JPH0346819A - 固体リレー - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、入力信号を発光素子で光信号に変換し、発光
素子と光結合された光起電力ダイオードアレイで光信号
を電気信号に変換し、その電気信号によって出力用の金
属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）
を駆動させ、出力用接点信号を得るようにした光結合を
用いた固体リレーに関するものである。

［従来の技術］ 第５図は従来の固体リレー（特開昭５５−１３３１３２
号公報）の回路図である。入力端子６ａ。

６ｂ間には、発光ダイオードのような発光素子１が接続
されている。光起電力ダイオードアレイ２は、発光素子
１と光結合されている。入力端子６ａ。

６ｂ間に入力電流が流れると、発光素子１が光信号を発
生し、この光信号により光起電力ダイオードアレイ２の
両端に光起電力が発生ずる。光起電力ダイオードアレイ
２の両端は、ゲート絶縁形の電界効果トランジスタ（Ｍ
ＯＳＦＥＴ）３のゲートソース間に接続されている。ま
た、光起電力ダイオードアレイ２の両端には、残留電荷
放電用の抵抗性インピーダンス３ａ’が並列接続されて
いる。

入力端子６ａ、６ｂ間に入力電流が流れると、光起電力
ダイオードアレイ２の両端に光起電力が発生する。この
光起電力をＭＯＳＦＥＴ３のゲート・ソース間に印加し
、ＭＯＳＦＥＴ３の電流通電電極に接続された出力端子
７　ａ、　７　ｂ間のインピーダンスを著しく異なる別
の値に変化させる。以下、ＭＯＳＦＥＴ３がＮチャンネ
ルのエンハンスメントモードである場合について説明す
る。

リレーの入力端子６ａ、６ｂ間に電流が流れると、出力
端子７ａ、７ｂ間がオフ状態からオン状態に変化し、機
械的に可動部分を持たずに、電気機絨的なリレーと同じ
作用をすることになる。ここで、抵抗性インピーダンス
３ａ’はＭＯＳＦＥＴ３の’７’−ト・ソース間の静電
容量に蓄積された電荷を放電さぜる働きを有するもので
あり、この抵抗性インピーダンス３ａ″が存在しないと
、」１記の回路例で入力電流が切れたときに出力端子７
ａ、７１＋間をオフ状態に戻すことができない。

しかしながら、入力端子６ａ、６ｂ間に電流を流し、リ
レーをオフ状態にしようとするときには、この抵抗性イ
ンピーダンス３ａ’の存在は、光起電力ダイオードアレ
イ２の光起電力をバイパスする点から好ましくない、リ
レー動作をさせるために要する最低の入力電流、つまり
、感動電流（ＩＦｏｎ）を小さくするためには、抵抗性
インピーダンス３ａの値を大きく設定する必要があり、
入力電流が切れてから出力端子７ａ、７ｂ間が復帰する
までの時間Ｔｏ［ｋ短くするためには、抵抗性インピー
ダンス３ａの値を小さく設定する必要があるという矛盾
が存在する点、及び、ＭＯＳＦＥＴ３のゲート・ソース
間の電圧は入力電流が感動電流（Ｉｉ、ｏｎ）近傍の電
流域のときに入力電流に比例して変化するため、Ｍ　Ｏ
Ｓ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　３の電流通電電極に接続された出力端
子７ａ、７ｂ間のインピーダンスがオン状態とオフ状態
の中間的な位置で存在してしまうという欠点がある。

このような問題点を解決するために、従来、第６図に示
すような固体リレーく特願昭６１２５５０２２号）が提
案されている。この回路にあっては、光起電力ダイオー
ドアレイ２の両端に発生する光起電力は、インピーダン
ス要素４を介して出力用のＭＯＳＦＥＴ３のゲート・ソ
ース間に印加されると同時に、ノーマリ・オン型の静電
誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）又は電界効果型トランジ
スタ（ＦＥＴ）よりなる駆動用トランジスタ５を介して
流れる。したがって、ＭＯＳＦＥＴ３のゲート容量を充
電する電流と、駆動用トランジスタ５を介して流れる電
流が、インピーダンス要素４を介して流れる。このため
、インピーダンス要素４の両端電圧降下により駆動用ト
ランジスタ５のゲート・ソース間に図示された極性のバ
イアス電圧が加わる。このバイアス電圧により駆動用ト
ランジスタ５が瞬時に高インピーダンス状態となる。

