DE69403368T2

DE69403368T2 - Photokopplerapparat

Info

Publication number: DE69403368T2
Application number: DE69403368T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Aizawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2014-03-19
Also published as: JP2807388B2; US5418381A; EP0616375A2; EP0616375B1; KR940022929A; JPH06276079A; EP0616375A3; DE69403368D1; KR0164638B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Photokopplergerät, das auf seiner Sekundärseite einen ausgangsseitigen MOSFET aufweist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Photokopplergerät, das imstande ist, den Ausgangsstrom, der durch die leitenden Elektroden des ausgangsseitigen MOSFETs fließt, auf weniger als einen bestimmten Wert zu begrenzen.
In Fig. 1 ist der Schaltungsaufbau eines Photokopplergeräts bzw. Photokoppierapparates gezeigt, der in Übereinstimmung mit einem Stand der Technik für die vorliegende Erfindung steht. Dieses Gerät ist in "Optically Coupled Power MOSFET Technology: A Monolithic Replacement For Electromechanical Relais", Elektro '83, Sitzungsaufzeichnung 7/3, IEEE 1983, beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist dieser Photokopplerapparat auf seiner Primärseite eine lichtaussendende Diode bzw. Leuchtdiode 1 zum Aussenden von Licht dann, wenn er an den Anschlüssen 6 und 6' Eingangssignale empfängt, auf. Auf der Sekundärseite dieses Apparates sind eine erste Photodiodenanordnung 2a, ein zur Entladung dienender MOSFET 10b, eine zweite Photodiodenanordnung 10a, ein erster und ein zweiter ausgangsseitiger MOSFET 5 und 5', eine erste und eine zweite parasitäre Diode 5a und 5a', ein erster und ein zweiter Widerstand 4 und 4' für die Stromerfassung sowie ein erster und ein zweiter bipolarer Transistor 3a und 3a' vorgesehen. Bei diesem Gerät erzeugt die erste Photodiodenanordnung 2a eine elektromotorische Kraft, wenn sie von der lichtaussendenden Diode 1 ein Lichtsignal empfängt. Auf der anderen Seite steuert die zweite Photodiodenanordnung 10a den zur Entladung dienenden MOSFET 10b an, wenn sie das von der lichtaussendenden Diode 1 erzeugte Lichtsignal empfängt. Ferner arbeiten die bipolaren Transistoren 3a und 3a' als Schaltungen zur Strombegrenzung.
Bei dem Apparat sind die zur Stromerfassung dienenden Widerstände 4 und 4' in Reihe mit den leitenden Elektroden des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' geschaltet. Die Basis-Emitter-Verbindungen der bipolaren Transistoren 3a und 3a' werden durch die Spannungsdifferenz vorgespannt, die sich an dem Widerstand 4 oder 4' ausgebildet hat, wodurch die Gate-Source-Spannungen des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs gesteuert werden. Als Ergebnis werden die Ströme, die durch die leitenden Elektroden der MOSFETs 5 und 5' fließen, auf weniger als einen gewissen Wert begrenzt.
Der Ausgangsstrom, der zwischen den Anschlüssen 7 und 7' fließt, wird somit in Abhängigkeit von den Widerstandswerten der zur Stromerfassung dienenden Widerstände 4 und 4' sowie den Basis-Emitter-Spannungen VBE (d.h. von VF des Basis-Emitter-Übergangs) der bipolaren Transistoren 3a und 3a' begrenzt. Üblicherweise ist die Spannung VBE der bipolaren Transistoren 3a und 3a', die aus Silizium hergestellt sind, ungefähr gleich 0,5 V. An jedem Widerstand 4 und 4' sollte daher eine Spannung gebildet werden, die größer ist als 0,5 V, damit der ausgangsseitige Strom begrenzt wird.
Aufgrund des vorstehend angegebenen Sachverhalts kann der Widerstandswert der zur Stromerfassung dienenden Widerstände 4 und 4' nicht unter einen gewissen Wert verringert werden, der von dem zu begrenzenden Stromwert abhängt. Diese Tatsache führt nicht nur zu einer Vergrößerung des Einschaltwiderstands Ron eines fertigen Produkts (des Einschaltwiderstands der ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' sowie der Werte der Widerstände 4 und 4'), sondern auch zu einer Erhöhung von dessen Wärmeverlusten. Als Ergebnis ist der Photokopplerapparat gemäß dem Stand der Technik dahingehend nachteilhaft, daß die Stromkapazität dieses Apparats nicht sehr groß ausgelegt werden kann. Anders ausgedrückt kann der Apparat keinen großen Strom verkraften.
In der US-PS 4006949 ist ein Photokopplerapparat in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 offenbart. Der ausgangsseitige MOSFET ist mit einem Fühlwiderstand verbunden, wobei der Verbindungspunkt zwischen diesen Bauelementen über Widerstände mit der Basis von weiteren Transistoren verbunden ist, die auf die Basis des ausgangsseitigen MOSFETs einwirken.
Diese Erfindung ist im Hinblick auf die Überwindung der vorstehend erläuterten Probleme des Photokopplerapparats gemäß dem Stand der Technik geschaffen worden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Photokoppierapparat zu schaffen, der zur Verringerung seines Einschaltwiderstands imstande ist, um hierdurch dem fertigen Produkt eine hohe Stromkapazität zu verleihen.
Zur Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe weist der Photokoppierapparat gemäß dieser Erfindung die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf.
In Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der zur Stromerfassung dienende Widerstand 4 in Reihe mit den leitenden Elektroden bzw. Leitungselektroden des ausgangsseitigen MOSFETs 5 geschaltet, um hierdurch den Strom, der durch die leitenden Elektroden des MOSFETs fließt, auf einen bestimmten Wert zu beschränken. Die Spannungsdifferenz, die an dem Widerstand 4 gebildet wird, wird durch eine zweite Photodiodenanordnung 2b verstärkt und an die Basis des bipolaren Transistors 3 angelegt. Üblicherweise ist eine Spannung von mehr als 0,5 V erforderlich, um den bipolaren Transistor 3 einzuschalten. Dies bedeutet, daß der Widerstand 4 einen Widerstandswert aufweisen sollte, der ausreichend groß ist, um eine Spannung von mehr als 0,5 V bei einem Strom zu erzeugen, der einen gewissen, zu begrenzenden Wert aufweist. Bei dieser Erfindung wird jedoch die Spannung, die an dem Widerstand 4 abfällt, durch die zweite Photodiodenanordnung 2b verstärkt, bevor sie an die Basis des bipolaren Transistors 3 angelegt wird. Demgemäß kann die erforderliche Spannung, die an dem Widerstand 4 zu erzeugen ist, bei der vorliegenden Erfindung in starkem Maße verringert werden. Es sei angenommen, daß VBF des bipolaren Transistors 3 gleich 0,5 V ist und daß die Spannung, die durch die zweite Photodiodenanordnung 2b erzeugt wird, gleich 0,4 V ist. In diesem Fall ist es bei dem Photokopplerapparat gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich, daß an dem Widerstand 4 eine Spannung von 0,1 V gebildet wird. Bei dem Apparat gemäß dem Stand der Technik sollte demgegenüber ein Wert von 0,5 V an dem Widerstand 4 abfallen. Diese Erfindung kann somit den Wert des Widerstands 4 im Vergleich mit demjenigen bei dem herkömmlichen Apparat in starkem Maße verringern.
Im allgemeinen sollte die elektrische Spannungsversorgung, die zur Verstärkung der an dem Widerstand 4 entwickelten Spannung verwendet wird, isoliert sein. In manchen Fällen ist eine Mehrzahl von solchen Spannungsversorgungen erforderlich, die jeweils voneinander isoliert sind. Es ist daher bei dem Stand der Technik sehr schwierig, solche Spannungsversorgungen aus externen Schaltungen zu erhalten. Im Gegensatz hierzu ist es bei der vorliegenden Erfindung sehr einfach, eine solche Spannungsversorgung zu realisieren, da die zweite Photodiodenanordnung 2b eine potentialungebundene Spannungsversorgung darstellt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist, zusätzlich zu dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau ein zweiter ausgangsseitiger MOSFET 5', ein zweiter Widerstand 4', eine zweite Strombegrenzerschaltung 3' und eine dritte Photodiodenanordnung 2b' vorgesehen. Der Photokopplerapparat, der dieses Merkmal aufweist, ist dazu einsetzbar, eine Wechselstromlast anzusteuern, wohingegen durch den Apparat, der die vorstehend erläuterten Merkmale aufweist, eine Gleichstromlast angesteuert wird. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Photokopplergerät können eine erste und eine zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung (Strombegrenzerschaltung) 3 und 3' durch bipolare Transistoren 3a und 3a' gebildet sein, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Darüberhinaus können diese beiden, zur Strombegrenzung dienenden Schaltungen 3 und 3' durch die gleiche Photodiodenanordnung 2b angesteuert werden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. In diesem Fall kann ein Photokopplerapparat realisiert werden, der eine kleinere Größe aufweist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung k'nnen, wie in Fig. 6 gezeigt ist, zusätzlich zu dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau ein dritter Widerstand 8 und eine Gleichrichterdiode 9 vorgesehen seien, um hierdurch die Abschaltzeit dieses Geräts zu verringern.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Differenzverstärker Amp vorgesehen, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, der dazu dient, die Spannungsdifferenzen zu ermitteln, die zwischen den Widerständen 4 und 4' auftreten. Bipolare Transistoren 3a und 3a' (d.h. die zur Strombegrenzung dienenden Schaltungen 3 und 3') werden dadurch angesteuert, daß sie mit Hilfe dieser erfaßten Spannungen aktiviert werden. Dieser Verstärker kann die Größe der Spannung in die Form seiner Empfindlichkeit bzw. in Abhängigkeit von seiner Empfindlichkeit ändern, die durch Änderung der Schaltungskonstanten leicht verbessert werden kann. Demgemäß können die Werte der Widerstände 4 und 4' stark verringert werden, indem eine hohe Empfindlichkeit in diesem Verstärker eingestellt wird. Eine vierte Photodiodenanordnung 2b" kann als eine elektrische Spannungsquelle für den Verstärker vorgesehen werden. In diesem Fall ist keine externe Spannungsversorgung erforderlich.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher erkennbar.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild, in dem der Aufbau eines herkömmlichen Photokoppierapparats gezeigt ist,
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild, in dem der Aufbau eines Photokopplerapparats in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild, in dem der Aufbau eines Photokopplerapparats in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild, in dem der detaillierte Aufbau des Photokopplerapparats in Übereinstimmung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
