JPH02295220A - 固体継電器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、一ｉに高出力固体スイッチに関し、特に、低
電圧制御回路によって制御可能であり、かつ、増強され
たオン・オフ切り替え能力を有する、高電圧を切り替え
るための光学的に結合された継電器に関する。

を付与し、且つ、リード継電器のような電気機械式装置
に取って代わることができる。代表的な固体継電器は電
気絶縁されたギャップを越えて充電池アレイ（ｐｈｏｔ
ｏｖｏｌ　ｔａｉｃ　ａｒｒａｙ）　ヘ光学的に結合さ
れる発光ダイオード（ＬＥＤ）から成っている。

充電池アレイは電界効果形トランジスタ（ＦＥＴ）のよ
うな出力素子に電気的に接続される。ＬＥＤからの光は
充電池アレイの両端間に電圧を生成し、出力ＦＥＴを起
動させる。あるいは、ＬＥＤからの光が消滅すると、充
電池アレイの両端間電圧は低下し、出力ＦＥＴは起動停
止される。

固定継電器の重要な限界の一つは切り替え動作の速度で
ある。これは出力ＦＥＴに特有のキャパシタンスの結果
である。充電池アレイが起動する毎に、このキャパシタ
ンスは出力ＦＥＴがオンに切り替わる前に充電されなけ
ればならない。同様に、充電池アレイが起動停止する毎
に、このキャパシタンスは出力ＦＥＴがオフに切り替わ
る前に放電されなければならない。この固有のキャバシ
タンスの充電と放電が切り替え機能の速度を抑制する。

高出力回路を切り替えなければならない場合は、より大
型のＦＥＴを使用しなければならないので、この問題は
大きくなる。従って、より大きなキャパシタンスの充電
と放電を行わなければならない。

今日入手できる固体継電器は比較的遅いオン・オフ切り
替え特性を備え、また電気的な過渡状態の影響を受けや
すい。例えば、ロドリゲス（１？ｏｄｒ　ｉｇｕｅｚ）
に対する米国特許第４，３９０，７９０号に開示されて
いる継電器には出力ＦＥＴに直接接続されたフォトダイ
オード・アレイが設けてある．ロドリゲスの特許が出力
ＦＥＴのゲートーソース・キャパシタンスを放電するた
めオフ切り替えトランジスタを使用していることによっ
てオフ切り替え速度はある程度進歩したが、継電器への
過渡状態に対する保護を付与するものではない。

ロドリゲスの特許に開示されている第２の実施例では、
切り替えられた電圧を出力ＦＥＴのゲートに結合するた
め光学的に結合されるＪＦＥＴを使用している。そのこ
とによって出力ＦＥＴは通常よりも迅速に充電する。し
かし、この設定では切り替えＪＰＥＴは出力ＦＥＴと同
様の欠点をともなう。すなわち、ＪＦＥＴは克服される
べき充電キャバシタンスが関連している。更に、ＪＦＥ
Ｔが出力ＦＥＴのゲートーソース・キャパシタンスを迅
速に充電するために必要な電流を切り替えるためには、
ＪＦＥＴスイッチにはその臨界オン切り替え電圧を大幅
に超えてバイアスをかけなければならない。このような
継電器は制御回路と切り替えられる回路との間の過渡的
な伝播に対しても弱い． ［発明の目的］ 的とする． ［発明の概要］ 本継電器は制御回路に接続可能なＬＥＤと、該ＬＥＤに
光学的に結合される一次フォトダイオード・アレイとを
有している．負荷回路に接続可能な一対の出力ＦＥＴが
、光学的に起動される絶縁フォトトランジスタを経て一
次フォトダイオード・アレイに結合される。出力ＦＥＴ
に特有のキャバシタンスの放電を促進するため、光学的
に制御された分路スイッチが一対の出力ＦＥＴに接続さ
れている。継電器のオン切り替え時間を増すため、光学
的に制御された充電ネットワークが出力ＦＥＴと負荷回
路との間に接続されている。オン及びオフ切り替え時に
一次フォトダイオード・アレイを出力ＦＥＴに結合、減
結合するため、フォトトランジスタが使用されている．
分路ＦＥＴ及び分路半導体制御整流器（ＳＣＲ）がオフ
切り替え時に出力ＦＥＴのゲートーソース・キャバシタ
ンス用の放電経路を作る．フォトトランジスタのアレイ
が直列に阻止ダイオードを介して出力ＦＥＴのゲート端
子及び出力端子に接続されている。継電器がオン切り替
えされると、切り替えられた電圧はフォトトランジスタ
を介して出力ＦＥＴに結合され、かくして出力ＦＥＴの
ゲートーソース・キャバシタンスを充電するための付加
的な電力を供給する．ＦＥＴスイッチが“閉じられる”
と、スイッチには電圧降下はなく、又フォトトランジス
タ・アレイによる付加的な電圧の印加もない。スイッチ
は従来どおり一次フォトダイオード・アレイによって閉
状態に保たれる。