それ故、駆動用トランジスタ５の存在により出力用のＭ
ＯＳＦＥＴ３のゲー１へ　ソース間の充電動作を遅延す
ることはない。

入力電流が入力端子６ａ、６ｂ間に定常的に流れている
間は、駆動用ｌ・ランジスタ５を介して１Ｍかな′：ｒ
、流がインピーダンス要素４に流れ、これにより駆動用
トランジスタ５のゲート・ソース間にバイアス電圧が加
わり、駆動用トランジスタ５は高インピーダンス状態を
維持する。このとき、インピーダンス要素４に加わる電
圧値Ｖ、は、駆動用トランジスタ５の遮断特性とインピ
ーダンス要素４の値に応じて決まる。

入力端子６ａ、６ｂ間の入力電流が遮断されると、ＭＯ
ＳＦＥＴ３のゲート容量に蓄積されていた電荷は、駆動
用トランジスタ５を介して放電される。

このとき、駆動用トランジスタ５のゲート・ソース間に
は前記バイアス電圧が加わらないので、駆動用トランジ
スタ５はオン状ｆフであり、したがって、この放電動作
は極めて短時間で完了する。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の固体リレーにおいて、出力用のＭＯＳＦＥＴをソ
ースが共通になるように逆直列接続した２個＜７）ＭＯ
ＳＦＥＴｒｆ１１成した場合、共通する１端子と他の２
端子を用いて２系統の出力回路のオン・オフ状態を制御
することが可能となる。ところが、従来の固体リレーで
は、２系統の出力回路が常に同時にオン状態又はオフ状
態に変化し、タイミングをずらすことはできないという
問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、２系統の出力回路のオン・オフ
状態を僅かにタイミングをずらして制御することが可能
な固体リレーを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明にあっては、上記の課題を解決するために、第１
図に示すように、入力信号に応答して光信号を発生する
発光素子１と、前記光信号を受光して光起電力を発生す
る光起電力ダイオードアレイ２と、光起電力ダイオード
アレイ２と直列的に接続されたインピーダンス要素４と
、前記光起電力を前記インピーダンス要素４を介してゲ
ート・ソース間に印加されて、第１のインピーダンス状
態から第２のインピーダンス状態に変化する出力用ＭＯ
ＳＦＥＴ３と、出力用ＭＯＳＦＥＴ３のゲト・ソース間
に一対の通７Ｍ電極を接続され、前記インピーダンス要
素４と光起電力ダイオードアレイ２との接続点に制御電
極を接続されて、光起電力ダイオードアレイ２による光
起電力の発生時に前記インピーダンス要素４の両端に生
じる電圧にて高インピーダンス状態にバイアスされるノ
ーマリ・オン型の駆動用トランジスタ５とを有して成る
固体リレーにおいて、異なるスレショルド電圧を有する
２個のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂをソースが共通となるよ
うに逆直列接続して出力用ＭＯＳＦＥＴ３としたことを
特徴とするものである。

なお、ＭＯＳＦＥＴのスレショルド電圧（第１のインピ
ーダンス状態から第２のインピーダンス状態へ変化する
ときの境目のゲート・ソース間電圧）は、ゲート酸化膜
厚、チャンネル濃度、チャンネルドーズ量、ゲートの材
質などを適当に選ぶことにより、希望の値を得ることが
できる。

［作用］ 本発明にあっては、このように、異なるスレショルド電
圧を有する２個のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂをソースが共
通となるように逆直列接続して出力用ＭＯＳＦＥＴ３と
したので、一方のＭＯＳＦＥＴ３ａのオン・オフ状態と
他方のＭＯＳＦＥＴ３ｂのオン　オフ状態を僅かにタイ
ミングをずらして制御することが可能となる。

