JP4012646B2 - Switching circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング(switching)回路に関し、特に、スイッチングトランジスタ(switching transistor)がフォトカプラ(photo coupler)を介して駆動されるアイソレーションタイプ(isolation type)のスイッチング回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
アイソレーションタイプのスイッチング回路は、図3に示すように、例えばMOSFET(Metal−oxide Semiconductor Field Effect Transitor)等を用いたスイッチングトランジスタ30を、フォトカプラ40,50を介して駆動するようになっている。
【0003】
フォトカプラ40,50の発光ダイオード(diode)42,52には、入力信号が互いに逆な極性で与えられ、これによってフォトトランジスタ(photo transistor)44,54は、一方がオン(ON)になるとき他方がオフ(OFF)になる関係で動作する。
【0004】
フォトトランジスタ44がオンになることにより、スイッチングトランジスタ30のゲート・ソース(gate source)間に、キャパシタ70に充電された直流電源80の電圧が印加される。直流電源80としては、アイソレーションが容易な点で太陽電池等の光発電素子が用いられる。スイッチングトランジスタ30は、ゲート・ソース間に電圧が印加されとたきオンとなる。フォトトランジスタ54がオンになることにより、スイッチングトランジスタ30のゲート・ソース間が短絡されてゲート・ソース間の電荷が放電される。
【0005】
スイッチングトランジスタ30は、ゲート・ソース間に電圧が印加されとたきオンとなり、ゲート・ソース間が短絡されたときオフとなる。すなわち、スイッチングトランジスタ30はフォトカプラ40,50の入力信号に対応してオン・オフする。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなスイッチング回路では、フォトトランジスタ44,54のオン動作とオフ動作の速度の相違により、オン・オフが交代する時期にフォトトランジスタ44,54が同時にオンとなる瞬間がある。これを図4に示したタイムチャート(time chart)によって詳しく説明すれば、同図の(a)に示すように、入力信号源側から見た抵抗62,64の上流の2点1,4間に矩形波電圧V14が印加されたとき、抵抗62,64の下流の2点2,3間の電圧V23は、抵抗62,64における電圧降下により振幅が減少した矩形波電圧V23となる。この矩形波電圧V23が発光ダイオード42,52の両端に印加される。
【0007】
このような矩形波電圧V23に対応した発光ダイオード42,52の点滅により、フォトトランジスタ44,54が(b)に示すようにオン・オフする。フォトトランジスタ44,54の動作はオンになる方がオフになるよりも応答が早く、tON<tOFFとなる。このためtOFF−tONだけ両フォトトランジスタが同時にオンになる期間が生じる。この期間の長さは10〜30μs程度である。
【0008】
フォトトランジスタ44,54が同時にオンとなると、それによってキャパシタ70の両端が短絡され電荷が放電される。このためキャパシタ70の両端電圧が(c)に示すように急速に低下する。キャパシタ70の両端電圧は、短絡から解放された後に直流電源80からの充電に伴って次第に回復するが、太陽電池等で構成した直流電源80の出力電流は1〜50μA程度と微弱なので、スイッチングトランジスタ30をオンにする電圧VGSまで回復するのに、放電時間よりはるかに長い時間がかかる。この時間は0.1〜10ms程度である。
【0009】
その間スイッチングトランジスタ30はオンになることができないので、(d)に示すように、スイッチングトランジスタ30がオンになるまでtFETONの遅れが生じる。このため、スイッチングトランジスタ30のオン継続時間が、破線で示した本来のオン継続時間よりも短くなり、このため、スイッチングの能率が低下する。特に、オン・オフの周期が短いほど能率の低下が著しく、場合によっては動作不能になる。
【0010】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、アイソレーションタイプの高能率のスイッチング回路を実現することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
(1)上記の課題を解決する第1の発明は、互いに逆位相でレベルが交代する入力信号が与えられ互いに逆位相でオン・オフする1対のフォトカプラと、前記1対のフォトカプラのうちの一方の出力素子を通じて制御入力端子と1つの出力端子との間に駆動信号が与えられ、前記1対のフォトカプラのうちの他方の出力素子を通じて前記制御入力端子と前記1つの出力端子との間が短絡されるスイッチングトランジスタとを備えたスイッチング回路であって、前記1対のフォトカプラの入力回路に設けられ、前記入力信号のレベル交代時の過渡的な変化に時定数を持たせる時定数付与手段を具備することを特徴とするスイッチング回路である。
【0012】
(2)上記の課題を解決する第2の発明は、前記スイッチングトランジスタとしてMOSFETを用いることを特徴とする(1)に記載のスイッチング回路である。
【0013】
(3)上記の課題を解決する第3の発明は、前記駆動信号としてキャパシタに充電した光発電素子の電圧を用いることを特徴とする(1)または(2)に記載のスイッチング回路である。
【0014】
(4)上記の課題を解決する第4の発明は、前記時定数付与手段としてキャパシタを用いることを特徴とする(1)ないし(3)のうちのいずれか1つに記載のスイッチング回路である。
【0015】
(作用)
本発明では、時定数付与手段によりフォトカプラの入力信号のレベル交代時の過渡的な変化に時定数を持たせ、フォトカプラの出力素子がオンになる時間を遅らせる。これによって、2つの出力素子が同時にオンになる期間を無くす。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図1に、スイッチング回路の電気的接続図を示す。本回路は本発明のスイッチング回路の実施の形態の一例である。図1に示すように、本回路は、図3に示した回路と大部分が共通する構成を有する。実質的な相違点は、フォトカプラの入力信号供給ライン(line)の間にキャパシタ900を接続した点である。
【0017】
本回路は、例えばMOSFET等を用いたスイッチングトランジスタ300を、フォトカプラ400,500を介して駆動する構成になっている。スイッチングトランジスタ300は、本発明におけるスイッチングトランジスタの実施の形態の一例である。フォトカプラ400,500は、本発明におけるフォトカプラの実施の形態の一例である。フォトカプラ400,500の発光ダイオード420,520には、入力信号が互いに逆な極性で与えられ、これによってフォトトランジスタ440,540は、一方がオンになるとき他方がオフになる関係で動作する。フォトトランジスタ440,540は、本発明における出力素子の実施の形態の一例である。
【0018】