Fig. 5 zeigt ein Schaltbild, in dem der Aufbau eines Photokopplerapparats in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
Fig. 6 zeigt ein Schaltbild, in dem der Aufbau eines Photokopplerapparats in Übereinstimmung mit dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, und
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild, in dem der Aufbau eines Photokopplerapparats in Übereinstimmung mit dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt den Schaltungsaufbau eines Photokopplerapparats in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in dieser Figur gezeigt ist, weist der Photokopplerapparat bzw. der Photokoppier die folgenden Merkmale auf: eine lichtaussendende Diode bzw. Leuchtdiode 1 zum Aussenden von Licht, wenn sie durch ein Eingangssignal aktiviert wird, das über die Anschlüsse 6 und 6' angelegt wird; eine erste Photodiodenanordnung 2a zur Erzeugung von elektromotorischer Kraft bei Empfang eines von der lichterzeugenden Diode 1 abgegebenen Lichtsignals; einen ausgangsseitigen MOSFET (Ausgangs-MOSFET) 5, der durch die elektromotorische Kraft angesteuert wird, die von der ersten Photodiodenanordnung 2a erzeugt wird; eine zur Strombegrenzung dienende Schaltung bzw. Strombegrenzungsschaltung 3, die das Verhalten des MOSFETs 5 derart steuert, daß der Strom, der durch die leitenden Elektroden des MOSFETs 5 fließt, auf weniger als einen bestimmten Wert begrenzt wird; einen zur Stromerfassung dienenden Widerstand bzw. Stromerfassungswiderstand 4, dessen eines Ende mit der Source des MOSFETs 5 verbunden ist; eine zweite Photodiodenanordnung 2b, die elektromotorische Kraft erzeugt, wenn sie das von der lichtaussendenden Diode 1 abgegebene Lichtsignal empfängt, und die die zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 mittels dieser elektromotorischen Kraft ansteuert; und Ausgangsanschlüsse 7 und 7'.
Die Schaltung 3 ist de facto durch einen bipolaren Transistor 3a gebildet ist, dessen Kollektor mit dem Gate des ausgangsseitigen MOSFETs 5 verbunden ist, dessen Emitter an ein anderes Ende des zur Stromerfassung dienenden Widerstands 4 angeschlossen ist und dessen Basis mit der Verbindung zwischen dem Widerstand 4 und der Source des MOSFETs 5 über die Photodiodenanordnung 2b verbunden ist.
Bei dem vorstehend erläuterten Aufbau erzeugt die erste Photodiodenanordnung 2a eine elektromotorische Kraft, wenn sie durch das von der lichtaussendenden Diode 1 erzeugte Lichtsignal aktiviert wird. Der ausgangsseitige MOSFET 5 wird durch diese elektromotorische Kraft angesteuert. Wenn ein Strom, der einen vorbestimmten Wert überschreitet, zwischen den Ausgangsanschlüssen 7 und 7' fließt, während sich der MOSFET 5 in seinem eingeschalteten Zustand befindet, gelangt die zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 (bipolarer Transistor) in einen aktiven Zustand, da er durch die Spannungsdifferenz vorgespannt wird, die sich an dem Widerstand 4 aufbaut. In diesem aktiven Zustand bewirkt die Schaltung 3 eine Steuerung der zwischen Gate und Source auftretenden Spannung des MOSFETs 5 und begrenzt den Strom, der zwischen den Ausgangsanschlüssen 7 und 7' fließt, unter den vorbestimmten Wert.
Es sei als Beispiel ein Fall betrachtet, bei dem der ausgangsseitige Strom auf einen Wert von unterhalb 150 mA zu begrenzen ist. Es sei angenommen, daß VBE des bipolaren Transistors 3 gleich 0,5 V ist und daß die Spannung, die durch die zweite Photodiodenanordnung 2b erzeugt wird, gleich 0,4 V ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit als Spannung, die an dem Widerstand 4 abfällt, ein Wert von 0,1 V erforderlich, wohingegen bei dem Photokopplerapparat gemäß dem Stand der Technik (in Fig. 1 gezeigt), bei dem die zweite Photodiodenanordnung 2b nicht enthalten ist, ein Wert von 0,5 V erforderlich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird daher für den Widerstand 4 ein Wert von ungefähr 0,67 Ω benötigt (0,1 V / 150 mA 0,67 Ω, wohingegen bei dem Stand der Technik ein Wert von ungefahr 3,33 Ω erforderlich ist (0,5 V /150 mA 3,33 Ω). Demgemäß ist der Wert des Widerstands 4 bei diesem Ausführungsbeispiel im Vergleich mit demjenigen bei dem Photokopplerapparat nach dem Stand der Technik in starkem Ausmaß verringert.
Darüber hinaus verhält sich die zweite Photodiodenanordnung 2b wie eine elektrische Quelle zur Verbesserung der Erfassungsempfindlichkeit der zur Strombegrenzung dienenden Schaltung (bipolarer Transistor) 3 (d.h. der Empfindlichkeit der zur Strombegrenzung dienenden Schaltung 3 hinsichtlich der Erfassung der Spannungsdifferenz, die an dem Widerstand 4 auftritt). Im allgemeinen sollte die elektrische Quelle für eine solche Verwendungen gegenüber dem restlichen Teil der Elemente isoliert sein. In manchen Fällen ist eine Mehrzahl von solchen elektrischen Quellen, die jeweils voneinander isoliert sind, erforderlich. Aufgrund dieser Sachlage ist es nahezu unmöglich, solche elektrischen Quellen durch externe Schaltungen zu erzielen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann jedoch eine solche elektrische Quelle ohne irgendwelche Schwierigkeiten gebildet werden, da die zweite Photodiodenanordnung 2b potentialmäßig nicht fest angebunden ist.
