JP2012212716A

JP2012212716A - 光結合装置

Info

Publication number: JP2012212716A
Application number: JP2011076434A
Authority: JP
Inventors: Yuji Suzuki; 悠二鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-11-01

Abstract

【課題】簡易な回路構造で、発光素子の無信号時の消費電力を削減する光結合装置を提供すること。
【解決手段】
光結合装置は、入力信号に応じて光信号を発生させる発光素子を有する発光部と、受光部を有する。受光部は、発光素子からの光信号を受光する受光素子と、ドレイン端子が定電圧源に接続され、ソース端子が出力端子に接続されたエンハンスメント型の第１ＭＯＳＦＥＴと、ソース端子が接地に接続され、ドレイン端子が出力端子に接続されたデプレッション型の第２ＭＯＳＦＥＴと、第１ＭＯＳＦＥＴのゲート端子と第２ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続され、出力を制御する制御回路と、制御回路の動作を安定させる定電圧を供給する定電圧回路と、前記発光素子１１からの光信号に応じてオンオフを切り換える定電圧回路と、を有する。定電圧回路は、入力される光信号を受光するダイオード群を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は光結合装置の回路に関する。

従来より、デジタル家電等の電子機器の高機能化が進んでおり、それに伴う機器の消費電力の増加が課題となっている。特に、プラグインハイブリッド自動車や電気自動車のようにバッテリーを電源として用いる機器ではバッテリーの消費電力の削減が重要な課題であり、その構成素子である電子部品に対する低消費電力化が要求されている。

この点、電気信号の絶縁に用いられるフォトカプラ等の光結合装置においては、受光素子のＢｉＣＭＯＳ（ＢｉｐｏｌａｒＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）化により出力側での消費電力の削減の要求が高まっている。

特開２００１−５７４４１号公報

従来の光結合装置では、受光側の装置を駆動させる電源回路が組み込まれている場合が多い。このため、従来の光結合装置では、発光素子からの光信号の有無に関らず、受光側の電源回路が常に動作し、電源電流が不要に消費されていた。

そこで、本発明の実施形態は、発光素子から入力される光信号の有無に応じて、電源回路をも動作させることを可能とする。

実施形態によれば、この光結合装置は発光部と受光部とを有する。発光部は、入力信号に応答して光信号を発生させる発光素子を有する。受光部は、前記発光素子からの光信号を受光する受光素子と、受光素子が受信した光信号を加工する増幅回路と、ドレイン端子が定電圧源に接続され、ソース端子が出力端子に接続されたエンハンスメント型の第１ＭＯＳＦＥＴと、ソース端子が接地に接続され、ドレイン端子が出力端子に接続されたデプレッション型の第２ＭＯＳＦＥＴと、前記第１ＭＯＳＦＥＴのゲート端子と前記第２ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続され、出力を制御する制御回路と、前記増幅回路と前記制御回路への電力を供給し、かつ動作を安定させる定電圧回路と、発光素子からの光信号に応じて前記定電圧回路のオンオフを切り替える定電圧切断回路とを有する。定電圧切断回路は、前記発光素子１１から入力される光信号を受光するダイオード群を有する。

第１の実施形態にかかる光結合装置の一例を示す回路図。第１の実施形態にかかる光結合装置が有する増幅回路の一例を示す回路図。第１の実施形態にかかる光結合装置が有する定電圧切断回路の一例を示す回路図。第２の実施形態にかかる光結合装置の一例を示す回路図

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１ないし図３を参照して第１の実施形態を説明する。

図１は、第１の実施形態の光結合装置１００の一例の回路図である。図２は、第１の実施形態の光結合装置１００が有する増幅回路２３の一例の回路図である。図３は、第１の実施形態の光結合装置１００が有する定電圧切断回路２５の一例の回路図である。

光結合装置１００について、図１に示すような回路図を例にとって説明する。

図１に示すように、本実施形態にかかる光結合装置１００の回路図は、入力信号に応答して光信号を発生させる発光部１０と、発光部１０の出力を受けて起電圧を発生させる受光部５０とを含む。

発光部１０は、たとえば、一方が定電圧端子であるＶＣＣ１端子に電流制限抵抗１２が接続され、他方が接地であるＧＮＤ１端子に接続された発光素子１１を備えている。この発光素子１１は、ＶＣＣ１端子の電圧信号が変換されたデジタル信号のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応じて、光信号を発生させる。また、この発光素子１１はＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）であってもよく、あるいはＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）であっても構わない。電流制限抵抗１２の抵抗値は、たとえば、１００Ω程度であってよい。

