(57)【要約】      （修正有）【課題】直線性と温度特性が良好であり、簡素な構成を有する安価な絶縁アンプを提供する。【解決手段】フォトカプラを用いた絶縁アンプ１０が、第１の入力端＋に入力電位が入力されかつ第２の入力端−の電位を入力電位と同電位とするように出力端から所定の電流を出力する演算増幅器Ａと、演算増幅器Ａの第２の入力端−に接続された第１の抵抗Ｒ１と、演算増幅器Ａの出力端から出力される電流が各々の発光ダイオードに流れるように、各々の発光ダイオード同士が直列接続された第１のフォトカプラＰＣ１及び第２のフォトカプラＰＣ２と、第２のフォトカプラＰＣ２のフォトトランジスタの一端に接続された第２の抵抗Ｒ２とを有し、第１のフォトカプラＰＣ１のフォトトランジスタの一端が演算増幅器Ａの第２の入力端−に接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入力端に入力電位が入力されかつ第２の入力端の電位を前記入力電位と同電位とするように出力端から所定の電流を出力する演算増幅器と、
前記演算増幅器の第２の入力端に接続された第１の抵抗と、
前記演算増幅器の出力端から出力される前記電流が各々の発光ダイオードに流れるように、各々の前記発光ダイオード同士が直列接続された第１のフォトカプラ及び第２のフォトカプラと、
前記第２のフォトカプラのフォトトランジスタの一端に接続された第２の抵抗とを有し、
前記第１のフォトカプラのフォトトランジスタの一端が前記演算増幅器の第２の入力端に接続されていることを特徴とする、フォトカプラを用いた絶縁アンプ。
【請求項２】
前記第１のフォトカプラと前記第２のフォトカプラが、同じ電流伝達率を有しかつ互いに温度結合されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトカプラを用いた絶縁アンプ。
【請求項３】
前記第１の抵抗と前記第２の抵抗が、同じ抵抗値を有することを特徴とする請求項１または２に記載のフォトカプラを用いた絶縁アンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトカプラを用いた絶縁アンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
「絶縁アンプ」は、入力部と出力部の間を絶縁したアンプであり、各接地間および各電源間も絶縁されている。例えば、異なる基準電位信号の検出、雑音混入防止、安全性確保等のために用いられる。
【０００３】
一方、フォトカプラは、その内部で電気信号と光信号の間の変換を行うことにより、電気的に絶縁しながら電気信号を伝達する周知の素子である。フォトカプラは、通常、入力部の発光素子として発光ダイオードが、出力部の受光素子としてフォトトランジスタが設けられている。
【０００４】
フォトカプラを利用して絶縁アンプに相当する直線性を実現する回路も提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−９３１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
絶縁アンプは、耐圧、直線性、温度特性、応答速度等が同時に求められるため、多数の補償回路を伴う複雑な構成を有し、高価でもある。フォトカプラは、安価であるが、電流伝達率（ＣＴＲ）が、必ずしも直線的ではなく、しかも周囲温度の影響を受けやすい。
【０００７】
本発明の目的は、直線性と温度特性が良好であり、かつ簡素な構成を有する絶縁アンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・  本発明の態様は、フォトカプラを用いた絶縁アンプであって、第１の入力端に入力電位が入力されかつ第２の入力端の電位を前記入力電位と同電位とするように出力端から所定の電流を出力する演算増幅器と、
前記演算増幅器の第２の入力端に接続された第１の抵抗と、
前記演算増幅器の出力端から出力される前記電流が各々の発光ダイオードに流れるように、各々の前記発光ダイオード同士が直列接続された第１のフォトカプラ及び第２のフォトカプラと、
前記第２のフォトカプラのフォトトランジスタの一端に接続された第２の抵抗とを有し、
前記第１のフォトカプラのフォトトランジスタの一端が前記演算増幅器の第２の入力端に接続されていることを特徴とする。
・  上記態様において、前記第１のフォトカプラと前記第２のフォトカプラが、同じ電流伝達率を有しかつ互いに温度結合されていることが、好適である。
・  上記態様において、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗が、同じ抵抗値を有することが、好適である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、直線性と温度特性が良好であり、簡素な構成を有する安価な絶縁アンプが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明によるフォトカプラを用いた絶縁アンプの回路構成を概略的に示す。
【図２】図２は、図１の回路に流れる電流を示す。
【図３】図３は、図１の回路を直列接続した実施形態を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、例として示す図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
＜回路構成＞
図１は、本発明によるフォトカプラを用いた絶縁アンプの回路構成を概略的に示している。図１に示す絶縁アンプ１０は、入力端子１、２の間に所定の入力電圧が入力され、出力端子３、４の間に出力電圧が出力される。入力端子２が、入力側の基準電位端である。出力端子４が、出力側の基準電位端である。絶縁アンプ１０は、入力側の基準電位端２と出力側の基準電位端４が絶縁され、また、入力側の電源Ｖｃｃ１と出力側の電源Ｖｃｃ２も絶縁されている。
