JPS6363216A - 双方向スイツチ回路 - 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、集積回路化に適した高感度の双方向スイッチ
回路に関するものである。

〔従来の技術〕

−従来、この種双方向スイッチ回路としては、双方向ホ
トカプラが知られている。第８図はかかる従来のホトカ
プラを説明するための回路図である。

′　　同図において、ＰＴｒｌ及びＰＴｒ２はそれぞれ
ホトトランジスタ、ＬＥＤは発光ダイオード、０１及び
０２は接点端子、１１及び■２は駆動端子である。以下
特に記さない限り、同種記号は同様の対象を表わすもの
とする。

第９図は上述のホトカプラの構造を説明するための図で
あって、同図においてＳＢＩ及びＳＢ２は基板、ｓｐは
スペーサ、ＰＴｒｌ及びＰＴｒ２及びＬＥＤは第８図に
おけるのと同様である。

第８図および第９図を参照する。第１のホ）ｌ−ランジ
スタＰＴｒｌのコレクタと第２のホトトランジスタＰＴ
ｒ２のエミッタを相互接続して接点端子の一方、即ちＯ
ｌと成し、第１のホトトランジスタＰＴｒｌのエミッタ
と第２のホトトランジスタＰＴｒ２のコレクタを相互接
続して接点端子の他方、即ち０２と成す。

これを動作するには駆動端子１１から■２に向けて電流
を流して発光ダイオードＬＥＤを発光せしめ、該発光は
第１及び第２のホトトランジスタＰＴｒｌ及びＰＴｒ２
を照射し、第１及び第２のホトトランジスタＰＴｒｌ及
びＰＴｒ２は照射光によって活生化されて導通し、その
結果接点端子０１．０２間が閉成する。

この様な作用を行なわせるため、第１及び第２のホトト
ランジスタＰＴｒｌ、ＰＴｒ２と発光ダイオードＬＥＤ
は別々の基板ＳＢＩ及びＳＢ２にそれぞれ取付はスペー
サＳＰを介してホトトランジスタと発光ダイオード間に
空隙を設けて対向させる構造とする必要がある。

以上の説明から明らかなように従来の双方向スイッチは
構造が複雑であり、又スイッチ用素子を光で駆動してい
るため、光の照射範囲を限定することが困難であり、複
数のスイッチを単一の半導体基板内に構成する集積化に
は適さないという欠点があった。更に発光ダイオードの
発光効率が悪く、又ホトトランジスタの受光感度も低い
ため駆動電力を多く必要とするという欠点があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、双方向スイッチ回路において、集積化に適し
た回路構成にすることと、駆動電力の低減を図ること、
を解決課題とする。従って本発明の目的は、集積化に適
し、駆動電力の少ない双方向スイッチ回路を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

互いに相補形の関係にある第１および第２の二つのトラ
ンジスタの各エミッタ側を接続してスイッチの一端とし
、前記第１のトランジスタのコレクタ側と前記第２のト
ランジスタのコレクタ側をそれぞれ独立に、または接続
してスイッチの他端とすることにより双方向スイッチ回
路を構成する。

〔作用〕

前記両トランジスタのベース間を電気的に駆動すること
により前記スイッチの一端と他端の間を閉成する。従来
の技術とは、空間的配置に対する制約条件のない点で本
発明による双方向スイッチ回路は異なる。

〔実施例１〕 第１図は本発明の第１の実施例を示す回路図である。同
図において、Ｔ、、、及びＴ、、９は互いに相補形をな
すトランジスタ即ち前者はＮＰＮ形トランジスタ、後者
はＰＮＰ形トランジスタ、Ｔはトランス、ｐｌ及びｐ２
はトランスの１次側端子、Ｓｌ及びＳ２は２次側端子で
ある。

相補形トランジスタＴ　ｒｎｈ　ＴＦＤの各コレクタを
相互接続して接点端子の一方即ち０１と成し、各エミッ
タを相互接続して接点端子の他方即ちｏ２と成す。両ト
ランジスタＴ　、、Ｈ＋　Ｔ１．ｌｌの各ベースはトラ
ンスＴの２次側端子ｓ１並びに８２に各々接続され、ト
ランスＴの１次側端子ｐ１並びにｐ２は駆動端子ＩＩ並
びに１２にそれぞれ接続する。