受光部２０は、発光素子からの光信号を受光して電流信号を出力する受光素子２１と、受光素子２１から出力された電流信号をデジタル信号に変換し、増幅させる等、信号の加工を行う増幅回路２２、後続のＭＯＳＦＥＴを駆動させる制御回路２３、上記、増幅回路２２および制御回路２３への電力を供給する定電圧回路２４、そして、定電圧ＶＣＣ２に接続され、この定電圧回路２４の電源のＯＮ／ＯＦＦを制御する定電圧切断回路２５と、一方が制御回路２３に接続され、他方が接地ＧＮＤ２に接続された第１抵抗２６、一方が制御回路２３に接続され、他方が接地ＧＮＤ２に接続された第２抵抗２７、ドレイン端子が定電圧切断回路２５に接続され、ソース端子が出力電圧Ｖｏｕｔに接続され、ゲート端子が制御回路２３と第１抵抗２６の一方と共通接続されたエンハンスメント型の第１ＭＯＳＦＥＴ２８、ソース端子が接地ＧＮＤ２に接続され、ドレイン端子が出力電圧Ｖｏｕｔに接続され、ゲート端子が制御回路２３と第２抵抗２７の一方と共通接続されたデプレッション型の第２ＭＯＳＦＥＴ２９、とを有する。

受光素子２１は、発光素子１１から入力される光を受けて起電圧を生ずるフォトダイオードであり、複数のフォトダイオードからなる直列アレイから構成されていてもよい。

増幅回路２２は、受光素子２１で生ずる起電圧を増幅等する。

図２に示すように、増幅回路２２は、たとえば、受光素子２１から出力された光電流信号を電圧信号に変換する変換器３１、この電圧信号を増幅する増幅器３２、増幅器３２からの出力を１ビットのデジタル信号に変換する比較器３３とを有していてもよい。

制御回路２３は、増幅回路２２で増幅等された電圧信号に応じて、後続の第１ＭＯＳＦＥＴ２８と第２ＭＯＳＦＥＴ２９のドレイン・ソース間インピーダンスを高低に切り替える。

第１ＭＯＳＦＥＴ２８と第２ＭＯＳＦＥＴ２９は、既述の通り、一方がエンハンスメント型、もう一方がデプレッション型のＭＯＳＦＥＴであり、第１ＭＯＳＦＥＴ２８のゲート端子は第１抵抗２６を介して、第２ＭＯＳＦＥＴ２９のゲート端子は第２抵抗２７を介して制御回路２３と接続されている。第１抵抗２６と第２抵抗２７は、各ゲート端子へ入力される電圧を緩衝させ、たとえば、２０〜５０ｋΩ程度の抵抗値であってよい。

定電圧回路２４は、定電圧ＶＣＣ２から一定の電圧を作り、その電圧で増幅回路２２と制御回路２３とを駆動させる。具体的には、定電圧回路２２で発生する電圧が５Ｖである場合、定電圧ＶＣＣ２で１０〜３０Ｖまで変化したとしても、５Ｖのまま変化しない。

定電圧切断回路２５は、定電圧回路２４の電源のＯＮ／ＯＦＦを制御する。図３に示すように、この定電圧切断回路２５は、エンハンスメント型の第３ＭＯＳＦＥＴ４１とダイオード群４２を有する。第３ＭＯＳＦＥＴのソース端子は定電圧回路２４に接続され、ドレイン端子は定電圧源に接続され、ゲート端子はダイオード群４２のアノードに接続され、カソードは接地ＧＮＤ２に接続されている。

ここで、ダイオード群４２は、発光素子１１から入力される光電流信号に従って、ＯＮ／ＯＦＦし、光信号に変換する。たとえば、発光素子１１から光電流信号の入力がない場合、定電圧切断回路２５に光電流信号が入力されず、第３ＭＯＳＦＥＴのゲート端子はＧＮＤ２に接続されるため接地電位となる。よって、定電圧回路２４には定電圧ＶＣＣ２が入力されない。反対に、発光素子１１からの入力がある場合、定電圧切断回路２５に光電流信号が入力され、ダイオード群４２に光電流信号が入力され、第３ＭＯＳＦＥＴ４１がオンとなる。よって、定電圧回路２４に定電圧ＶＣＣ２が入力される。

以上のように、受光部２０においては、光信号を受光素子２１により電流信号に変換し、増幅回路２２、制御回路２３に基づき、受光素子２１で受光された信号が加工され、出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

図１、図２、図３を用いて、本願の回路動作について説明する。

まず、入力部１０が無信号時、すなわち発光素子１１が発光していない場合、定電圧切断回路２５のダイオード群４２に電圧が発生しないため、第３のＭＯＳＦＥＴ４１がオフになる。このため、定電圧ＶＣＣ２からの電源電流は定電圧回路２４に入力されず、消費される電力はわずかである。

