JP3707002B2 - スイッチ回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータ，通常のモータ，電磁クラッチ，電磁バルブ，電磁リレー等の各種の負荷に電源から動作電力の供給，停止を高速で制御できる電界効果トランジスタを用いたスイッチ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の機械的に動作する部分を含む装置は、モータや電磁クラッチ等を複数含み、個別に且つ断続的に動作する構成の場合、個別にスイッチを設けて、スイッチのオン，オフを制御することになる。この場合のスイッチは、手動による電源スイッチ等とは相違し、比較的頻繁にオン，オフ動作を行うものである。従って、リレーを用いる場合が一般的である。
【０００３】
例えば、図７に示すように、モータ，電磁クラッチ等の負荷ＬＤ１〜ＬＤｎと電源ＰＷとの間に、個別にリレーの接点Ｓ１〜Ｓｎを接続し、図示を省略したリレーを選択的に駆動することにより、接点Ｓ１〜Ｓｎを選択的にオンとして、電源ＰＷからオンとなった接点を介して動作電力を負荷に供給することになる。又負荷としてのモータの回転，停止が頻繁に行われるような場合、その負荷を駆動する為のリレーの接点が頻繁にオン，オフ制御される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
負荷ＬＤ１〜ＬＤｎに電源ＰＷから動作電力を供給する為のリレーの接点Ｓ１〜Ｓｎは、通常数１０ｍｓ程度以上の動作遅れがある。従って、所定のタイミングで高速に負荷ＬＤ１〜ＬＤｎの動作のオン，オフを制御することが困難であり、又リレーを駆動する電力についても、リレーの個数が多いと、無視できない状態となる。又接点Ｓ１〜Ｓｎのオン，オフ時に生じるノイズが、接点Ｓ１〜Ｓｎと負荷ＬＤ１〜ＬＤｎとの間の接続線を伝搬し、他の電子回路に悪影響を及ぼす問題がある。
【０００５】
そこで、機械的な接点を含まず、高速動作が可能の半導体スイッチが考えられる。このような半導体スイッチとしては、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等を用いることになるが、バイポーラトランジスタは、直流電源には適用できるが交流電源には適用できないことになる。又電界効果トランジスタは、数ｍΩ程度の低オン抵抗の構成も知られており、交流電源にも適用可能であるが、電流容量の比較的大きい電界効果トランジスタは、内蔵ダイオード（ボディダイオードとも称される）を含む構成であり、この内蔵ダイオードを介して整流された電流が流れる問題がある。
本発明は、電源が交流の場合でも、高速動作が可能の電界効果トランジスタを用いたスイッチ回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のスイッチ回路は、図１を参照して説明すると、電源ＰＷと負荷ＬＤ１〜ＬＤｎとの間に、それぞれ内蔵ダイオードＤ１，Ｄ２が逆極性となるように直列に接続した２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２と、この２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに制御電圧を印加して、この２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２をオン，オフ制御する制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎとを備え、この制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎは、制御信号をベースに加える制御トランジスタと、この制御トランジスタによって制御する相補型トランジスタと、光電変換器により変換された動作電圧を、相補型トランジスタの一方の導電型のトランジスタと、このトランジスタに対して順方向の極性に接続したダイオードとを介して、前記２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに印加し、他方の導電型のトランジスタと、このトランジスタに対して順方向の極性に接続したダイオードとを介して、前記２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートの充電電荷を放電させる構成を有するものである。
【０００７】
又制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎは、光電変換器により変換された動作電圧を、制御信号に従って電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに印加するトランジスタを備えることができる。又光電変換器により変換された動作電圧を、オン制御信号に従って、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに印加する第１のトランジスタと、オフ制御信号に従って、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートの入力容量の充電電荷を放電させる第２のトランジスタとを備えることができる。又制御回路は、制御信号をベースに加える制御トランジスタと、この制御トランジスタによって制御する相補型トランジスタとを含み、光電変換器により変換された動作電圧を、相補型トランジスタの一方の導電型のトランジスタを介して電界効果トランジスタのゲートに印加し、他方の導電型のトランジスタを介して電界効果トランジスタの入力容量の充電電荷を放電させるように接続した構成とすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態の説明図であり、ＰＷは電源、ＬＤ１〜ＬＤｎはモータ，電磁クラッチ等の負荷、Ｑ１，Ｑ２は電界効果トランジスタ、Ｄ１，Ｄ２は電界効果トランジスタの内蔵ダイオード、ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎは制御回路、Ｃ１〜Ｃｎはコンデンサ、ＰＣ１〜ＰＣｎは太陽電池等の起電力型半導体素子からなる光電変換器、Ｐは発光ダイオードやランプ等の光源、ｃｏｎｔ１〜ｃｏｎｔｎは図示を省略した上位の制御部からの制御信号を示す。
