JP2986698B2 - 光結合素子 - Google Patents

光結合素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ソリッドステートリレ
ーやフォトカプラなどの光結合素子に関し、とくに過熱
保護機能や突入電流防止機能を有する光結合素子に関す
る。
【0002】
【従来の技術】図16は、従来のソリッドステートリレ
ー(以下、SSR、という)の構成図である。SSRは
入力側に発光ダイオード10を有し、出力側に駆動用の
トライアック11と、発光ダイオード10の光を受けて
駆動用のトライアック11を点弧するフォトトライアッ
ク12とを有し、これらの各素子がパッケージPK内に
内蔵された構成を有する。
【0003】図17は、従来のフォトカプラの構成図で
ある。フォトカプラは入力側に発光ダイオード20を有
し、出力側に発光ダイオード20の光を受けて作動する
フォトトランジスタ21を有し、これらの各素子がパッ
ケージPK内に内蔵された構成を有する。
【0004】図18は、SSRを使用した突入電流防止
回路のブロック図である。この回路は突入電流を防止す
るために、入力信号が入ってからゼロボルト検出回路1
によってACラインのゼロボルトを検出し、次段の導通
角遅延回路2によって導通角を遅らせてからトランジス
タ3を介してSSRを駆動することにより突入電流を防
止している。
【0005】図19にブロアモータにおける突入電流発
生の測定値例(図a)、および突入電流低減の測定値例
(図b)を示す。導通角0°でスタートさせたとき発生
した突入電流(ピーク値2.1A)が、導通角90°で
スタートさせたときはピーク値0.6Aに低減している
ことが分かる。
【0006】図20にランプ負荷における突入電流発生
の測定値例(図a)、および突入電流低減の測定値例
(図b)を示す。導通角90°でスタートさせたとき発
生した突入電流(ピーク値1.8A)が、導通角315
°でスタートさせたときはピーク値1.2Aに低減して
いることが分かる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の光結合素子で
は、出力側に過電流が流れたり、周囲の温度が極端に上
昇した場合の保護機能がないため、図18に示すよう
に、周辺にこの機能を備えた回路が必要となる。このた
め組立基板上の部品削減や省スペース化のネックになっ
ている。
【0008】本発明の目的は、光結合素子自身で突入電
流を防止し、また過電流による過熱から保護する機能を
備え、周辺に複雑な構成を必要としない光結合素子を提
供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】第1の発明である光結合
素子は、入力側に発光素子を有し、出力側に駆動用素子
および前記発光素子からの光を受けて前記駆動用素子を
オンする受光素子を有し、前記発光素子、駆動用素子、
および受光素子が一つのパッケージに内蔵されて構成さ
れる光結合素子であって、パッケージ温度に応じて特性
が変化することにより、前記駆動用素子の動作を制御す
る温度センサを前記パッケージ内に内蔵することを特徴
とする。
【0010】第2の発明である光結合素子は、前記温度
センサが前記受光素子に直列に接続され負極性の温度係
数を有する抵抗素子であることを特徴とする。第3の発
明である光結合素子は、前記温度センサが前記受光素子
に直列に接続され正極性の温度係数を有する抵抗素子で
あることを特徴とする。
【0011】第4の発明である光結合素子は、前記駆動
用素子がフォトトランジスタのトランジスタ部から成る
と共に該フォトトランジスタの受光部が前記受光素子を
成し、前記温度センサが前記フォトトランジスタのトラ
ンジスタ部のベース−エミツタ間に接続され負極性の温
度係数を有する抵抗素子であることを特徴とする。
【0012】第5の発明である光結合素子は、前記温度
センサが前記発光素子に直列に接続され正極性の温度係
数を有する抵抗素子であることを特徴とする光結合素
