarity is reversed from that described, supplies the arrangement 13 has a negative gate bias voltage which exceeds the pinch-off voltage of the FET 9 and switches it off. The diode D2 prevents coupling of the positive source voltage to the gate via the forward-biased one Arrangement 15 and therefore negates the negative bias voltage supplied by arrangement 13 to the gate will. The entire system works as an optically coupled electrical switch that operates between drain and Source applied voltage is symmetrical. The resistors R, and R ^ bridge the photodiode arrays to the Discharge FET capacity and reduce the switching time. The sizes of the resistors R- * and R. are comparable to the

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des Widerstandes Rp. R-* braucht nicht gleich R^ zu sein, wenn symmetrische Schaltzeiten nicht erforderlich sind.of the resistance Rp. R- * does not have to be equal to R ^, when symmetrical switching times are not required.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird eine optische Zweipegelsteuerung erreicht. Der n-Kanal-Verarmungstyp-FET 17, die Photodiodenanordnung 23 und die LED 21 arbeiten wie der vorstehend in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene optisch empfindliche Schalter. LED 19 und FET 17, der nun optisch empfindlich ist, arbeiten wie der übliche photoempfindliche 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 Gatewiderstand 5 wird eine Spannung durch den im äußeren Stromkreis fließenden Strom entwickelt, der durch die in der Verarmungszone absorbierten Photonen erzeugt wird.In the embodiment of FIG. 4, an optical two-level control is used achieved. The n-channel depletion type FET 17, the photodiode array 23 and the LED 21 operate again optically sensitive switches described above in connection with FIG. LED 19 and FET 17, which is now optical is sensitive, work like the usual photosensitive FET switch according to FIG. 1. The optically sensitive FET is switched on when the LED 21 is switched off. Is the LED 21 is on, then the FET is off when the LED 19 is off, but is on when the LED 19 is on. In this embodiment, the LED 19 provides a control similar to the light source, e.g. B. an LED, with the usual light-sensitive FET switch. At the gate resistor 5 is a voltage through the in the outer Electric circuit develops flowing current, which is generated by the photons absorbed in the depletion zone.

Die zu beachtenden Entwurfsparameter sind bekannt. Beispielsweise sind die Photodiodensammelflache, der Wirkungsgrad, die Beleuchtungsdichte und die Anzahl der Photodioden mit der zur Abschaltung des FET-'s erforderlichen Zeit verknüpft. Zu-The design parameters to be considered are known. For example, the photodiode collecting area, the efficiency, the lighting density and the number of photodiodes are linked to the time required to switch off the FET. To-

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sätzlich 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 Photodiodenanordnung und des in Sperrichtung betriebenen Gate/Source-Überganges mit der Zeit verknüpft, die zum Einschalten des FET's benötigt wird. Im allgemeinen werden minimale Schaltzeiten bei gesättigtem Schalten mit großen LED-Strömen, d. h. hohen Photodiodenanordnung-Strömen, niedrigen Übergangskapazitäten und niedrigen Parallelwiderständen erreicht. Änderungen in und Beziehungen zwischen den Parallelv/iderständen, dem Lastwiderstand, dem Photodiodenstrom, der Anzahl Photodioden, der Photodiodenspannung, der FET-Abschnürspannung und den Schaltgeschwindigkeiten sind dem einschlägigen Fachmann bekannt und brauchen nicht weiter erörtert zu werden.In addition, after the LED has been switched off, the time constant is that of the discharge of the gate / source capacitance via the parallel resistor (if present) is associated with the large impedance of the photodiode array and of the reverse direction operated gate / source transition is linked to the time required to switch on the FET. In general minimum switching times for saturated switching with large LED currents, i.e. H. high photodiode array currents, low transition capacitances and low parallel resistances are achieved. Changes in and relationships between the parallel resistances, the load resistance, the photodiode current, the number of photodiodes, the photodiode voltage, the FET pinch-off voltage and the switching speeds are known to the person skilled in the art and do not need to be discussed further.