Nachfolgend wird das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erläutert.
Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, weist der Photokopplerapparat gemäß diesem Ausführungsbeispiel die folgenden Merkmale auf: die lichtaussendende Diode 1 für die Erzeugung eines Lichtsignals, wenn sie durch ein eingangsseitiges Signal aktiviert wird; die erste Photodiodenanordnung 2a zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft, wenn sie das von der lichtaussendenden Diode 1 erzeugte Lichtsignal empfängt; den ersten und den zweiten ausgangsseitigen MOSFET 5 und 5', deren Gateelektroden jeweils miteinander kurzgeschlossen sind; die erste und die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 und 3'; den ersten und den zweiten, zur Stromerfassung dienenden Widerstand 4 und 4'; und eme erste und eine zweite Photodiodenanordnung 2b und 2b' zur jeweiligen Ansteuerung der ersten bzw. der zweiten, zur Strombegrenzung dienenden Schaltung 3 und 3'. Bei dem vorstehend erläuterten Aufbau werden der erste und der zweite ausgangsseitige MOSFET 5 und 5' durch die elektromotorische Kraft angesteuert, die durch die erste Photodiodenanordnung 2a erzeugt wird. Die zur Strombegrenzung dienenden Schaltungen 3 und 3' steuern den ersten bzw. den zweiten MOSFET 5 und 5' und begrenzen den Ausgangsstrom, der jeweils durch deren leitende Elektroden fließt, auf einen gewissen maximalen Wert. Darüber hinaus ist jeweils ein Ende jedes zur Stromerfassung dienenden Widerstands 4 und 4' mit der jeweiligen Source des MOSFETs 5 oder 5' verbunden, wohingegen die anderen Enden direkt miteinander verbunden sind.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Gleichspannungslast zwischen den Anschlüssen 7 und 7' gesteuert. Im Gegensatz hierzu ist das zweite Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, daß eine Wechselstromlast zwischen den Anschlüssen 7 und 7' betrieben werden kann. Daher sind bei dem Photokopplerapparat gemäß diesem Ausführungsbeispiel die MOSFETs, die zur Strombegrenzung dienenden Schaltungen, die zur Stromerfassung dienenden Widerstände und die Photodiodenanordnungen jeweils paarweise vorhanden.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, kann eine erste, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 durch einen ersten bipolaren Transistor 3a gebildet sein, dessen Kollektor an das Gate des ersten ausgangsseitigen MOSFETs 5 angeschlossen ist, dessen Emitter mit dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 4 und 4' verbunden ist, und dessen Basis an die Verbindung zwischen der Source des ersten MOSFETs 5 und dem ersten Widerstand 4 über die zweite Photodiodenanordnung 2b angeschlossen ist. In der gleichen Weise kann die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3' durch einen zweiten bipolaren Transistor 3b gebildet sein, dessen Kollektor an das Gate des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5' angeschlossen ist, dessen Emitter mit dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 4 und 4' verbunden ist, und dessen Basis an die Verbindung zwischen der Source des zweiten MOSFETs 5' und dem zweiten Widerstand 4' über die dritte Photodiodenanordnung 2b' angeschlossen ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erzeugt die erste Photodiodenanordnung 2a eine elektromotorische Kraft, wenn sie durch das von der lichtaussendenden Diode 1 erzeugte Lichtsignal aktiviert wird, und steuert den ersten und den zweiten ausgangsseitigen MOSFET 5 und 5' mit dieser elektromotorischen Kraft an. Die Arbeitsweise dieses Photokopplerapparats wird im folgenden unter Bezugnahme auf einen Fall erläutert, bei dem ein Strom von dem ersten Ausgangsanschluß 7 zu dem zweiten Ausgangsanschluß 7' fließt.
Wenn ein Strom, der einen vorbestimmten Wert überschreitet, zwischen den Anschlüssen 7 und 7' fließt, tritt an dem Widerstand 4 eine Spannungsdifferenz bzw. ein Spannungsabfall auf. Diese Spannung wird durch die Photodiodenanordnung 2b verstärkt, und es wird der Basis-Emitter-Übergang des bipolaren Transistors 3a durch die in dieser Weise verstärkte Spannung vorgespannt. Der bipolare Transistor 3a gelangt dann in den Einschaltzustand, so daß der Strom, der durch die erste Photodiodenanordnung 2a erzeugt wird, durch den Transistor 3a fließen kann. Hierdurch wird die Gatespannung des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' verringert. Als Ergebnis hiervon erhöhen sich die Einschaltwiderstände der MOSFETs 5 und 5', wodurch eine Verringerung des ausgangsseitigen Stroms hervorgerufen wird, was zu einer Steuerung des Ausgangsstroms derart, daß er unter dem vorbestimmten Wert liegt, führt.
Die Stromsteuerung in einem Fall, bei dem der ausgangsseitige Strom von dem Anschluß 7' zu dem Anschluß 7 fließt, ist analog zu dem vorstehend erläuterten Fall.
Wie vorstehend beschrieben ist, arbeitet dieses Ausführungsbeispiel mit der zweiten und der dritten Photodiodenanordnung 2b und 2b', die die elektrischen Spannungsquellen für die erste und die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 und 3, (bipolare Transistoren 3a und 3a') bilden, um hierdurch deren Erfassungsempfindlichkeit zu verbessern. Als Ergebnis können die Werte der zur Stromerfassung dienenden Widerstände 4 und 4' bei diesem Ausführungsbeispiel stark verringert werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird nun das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert.