［発明の実施例］ 継電器は低電圧制御回路に接続可能な２つの入力端子１
１及び１２と、切り替え負荷回路に接続可能な２つの出
力回路１３及びｌ４を有している。一つの出力端子ｌ３
は出力電界効果形トランジスタ（ＦＥＴ）１６のドレン
端子に接続され、別の出力端子１４は第２の出力ＦＥＴ
１７のドレン端子に接続されている。各出力ＦＥＴのソ
ース端子は各出力ＦＥＴのゲート端子と同様に互いに接
続されている。

この実施例では、出力ＦＥＴ１６及び１７は垂直倍拡散
ＭＯＳ　（Ｄ・ＭＯＳ）素子である。

これらのＦＥＴはゲートとソースの間の電位を変更する
ことによって制御される。例えば、出力ＦＥＴはゲート
ーソース間電位が約１ないし２ボルト又はそれ以上であ
る場合に“オン”に切り替わる。出力ＦＥＴはゲートー
ソース電位がそれ以下に降下した場合に゛オフ”に切り
替わる。出力ＦＥＴをオン・オフに切り替えるため、そ
れらに特有のゲートーソース・キャパシタンスを充電、
放電することが必要である。これらのトランジスタが“
オフ″゜である場合は、極めて高いインピーダンスを有
し、従って負荷回路において開スイッチとして機能する
。しかし、トランジスタが“オン”である場合は、出力
端子間に約２００オームの低いインピーダンス経路が付
与される。

出力ＦＥＴは、高インピーダンス状態で高電圧を阻止す
る能力のあるＤＭＯＳ素子で実施される．動作時には、
出力ＦＥＴは一つの方向で電圧を阻止することができる
が、逆方向では約１ボルトの電圧にしか耐えることがで
きない。出力ＦＥＴ１６と１７のソースを互いに接続す
ることによって、ＦＥＴの一つは常に完全な阻止モード
（それらが゜オフ”である場合）にあり、ソースとドレ
ンとの間に寄生ダイオードがあるにもかかわらず所望の
、２３０ボルトという高い両方向性降伏電圧を達成する
ことができる． 一次フォトダイオード・アレイ１８は陽極から陰極に互
いに直列に接続された１０個の個々のフォトダイオード
から構成されている。ダイオード・アレイｌ８の一端は
絶縁フォトトランジスタ１９を経て出力ＦＥＴ１６及び
ｌ７のゲートに連結されている。

一次フォトダイオード・アレイの他端は第２の絶縁フォ
トトランジスタ２０を経て出力ＦＥＴのソースに連結さ
れている。好適な実施例におけるこの絶縁フォトトラン
ジスタはｐｎｐｌ−ランジスタである。ｐｎｐ　｝ラン
ジスタはフォトダイオード・アレイを出力ＦＥＴに結合
するためにも利用できることを理解されたい。更に、フ
ォトトランジスタは基本的に対称であり、順方向及び逆
方向モードで等し《導通可能であるので、それらのエミ
ッタ／コレクタの方向は重要ではない。ベース／コレク
タ電流は制御ＬＥＤが点灯されたときにその光電作用で
生成されるので、これらの素子のベース電極は接続する
必要がない。