フォトトランジスタ440がオンになることにより、スイッチングトランジスタ300のゲート・ソース間に、キャパシタ700に充電された直流電源800の電圧が印加される。直流電源800としては例えば太陽電池等の光発電素子が用いられる。フォトトランジスタ540がオンになることにより、スイッチングトランジスタ300のゲート・ソース間が短絡されてゲート・ソース間の電荷が放電される。
【0019】
スイッチングトランジスタ300は、ゲート・ソース間に電圧が印加されとたきオンとなり、ゲート・ソース間が短絡されたときオフとなる。すなわち、スイッチングトランジスタ300はフォトカプラ400,500の入力信号に対応してオン・オフする。
【0020】
図2に、本回路の動作のタイムチャートを示す。同図の(a)ように、入力信号源側から見た抵抗620,640の上流の2点1,4間に矩形波電圧V14が印加される。このとき、抵抗620,640の下流の2点2,3間の電圧V23は、抵抗620,640における電圧降下分だけ減少した振幅と、抵抗620,640とキャパシタ900によって定まる立ち上がり時定数を持つ台形波状の電圧V23となる。この台形波状の電圧V23が発光ダイオード420,520の両端に印加される。抵抗620,640およびキャパシタ900からなる回路は、本発明における時定数付与手段の実施の形態の一例である。
【0021】
このような台形波状の電圧V23に対応した発光ダイオード420,520の点滅により、フォトトランジスタ440,540が(b)に示すようにオン・オフする。ここで、発光ダイオード420,520は、台形波状の電圧V23が発光電圧V420,V520以上になったとき発光するので、台形波状の電圧V23の立ち上がりおよび立ち下がりの時定数に基づく発光遅れ時間tON(LED)および消光遅れ時間tOFF(LED)が生じる。
【0022】
台形波状の電圧V23の立ち上がりおよび立ち下がりの時定数は、発光遅れ時間tON(LED)が消光遅れ時間tOFF(LED)とフォトトランジスタ440,540のオフ遅れ時間tOFFの和よりも大きくなるように設定されており、このため、フォトトランジスタ440,540が同時にオンになることがない。
【0023】
したがって、キャパシタ700が短絡される期間が発生せず、その電荷が放電されることがない。このため、スイッチングトランジスタ300は、(c)に示すように、フォトトランジスタ440がオンになると同時にオンとなり、また、フォトトランジスタ540がオンになると同時にオフとなる。このようにして、スイッチングトランジスタ300のオン期間が短くなることを防止することができ、能率の良いスイッチングを行うことができる。
【0024】
以上、スイッチングトランジスタとしてMOSFETを用いた例について説明したが、MOSFETに限らず例えば接合型FETやバイポーラトランジスタ(bipolar transistor)等、種々のタイプのトランジスタを用いて良い。また、スイッチングトランジスタの駆動信号のエネルギー源としては太陽電池等の光発電素子に限らず、通常のバッテリ(battery)を用いて良いのはいうまでもない。
【0025】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、アイソレーションタイプの高能率のスイッチング回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の一例のスイッチング回路の電気的接続図である。
【図2】図1に示したスイッチング回路の動作のタイムチャートである。
【図3】従来のスイッチング回路の電気的接続図である。
【図4】図3に示したスイッチング回路の動作のタイムチャートである。
【符号の説明】
300 スイッチングトランジスタ
400,500 フォトカプラ
420,520 発光ダイオード
440,540 フォトトランジスタ
620,640 抵抗
700 キャパシタ
800 電池
900 キャパシタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching circuit, and more particularly, to an isolation type switching circuit in which a switching transistor is driven through a photocoupler.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 3, the isolation type switching circuit is configured to drive a
[0003]
Input signals are given to the
[0004]
When the
[0005]
The
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the switching circuit as described above, there is a moment when the
[0007]
As the
[0008]
When the
[0009]
Meanwhile, since the
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to realize an isolation type high-efficiency switching circuit.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
(1) A first invention for solving the above-described problem is that a pair of photocouplers that are provided with input signals whose levels are alternated in opposite phases and that are turned on and off in opposite phases, and the pair of photocouplers, A drive signal is applied between the control input terminal and one output terminal through one of the output elements, and the control input terminal and the one output terminal are transmitted through the other output element of the pair of photocouplers. And a switching transistor that is short-circuited between the pair of photocouplers, provided in the input circuit of the pair of photocouplers, and having a time constant for a transient change when the level of the input signal is changed It is a switching circuit characterized by comprising a constant providing means.
