JP2005108908A - 光結合型半導体リレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受光ダイオードの段数が少なくて済むノーマリオン型の光結合型半導体リレー装置を提供する。
【解決手段】 入力端子１１ａ、１１ｂ間への電気信号の供給／非供給により発光ダイオード１２および受光ダイオード１３で電気信号→光信号→電気信号に変換／非変換される。受光ダイオード１３から制御回路１６への電気信号の供給／非供給によりトランジスタ１７がオン／オフされ、電界効果トランジスタ１５のゲート電荷が放電／電界効果トランジスタ１５のゲートに電荷が充電され、電界効果トランジスタ１５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＮ以下／以上になる。その結果、電界効果トランジスタ１５がオフ／オンされて、出力端子１４ａ、１４ｂ間は非導通／導通状態となり、ノーマリオンの出力接点信号が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子として電界効果トランジスタを用いたノーマリオン型の光結合型半導体リレー装置に関する。

従来、光結合型半導体リレー装置として、ノーマリオン型のものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。以下、特許文献１を参考に従来のノーマリオン型の光結合型半導体リレー装置について、図３を参照して説明する。光結合型半導体リレー装置１００は、入力端子１ａ、１ｂ間に接続された発光ダイオード２と、発光ダイオード２と光結合された複数個直列接続の受光ダイオード３と、受光ダイオード３のカソード側の端子がゲートに接続されるとともにアノード側の端子がソースに接続され、ドレイン・ソースが出力端子４ａ、４ｂに接続されたデプレション型（ノーマリオン型）Ｎチャネル電界効果トランジスタ５とを有している。入力端子１ａ、１ｂ間に電気信号を供給していないとき、電界効果トランジスタ５はオン状態である。入力端子１ａ、１ｂ間に電気信号を供給すると、発光ダイオード２で光信号に変換される。この光信号は受光ダイオード３で電気信号に変換される。この電気信号は、電界効果トランジスタ４のゲート・ソース間に供給され、電界効果トランジスタ５をオフさせる。この構成により出力端子４ａ、４ｂ間にノーマリオンの出力接点信号を得るようにしている。
特開昭６１−２４７０７９号公報（「発明の詳細な説明」、図１）

ところで、従来の光結合型半導体リレー装置１００は、電界効果トランジスタ４をオフさせるために、電界効果トランジスタ４のゲート・ソース間に供給される電圧ＶＧＳとして、電界効果トランジスタ４の閾値電圧ＶＴ（<０）以下の負の電圧が必要である。また、受光ダイオード３の光起電力により電圧ＶＧＳを供給するとき、受光ダイオード３の温度による光起電力の低下を考慮する必要がある。そのため、例えば、ＶＴ＝−３ｖとし、また、受光ダイオード３の１段当たりの光起電力を高温での光効率低下を考慮して０．３ｖとすると、受光ダイオード３は１０段（０．３ｖ×１０＝３．０ｖ）以上を直列接続する必要があり、受光ダイオードのチップ上でのレイアウト面積が大きくなり、受光ダイオードを含むチップのサイズが大きくなるという問題があった。
従って、本発明の目的は、半導体受光素子の段数が少なくて済むノーマリオン型の光結合型半導体リレー装置を提供することである。

本発明の光結合型半導体リレー装置は、入力端子間に接続された半導体発光素子と、半導体発光素子に光結合された半導体受光素子と、出力端子間に接続されたエンハンスメント型の電界効果トランジスタと、半導体受光素子と電界効果トランジスタ間に接続された制御回路とを具備したノーマリオン型の光結合型半導体リレー装置であって、前記制御回路は、前記半導体受光素子がベースとエミッタ間に接続され前記電界効果トランジスタがゲートとソースでコレクタとエミッタ間に接続されたバイポーラトランジスタを有し、前記電界効果トランジスタがバイポーラトランジスタのオンのときオフ、バイポーラトランジスタがオフのときオンに制御されるようにしたことを特徴とする。
本手段によれば、バイポーラトランジスタのオン／オフにより電界効果トランジスタをオフ／オン制御でき、半導体受光素子としてバイポーラトランジスタをオンさせるだけの光起電力があればよい。