Der Photokoppierapparat gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel dahingehend, daß bei dem dritten Ausführungsbeispiel die zweite Photodiodenanordnung 2b als eine gemeinsame elektrische Quelle sowohl für die erste als auch für die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 und 3, eingesetzt wird.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist die erste, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 (bipolarer Transistor 3a) mit dem ersten ausgangsseitigen MOSFET 5 in der folgenden Weise verbunden: dessen Kollektor ist mit dem Gate des ersten ausgangsseitigen MOSFETs 5 verbunden; dessen Emitter ist an den Verbindungspunkt zwischen dem ersten ausgangsseitigen MOSFET 5 und dem ersten, zur Stromerfassung dienenden Widerstand 4 angeschlossen; und dessen Basis ist an den Kurzschluß bzw. an die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten, zur Stromerfassung dienenden Widerstand 4 und 4' über die zweite Photodiodenanordnung 2b angeschlossen. In gleichartiger Weise ist die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3' (bipolarer Transistor 3a') mit dem zweiten ausgangsseitigen MOSFET 5' in der folgenden Weise verbunden: ihr Kollektor ist mit dem Gate des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5' verbunden, ihr Emitter ist an die Verbindung zwischen dem zweiten ausgangsseitigen MOSFET 5' und dem zweiten, zur Stromerfassung dienenden Widerstand 4' angeschlossen; und ihre Basis ist an den Kurzschluß zwischen dem ersten und dem zweiten, zur Stromerfassung dienenden Widerstand 4 und 4' über die zweite Photodiodenanordnung 2b angeschlossen.
Der bei diesem Ausführungsbeispiel auftretende Stromsteuerungsmechanismus wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einen Fall erläutert, bei dem der ausgangsseitige Strom von dem Anschluß 7 zu dem Anschluß 7' fließt.
Wenn ein Strom, der einen vorbestimmten Wert überschreitet, zwischen den Anschlüssen 7 und 7' fließt, wird an dem zur Stromerfassung dienenden Widerstand 4' eine Spannungsdifferenz aufgebaut bzw. ein entsprechender Spannungsabfall erzeugt. Diese Spannung wird durch die zweite Photodiodenanordnung 2b verstärkt, und es wird der Basis-Emitter- Vorgang des Transistors 3a' durch die in dieser Weise erhöhte Spannung vorgespannt. Als Ergebnis schaltet der Transistor 3a' ein, um hierdurch den Strom, der durch die erste Photodiodenanordnung 3a erzeugt wird, umzuleiten. Die Gatespannung des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' verringert sich aufgrund dieser Einschaltung des Transistors 3a'. Die Einschaltwiderstände der MOSFETs 5 und 5' werden somit derart gesteuert, daß der Ausgangsstrom unter den vorbestimmten Wert begrenzt wird. Der Stromsteuerungsmechanismus bei einem Fall, bei dem der Ausgangsstrom von dem Anschluß 7' zu dem Anschluß 7 fließt, ist analog zu dem vorstehend erläuterten Fall.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel die zweite Photodiodenanordnung 2b als eine elektrische Quelle für die erste und die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 und 3' (die bipolaren Transistoren 3a und 3a') verwendet, um hierdurch deren Stromerfassungsempfindlichkeit zu verbessern. Daher können die Widerstandswerte der zur Stromerfassung dienenden Widerstände 4 und 4' bei diesem Ausführungsbeispiel in starkem Umfang verringert werden. Darüber hinaus kann bei diesem Ausführungsbeispiel Chipfläche für diesen Photokopplerapparat eingespart werden, da die erste und die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 und 3' (bipolare Transistoren 3a und 3a') gemeinsam durch die zweite Photodiodenanordnung 2b angesteuert werden.
Nachfolgend wird das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert.
Zusätzlich zu dem Aufbau des Photokopplerapparats, wie er bei dem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, enthält der Photokopplerapparat gemäß diesem Ausführungsbeispiel ferner einen dritten Widerstand 8, der zwischen die jeweiligen Basen und Kollektoren des ersten und des zweiten bipolaren Transistors 3a und 3a' eingefügt ist, sowie eine Gleichrichterdiode 9, die zwischen die zweite Photodiodenanordnung 2b und den Kurzschluß zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 4 und 4' eingefügt ist. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist die Gleichrichterdiode 9 mit der zweiten Photodiode 2b in Reihe, jedoch im entgegengesetzten Sinn (umgekehrt seriell) geschaltet.
Der erste und der zweite bipolare Transistor 3a und 3a' werden bei diesem Ausführungsbeispiel dazu benutzt; die Gate- und Sourcekapazitäten des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' zu entladen, sobald der Ausgangsstrom abgeschaltet worden ist.
Der bei diesem Ausführungsbeispiel eingesetzte Stromsteuerungsmechanismus wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einen Fall erläutert, bei dem ein Strom von dem Anschluß 7 zu dem Anschluß 7' fließt.