子。第6の発明である光結合素子は、前記温度センサが
前記発光素子に並列に接続され負極性の温度係数を有す
る抵抗素子であることを特徴とする。第7の発明である
光結合素子は、前記温度センサが前記発光素子に並列に
接続された複数個のシリコンダイオードであることを特
徴とする。
【0013】第8の発明である光結合素子は、入力側に
発光素子を有し、出力側に駆動用素子、前記発光素子か
らの光を受けて前記駆動用素子をオンする受光素子、前
記受光素子に直列に接続されたサイリスタおよび前記サ
イリスタをオンする負極性の温度係数を有する抵抗素子
を有することを特徴とする。
【0014】
【作用】本発明において、受光素子に直列に接続された
抵抗素子が負極性の温度係数を有する場合は、駆動用素
子(例えば、トライアック)が駆動するモータまたはラ
ンプ等の負荷から光結合素子の出力側に突入電流が流れ
た場合、駆動用素子の導通角を遅らせることにより突入
電流を低減する。
【0015】また、受光素子に直列に接続された抵抗素
子が正極性の温度係数を有する場合は、過熱時には抵抗
素子の抵抗値が大きくなるため駆動用素子の導通角が遅
れて駆動用素子に流れる実効電流が下がり、過熱を防止
する。その後、異常状態が解除され正常な状態に戻ると
パッケージの温度が下がり定常状態に復帰する。
【0016】また、発光素子に直列に接続された抵抗素
子が正極性の温度係数を有する場合は、過熱時に抵抗素
子の抵抗値が大きくなるため、直列に接続されている発
光素子に流れる電流が低減され発光が停止する。このた
め駆動用素子がオフとなり、パッケージ温度の過熱が防
止される。
【0017】また、発光素子に並列に接続された抵抗素
子が負極性の温度係数を有する場合は、過熱時に抵抗素
子の抵抗値が小さくなるため、並列に接続されている発
光素子に流れる電流が低減され発光が停止する。このた
め駆動用素子がオフとなり、パッケージ温度の過熱が防
止される。
【0018】また、発光素子に並列に接続されたシリコ
ンダイオードを複数有する場合は、過熱時にシリコンダ
イオードの順電圧の和の方が発光素子の順電圧より小さ
くなるため発光素子に流れる電流が低減され発光が停止
する。このため駆動用素子がオフとなり、パッケージ温
度の過熱が防止される。
【0019】また、受光素子に直列に接続されたサイリ
スタおよび前記サイリスタをオンする負極性の温度係数
を有する抵抗素子を有する場合、過熱時に抵抗素子の抵
抗値が小さくなりサイリスタをオンさせることにより駆
動用素子をオフさせ、高温時の異常動作を防ぐと共に、
サイリスタをオンさせることにより一度電源を切らない
と元の状態に戻らないため、過熱遮断の機能も有する。
【0020】
【実施例】図1は、本発明による光結合素子の第1の実
施例を示す構成図で、請求項1記載の発明に相当する実
施例である。本実施例は、入力側に発光素子として発光
ダイオード10、出力側に駆動用素子としてトライアッ
ク11と、受光素子としてフォトトライアック12を備
え、さらにトライアック11およびフォトトライアック
12の間に正極性または負極性の温度係数を有する抵抗
素子としてサーミスタ13を備え、これらの各素子がパ
ッケージPK内に内蔵された構成を有するSSRであ
る。フォトトライアック12は発光ダイオード10の光
を受けて駆動用のトライアック11を点弧する。
【0021】図2は、本発明による光結合素子の第2の
実施例を示す構成図で、同じく請求項1記載の発明に相
当する実施例である。本実施例は、入力側に発光ダイオ
ード10、出力側に駆動用のトライアック11、このト
ライアック11と並列に接続されたサーミスタ13、フ
ォトトライアック12およびコンデンサ14からなる直
列回路と、フォトトライアック12およびコンデンサ1
4の接続中点に接続され駆動用のトライアック11を点
弧するトリガ素子15とを有し、これらの各素子がパッ
ケージPK内に内蔵されているSSRである。
【0022】第1および第2の実施例の構成において、