【０００９】
２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のソースを共通に接続し、一方の電界効果トランジスタＱ１のドレインを電源ＰＷに接続し、他方の電界効果トランジスタＱ２のドレインを負荷に接続する。即ち、内蔵ダイオードＤ１，Ｄ２が逆極性となるように直列に接続する。それにより、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２をオフとすると、電源ＰＷが直流電源の場合は確実にオフとなり、交流電源の場合でも、内蔵ダイオードＤ１，Ｄ２は逆極性であるから、確実にオフとすることができる。又電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２をオンすれば、電源ＰＷが直流でも交流でも負荷に動作電力を供給することができる。
【００１０】
又制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎは、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のオン，オフ制御の為のゲート電圧を制御信号ｃｏｎｔ１〜ｃｏｎｔｎに従って印加するもので、この制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎは、電源ＰＷとは電気的に絶縁された状態とする必要がある。その為に、トランスの一次巻線を例えば電源ＰＷに接続し、そのトランスに制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎ対応の二次巻線を設け、それぞれ整流平滑回路を接続して、制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎの電源とすることもできる。その場合、トランスや整流平滑回路による専有面積が大きくなる。
【００１１】
そこで、図示のように、光源Ｐと、制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎ対応の光電変換器ＰＣ１〜ＰＣｎを設け、発光ダイオードやランプ等の光源Ｐを電源ＰＷ等により点灯し、その発光光線を光電変換器ＰＣ１〜ＰＣｎに入射し、光電変換器ＰＣ１〜ＰＣｎの変換出力電圧をコンデンサＣ１〜Ｃｎに蓄積し、コンデンサＣ１〜Ｃｎの端子電圧を制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎから電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに印加するゲート電圧とする。この場合、光電変換器ＰＣ１〜ＰＣｎ対応の光源を設け、フォトカプラ構成とすることも可能である。
【００１２】
前述のように、２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２を直列に接続したスイッチ回路であるから、無接点構成で、且つ高速動作が可能であり、又低オン抵抗であるから、ノイズの発生もなく、負荷ＬＤ１〜ＬＤｎの動作のオン，オフを高速に制御し、且つ低電力損失の構成とすることができる。
【００１３】
図２は本発明の第２の実施の形態の説明図であり、Ｑ１，Ｑ２は電界効果トランジスタ、ＰＷは電源、ＬＤは負荷、ＰＣは光電変換器、Ｃはコンデンサ、Ｑ３はトランジスタ、Ｒ１は抵抗、Ｃｉｎは電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の入力容量、ｃｏｎｔは制御信号を示す。なお、光電変換器ＰＣに対する光源と、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の内蔵ダイオードＤ１，Ｄ２との図示を省略している。
【００１４】
光電変換器ＰＣに光源から入射する光をオン，オフして、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲート電圧のオン，オフを制御することも考えられるが、太陽電池等の光起電力型の半導体素子による光電変換器ＰＣは、動作速度が遅いので、制御信号に対応してゲート電圧を急速に立上げることが困難である。そこで、前述のように、光電変換器ＰＣにより変換された電圧によってコンデンサＣを充電して、制御回路の電源とし、トランジスタＱ３によりゲート電圧のオン，オフを高速に制御するものである。
【００１５】
例えば、制御信号ｃｏｎｔをハイレベル（“１”）とすると、トランジスタＱ３がオンとなり、コンデンサＣの端子電圧をゲート電圧として電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに印加し、入力容量Ｃｉｎを急速充電し、その端子電圧が閾値を超えることにより、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２はオンとなる。それにより、電源ＰＷから負荷ＬＤに動作電力が供給され、負荷ＬＤは動作を開始する。