継電器のオン切り替えは制御回路に電流を流し、この制
御回路によって発光ダイオード（ＬＥＤ）が光を発する
ことによって達成される。一次フォトダイオード・アレ
イ１８が制御ＬＥＤからの光によって照射されると、ア
レイ中の各フォトダイオードはその端子の間に約０．５
ボルトの電位を生成し、ひいてはダイオード・アレイ全
体で約５ボルトの電位を生成する。この電位は絶縁フォ
トトランジスタ１９及び２０を経て出力ＦＥＴに結合さ
れる．フォトトランジスタの点灯によってトランジスタ
は導通ずる。出力ＦＥＴに結合された５ボルトの電圧は
ＦＥＴのゲートーソース・キャバシタンスが充電される
と、ＦＥＴを充分“オン”状態に駆動する。

出力ＦＥＴのオン切り替え速度は充電回路網２２によっ
て増進される．この充電回路網は充電フォトトランジス
タ２６のアレイと、一対の阻止ダイオード２３及び２４
から成っている．フォトトランジスタ・アレイは互いに
直列に接続された多数のフォトトランジスタから構成さ
れ、各フォトトランジスタのコレクタ電極は隣接するフ
ォトトランジスタのエミッタ電極に接続されている。フ
ォトトランジスタ・アレイの一端は出力ＦＥＴ１６及び
１７のゲートに接続されている。フォトトランジスタ・
アレイの他端は２つの阻止ダイオード２３及び２４の陽
極に接続されている。一つの阻止ダイオード２３の陰極
は一つの出力端子１４に接続され、別の阻止ダイオード
２４の陰極は別の出力端子ｌ３に接続されている。

充電フォトトランジスタ２６のアレイは出力端子１３と
１４との間の電位に結合されると、高電流源のような機
能を果たす。充電フォトトランジスタが、ＬＥＤ２１か
らの光によって起動されると、充電ファトトランジスタ
によってそのベースーコレクタ接合部に電流が生成され
る。これだけで継電器に少量の電流が供給される。しか
し、充電フォトトランジスタに適切にバイアスがかけら
れると、この光により生成された電流は゜“トランジス
タ効果”によってほぼフォトトランジスタの電流利得の
因数だけ増幅される（ベータ）。

充電ファトトランジスタ・アレイ２６のバイアスは充電
フォトトランジスタのアレイの一端を負荷回路内の切り
替え電圧に接合することによって達成される。継電器が
開である場合（出力ＦＥＴが“オフ”゜）、電位は出力
端子ｌ３と１４の間に出現する。継電器を高電圧負荷回
路と連結して使用する場合、バイアス電圧が各トランジ
スタに適正に分圧されるように幾つかのフォトトランジ
スタが使用される。

阻止ダイオード２３及び２４は最高電位にある出力端子
をフォトトランジスタ・アレイに結合することによって
全波整流器のような機能を果たす。他の出力端子におけ
る電圧はフォトトランジスタ・アレイの反対端用の基準
電圧を供給する。出力端子間の相対電位にかかわりなく
、出力ＦＥＴ１６又は１７の一つには常に逆バイアスが
かかることを理解されたい。逆にバイアスがかかった出
力ＦＥＴに対応する出力端子の電圧は出力ＦＥＴのソー
スとドレンの間の寄生ダイオードを経て出力ＦＥＴのゲ
ート電極に基準電圧を供給する。更に前述のバイアスは
ＡＣ又はＤＣの何れかの切り替え負荷回路でスイッチが
使用された場合に生じることを理解されたい。

出力ＦＥＴのゲートーソース・キャパシタンスが適正に
充電されると、出力ＦＥＴばオンに切り替わる。そうな
ると、出力の間の電位は出力ＥＦＴによって生成された
低インピーダンスのために降下する。ひいてはそれによ
ってフォトトランジスタ・アレイからバイアスが取り除
かれ、充電フォトトランジスタは電流の増幅を停止する
。