サーミスタ13として負極性の温度係数を有する(以
下、負特性を有する、という)サーミスタを用いると、
突入電流を防止することができる。すなわち、前述した
図19および図20の測定データから明らかなように、
負荷をオンさせる導通角を遅らせることにより突入電流
が低減できるので、負特性サーミスタを使用することに
より負荷がオンのときにはサーミスタ13の抵抗値は大
きい値にあり、抵抗値が大きいためトライアック11が
オフするゲートトリガ電流IGTに達するまで電源電圧が
充分に立ち上がる必要があり、時間遅れが生じてSSR
のオンする導通角が遅くなる。
【0023】とくに第2の実施例の場合には、サーミス
タ13と直列にコンデンサ14を付加することによっ
て、サーミスタ13の抵抗値とコンデンサ14の容量に
よる次段のトリガ素子15のトリガ電圧まで達するのに
コンデンサ14に充電される時間を要し、サーミスタ1
3の抵抗値が大きい値にある場合、SSRのオンする導
通角が遅くなる。また、動作した状態が長く続くと、S
SRに電流が流れパッケージ温度が上がるためサーミス
タ13の抵抗値が下がり、SSRのオンする導通角が小
さくなり、定常状態に落ち着く。
【0024】図3に動作波形を示す。入力オン時に導通
角を遅らせない場合は、破線で示す突入電流が流れる
が、導通角を遅らせた場合は実線で示すように突入電流
が低減される。そして、オン状態が続くとSSRのパッ
ケージ温度が上がるためサーミスタ13の抵抗値が小さ
くなり、それによって導通角の遅れがなくなり、定常状
態の動作となる。
【0025】第1および第2の実施例の構成において、
サーミスタ13として正極性の温度係数を有する(以
下、正特性を有する、という)サーミスタを用いると、
SSRのパッケージPKの過熱を保護することができ
る。すなわち、正特性サーミスタは過熱時に抵抗値が大
きくなるため、SSRのオンする導通角が遅れてSSR
に流れる実効電流が下がり過熱を防止する。その後、異
常状態が解除され正常な状態に戻った場合は、パッケー
ジの温度が下がり定常状態に復帰する。
【0026】図4に動作波形を示す。定常状態から何ら
かの異常により過電流として破線で示す大きな電流が流
れた場合、SSRのパッケージの温度が上がるためサー
ミスタの抵抗値が大きくなり、導通角が遅れて電流が下
がり、過熱を防止するように働く。
【0027】図5にサーミスタの抵抗−温度特性の代表
例を示す。サーミスタは広い温度範囲で直線的に抵抗値
が変化を示す温度センサである。図(a)は負特性サー
ミスタの抵抗−温度特性の代表例で、温度による変化率
は−4500ppm/℃である。図(b)は正特性サーミス
タの抵抗−温度特性の代表例で、温度による変化率は+
4500ppm/℃である。
【0028】図6は、本発明による光結合素子の第3の
実施例を示す構成図で、請求項2記載の発明に相当する
実施例である。本実施例は、入力側に発光ダイオード1
0およびサーミスタ13の直列回路を有し、出力側に駆
動用のトライアック11と発光ダイオード10の光を受
けて駆動用のトライアック11を点弧するフォトトライ
アック12とを有し、これらの各素子がパッケージPK
内に内蔵されているSSRである。
【0029】本実施例はサーミスタ13として正特性サ
ーミスタを用いており、過熱時にサーミスタ13の抵抗
値が大きくなるため、SSRのトリガ電流IFT以下にな
ると出力側のトライアック11をオフさせてパッケージ
温度の過熱を防止する。その後、パッケージ温度が下が
り異常状態が解除されていれば、再び出力側のトライア
ック11がオンして正常状態に復帰する。
【0030】図7に動作波形を示す。定常状態から何ら
かの異常により過電流として破線で示す大きな電流が流
れた場合、SSRのパッケージPKの温度が上がり、サ
ーミスタ13の抵抗値が大きくなり、入力側のIF が下
がる。そして、SSRのトリガ電流以下になると出力側
のトライアック11がオフとなり、出力電流を遮断して
パッケージ温度の過熱を防止する。その後、パッケージ