定電圧回路２４から増幅回路２２、制御回路２３への定電圧が出力されない場合、受光素子２１に光電流が入力されたとしても、増幅回路２２と制御回路２３は動作せず、第１ＭＯＳＦＥＴと第２ＭＯＳＦＥＴのゲート端子には電圧信号が入力されない。ここで、第２ＭＯＳＦＥＴはデプレッション型のＭＯＳＦＥＴであるから、第２接地電位ＧＮＤ２に接続され、Ｌｏｗレベルの出力電圧Ｖｏｕｔを出力することになる。

一方、発光素子１１から光電流信号が入力された場合、受光素子２１の定電圧切断回路２５のダイオード群４２に電圧信号が発生し、第３ＭＯＳＦＥＴ４１がＯＮする。これにより、定電圧回路２４に定電圧ＶＣＣ２が入力され、増幅回路２３と制御回路２４が動作する。これにより、エンハンスメント型の第１ＭＯＳＦＥＴはオン、デプレッション型の第２ＭＯＳＦＥＴはオフになり、出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｈｉｇｈレベルを出力する。

以上のように、第１の実施形態にかかる光結合装置１００においては、発光部１０からの入力される光電流信号のＯＮ／ＯＦＦと連動して、受光部２０の定電圧回路２４が駆動するため、増幅回路２２や制御回路２３において電源電流が常時消費されることがない。このため、本実施形態によれば、発光部１０の無信号時の消費電力を大幅に削減することが可能となる。

また、定電圧切断回路２５にダイオード群４２を使用することで定電圧切断回路２５を駆動させる電流が不要である。さらに、定電圧切断回路２５の設置により消費電流が増加することも無い。

このように、本実施形態にかかる光結合装置１００は、簡易な回路構造で、発光部１０の無信号字の消費電力を大幅に削減することが可能となる。

（第２の実施形態）
図４を参照して第２の実施形態を説明する。

図４は、第２の実施形態の光結合装置２００の一例の回路図である。

図４に示すように、本実施形態にかかる光結合装置２００は、第１の実施形態と同様、入力信号に応答して光信号を発生させる発光部１０と、発光部１０の出力を受けて起電圧を発生させる受光部５０とを含む。以下、第１の実施形態と異なる点について主に説明する。

本実施形態では、受光部５０に設けられた定電圧切断回路２５が制御回路２３と定電圧回路２４との間に接続される。また、定電圧ＶＣＣ２と接地ＧＮＤ２との間に接続された第５ＭＯＳＦＥＴ５１と第６ＭＯＳＦＥＴ５２は、エンハンスメント型、あるいはデプレッション型に統一される。

本実施形態にかかる回路構成にすることで、制御回路２３を定電圧ＶＣＣ２で駆動させることが可能となり、第５ＭＯＳＦＥＴ５１と第６ＭＯＳＦＥＴ５２に入力されるゲート電圧を制御回路２３で調整することが可能となる。

特に、制御回路２３に論理回路を用いた場合、論理回路で消費する電流はわずかであるから、第１の実施形態にかかる光結合装置１００の消費電力と比較しても大差はない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００、２００光結合装置
１０発光部、
１１発光素子
１２電流制限抵抗
２０受光部
２１受光素子
２２増幅回路
２３制御回路
２４定電圧回路
２５定電圧切断回路
２６第１抵抗
２７第２抵抗
２８第１ＭＯＳＦＥＴ
２９第２ＭＯＳＦＥＴ
３１変換器
３２増幅器
３３比較器
４１第５ＭＯＳＦＥＴ
４２ダイオード群
５０受光部
５１第４ＭＯＳＦＥＴ
５２第５ＭＯＳＦＥＴ

Claims

入力信号に応じて光信号を発生させる発光素子と、
前記発光素子からの光信号を受光する受光素子と、
ドレイン端子が定電圧源に接続され、ソース端子が出力端子に接続されたエンハンスメント型の第１ＭＯＳＦＥＴと、
ソース端子が接地に接続され、ドレイン端子が出力端子に接続されたデプレッション型の第２ＭＯＳＦＥＴと、
前記第１ＭＯＳＦＥＴのゲート端子と前記第２ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続され、出力電圧を制御する制御回路と、
前記制御回路へ定電圧を供給する定電圧回路と、
前記発光素子から入力される光信号を受光するダイオード群を有し、この光信号に応じて前記定電圧回路のオンオフを切り替える定電圧切断回路と、
を有することを特徴とする光結合装置。
前記定電圧切断回路は、ソース端子が前記定電圧回路に接続され、ドレイン端子が定電圧源に接続され、ゲート端子が前記ダイオード群のアノードに接続された第３ＭＯＳＦＥＴを有することを特徴とする請求項１記載の光結合装置。