Wenn ein Strom, der einen vorbestimmten Wert überschreitet, zwischen den Anschlüssen 7 und 7' fließt, tritt an dem zur Stromerfassung dienenden Widerstand 4' eine Spannungsdifferenz bzw. ein Spannungsabfall auf. Auch wenn diese Spannung durch VF (Vorwärtsspannungsabfall) der Gleichrichterdiode 9 verringert wird, wird sie durch die zweite Photodiodenanordnung 2b weiter erhöht bzw. verstärkt und spannt den Basis-Emitter- Übergang des bipolaren Transistors 3a' derart vor, daß dieser eingeschaltet wird. Dies ermöglicht es, daß der Strom, der durch die erste Photodiodenanordnung 2b fließt, durch den Transistor 3a' fließen kann. Zur gleichen Zeit fließt ein kleiner Strom durch den Widerstand 8. Dieser Strom kann jedoch ignoriert werden, solange der Widerstand 8 einen großen Widerstandswert aufweist. Als Ergebnis verringert sich die Gatespannung des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' und es erhöht sich daher deren Einschaltwiderstand Ron. Der Ausgangsstrom kann daher derart gesteuert werden, daß er unter dem vorbestimmten Wert liegt. Der Stromsteuerungsablauf in einem Fall, bei dem ein ausgangsseitiger Strom von dem Anschluß 7 zu dem Anschluß 7' fließt, ist analog zu dem vorstehend beschriebenen Fall.
Nachstehend wird der Entladungsmechanismus des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' erläutert, der auftritt, sobald der Ausgangsstrom abgeschaltet worden ist.
Sobald die erste Photodiodenanordnung 2b die Erzeugung der elektromotorischen Kraft beendet hat, fließt ein Teil der positiven Ladungen, die an den Gates des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' gespeichert sind, in die Basiselektroden der bipolaren Transistoren 3a und 3a' über den Widerstand 8. Zu diesem Zeitpunkt trennt die Gleichrichterdiode 9 die Basiselektroden der bipolaren Transistoren 3a und 3a' jeweils von den Sourceelektroden des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' ab, um zu vermeiden, daß die Basiselektroden der bipolaren Transistoren 3a und 3a' durch die negativen Ladungen, die in den Sourceelektroden des ersten und des zweiten MOSFETs 5 und 5' gespeichert sind, negativ vorgespannt werden. Als Ergebnis führt ein Teil der positiven Ladungen, die von den Gateelektroden des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' in deren Basiselektroden geflossen sind, dazu, daß die bipolaren Transistoren 3a und 3a' eingeschaltet werden, so daß der erste und der zweite ausgangsseitige MOSFET 5 und 5' die elektrischen Ladungen, die in ihren Gates und Sources gespeichert sind, entladen können. Folglich gelangen die Ausgangsanschlüsse 7 und 7' in den ausgeschalteten Zustand.
Wie vorstehend erläutert, fließt ein Teil der gespeicherten Ladungen in den jeweiligen Gates und Sources der MOSFETs 5 und 5' in die jeweiligen Basen der bipolaren Transistoren 3a und 3a', wenn dieser Apparat abgeschaltet wird. Als Ergebnis wird ein Entladestrom, der einen Stromverstärkungsfaktor hFE aufweist, zwischen den jeweiligen Kollektoren und Emittern der bipolaren Transistoren 3a und 3a' erzeugt. Die Gate-Source-Ladungen des ersten und des zweiten MOSFETs 5 und 5' werden somit rasch entladen, so daß eine Abschaltung des ausgangsseitigen Stroms mit hoher Geschwindigkeit erzielt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die zweite Photodiodenanordnung 2b als eine elektrische Quelle für die erste und die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 und 3' (bipolare Transistoren) 3a und 3a' eingesetzt, um hierdurch deren Erfassungsempfindlichkeit zu verbessern. Daher kann der Widerstandswert der zur Stromerfassung dienenden Widerstände 4 und 4' bei diesem Ausführungsbeispiel stark verringert werden. Darüber hinaus kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Abschaltzeit dieses Apparats verkürzt werden, ohne daß eine zusätzliche Schaltung für die Entladung der Gate- und Sourceelektroden des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' bereitgestellt wird. Auf der anderen Seite weist der Apparat gemäß dem Stand der Technik die Photodiodenanordnung 10a und den FET 10b auf, die dazu dienen, eine Entladeschaltung für die Gate- und Sourceelektroden 5 und 5' zu bilden, wie es in Fig 1 gezeigt ist.
Nachfolgend wird das fünfte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert.
Zusätzlich zu dem Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels weist der Photokopplerapparat bei diesem Ausführungsbeispiel weiterhin einen Differenzverstärker Amp und eine vierte Photodiodenanordnung 2b" auf. Bei diesem Aufbau erzeugt die vierte Photodiodenanordnung 2b" eine elektromotorische Kraft zur Ansteuerung des Differenzverstärkers Amp, wenn sie von der lichtaussendenden Diode 1 das Lichtsignal empfängt. Der Differenzverstärker Amp erfaßt die Spannungsdifferenz bzw. den Spannungsabfall, der an dem ersten und dem zweiten, zur Stromerfassung dienenden Widerstand 4 und 4' auftritt, und gibt an die erste und die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung 3 und 3' elektrische Signale zur Ansteuerung dieser Schaltungen ab.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, besteht der Differenzverstärker Amp aus Widerständen 3c, 3c', 3d und 3d', bipolaren Transistoren 3b und 3b' und einem Stromverringerungswiderstand 3e.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Spannungsdifferenz, die an den Widerständen 4 und 4' auftritt, durch den Differenzverstärker Amp erfaßt. Die Erfassungsempfindlichkeit bezüglich dieser Spannungsdifferenz läßt sich leicht dadurch einstellen, daß die Schaltungskonstanten des Verstärkers Amp geändert werden. Die Empfindlichkeit kann erhöht werden, um hierdurch die Widerstandswerte der zur Stromerfassung dienenden Widerstände 4a und 4a' (bzw. 4 und 4') zu verringern.