温度が下がり異常状態が解除されていれば、再び出力側
のトライアック11がオンして正常状態に復帰する。
【0031】図8は、本発明による光結合素子の第4の
実施例を示す構成図で、請求項3記載の発明に相当する
実施例である。本実施例において、図(a)は入力側に
互いに並列に接続された発光ダイオード10および負特
性サーミスタ13を備え、出力側に駆動用のトライアッ
ク11および発光ダイオード10からの光を受けてトラ
イアック11を点弧するフォトトライアック12を備
え、これらの各素子がパッケージPK内に内蔵されてい
るSSRである。
【0032】また、図(b)は入力側に互いに並列に接
続された発光ダイオード20および負特性サーミスタ2
2を備え、出力側に発光ダイオード20の光を受けてオ
ンする他の駆動素子としてのフォトトランジスタ21を
備え、これらの各素子がパッケージPK内に内蔵されて
いるフォトカプラである。
【0033】この構成において、パッケージPKが過熱
すると負特性サーミスタ13(または20)の抵抗値が
下がり流れる電流が増えるため、発光ダイオード10
(または20)に流れる電流は減少する。この電流がS
SRのトリガ電流IFT以下になるとトライアック12が
オフ状態となり、あるいはこの電流が微小電流になると
出力側のトランジスタ21がオフすることにより、それ
ぞれ高温時の異常動作を防ぐことができる。
【0034】図9に、チップ状のサーミスタ13(また
は22)を搭載したSSR(またはフォトトランジス
タ)の入力側の構造図を示す。サーミスタ13(22)
は発光ダイオード10(20)と共にペーストダイボン
ドにてパッケージ内のリードフレームLA,LKにマウ
ントすることができる。
【0035】図10は、本発明による光結合素子の第5
の実施例を示す構成図で、請求項4記載の発明に相当す
る実施例である。本実施例において、図(a)は入力側
に互いに並列に接続された発光ダイオード10および直
列接続された2個のシリコンダイオード群16を備え、
出力側に駆動用のトライアック11および発光ダイオー
ド10の光を受けてトライアック11を点弧するフォト
トライアック12を備え、これらの各素子がパッケージ
PK内に内蔵されているSSRである。
【0036】また、図(b)は入力側に互いに並列に接
続された発光ダイオード20および直列接続された2個
のシリコンダイオード群23を備え、出力側に発光ダイ
オード20の光を受けてオンするフォトトランジスタ2
1を備え、これらの各素子がパッケージPK内に内蔵さ
れているフォトカプラである。
【0037】この構成において、通常の使用温度では発
光ダイオード10(または20)の順電圧の方がシリコ
ンダイオード群16(または23)の順電圧の和よりも
小さいため、電流は発光ダイオード10(または20)
に流れて発光ダイオード10(20)を発光させる。こ
れにより出力側のトライアック11(またはフォトトラ
ンジスタ21)がオンする。
【0038】これに対して過熱時は、シリコンダイオー
ド群16(または23)の順電圧の和の方が発光ダイオ
ード10(または20)の順電圧よりも小さくなるた
め、電流はシリコンダイオード群16(または23)側
に流れ、発光ダイオード10(または20)には流れな
いため発光ダイオード10(または20)が発光せず、
出力側をオフすることができる。これにより高温時の異
常動作を防ぐことができる。
【0039】ここで、具体例をあげて説明すると、温度
25℃においてシリコンダイオード1個当たりの順電圧
を0.7V、発光ダイオード1個当たりの順電圧を1.
2Vとすると、シリコンダイオード2個分の順電圧は、
0.7×2=1.4V、となる。このため、電流は電位
の低い発光ダイオード10(20)に流れて発光させ、
出力側のトライアック11またはフォトトランジスタ2
1をオンさせる。
【0040】ここで、ダイオードの温度係数は−2mV/
℃であることから、温度が125℃になった場合、シリ
コンダイオード2個分の順電圧は、 {0.7−0.002×(125−25)}×2=1.