本発明によれば、半導体受光素子の段数が少なくて済み半導体受光素子を構成するチップサイズを小さくできる。

以下に、本発明の第１実施形態の光結合型半導体リレー装置２００について図１を参照して説明する。光結合型半導体リレー装置２００は、入力端子１１ａ、１１ｂ間に接続された半導体発光素子としての発光ダイオード１２と、発光ダイオード１２と光結合された半導体受光素子としての複数個直列接続の受光ダイオード１３と、ドレイン・ソースが出力端子１４ａ、１４ｂに接続されたエンハンスメント型（ノーマリオフ型）Ｎチャネル電界効果トランジスタ１５と、電界効果トランジスタ１５のゲートを制御する制御回路１６とを有している。出力端子１４ａ、１４ｂには、負荷２１と、交流電源２２と、オフセット電源２３とが接続される。尚、電界効果トランジスタ１５の閾値電圧をＶＴＮとすると、オフセット電源２３の電圧ＶＤＣとして、ＶＤＣ>交流電源２２のピーク電圧Ｖｐ＋ＶＴＮの電圧を供給する必要がある。

制御回路１６は、ＮＰＮトランジスタ１７および抵抗１８，１９を有している。トランジスタ１７は、ベースが受光ダイオード１３のアノード側の端子に接続され、エミッタが受光ダイオード１３のカソード側の端子と電界効果トランジスタ１５のソースとに接続され、コレクタが電界効果トランジスタ１５のゲートに接続されている。抵抗１８は、電界効果トランジスタ１５のゲートとドレイン間に接続されている。抵抗１９は、受光ダイオード１３と並列にトランジスタ１７のベース・エミッタ間に接続されている。受光ダイオード１３の個数は、トランジスタ１７がオンするベース・エミッタ間電圧（例えば、０．６ｖ）以上の光起電力を供給できる個数が必要であるが、受光ダイオード１３およびトランジスタ１７の温度特性を考慮しても、３個（０．３ｖ×３＝０．９ｖ）で十分である。従って、受光ダイオード１３のチップ上でのレイアウト面積が小さくなり、受光ダイオードを含むチップのサイズを小さくすることができる。

入力端子１１ａ、１１ｂ間に電気信号が供給されていない状態で、出力端子１４ａ、１４ｂ間に負荷２１、交流電源２２およびオフセット電源２３が接続されると、トランジスタ１７はオフ状態であり、電界効果トランジスタ１５のゲートに抵抗１８を介して電荷が充電され電界効果トランジスタ１５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＮ以上となる。その結果、電界効果トランジスタ１５はオンし、出力端子１４ａ、１４ｂ間は導通状態となる。

入力端子１１ａ、１１ｂ間に電気信号が供給されると、発光ダイオード１２で光信号に変換され、受光ダイオード１３で再び電気信号に変換される。このとき、制御回路１６に用いているトランジスタ１７がオンして電界効果トランジスタ１５のゲート電荷がオンしたトランジスタ１７を介して強制的に放電され電界効果トランジスタ１５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＮ以下となる。その結果、電界効果トランジスタ１５はオフし、出力端子１４ａ、１４ｂ間は非導通状態となる。

次に、入力端子１１ａ、１１ｂ間に供給されていた電気信号が供給されなくなると、トランジスタ１７がオフとなり、電界効果トランジスタ１５のゲートに抵抗１８を介して電荷が充電され電界効果トランジスタ１５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＮ以上となる。その結果、電界効果トランジスタ１５はオンし、出力端子１４ａ、１４ｂ間は導通状態となる。

以上のように、入力端子１１ａ、１１ｂ間への電気信号の供給／非供給により制御回路１６のトランジスタ１７がオン／オフされ、電界効果トランジスタ１５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＮ以下／以上になることにより電界効果トランジスタ１５がオフ／オンされて、出力端子１４ａ、１４ｂ間にノーマリオンの出力接点信号を得るようにしている。

次に、本発明の第２実施形態の光結合型半導体リレー装置３００について図２を参照して説明する。光結合型半導体リレー装置３００は、入力端子３１ａ、３１ｂ間に接続された半導体発光素子としての発光ダイオード３２と、発光ダイオード３２と光結合された半導体受光素子としての複数個直列接続の受光ダイオード３３と、ソース・ドレインが出力端子３４ａ、３４ｂに接続されたエンハンスメント型（ノーマリオフ型）Ｐチャネル電界効果トランジスタ３５と、電界効果トランジスタ３５のゲートを制御する制御回路３６とを有している。出力端子３４ａ、３４ｂには、負荷４１と、交流電源４２と、オフセット電源４３とが接続される。尚、電界効果トランジスタ３５の閾値電圧をＶＴＰとすると、オフセット電源４３の電圧ＶＤＣとして、ＶＤＣ>交流電源４２のピーク電圧Ｖｐ＋ＶＴＰの電圧を供給する必要がある。