【００１６】
又制御信号ｃｏｎｔをローベル（“０”）とすると、トランジスタＱ３はオフとなり、抵抗Ｒ１を介して電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の入力容量Ｃｉｎに蓄積された電荷が放電され、ゲート電位が閾値以下に低下すると、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２はオフとなり、電源ＰＷから負荷ＬＤに供給されていた動作電力が遮断され、負荷ＬＤは動作を停止する。
【００１７】
図３は動作説明図であり、（ａ）は制御信号ｃｏｎｔを示し、（ｂ）は電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のドレイン・ソース間電圧を示す。なお、Ｖｐは電源電圧である。例えば、（ａ）に示すように、制御信号ｃｏｎｔを“１”とすると、トランジスタＱ３が高速にオンとなり、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートにコンデンサＣの端子電圧を印加して、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２を高速にオンとすることができる。従って、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のドレイン・ソース間電圧は電源電圧Ｖｐから急速に零となる。
【００１８】
又制御信号ｃｏｎｔを“０”とすると、トランジスタＱ３はオフとなり、前述のように、抵抗Ｒ１を介して電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の入力容量Ｃｉｎの蓄積電荷が放電する。その時、抵抗Ｒ１を含む時定数に従って電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲート電圧が低下し、（ｂ）に示すように、ドレイン・ソース間電圧は傾斜した特性で電源電圧Ｖｐに上昇する。図２に示す制御回路の構成は、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の高速オンにより、負荷ＬＤにタイミングの遅れが生じないように動作電圧を印加することができる。
【００１９】
図４は本発明の第３の実施の形態の説明図であり、図２と同一符号は同一部分を示し、Ｑ３を第１のトランジスタとし、Ｑ４を第２のトランジスタとした場合を示し、第１のトランジスタＱ３のベースに制御信号ｏｎを印加し、又第２のトランジスタＱ４のベースに制御信号ｏｆｆを印加する構成とする。即ち、“１”の制御信号ｏｎを第１のトランジスタＱ３のベースに印加して、このトランジスタＱ３をオンとすることにより、コンデンサＣの端子電圧を電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに印加してターンオンさせる。この時、制御信号ｏｆｆを“０”として第２のトランジスタＱ４をオフとしておくものである。
【００２０】
次に制御信号ｏｎを“０”、制御信号ｏｆｆを“１”とすると、第１のトランジスタＱ３はオフ、第２のトランジスタＱ４はオンとなり、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の入力容量Ｃｉｎの蓄積電荷を、第２のトランジスタＱ４により高速放電させて、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のターンオフを高速化することができる。従って、電源ＰＷから負荷ＬＤに印加する動作電圧の高速オン並びに高速オフを実現することができる。
【００２１】
この場合、第１のトランジスタＱ３と第２のトランジスタＱ４とが同時にオンとならないように制御信号ｏｎ，ｏｆｆのタイミングを設定する必要がある。例えば、図３の（ｃ），（ｄ）に示す制御信号ｏｎ，ｏｆｆのそれぞれの立上りと立下りとの間にガードタイムｔ１，ｔ２を設定するもので、ｔ１＝ｔ２とすることもできる。それにより、トランジスタＱ３，Ｑ４の同時オンを防止することができる。又電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のドレイン・ソース間電圧は（ｅ）に示すものとなる。
【００２２】
図５は本発明の第４の実施の形態の説明図であり、図２と同一符号は同一部分を示し、Ｑ５，Ｑ６はｎｐｎ型のｐｎｐ型との相補型トランジスタ、Ｑ７はｐｎｐ型の制御トランジスタ、Ｒ２は抵抗を示す。相補型トランジスタＱ５，Ｑ６の共通接続のエミッタに電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートを接続し、制御トランジスタＱ７のコレクタを、相補型トランジスタＱ５，Ｑ６のベースに接続する。
【００２３】
従って、制御信号ｃｏｎｔを“１”とすると、制御トランジスタＱ７はオフとなり、相補型トランジスタＱ５，Ｑ６の一方のトランジスタＱ５がオン、他方のトランジスタＱ６がオフとなる。それにより、コンデンサＣの端子電圧がトランジスタＱ５を介して電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに印加され、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２はオンとなり、電源ＰＷから負荷ＬＤに動作電力が供給される。