0V 発光ダイオードの順電圧は、 {1.2−0.002×(125−100)}=1.0
V となり、電位が同じになる。
【0041】従って、温度が125℃を超えるとシリコ
ンダイオードの順電圧の方が低くなり、発光ダイオード
10(20)に流れる電流が制限され、その結果、出力
側のトライアック11またはフォトトランジスタ21を
オフさせることができる。
【0042】図11に、シリコンダイオード16(2
3)を2個搭載したSSR(フォトトランジスタ)の入
力側の構造図を示す。シリコンダイオード16(23)
は発光ダイオード10(20)と共にペーストダイボン
ドにてパッケージ内のリードフレームLA,LKにマウ
ントすることができる。
【0043】図12は、本発明による光結合素子の第6
の実施例を示す構成図で、請求項1記載の発明に相当す
る実施例である。本実施例は入力側に発光ダイオード2
0を備え、出力側に発光ダイオード20の光を受けてオ
ンするフォトトランジスタ21、このフォトトランジス
タ21のベース−エミッタ間に接続した負特性サーミス
タ22を備え、これらの各素子がパッケージPK内に内
蔵されているフォトカプラである。
【0044】この構成において、パッケージPKが過熱
すると負特性サーミスタ22の抵抗値が下がりトランジ
スタ21のベースから電流が流れ出るため、トランジス
タの機能を果たさなくなり、トランジスタ21をオフさ
せることができ、高温時の異常動作を防ぐことができ
る。図13に、サーミスタ22を出力側に搭載したフォ
トカプラの構造図を示す。サーミスタ22はフォトトラ
ンジスタ21と共にペーストダイボンドにてパッケージ
内のリードフレームLB,LC,LEにマウントするこ
とができる。
【0045】図14は、本発明による光結合素子の第7
の実施例を示す構成図で、請求項5記載の発明に相当す
る実施例である。本実施例は、入力側に発光ダイオード
20を備え、出力側に発光ダイオード20の光を受けて
オンするフォトトランジスタ21、このフォトトランジ
スタ21のベース−エミッタ間に接続したサイリスタ2
4、このサイリスタ24を点弧するためにフォトトラン
ジスタ21のコレクタ側に接続された負特性サーミスタ
22を備え、これらの各素子がパッケージPK内に内蔵
されているフォトカプラである。なお、サイリスタ24
を駆動させるだけの電位差を与えるため、フォトトラン
ジスタ21はベース側にダイオードを内蔵したものを用
いるものとする。
【0046】この構成において、パッケージPKが過熱
すると負特性サーミスタ22の抵抗値が下がり、サイリ
スタ24をオンさせることによりトランジスタ21のベ
ースから電流が流れ出るため、トランジスタの役目を果
たさなくなり、トランジスタ21をオフさせることがで
き、高温時の異常動作を防ぐことができる。また、サイ
リスタは一度オンすると電源を切るまでオフしないた
め、電源をリセットしないと元の動作には戻らなくな
る。この動作により過熱遮断の機能をも持ち合わせるこ
とができる。
【0047】図15に、サーミスタ22およびサイリス
タ24を出力側に搭載したフォトカプラの構造図を示
す。サーミスタ22およびサイリスタ24はフォトトラ
ンジスタ21と共にペーストダイボンドにてパッケージ
内のリードフレームLB,LC,LEにマウントするこ
とができる。
【0048】なお、前述の実施例ではSSRおよびフォ
トカプラについて述べたが、これに限らず他の全ての光
結合素子に本発明が適用できることは勿論である。
【0049】
【発明の効果】本発明による光結合素子によれば、負荷
を駆動した場合の突入電流の防止や、異常時に過電流が
流れてパッケージが過熱したり周囲の温度が極端に上昇
したりした場合の過熱保護が可能となるため、セット基
板上の部品削減、省スペース化および低価格等を図るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光結合素子の第1の実施例を示す
構成図である。
【図2】本発明による光結合素子の第2の実施例を示す
構成図である。
【図3】第1および第2の実施例に示すソリッドステー
トリレーの突入電流防止における電圧および電流の動作
波形例を示す図である。
【図4】第1および第2の実施例に示すソリッドステー
トリレーの過熱防止における電圧および電流の動作波形
例を示す図である。
【図5】(a)は負特性サーミスタの抵抗−温度特性
図、(b)は正特性サーミスタの抵抗−温度特性図であ
る。
【図6】本発明による光結合素子の第3の実施例を示す
構成図である。
【図7】第3の実施例に示すソリッドステートリレーの
過熱防止における電圧および電流の動作波形例を示す図
である。
【図8】本発明による光結合素子の第4の実施例を示す
構成図で、(a)はソリッドステートリレー、(b)は
フォトカプラである。