これを動作するには駆動端子１１．１２間に交流信号を
印加する。この交流信号はトランスＴで絶縁されて２次
側端子ｓｌ、ｓ２に現われ、ｓｌの電位が３２の電位よ
り高い場合は３１−４　”ｌ’　、、のベース→Ｔ０の
エミッターＴ□のエミッ９−Ｔ、。

のベース−３２の経路で矢印で示したように電流が流れ
、この電流は両トランジスタのベース電流であるので両
トランジスタＴ　Ｆｆｉ＋　”ｒ、、はオンし、接点端
子０１．０２間が閉成する。

ベース電流は交流信号の半サイクル即ちｓｌの電位が３
２の電位より高いときのサイクルでのみ流れるが、トラ
ンジスタはベースに流れる電流が“０”となった後も若
干の間（数ＩＱｎｓ〜数μｓ）オン状態を維持する、い
わゆる蓄積時間を有するため、交流信号の周波数を該蓄
積時間に対して十分高速に選定すれば、スイッチは連続
的に閉成状態を保つことができる。

更に両トランジスタのベース、エミッタ間に各々小容量
のコンデンサを付加することにより、前記蓄積時間を等
測的に伸長することができる。

又交流信号の波形を第２図に示したように非対称波形と
し、駆動時間を長く、非駆動時間を短（設定してもスイ
ッチ閉成の連続性を高めることが可能である。尚第２図
において３１．３２は同一記号が示す部位の電位を現わ
している。

第１図において、トランジスタＴ　ｒ　ｎのコレクタ側
とトランジスタＴ□のコレクタ側とは相互接続されて一
つの接点端子０１を構成しているが、両コレクタ側は相
互接続することなく、各々、独立して接点端子とするこ
とができる。

それは何故かと云うと、矢印で示した両トランジスタの
ベース電流（駆動電流）の流れる回路は、コレクタ側を
各々独立の接点端子としても、何ら影響を受けず、スイ
ッチの閉成作用は行われるからである。

これに対し、エミッタ側を相互接続することなく各々独
立の接点端子にしたとすると、両トランジスタのベース
電流（駆動電流）の流れる回路は成立せず（閉回路にな
らない）、従ってスイッチの閉成作用も行われなくなる
のでこれは不可である。

以上の説明では、両ベース間の駆動をトランスを介して
行なう場合を例示したが、直接ないし適当な電力伝達素
子１例えば超音波とピエゾ効果を利用した電気−音響一
電気変換素子、光電変換効率の高い光電変換素子（いわ
ゆる太陽電池）を介して行なっても良い。尚変換素子の
出力が直流の場合はＮＰＮ形トランジスタＴ０のベース
側が正電位となるように接続する。

この様な構成では双方向スイッチを形成している相補形
トランジスタのベースを直接かつ同時に駆動することが
でき、単一の駆動回路で済むのに加え、ベース電流の直
流電流増幅率倍の電流を閉成できる。

この結果から明らかなように、従来の技術に比べ、スイ
ッチと駆動回路部を光でな（電気的に結合できるため、
スイッチ素子の集積回路化が容易に行なえる他、駆動回
路にトランス等を使用する場合でもスイッチの感度が高
いので混成集積回路化が可能な超小形のい、わゆるチフ
ブトランスを利用できるという利点がある。

〔実施例２〕 第３図は本発明の第２の実施例を示す回路図である。同
図において、Ｄ、、Ｄ、はダイオードである。第３図は
第１図に比べ、各トランジスタのエミッタ側に各々エミ
ッタ電流が流れる方向にダイオードＤ、、Ｄ、が直列に
挿入、接続されている点が異なる。

−ｉにトランジスタのエミッタ・ベース間の逆耐圧はコ
レクタ・ベース間の逆耐圧に比べて著しく低い。本実施
例はこれを改善したものであって、エミッタと直列にダ
イオードを挿入することにより、エミッタ・ベース間に
逆電圧が加わった場合にこの電圧をダイオードの耐圧で
阻止する。

この動作原理から明らかなように、第１の実施例の効果
に加え、高耐圧の双方向スイッチを実現できるという効
果が得られる。

第４図は本発明において用いる駆動回路の具体的構成例
を示した回路図である。同図においては、Ｔ、、４は駆
動トランジスタ、■は駆動トランジスタの入力、Ｄ、は
ダイオード、Ｅは電源である。又トランスに付した点は
線輪の巻始めを示す。