[0012]
(2) A second invention for solving the above problem is the switching circuit according to (1), wherein a MOSFET is used as the switching transistor.
[0013]
(3) A switching circuit according to (1) or (2), wherein a third invention for solving the above-described problem uses a voltage of a photovoltaic element charged in a capacitor as the drive signal.
[0014]
(4) A fourth invention for solving the above-mentioned problem is the switching circuit according to any one of (1) to (3), wherein a capacitor is used as the time constant providing means. .
[0015]
(Function)
In the present invention, the time constant is given to the transitional change at the time of the level change of the input signal of the photocoupler by the time constant providing means, and the time when the output element of the photocoupler is turned on is delayed. This eliminates the period during which the two output elements are turned on simultaneously.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiment. FIG. 1 shows an electrical connection diagram of the switching circuit. This circuit is an example of an embodiment of the switching circuit of the present invention. As shown in FIG. 1, this circuit has a configuration that is largely in common with the circuit shown in FIG. The substantial difference is that a
[0017]
This circuit is configured to drive a switching
[0018]
When the
[0019]
The switching
[0020]
FIG. 2 shows a time chart of the operation of this circuit. As shown in FIG. 6A, a rectangular wave voltage V14 is applied between two
[0021]
As the
[0022]
The time constant of rising and falling of the trapezoidal voltage V23 is set so that the light emission delay time tON (LED) is larger than the sum of the extinction delay time tOFF (LED) and the off delay time tOFF of the
[0023]
Therefore, a period in which the
[0024]
As described above, the example in which the MOSFET is used as the switching transistor has been described. However, the present invention is not limited to the MOSFET, and various types of transistors such as a junction FET and a bipolar transistor may be used. Needless to say, the energy source of the drive signal for the switching transistor is not limited to a photovoltaic device such as a solar cell, and a normal battery may be used.
[0025]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, an isolation type highly efficient switching circuit can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electrical connection diagram of an exemplary switching circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a time chart of the operation of the switching circuit shown in FIG.
FIG. 3 is an electrical connection diagram of a conventional switching circuit.
4 is a time chart of the operation of the switching circuit shown in FIG. 3;
[Explanation of symbols]
300 switching transistor 400, 500
Claims (4)
前記1対のフォトカプラのうちの一方の出力素子を通じて制御入力端子と1つの出力端子との間に駆動信号が与えられ、前記1対のフォトカプラのうちの他方の出力素子を通じて前記制御入力端子と前記1つの出力端子との間が短絡されるスイッチングトランジスタと、
を備えたスイッチング回路であって、
前記1対のフォトカプラの入力回路に設けられ、前記入力信号のレベル交代時の過渡的な変化に時定数を持たせる時定数付与手段、
を具備することを特徴とするスイッチング回路。A pair of photocouplers which are provided with input signals whose levels are changed in opposite phases and which are turned on and off in opposite phases;
A drive signal is applied between a control input terminal and one output terminal through one output element of the pair of photocouplers, and the control input terminal is transmitted through the other output element of the pair of photocouplers. And a switching transistor in which the one output terminal is short-circuited;
A switching circuit comprising
A time constant providing means which is provided in an input circuit of the pair of photocouplers and which gives a time constant to a transitional change at the time of level change of the input signal;
A switching circuit comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング回路。MOSFET is used as the switching transistor,
The switching circuit according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスイッチング回路。Using the voltage of the photovoltaic element charged in the capacitor as the drive signal,
The switching circuit according to claim 1 or 2, wherein
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1つに記載のスイッチング回路。A capacitor is used as the time constant providing means.
The switching circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein
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