【００２４】
又制御信号ｃｏｎｔを“０”とすると、制御トランジスタＱ７はオンとなり、相補型トランジスタの一方のトランジスタＱ５はオフ、他方のトランジスタＱ６はオンとなり、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の入力容量Ｃｉｎの充電電荷を急速放電し、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２はオフなり、電源ＰＷから負荷ＬＤに供給する動作電力は遮断される。
【００２５】
この場合の制御信号ｃｏｎｔを図２の（ｆ）に示すものとすると、電界効果トランジスタのドレイン・ソース間電圧は、図２の（ｇ）に示すものとなる。即ち、“１”の制御信号ｃｏｎｔにより電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２が高速にオンとなって、ドレイン・ソース間電圧は零となり、“０”の制御信号ｃｏｎｔにより電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２が高速にオフとなって、ドレイン・ソース間電圧は電源ＰＷの電圧Ｖｐとなる。
【００２６】
図６は本発明の第５の実施の形態の説明図であり、図５と同一符号は同一部分を示し、Ｄ３，Ｄ４はダイオードである。相補型トランジスタＱ５，Ｑ６のエミッタに接続したダイオードＤ３，Ｄ４は、順方向電圧降下をバイアス用として利用するもので、トランジスタＱ５がターンオフする前にトランジスタＱ６がターンオンしないように、トランジスタＱ６のエミッタ電位を低下させ、又トランジスタＱ６がターンオフする前にトランジスタＱ５がターンオンしないように、トランジスタＱ５のエミッタ電位を低下させる構成としたものである。又電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のオン，オフ制御については、図５に示す場合と同様であるから重複した説明は省略する。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、電源ＰＷと負荷ＬＤ１〜ＬＤｎとの間に、それぞれ内蔵ダイオードＤ１，Ｄ２が逆極性となるように直列に接続した２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２と、この２個の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに制御電圧を印加して、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２をオン，オフ制御する制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎとを備えているもので、電源ＰＷが交流電源の場合でも直流電源の場合でも適用可能あり、各種の負荷を断続駆動する場合に、動作電圧のオン，オフを高速で且つ低損失で制御できる利点がある。又光電変換器ＰＣを制御回路ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎの電源とすることにより、小型且つ軽量化することができる。又この光電変換器ＰＣを電源としてトランジスタによって電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のゲート電圧のオン，オフを高速制御することより、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２のオン，オフを高速化することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の説明図である。
【図３】動作説明図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の説明図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の説明図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の説明図である。
【図７】従来例の説明図である。
【符号の説明】
Ｑ１，Ｑ２ 電界効果トランジスタ
Ｄ１，Ｄ２ 内蔵ダイオード
ＰＷ 電源
ＬＤ１〜ＬＤｎ 負荷
ＣＯＮ１〜ＣＯＮｎ 制御回路
ｃｏｎｔ１〜ｃｏｎｔｎ 制御信号
Ｃ１〜Ｃｎ コンデンサ
ＰＣ１〜ＰＣｎ 光電変換器
Ｐ 光源

Claims (1)

1. 電源と負荷との間に、それぞれ内蔵ダイオードが逆極性となるように直列に接続した２個の電界効果トランジスタと、
   該２個の電界効果トランジスタの共通に接続したゲートに制御電圧を印加して該２個の電界効果トランジスタをオン，オフ制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、制御信号をベースに加える制御トランジスタと、該制御トランジスタによって制御される共通ベース接続の一方の導電型のトランジスタと他方の導電型のトランジスタと、該一方の導電型のトランジスタのエミッタと他方の導電型のトランジスタのエミッタとの間に順方向に直列に接続した２個のダイオードと、前記一方の導電型のトランジスタと他方の導電型のトランジスタとの動作電源電圧を印加する光電変換器とを備え、前記２個のダイオード間の接続点に前記２個の電界効果トランジスタの共通接続のゲートを接続した構成を備えた
   ことを特徴とするスイッチ回路。

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