【図9】第4の実施例の構造図である。
【図10】本発明による光結合素子の第5の実施例を示
す構成図で、(a)はソリッドステートリレー、(b)
はフォトカプラである。
【図11】第5の実施例の構造図である。
【図12】本発明による光結合素子の第6の実施例を示
す構成図である。
【図13】第6の実施例の構造図である。
【図14】本発明による光結合素子の第7の実施例を示
す構成図である。
【図15】第7の実施例の構造図である。
【図16】従来のソリッドステートリレーの構成図であ
る。
【図17】従来のフォトカプラの構成図である。
【図18】ソリッドステートリレーを用いた従来の突入
電流防止回路である。
【図19】(a)はブロアモータにおける突入電流発生
の測定値例を示す図、(b)は突入電流低減の測定値例
を示す図である。
【図20】(a)はランプ負荷における突入電流発生の
測定値例を示す図、(b)は突入電流低減の測定値例を
示す図である。
【符号の説明】
10 発光ダイオード 11 トライアック 12 フォトトライアック 13 サーミスタ 14 コンデンサ 15 トリガ素子 16 シリコンダイオード群 20 発光ダイオード 21 フォトトランジスタ 22 サーミスタ 23 シリコンダイオード群 24 サイリスタ PK パッケージ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−107374(JP,A) 特開 平1−309389(JP,A) 特開 平5−152921(JP,A) 特開 平5−67290(JP,A) 特開 平4−332217(JP,A) 実開 昭63−136361(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/12 H02H 7/20 H03K 17/78

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力側に発光素子を有し、出力側に駆動
    用素子および前記発光素子からの光を受けて前記駆動用
    素子をオンする受光素子を有し、前記発光素子、駆動用
    素子、および受光素子が一つのパッケージに内蔵されて
    構成される光結合素子において、 パッケージ温度に応じて特性が変化することにより、前
    記駆動用素子の動作を制御する温度センサを前記パッケ
    ージ内に内蔵することを特徴とする光結合素子。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の光結合素子において、 前記温度センサが前記受光素子に直列に接続され負極性
    の温度係数を有する抵抗素子であることを特徴とする光
    結合素子。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の光結合素子において、 前記温度センサが前記受光素子に直列に接続され正極性
    の温度係数を有する抵抗素子であることを特徴とする光
    結合素子。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の光結合素子において、 前記駆動用素子がフォトトランジスタのトランジスタ部
    から成ると共に該フォトトランジスタの受光部が前記受
    光素子を成し、前記温度センサが前記フォトトランジス
    タのトランジスタ部のベース−エミツタ間に接続され負
    極性の温度係数を有する抵抗素子であることを特徴とす
    る光結合素子。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載の光結合素子において、 前記温度センサが前記発光素子に直列に接続され正極性
    の温度係数を有する抵抗素子であることを特徴とする光
    結合素子。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載の光結合素子において、 前記温度センサが前記発光素子に並列に接続され負極性
    の温度係数を有する抵抗素子であることを特徴とする光
    結合素子。
  7. 【請求項7】 請求項1に記載の光結合素子において、 前記温度センサが前記発光素子に並列に接続された複数
    個のシリコンダイオードであることを特徴とする光結合
    素子。
  8. 【請求項8】 入力側に発光素子を有し、出力側に駆動
    用素子、前記発光素子からの光を受けて前記駆動用素子
    をオンする受光素子、前記受光素子に直列に接続された
    サイリスタおよび前記サイリスタをオンする負極性の温
    度係数を有する抵抗素子を有することを特徴とする光結
    合素子。
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