第４図（ａ）は、ホワード形のＤＣ−ＤＣコンバータと
して知られている回路であり、駆動トランジスタＴ□が
オンするとトランスＴの１次側のｐ１端子に電流が流入
し、これに応動して２次側の３１端子から電流が流出し
、図示せざる相補形トランジスタのベースを駆動する。

ＤｆはトランスＴの２次側に直流電流が生じることを防
止するダイオードであり、必要に応じて必要な数！（一
般にはトランジスタのベース・エミッタ間全電圧相当）
を挿入する。

第４図（ｂ）はフライバンク形ＤＣ−ＤＣコンバータと
して知られている回路であり、駆動トランジスタＴ、、
ｄがオンすると、トランスＴの１次側のｐ１端子に電流
が流入する。このとき２次側はＳ１側が負電位となるた
め電流は流れず、この電流は電磁エネルギーとしてトラ
ンスＴに蓄積され、次に駆動トランジスタＴ、、ｄがオ
フすると、Ｓ１端子側が正電位となってトランスに蓄積
されたエネルギーが流出し、スイッチを構成している図
示せざるトランジスタのベースに電流が流れる。

ここでは駆動回路についてトランスを用いた構成、２種
を具体的に例示したが、これらの構成に限らず種々の形
式のそれが適用できる。

具体的には太陽電池を用いた高能性の光電変換素子や、
ピエゾ効果等を利用した、電気−音響−電気変換素子等
も適用でき、更にはスイッチを駆動する交流信号を高周
波化することにより微小容量のコンデンサを介して駆動
することも可能であり、直流並びに低周波に対してスイ
ッチと駆動回路間が絶縁でき、本発明は駆動回路の構成
によって制限されるものではない。

〔実施例３〕 第５図は本発明の第３の実施例を示す回路図である。同
実施例は、第１の実施例で示した回路を２回路用いて並
列接続し、両回路相互の逆極性のベース間を各々相互接
続したものである。トランジスタＴ４及びＴ　ｒ　ｐに
付した添字は組を示す。即ちＴ　Ｉ’　ＩＩ　ｌ　とＴ
、、、は第１の双方向スイッチを形成し、Ｔ　ｒ　ｎ　
ＺとＴ、、２□は第２の双方向スイッチを形成し、Ｔい
、のベースとＴ□２のベースを相互接続したものを駆動
端子の一端とし、Ｔ　ｒ　ｈ　ｔのベースとＴ１２．の
ベースを相互接続したものを駆動端子の他端としたもの
である。

前記駆動端子の一端側が正電位となった場合は第１の双
方向スイッチが駆動され、負電位即ち他端側か正電位と
なった場合は第２の双方向スイッチが駆動される。

本構成によれば駆動信号の極性によらず、スイッチが閉
成し、駆動信号の周波数によらず、即ちトランジスタの
蓄積時間等に依存せずに、スイッチの連続的な閉成を実
現することができる。尚スイッチとしては第１の実施例
に制限されることな（、第２の実施例による構成等も適
用できることはいうまでもない。

〔実施例４〕 以上の説明においてはバイポーラ形トランジスタを例に
示したが、Ｍ　ＯＳ形トランジスタにも本発明を適用で
きる。

第６図は第４の実施例を示す回路図である。同図におい
て、ＦＥＴ、１はｎチャネルＭＯ３形トラ　　゛ンジス
タ、ＦＥＴ、はｐチャネルＭＯ３形トランジスタ、Ｒア
及びＲ１，は抵抗である。

本実施例の動作は、第１の実施例のそれとほぼ同様であ
る。即ち、ＦＥＴ、のゲートが正、ＦＥＴ、のゲートが
負の電位関係となった場合、両トランジスタはオンする
。尚Ｍ　ＯＳ形トランジスタのゲート入力インピーダン
スは非常に高く、このため、ソース・ゲート間電圧（絶
対値）がバランスしないことがあるが、この場合は例え
ば抵抗Ｒ，。

及びＲ，、をそれぞれＦＥＴ、及びＦＥＴ、のゲート・
ソース間に接続すれば良い。

更に、ＭＯ３形トランジスタは一般に動作速度が早（、
バイポーラ形のような蓄積時間による連続閉成効果をあ
まり期待できないことがあるが、その、場合は第６図内
に破線で示したようにダイオードＤを挿入すれば、ダイ
オードＤの整流効果とＭＯ３形トランジスタの高入力イ
ンピーダンス特性により、ゲート入力容量のみで十分な
整流・平滑効果が得られ、良好な連続閉成特性を得るこ
とができる。