Der bei diesem Ausführungsbeispiel auftretende Stromsteuerungsmechanismus wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einen Fall erläutert, bei dem ein ausgangsseitiger Strom von dem Ausgangsanschluß 7 zu dem Ausgangsanschluß 7' fließt.
Sobald ein Strom, der einen vorbestimmten Wert überschreitet, über die Ausgangsanschlüsse 7 und 7' fließt, tritt an den zur Stromerfassung dienenden Widerständen 4 und 4' eine Spannungsdifferenz auf. Diese Spannungsdifferenz ruft eine weitere Spannungsdifferenz zwischen den jeweiligen Source-Elektroden des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' hervor. Die Spannungsdifferenz zwischen den MOSFETs 5 und 5' wird dann durch die zweite und die dritte Photodiodenanordnung 2b und 2b' angehoben, so daß hierdurch die Basen der bipolaren Transistoren 3b und 3b', d.h. der Eingang des Differenzverstärkers Amp, vorgespannt werden.
In diesem Fall wird die Basis des bipolaren Transistors 3b auf einen höheren Wert vorgespannt als die Basis des bipolaren Transistors 3b'. Daher tritt eine gewisse Differenz zwischen den den Betriebsbedingungen der bipolaren Transistoren 3b und 3b' auf, wodurch die Kollektorspannung des bipolaren Transistors 3b' erhöht wird und somit dessen Basis- Emitter-Übergang vorgespannt wird. Als Ergebnis gelangt der bipolare Transistor 3a' in den eingeschalteten Zustand, so daß der Strom, der durch die ersten Photodiodenanordnung 2a erzeugt wird, umgeleitet bzw. abgeleitet wird. Aufgrund dieser Stromumleitung bzw. Stromableitung verringern sich die Gatespannungen des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs 5 und 5' und es erhöhen sich die Einschaltwiderstände des ersten und des zweiten MOSFETs 5 und 5', um hierdurch die Ausgangsströmung zu begrenzen.
Der Stromsteuerungsablauf bei einem Fall, bei dem der Ausgangsstrom von dem Anschluß 7' zu dem Anschluß 7 fließt, ist analog zu dem vorstehend erläuterten Fall.
Wie vorstehend beschrieben ist, können die Werte der Widerstände 4 und 4' bei diesem Ausführungsbeispiel des Geräts für den praktischen Einsatz so weit wie möglich verringert werden, indem die Erfassungsempfindlichkeit des Differenzverstärkers Amp in geeigneter Weise ausgelegt wird. Darüber hinaus arbeitet die vierte Photodiodenanordnung 2b" bei diesem Ausführungsbeispiel als eine elektrische Quelle für den Differenzverstärker Amp, so daß keine externe Spannungsquelle vorgesehen werden muß.
Das Gerät gemäß dieser Erfindung weist somit zusammenfassend einen zur Stromerfassung dienenden Widerstand auf, der in Reihe zwischen die leitenden Elektroden eines ausgangsseitigen MOSFETs geschaltet ist, um hierdurch den Strom, der durch die leitenden Elektroden fließt, unterhalb eines vorbestimmten Werts zu begrenzen. Die Spannungsdifferenz, die an dem Widerstand auftritt, wird durch eine zweite Photodiodenanordnung erhöht oder verstärkt und zu dem Basis-Emitter-Übergang eines bipolaren Transistors gespeist, der als eine Strombegrenzungsschaltung wirkt. Daher kann der Wert des Widerstands, der zur Begrenzung des durch die leitenden Elektroden des ausgangsseitigen MOSFETs fließenden Stroms auf einen vorbestimmten maximalen Wert verwendet wird, bei dieser Erfindung stark verringert werden. Diese Erfindung kann somit einen Photokopplerapparat bereitstellen, der einen niedrigen Einschaltwiderstand besitzt und daher eine hohe Stromkapazität aufweist.
Darüber hinaus können die erste und die zweite, zur Strombegrenzung dienende Schaltung gemeinsam durch die zweite Photodiodenanordnung angesteuert werden. In diesem Fall kann ein Photokopplerapparat, der eine kleinere Größe aufweist, realisiert werden.
Darüber hinaus können der ersten und der zweite bipolare Transistor dann, wenn ein dritter Widerstand 8 und eine Gleichrichterdiode 9 gemaß der Darstellung in Fig. 6 bereitgestellt werden, zusätzlich als Schaltungen zur Entladung der Gate-Source-Kapazität des ersten und des zweiten ausgangsseitigen MOSFETs unmittelbar nach der Abschaltung des Ausgangs dieses Apparats fungieren. Daher kann ein Photokopplerapparat realisiert werden, dessen Ausgang mit hoher Geschwindigkeit abgeschaltet werden kann.
Weiterhin kann bei Bereitstellung eines Differenzverstärkers gemäß der Darstellung in Fig. 7 die Spannungsdifferenz, die zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand entwickelt wird bzw. an diesen auftritt, zusätzlich als eine Empfindlichkeit bzw. zur Festlegung der Empfindlichkeit dieses Verstärkers benutzt werden. Diese Empfindlichkeit läßt sich in einfacher Weise einstellen, indem die Schaltungskonstanten geändert werden. Daher kann die Empfindlichkeit des Verstärkers zur Verringerung der Werte der Widerstände bei einem praktischen Einsatz so weit wie möglich optimiert werden. Dieser Verstärker wird durch die vierte Photodiodenanordnung gespeist, so daß keine externe elektrische Spannungsquelle erforderlich ist.