ＬＥＤは点灯し続けているので充電フォトトランジスタ
は光電流を生成し続けるが、継電器に及ぼすその作用は
ごく僅かである。出力ＦＥＴが一旦オンに切り替わると
、一次フォトダイオード・アレイ１８によって生成され
たバイアス電圧によってオン状態に保たれる。

このような特別な構成によって負荷回路からの電力を損
失することなく迅速なオン切り替えが得られる，ＬＥＤ
２１がオンに切り替わると、フォトトランジスタ・アレ
イは短期間の間、継電器に比較的大量の電流を供給する
。出力ＦＥＴが一旦オンに切り替わると、負荷回路から
それ以上の電力は排流されない。

この発明によって２００マイクロ秒のオン切り替え立ち
上がり時間が達成される。この増進がなければオン切り
替えの立ち上がり時間は出力ＦＥＴＯサイズによって１
００ないし２００ミリ秒まで遅くなるであろう。切り替
え速度は２つの理由から重要である。一つは継電器が使
用される特定の用途では迅速な切り替えが必要である。

第２に、用途の要求にかかわらず、遅いオン切り替えは
ＦＥＴに電流を引き込ませることによってＦＥＴにスト
レスがかかり、ＦＥＴがオーバーヒートすることがある
。

継電器スイッチを開放するには出力ＦＥＴ１６及び１７
はオフに切り替わらなければならない。これはＬＥＤ２
１をオフにして、一次フォトダイオード・アレイ１８０
両端間の電位をゼロボルトの方向に降下させることによ
って達成される。しかし、出力ＦＥＴはそれらのゲート
ーソース・キャバシタンス１５が放電するまではオフに
切り替わらないことに留意されたい．出力ＦＥＴのゲー
トとソースとの間に分路がない場合は、このキャパシタ
ンスは漂遊漏れ経路を介して放電しなければならないだ
ろう。このようにして放電するには数秒間が必要なので
、より迅速にオフ切り替えするには通常は別の手段が必
要である。

実施例は出力ＦＥＴが“オン”であるときに開き、且つ
オンに切り替わると出力ＦＥＴのゲート及びソース端子
を分路する光学的にトリガされる２つの固体スイッチを
有している。これらのスイッチは出力ＦＥＴのゲートー
ソース・キャバシタンスがそこを通って放電できる経路
を提供する．スイッチの一つはトランジスタ２８及び２
９から成るシリコン制御整流器（ＳＣＲ）２７である。

該ＳＣＲは出力ＦＥＴのゲートとソースの間に接続され
、一次フォトダイオード・アレイ１８の両端間の電位に
よって制御される。一次フォトダイオード・アレイ１８
が点灯されると、ＳＣＲは開状態に保たれる。しかし、
一次フォトダイオード・アレイの両端間の電位がゼロボ
ルトに降下すると、ＳＣＲはトリガされ、閉状態にされ
る。

出力ＦＥＴ１６及びｌ７のゲートも放電接合ＦＥＴいる
。放電ＪＦＥＴのゲートは二次フォトダイオード・アレ
イ３２の一端に接続されている。二次フォトダイオード
・アレイ３２の他端は出力ＦＥＴのソースに接続されて
いる。二次フォトダイオード・アレイは互いに直列に接
続された２つのフォトダイオードから成っている。制御
ＬＥＤによって照射されると、二次フォトダイオード・
アレイはその端に約１ボルトの電圧を生成し、これが放
電ＪＰＥＴに逆バイアスをかけ、これをオフに切り替え
る。二次フォトダイオード・アレイの両端間の電圧がゼ
ロボルトに降下すると、放電ＪＦＥＴにはバイアスがか
かり、これをオンに切り替え、電流を導通する。

光が存在しない場合も絶縁フォトトランジスタ１９と２
０はオフに切り替わり、それによって一次フォトダイオ
ード・アレイ１８は出力ＦＥＴ１６及び１７から滅結合
される。この段階は一次フォトダイオード・アレイを出
力ＦＥＴから絶縁するので重要である。そうでないと、
出力ＦＥＴが逆バイアスがかかったダイオード・アレイ
を経てゲートーソース・キャバシタンスを放電しようと
するであろう。その結果、放電は極めて遅くなるであろ
う．逆にダイオード・アレイが出力ＦＥＴから絶縁され
ていれば、ＳＣＲ２７はトリガされ、ゲートとソースの
間に放電経路を提供する。