以上の各実施例ではトランスから直接ベースないしゲー
トを駆動する構成を主体に説明したが、スイッチの連続
閉成をより確実なものとするために、整流回路を併用し
ても良い。

〔実施例５〕 第７図は平衡形スイッチに本発明を適用した第５の実施
例を示す回路図である。同図において０１１及び０１２
は第１の接点端子組、０２１及び０２２は第２の接点端
子組、Ｃａ　、＋　Ｇ　ｏ　＋　＊　　Ｃ＊　ｚ　＋　
　ＣＤ　ｚは各々コンデンサ、Ｄｌ及びＤ２はダイオー
ド、Ｒ１及びＲ２は抵抗である。

第１の双方向スイッチは第１の接点端子組０１１゜０１
２に、第２の双方向スイッチは第２の接点端子［０２１
，０２２に接続し、第１の双方向スイッチのＮＰＮ　）
ランジスタＴｒｆｉｌのベースはコンデンサＣ１を介し
て、又第２の双方向スイッチのＰＮＰトランジスタＴ、
２のベースはコンデンサＣｐ２を介して一方の駆動端子
■１に接続し、第１の双方向スイッチのＰＮＰ　）ラン
ジスタＴ□１のベースはコンデンサＣ２，を介して、又
第２の双方向スイッチのＮＰＮ）ランジスタＴ　ｒ　ｎ
　！のベースはコンデンサＣ１を介して他方の駆動端子
Ｉ２に接続する。

Ｉ２に対して１１が正電位となった場合１１−Ｃｎ　ｌ
−Ｔ　ｒ　ｎ　Ｉのベース→Ｔ、、□のエミッターＴ７
，１のエミッターＴ□１のベース−Ｃｐｌ−Ｉ２の経路
で電流が流れ、第１の双方向スイッチがオンする。

Ｉ１に対してＩ２が正電位となった場合１２−ｃｏ−４
ＴＰＩ、ｔのベース−Ｔ　ｒ　ｎ　２のエミッターＴ□
２のエミッタ→Ｔ□２のベース−Ｃ□−１１の経路で電
流が流れ、第２の双方向スイッチがオンする。

スイッチが開閉する信号の周波数領域に対し無視し得る
程度のインピーダンスとなるようにコンデンサＣｎ　＋
　＋　Ｃｐ　＋　＋　Ｃｎ　ｚ　＋　　ＣＤ　ｚを選定
する。更に、コンデンサＣｎｌ＊　　ｃｌｌｌ、　　Ｃ
ｎｚ＋　　Ｃ，ｚのインピーダンスを無視し得るように
駆動信号の周波数を高周波に選定する。この様な構成を
採ることにより、トランスを用いな（とも双方向スイッ
チを駆動することができ、平衡形スイッチも容易に構成
することができる。

尚ダイオードＤ１及びＤ２）並びに抵抗Ｒ１及びＲ２は
コンデンサＣｆ１ｌ及びＣ□、並びにＣ０及びＣｐｌが
直流で充電されることを防止するため、必要に応じて使
用する。

以上の各実施例で示したトランジスタはシングルトラン
ジスタであるが、ダーリントン接続としても良い。先に
も説明したが、双方向スイッチのコレクタ側は駆動信号
の電流経路に含まれていないので分離して使用すること
も可能である。即ち接点端子の０１側からＣ２側に向か
う電流を開閉するスイッチと、０２側から０１側に向か
う電流を開閉するスイッチとを有し、かつ０２側が共通
接続されたスイッチとしても使用でき、この様な構成も
本発明に含まれる。