Claims

1. Photokoppierapparat mit

einem lichtaussendenden Element (1) zum Aussenden eines Lichtsignals, wenn es durch ein Eingangssignal angesteuert wird,

einer ersten Photodiodenanordnung (2a) zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft, wenn sie das von dem Licht aussendenden Element (1) ausgesandte Lichtsignal empfängt,

einem Ausgangs-MOSFET (5), der durch die elektromotorische Kraft, die durch die erste Photodiodenanordnung (2a) erzeugt wird, angesteuert wird,

einer strombegrenzenden Schaltung (2b) zum Steuern des Verhaltens des Ausgangs-MOSFETs (5) derart, daß ein Strom, der durch leitende Elektroden des Ausgangs-MOSFETs (5) fließt, auf einen Wert unterhalb einer vorbestimmten Größe begrenzt wird,

einer zweiten Photodiodenanordnung (2b), die eine zweite elektromotorische Kraft erzeugt, wenn sie durch das von dem lichtaussendenden Element (1) ausgesandte Lichtsignal aktiviert wird, und die strombegrenzende Schaltung (3) mit dieser zweiten elektromotorischen Kraft ansteuert, und

einem stromerfassenden Widerstand (4), dessen eines Ende mit der Source des Ausgangs-MOSFETs (5) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die strombegrenzende Schaltung (3) durch einen bipolaren Transistor (3a) gebildet ist, dessen Kollektor mit dem Gate des Ausgangs-MOSFETs (5) verbunden ist, dessen Emitter mit dem besagten einen Ende oder mit dem anderen Ende des stromerfassenden Widerstands (4) verbunden ist, und dessen Basis über die zweite Photodiodenanordnung (2b) entweder mit der Verbindung zwischen der Source des Ausgangs-MOSFETs (5) und dem stromerfassenden Widerstand (4) oder in dem Fall, daß der Emitter des bipolaren Transistors (3a) mit dem einen Ende des stromerfassenden Widerstands (4) verbunden ist, mit dem anderen Ende des stromerfassenden Widerstands (4) verbunden ist.

2. Photokoppierapparat nach Anspruch 1, mit einem zweiten Ausgangs-MOSFET (5'), der mit dem ersten Ausgangs-MOSFET (5) unter Kurzschluß ihrer jeweiligen Gates verbunden ist und der durch die elektromotorische Kraft angesteuert wird, die von der ersten Photodiodenanordnung (2a) erzeugt wird,

einer zweiten strombegrenzenden Schaltung (3'), die das Verhalten des zweiten Ausgangs-MOSFETs (5) derart steuert, daß ein Strom, der durch leitende Elektroden des zweiten Ausgangs-MOSFETs fließt, auf Werte unterhalb eines vorbestimmten Werts begrenzt wird, und

einer dritten Photodiodenanordnung (2b'), die eine elektromotorische Kraft bei einer Aktivierung durch das von dem lichtaussendenden Element (1) ausgesandte Lichtsignal aktiviert wird, und die zweite strombegrenzende Schaltung (3') jeweils durch die elektromotorische Kraft ansteuert.

3. Photokopplerapparat nach Anspruch 2, der weiterhin einen zweiten stromerfassenden Widerstand (4') aufweist, dessen eine Ende mit der Source des zweiten Ausgangs-MOSFETs (5') verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem anderen stromerfassenden Widerstand (4) kurzgeschlossen ist.

4. Photokopplerapparat nach Anspruch 3, bei dem die zweite strombegrenzende Schaltung (3') aus einem zweiten bipolaren Transistor (3a') besteht, dessen Kollektor mit dem Gate des zweiten Ausgangs-MOSFETs (5') verbunden ist, dessen Emitter entweder an die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten stromerfassenden Widerstand (4, 4) oder an die Source des zweiten Ausgangs-MOSFETs (5') angeschlossen ist, und dessen Basis über die dritte Photodiodenanordnung (2b) entweder mit der Verbindung zwischen der Source des zweiten Ausgangs- MOSFETs (5') und dem zweiten stromerfassende Widerstand (4') oder, wenn der Emitter des zweiten bipolaren Transistors (3a') an die Source des zweiten Ausgangs-MOSFETs (5') angeschlossen ist, mit der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten stromerfassenden Widerstand (4, 4') verbunden ist.

5. Photokopplerapparat nach Anspruch 4, der weiterhin aufweist

einen dritten Widerstand (8), der zwischen die jeweiligen Basen und Kollektoren des ersten und des zweiten bipolaren Transistors (3a, 3a') eingefügt ist, und

eine Gleichrichterdiode (9), die zwischen die zweite Photodiodenanordnung und die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten stromerfassenden Widerstand (4, 4') eingefügt ist und mit der zweiten Photodiodenanordnung (2b) in Reihenschaltung mit entgegengesetztem Richtungssinn verbunden ist.

6. Photokopplerapparat nach Anspruch 3 oder 4, der weiterhin aufweist

einen Differenzverstärker (AMP), der den Spannungsunterschied, der zwischen dem ersten und dem zweiten stromerfassenden Widerstand (4, 4') auftritt, erfaßt und an die erste und die zweite strombegrenzende Schaltung Treibersignale anlegt, die diesem Spannungsunterschied entsprechen, und

eine vierte Photodiodenanordnung (2b"), die eine dritte elektromotorische Kraft bei einer Aktivierung durch das von dem lichtaussendenden Element (1) ausgesandte Lichtsignal erzeugt und den Differenzverstärker (AMP) mit dieser dritten elektromotorischen Kraft ansteuert.