スイッチの各々が異なる反応を示すので出力ＦＥＴのゲ
ートーソース・キャパシタンスを放電するため２つの分
路スイッチが使用される。

ＳＣＲは極めて迅速にトリガし、且つ短時間で高レベル
の電流を切り替えることができる。しかし、スイッチ内
のバイポーラ・トランジスタ接合のため、出力ＦＥＴの
キャパシタンスを約０．８ボルトまでしか放電し得ない
．出力ＦＥＴがそのオン切り替え臨界電圧以下までバイ
アスされた場合でも、ゲートーソース電圧によってはド
レンーソース・インピーダンスは保持されるので、ゼロ
ボルト又はゼロボルト近くまで放電することが重要であ
る。

出力ＦＥＴのゲートーソース電位をゼロボルト近くまで
降下させるため放電ＪＦＥＴ３１が使用される。放電Ｊ
ＦＥＴはＳＣＲと比較するとオン切り替え時間が遅く、
電流導電能力が低い。

継電器には更に制御回路内の過渡状態から保護する手段
を備えている。ｐｎｐ絶縁フォトトランジスタ１９と２
０は対称であり、順方向と逆方向で等しく導通ずるので
、入力過渡状態がある場合でもＳＣＲをオフに保ち続け
る。

ＬＥＤ２１を除く回路全体が単一のシリコン・チップ上
に一つの集積回路として製造されている。

ロドリゲスへの米国特許第４，３９０，７９０号に開示
されている公知の誘電絶縁技術を利用して回路の各部品
間の必要な電気絶縁が行われる。ＬＥＤは絶縁ギャップ
を渡ってシリコン・チップと対面して配置され、あるい
はＬＥＤはチップと同し面に配置することもできる。後
者の配置ではロドリゲスにより開示されているように、
ＬＥＤと、固体継電器回路を含むシリコン・チップとの
上に湾曲した屈折フィルムが載置されている。対面式の
配置によって、ＬＥＤと継電器との間には最大の工学的
結合が可能であり、一方、ＬＥＤ駆動電流は最小である
。しかし、これは同時にＬＥＤと固体阻止との間の容量
性結合という不都合な作用も増大し、それによって制御
回路の過渡状態による偽りのオフ切り替えに対して継電
器が一層敏惑になる。

これまでの説明は図面に示した現時点での好適な実施例
に基づくものである。この発明に関連する当業者にはこ
の発明の精神、原理及び範囲から逸脱することなく多く
の変更と修正が可能であることが明白であろう。

例えば、結合及び放電回路を実施する他の手段を利用で
きることは明白である。スイッチがオフ切り替えされた
ときに出力ＦＥＴのゲートとソースを分路する手段は抵
抗性分路又はバイボーラ・トランジスタを用いて実施で
きる。更にここに開示したダイオード・アレイの代わり
に別の光電阻〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明を用いることにより、オン
・オフ切り替え特性が改善された、過渡状態に強い固体
継電器を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にょる一実施例を示す概略図である。 ｌ６、１　７　：　ＦＥＴ １８二一次フォトダイオード・アレイ １９、２０：絶縁フォトダイオード・アレイ２１：ＬＥ
Ｄ，　　　　　　　２２：充電回路網２７：ＳＣＲ，　
　　　　　　３１：放電ＪＦＥＴ３２：二次フォトダイ
オード・アレイ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体スイッチと、 照明された時に前記半導体スイッチをオン状態に保持す
   る充電池アレイと、 前記充電池アレイの初期照明期間においてのみ、前記充
   電池アレイからの電流を増大して前記半導体スイッチの
   入出力端子からの電流とする光応答手段と、 前記充電池アレイと前記光応答手段との両方を照明する
   照明手段と、 を備えて成る固体継電器。
2. （２）前記光応答手段が複数のフォトトランジスタを備
   えて成ることを特徴とする請求項（１）記載の固体継電
   器。