更に端子０１側には駆動電流が流れないため、”０１側
はスイッチ端子を分離して一方の０１側、他方のｏｌ側
とし、即ち第１図に示す第１の実施例の形態においては
１．接点端子０２側が共通接続されており、分離された
一方の０１側から０２側への電流を開閉する片方向スイ
ッチと、０２側から分離された他方の０１側への電流つ
まり逆方向の電流を開閉する片方向スイッチの２つの片
方向スイッチとして、又第５図に示す第３の実施例の形
態においては、接点端子Ｃ２側が共通接続され、０１側
が２つに分離された２つの双方向スイッチないしは４つ
に分離された４つの片方向スイッチとしても使用するこ
とが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によればスイッチと駆動回
路部を光でなく電気的に結合できるため、スイッチ素子
の築積回路化が容易に行なえ、更にスイッチ素子を直接
駆動するため、駆動効率の高い、優れた双方向スイッチ
を構成できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成としての第１の実施例を示す
回路図、第２図は駆動波形の例を示す波形図、第３図は
耐圧の改善を図った第２の実施例を示す回路図、第４図
は駆動回路の具体的構成例を示す回路図、第５図はスイ
ッチ閉成の連続性の改善を図った第３の実施例を示す回
路図、第６図はＭＯ３形トランジスタの適用が可能なこ
とを説明するための第４の実施例を示す回路図、第７図
は平衡形スイッチに本発明を適用した第５の実施例を示
す回路図、第８図は従来のホトカプラを説明するための
回路図、第９図は従来のホトカブラの構造を説明するた
めの説明図、である。 符号の説明 Ｔｏ・・・ＮＰＮ形トランジスタ、Ｔ　ｒ　ｐ・・・Ｐ
ＮＰ形トランジスタ、０１・・・接点端子、０２・・・
接点端子、１１・・・駆動端子、Ｉ２・・・駆動端子、
Ｄ７・・・ダイオード、Ｄｐ・・・ダイオード、Ｔ□・
・・駆動トランジスタ、Ｔ・・・トランス、ｐｌ・・・
トランスの１次側端子、ｐ２・・・トランスの１次側端
子、ｓｌ・・・トランスの２次側端子、Ｓ２・・・トラ
ンスの２次側端子、ＦＥＴ、、・・・ｎチャネルＭＯ３
形トランジスタ、ＦＥＴ。 ・・・ｐチャネルＭＯ３形トランジスタ代理人　弁理士
　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　清 膚　１　閃 情　２図 ・π　３　図 第　４！！５ 臂５　図 π　６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）互いに相補形の関係にある第１および第２の二つの
   トランジスタから成る双方向スイッチ回路において、 前記第１のトランジスタのエミッタ側と前記第２のトラ
   ンジスタのエミッタ側を接続してスイッチの一端とし、
   前記第１のトランジスタのコレクタ側と前記第２のトラ
   ンジスタのコレクタ側をそれぞれ独立に、または接続し
   てスイッチの他端とし、前記両トランジスタのベース間
   を駆動することにより前記スイッチの一端と他端の間を
   閉成するようにしたことを特徴とする双方向スイッチ回
   路。 ２）特許請求の範囲第１項記載の双方向スイッチ回路に
   おいて、前記第１および第２の各トランジスタのエミッ
   タ側に、エミッタ電流の流れる極性と同じ極性になるよ
   うにダイオードを直列に挿入、接続したことを特徴とす
   る双方向スイッチ回路。 ３）互いに相補形の関係にある第１および第２の二つの
   トランジスタの各エミッタ側を接続してスイッチの一端
   とし、前記第１のトランジスタのコレクタ側と前記第２
   のトランジスタのコレクタ側をそれぞれ独立に、または
   接続してスイッチの他端とし、前記両トランジスタのベ
   ース間を駆動することにより前記スイッチの一端と他端
   の間を閉成するようにした双方向スイッチ回路を、第１
   の双方向スイッチ回路および第２の双方向スイッチ回路
   として２組、用意し、 前記第１の双方向スイッチ回路と第２の双方向スイッチ
   回路を並列接続し、第１の双方向スイッチ回路を構成す
   る二つのトランジスタのうちの一つのトランジスタのベ
   ースと、第２の双方向スイッチ回路を構成する二つのト
   ランジスタのうちの前記一つのトランジスタと相補形の
   関係にある一つのトランジスタのベースと、の間を接続
   して第１の駆動端子とし、第１の双方向スイッチ回路を
   構成する二つのトランジスタのうちの残りのトランジス
   タのベースと、第２の双方向スイッチ回路を構成する二
   つのトランジスタのうちの前記残りのトランジスタと相
   補形の関係にある残りのトランジスタのベースと、の間
   を接続して第２の駆動端子とし、前記第１の駆動端子と
   第２の駆動端子との間を駆動して前記スイッチの一端と
   他端の間を閉成するようにしたことを特徴とする双方向
   スイッチ回路。