Als Beispiel für in der Praxis zu erwartender Schaltgeschwindigkeiten und anderer Parameter wurde das Ansprechverhalten des Schalters nach Fig. 2, der eine Transkonduktanz von etwa 32000 jaOhm besaß, gemessen. Die Abschnürspannung des FET war 2,5 Volt, und der Selbstabschnürstrom (V_GS = 0) war 110 mA. R₂ war 470 kOhm, die Speisespannung war 10 Volt und der Lastwiderstand betrug 1000 0hm. Mit einer mit 10 mA Gleichstrom betriebenen GaAlAs-LED wurde das gesättigte Schaltverhalten einer Anordnung mit drei in Reihe geschalteter GaAlAs-As an example of 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 about 32,000 yes ohms, was measured. The pinch off voltage of the FET was 2.5 volts and the self pinch off current (V _GS = 0) was 110 mA. R ₂ was 470 kOhm, the supply voltage was 10 volts and the load resistance was 1000 0hm. With a GaAlAs LED operated with 10 mA direct current, the saturated switching behavior of an arrangement with three GaAlAs connected in series was

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LED's als Photodetektoren wie folgt befunden: Gesamt-Abschaltzeit von etwa 50 MikrοSekunden, Gesamt-Einschaltzeit etwa 50 MikrοSekunden.LEDs as photodetectors found as follows: total switch-off time of about 50 microseconds, total switch-on time about 50 microseconds.

Obgleich die Erfindung anhand von-Ausführungsformen-mit n-Kanal-Verarmungstyp-FET's beschrieben worden ist, die zu normalerweise eingeschalteten Schaltern und Qpto-Trenngliedern führen, können auch p-Kanal-Verarmungstyp-FET's benutzt werden, wenn die Polaritäten der Photodiodenanordnungen und der Blockierdioden umgekehrt werden. η-Kanal·- oder p-Kanal~ Anreicherungstyp-FET's können gleichfalls benutzt werden. Mit Anreicherungstyp-FET's muß die Photodiodenanordnung eine Spannung erzeugen, die die Gate-Schwellenv/ertspannung überschreitet. Dieses führt zu normalerweise ausgeschalteten Schaltern und Opto-Trenngliedern, und die Polarität der Diodenanordnung wird gegenüber der in Verbindung mit den n-Kanal-Verarmungstyp-FET's beschriebenen umgekehrt sein. Der symmetrische Schalter mit Verstärkungstyp-FEf^fs 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 Gateschwellenwertspannung des FET's sein.Although the invention has been described in terms of embodiments with n-channel depletion-type FETs which result in normally on switches and Qpto isolators, p-channel depletion-type FETs can also be used if the polarities of the photodiode arrays and the Blocking diodes are reversed. η-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 gate threshold voltage. This results in switches and opto-isolators normally 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 switch with gain type -FEf ^f s can only be used for small values of the drain-source voltage. The resistors act as voltage dividers and the gate-source or gate-drain voltage generated by the voltage divider must be less than the gate threshold voltage of the FET.

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

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Claims

BLUMBACH · WESER .BERGEN · KRAMER

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New York, N.Y., USA. . King 2

Optically coupled FET switch

Patent claims

Optically sensitive switch with a field effect transistor (hereinafter referred to as FET), which has a source, has a gate and a drain electrode, the Source and drain electrodes are connected to an electrical output circuit, and with one optically to one Light source coupled control arrangement for controlling the current through the FET,

denoted by the fact that the control arrangement one between the gate and source electrodes switched photodiode arrangement with at least one photodiode, wherein, if more than one photo

Mouths: R. Kramer Oipl.-ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat · H. P-. Brehm Dipl.-Chem. Dr, pnil. nat. Wiesbaden; P. G. Biumbach Oipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Tirol.jur. . G. ZwirnerDipl.-Ing. Dipl.-W.-lng.

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diode is present, the photodiodes are connected in series with one another and the number of photodiodes in the arrangement is chosen so that, when illuminated by the light source, sufficient voltage to control the current flowing through the FET is generated.

2. Switch according to claim 1, characterized in that that the FET is a depletion type FET.

3. Switch according to claim 1 or 2, characterized in that the light source with an electrical Input circuit is connected.

4. Switch according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a resistor between the gate and source electrodes to increase the switching speed of the FET between its on and off states is located.

5. Switch according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the control arrangement is constructed consists of a reverse polarity blocking diode, which is in series with the photodiode arrangement between the gate and the source electrode, another similar photodiode array having at least one photodiode, the

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is located between the gate and drain electrodes, and another reverse blocking diode shown in Row with the further photodiode array is located between the gate and drain electrodes.

6. Switch according to claim 5, characterized in that the control arrangement has a further parallel resistor which is located between the gate electrode and the drain electrode for increasing the switching speed of the PET ^f s between its on and off state.

7. Switch according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the FET is an optically sensitive Zone has and that a further light source, which is connected to a second electrical input circuit, optical is coupled to the optically sensitive zone.

8. Switch according to claim 7 »characterized in that that a resistor is provided between the gate and source electrodes in series with the photodiode array is.

9. Switch according to claim 1, characterized in that that the FET is an enhancement type FET.

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