第２図に出力用ＭＯＳＦＥＴ３のゲート充電特性を示す
、第２図（ａ）はＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　３　ａのゲー
トに充電された電荷Ｃ〔クーロン〕と、ゲート・ソース
間電圧Ｖｃｓ（ボルト〕の関係を示す、なお、ＭＯＳＦ
ＥＴ３ａ、３ｂは共にデプレッションタイプのＭＯＳＦ
ＥＴとする０Ｍ０８ＦＥ７３ａは、ゲートの充電量が０
２以下で、ゲート・ソース間電圧ＶＣ５がＶ２以下の場
合には、オフ状態である。そして、■２と■、の間はミ
ラー効果があり、見掛けの容量は大きくなり、ゲート・
ソース間電圧ＶＣＳを上げるために必要な充電量は増大
する。そして、ゲートの充電量がＣ１となり、ゲート・
ソース間電圧ＶＣＳがＶ、に達すると飽和領域に入り、
ミラー効果は無くなる。　Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　Ｂ　
ｂも同様の動作を行うが、ドレイン電流の流れ出すとき
のゲート・ソース間電圧ＶＣＳが異なる。第２図（ｂ）
はＭＯＳＦＥＴ３ＦＪのゲート充電特性を示している。

このＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ　３ａ、３ｂのゲート・ソースを
第１図に示すように共通接続したときのゲート充電特性
は、第２図（ｅ）に示すようになる。ゲート容！を並列
接続したために容量が増加し、各直線部分の傾きは小さ
くなっている。ここで、■、と■、の間は、Ｍ　ＯＳ　
Ｆ　Ｅ　Ｔ　３　ａは完全にオン状態であるが、ＭＯＳ
ＦＥＴ３ｂはオフ状態である。このように、２つのＭＯ
ＳＦＥＴ３ａ、３ｂのゲート・ソース間を並列に接続し
た場合、ゲートの充電量により一方はオン状態であるが
、他方はオフ状態である値が存在する。これはゲート充
電特性が少し異なるエンハンスメントタイプのＭＯＳＦ
ＥＴを出力用ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴとした場合でも同様であ
る。また、ゲート放電時の動作はゲート充電時と逆にな
ることは明白である。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例の回路図である。この回路は
、出力用ＭＯＳＦＥＴ３が２個のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３
ｂを逆直列接続して構成されている点、及び駆動用トラ
ンジスタ５が２個のノーマリオン型の静電誘導トランジ
スタ５ａ、５ｈを直列接続して構成されている点を除い
ては、第６図に示す従来例と同様である。２個のノーマ
リ・オン型の静電誘導トランジスタ５ａ、５ｂを直列接
続することにより、特願昭６２−１９７４４２号に開示
されているように、小さな入力電流で固体リレーを駆動
することができる１Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　７３　ａ　３　
ｂはエンハンスメントタイプであるものとし、ＭＯＳＦ
ＥＴ３ａのスレショルド電圧よりもＭＯＳＦＥＴ３ｂの
スレショルド電圧を高くした場合について説明する。第
２図（ａ）　、　（ｂ）はＭＯＳＦＥＴ３ａ。

３ｂのゲート充電特性をそれぞれ示しており、第２図（
ｃ）はＭＯＳＦＥＴ３ｍ、３ｂのゲート同士・ソース同
士を接続した場合のゲート充電特性を示している。

第３図は本実施例の動作波形図である。同図（ａ）は発
光素子１への入力電流波形である。この入力電流により
、光起電力ダイオードアレイ２の両端に起電力が発生し
、駆動用トランジスタ５のインピーダンスが高くなり、
ＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂのゲート　ソース間への充電が
開始される。光起電力ダイオードアレイ２は、両端電圧
が開放電圧付近に達するまでは定電流動作を行うため、
ＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂのゲー１−　ソース間電圧Ｖ−
Ｃ５は、第２図（ｅ）に示すゲート充電特性に従って上
昇する。　Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　３　ａ　、　３　ｂ
がエンハンスメントモードであるとすると、Ｍ　ＯＳ　
Ｆ　Ｅ　７３　ａが先にオン状態となり、第３図（ｂ）
に示すようにドレイン電流が流れる０次に、ＭＯＳＦＥ
Ｔ３ｂが少し遅れてオン状態となり、第３図（ｃ）に示
すようにトレイン電流が流れる。これを時間変化で説明
すると、発光素子１への入力電流の立ち上がりがｔｌ。

Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　３　ａのオン動作がｔ２、ＭＯ
ＳＦＥＴ３ｂのオン動作が１．のタイミングとなる０次
に、発光素子１への電流がり、で立ち下がると、ＭＯＳ
ＦＥＴ３ｂがＬｓテ先にオフ状態となり、ＭＯ３ＦＥ　
Ｔ　３　ａが１６で遅れてオフ状態となる。つまり、Ｍ
　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ　３　ａはし１〜ｔ２でオフ状態、
Ｌ　２〜Ｌ　ｉでオン状態、Ｌ６〜でオフ状態となり、
ＭＯＳＦＥＴ３ｂはし１〜ｔ、でオフ状態、ｔ　ｈ　〜
ｔ　ｓでオン状態、１５〜でオフ状態となる。

第４図（、）は上記固体リレーの応用例、を示している
。入力電流により発光素子１が光信号を発生ずると、ま
ず、ＭＯＳＦＥＴ３ａがオン状態となってバイアス回路
１ｏが動作し、次にＭＯＳＦＥＴ３ｂがオン状態となっ
てパワー素子１１が動作する。そして、入力電流が遮断
されて発光素子１の光信号が消失すると、まず、ＭＯＳ
ＦＥＴＢｂがオフ状態となってパワー素子１１の動作が
停止し、次にＭＯＳＦＥＴ３ｍがオフ状態となってバイ
アス回ｉｉ＋８１０の動作が停止する。一方、第４図（
ｂ）は同じ動作をスレショルド電圧が等しいＭＯＳＦＥ
Ｔ３Ａ、３Ｂと制御回路１２により実現した例を示して
いる。この場合、第４図（ａ）の回路と同じ動作を実現
しようとすると、制御回路１２の構成は非常に複雑なら
のとなるが、本発明にあっては、１個の固体リレーで上
記の動作を簡単に実現できる。

し発明の効果］ 本発明にあっては、上述のように、異なるスレショルド
電圧を有する２個のＭＯＳＦＥＴをソースが共通となる
ように逆直列接続して出力用ＭＯＳＦＥＴとしたことに
より、２系統の出力回路のオン・オフ状態を（Ｍかにタ
イミングをずらしてｆｆ１ｌ＋御することができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図及び第３図
は同上の動作説明図、第４図（ａ）は本発明の固体リレ
ーによるパワー素子の制御回路を示すブロック図、第４
図（ｂ）は従来のパワー素子の制御回路を示すブロック
図、第５図は従来の固体リレーの回路図、第６図は従来
の他の固体リレーの回路図である。 １は発光素子、２は光起電力ダイオードアレイ、３は出
力用ＭＯＳＦＥＴ、４はインピーダンス要素、５は駆動
用トランジスタである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力信号に応答して光信号を発生する発光素子と
   、前記光信号を受光して光起電力を発生する光起電力ダ
   イオードアレイと、光起電力ダイオードアレイと直列的
   に接続されたインピーダンス要素と、前記光起電力を前
   記インピーダンス要素を介してゲート・ソース間に印加
   されて、第１のインピーダンス状態から第２のインピー
   ダンス状態に変化する出力用ＭＯＳＦＥＴと、出力用Ｍ
   ＯＳＦＥＴのゲート・ソース間に一対の通電電極を接続
   され、前記インピーダンス要素と光起電力ダイオードア
   レイとの接続点に制御電極を接続されて、光起電力ダイ
   オードアレイによる光起電力の発生時に前記インピーダ
   ンス要素の両端に生じる電圧にて高インピーダンス状態
   にバイアスされるノーマリ・オン型の駆動用トランジス
   タとを有して成る固体リレーにおいて、異なるスレショ
   ルド電圧を有する２個のＭＯＳＦＥＴをソースが共通と
   なるように逆直列接続して出力用ＭＯＳＦＥＴとしたこ
   とを特徴とする固体リレー。