制御回路３６は、ＰＮＰトランジスタ３７および抵抗３８，３９を有している。トランジスタ３７は、ベースが受光ダイオード３３のカソード側の端子に接続され、エミッタが受光ダイオード３３のアノード側の端子と電界効果トランジスタ３５のソースとに接続され、コレクタが電界効果トランジスタ３５のゲートに接続されている。抵抗３８は、電界効果トランジスタ３５のゲートとドレイン間に接続されている。抵抗３９は、受光ダイオード３３と並列にトランジスタ３７のベース・エミッタ間に接続されている。受光ダイオード３３の個数は、トランジスタ３７がオンするベース・エミッタ間電圧（例えば、０．６ｖ）以上の光起電力を供給できる個数が必要であるが、受光ダイオード３３およびトランジスタ３７の温度特性を考慮しても、３個（０．３ｖ×３＝０．９ｖ）で十分である。従って、受光ダイオード３３のチップ上でのレイアウト面積が小さくなり、受光ダイオードを含むチップのサイズを小さくすることができる。

入力端子３１ａ、３１ｂ間に電気信号が供給されていない状態で、出力端子３４ａ、３４ｂ間に負荷４１、交流電源４２およびオフセット電源４３が接続されると、トランジスタ３７はオフ状態であり、電界効果トランジスタ３５のゲートに抵抗３８を介して電荷が充電され電界効果トランジスタ３５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＰ以上となる。その結果、電界効果トランジスタ３５はオンし、出力端子３４ａ、３４ｂ間は導通状態となる。

入力端子３１ａ、３１ｂ間に電気信号が供給されると、発光ダイオード３２で光信号に変換され、受光ダイオード３３で再び電気信号に変換される。このとき、制御回路３６に用いているトランジスタ３７がオンして電界効果トランジスタ３５のゲート電荷がオンしたトランジスタ３７を介して強制的に放電され電界効果トランジスタ３５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＰ以下となる。その結果、電界効果トランジスタ３５はオフし、出力端子３４ａ、３４ｂ間は非導通状態となる。

次に、入力端子３１ａ、３１ｂ間に供給されていた電気信号が供給されなくなると、トランジスタ３７がオフとなり、電界効果トランジスタ３５のゲートに抵抗３８を介して電荷が充電され電界効果トランジスタ３５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＰ以上となる。その結果、電界効果トランジスタ３５はオンし、出力端子３４ａ、３４ｂ間は導通状態となる。

以上のように、入力端子３１ａ、３１ｂ間への電気信号の供給／非供給により制御回路３６のトランジスタ３７がオン／オフされ、電界効果トランジスタ３５のゲート・ソース間電圧が閾値電圧ＶＴＰ以下／以上になることにより電界効果トランジスタ３５がオフ／オンされて、出力端子３４ａ、３４ｂ間にノーマリオンの出力接点信号を得るようにしている。

本発明の第１実施形態の光結合型半導体リレー装置２００の回路図。 本発明の第２実施形態の光結合型半導体リレー装置３００の回路図。 従来の光結合型半導体リレー装置１００の回路図。

符号の説明

１１ａ，１１ｂ、３１ａ，３１ｂ 入力端子
１２、３２ 発光ダイオード
１３、３３ 受光ダイオード
１４ａ，１４ｂ、３４ａ，３４ｂ 出力端子
１５ エンハンスメント型Ｎチャネル電界効果トランジスタ
３５ エンハンスメント型Ｐチャネル電界効果トランジスタ
１６、３６ 制御回路
１７ ＮＰＮトランジスタ
３７ ＰＮＰトランジスタ
１８，１９、３８，３９ 抵抗
２１、４１ 負荷
２２、４２ 交流電源
２３、４３ オフセット電源

Claims (1)

1. 入力端子間に接続された半導体発光素子と、半導体発光素子に光結合された半導体受光素子と、出力端子間に接続されたエンハンスメント型の電界効果トランジスタと、半導体受光素子と電界効果トランジスタ間に接続された制御回路とを具備したノーマリオン型の光結合型半導体リレー装置であって、
   前記制御回路は、前記半導体受光素子がベースとエミッタ間に接続され前記電界効果トランジスタがゲートとソースでコレクタとエミッタ間に接続されたバイポーラトランジスタを有し、前記電界効果トランジスタがバイポーラトランジスタのオンのときオフ、バイポーラトランジスタがオフのときオンに制御されるようにしたことを特徴とする光結合型半導体リレー装置。

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