【００１３】
絶縁アンプ１０は、非反転入力端（＋）である第１の入力端と、反転入力端（−）である第２の入力端（−）と、出力端とを有する演算増幅器Ａを有する。演算増幅器Ａは、電源Ｖｃｃ１と基準電位端２の間の電圧により、電源供給される。非反転入力端（＋）は、入力端子１に接続されている。したがって、非反転入力端（＋）の電位は入力電位である。反転入力端（−）には、抵抗Ｒ１の一端が接続されている。抵抗Ｒ１の他端は基準電位端２に接続されている。
【００１４】
演算増幅器Ａの出力端には、第１のフォトカプラＰＣ１と第２のフォトカプラＰＣ２が接続されている。具体的には、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の各々の入力側の発光ダイオードが順方向に直列接続されており、フォトカプラＰＣ１の発光ダイオードのアノードが演算増幅器Ａの出力端に接続されている。そして、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードのカソードは、抵抗Ｒ３を介して基準電位端２に接続されている。抵抗Ｒ３は、必須ではないが動作の安定性のために設けられている。
【００１５】
フォトカプラＰＣ１の出力側のフォトトランジスタは、コレクタが電源Ｖｃｃ１に、エミッタが演算増幅器Ａの反転入力端（−）に接続されている。
【００１６】
フォトカプラＰＣ２の出力側のフォトトランジスタは、コレクタが電源Ｖｃｃ２に、エミッタが抵抗Ｒ２の一端に接続されている。抵抗Ｒ２の一端は、出力端子３でもあり、他端は基準電位端４である。なお、抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ１と同じ抵抗値に設定されている。
【００１７】
図示しないが、別の実施例として、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２の位置は入れ替えてもよい。すなわち、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードのアノードが演算増幅器Ａの出力端に接続され、フォトカプラＰＣ１の発光ダイオードのカソードが抵抗Ｒ３に接続されていてもよい。
【００１８】
＜回路動作＞
図２は、図１の回路に流れる電流を概略的に示している。図２を参照して、図１の絶縁アンプ１０の動作を説明する。
【００１９】
入力端子１と入力端子（基準電位端）２の間に入力電圧Ｖｉｎが印加される。なお、演算増幅器Ａの動作点は、電源Ｖｃｃ１と基準電位端２の中間電位とする。
【００２０】
演算増幅器Ａの非反転入力端（＋）の基準電位端２に対する電位は、Ｖｉｎである（便宜上、電圧と電位を同じ符号で表す）。演算増幅器Ａは、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）の電位を同電位とするように動作する。その結果、演算増幅器Ａの出力端から所定の電流ｉ１が出力される。電流ｉ１は、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２の各々の直列接続された２つの発光ダイオードを流れる。
【００２１】
電流ｉ１に応じて、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２の各々のフォトトランジスタに電流ｉ２と電流ｉ３がそれぞれ流れる。フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２は、電流伝達率（ＣＴＲ：Current Transfer Ratio）及びその温度変動が同じであり、かつ、温度結合されている。２つの素子の温度結合は、例えば、２つの素子を接着等により互いに密接させることで行うことができる。したがって、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２に同じ電流ｉ１が入力されたときに、それぞれの出力する電流ｉ２と電流ｉ３は同じになる。
【００２２】
フォトカプラＰＣ１の出力する電流ｉ２は、演算増幅器Ａの反転入力端（−）に接続された抵抗Ｒ１を流れる。電流ｉ２が流れることにより生じる抵抗Ｒ１の一端の電位は、反転入力端（−）の電位でもある。演算増幅器Ａは、反転入力端（−）の電位が、非反転入力端（＋）の電位Ｖｉｎと同電位となるように、出力端の電流ｉ１を調整する。電流ｉ２は、負帰還制御電流の役割を果たしている。このような演算増幅器Ａの動作によって、抵抗Ｒ１の両端電圧は、入力電圧Ｖｉｎと同じになる。
【００２３】
一方、電流ｉ２と同じ大きさの電流ｉ３は、電源Ｖｃｃ２からフォトカプラＰＣ２のフォトトランジスタを流れ、さらに抵抗Ｒ２を流れる。電流ｉ３が流れることにより抵抗Ｒ２の両端に出力電圧Ｖｏが生じる。
【００２４】
以上をまとめると、入力側の抵抗Ｒ１の両端電圧Ｖｉｎは、Ｖｉｎ＝Ｒ１×ｉ２であり、出力側の抵抗Ｒ２の両端電位Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２×ｉ３である。ここで、Ｒ１＝Ｒ２、ｉ２＝ｉ３であるので、Ｖｏ＝Ｖｉｎとなり、入力電圧と出力電圧の大きさは一致する。これにより、入力と出力の直線性が確保される。絶縁アンプ１０における入力側と出力側の絶縁は、実質的にフォトカプラＰＣ２により得られている。フォトカプラＰＣ１は、演算増幅器Ａの負帰還の機能を担っている。
【００２５】
例えば、入力電圧Ｖｉｎが大きくなる（非反転入力端（＋）の電位が高くなる）と、出力端の電流ｉ１が増加し、それに応じて電流ｉ２も増加するので、抵抗Ｒ１の両端電圧が大きくなる（反転入力端（−）の電位が高くなる）。同時に、電流ｉ２と同じ大きさである電流ｉ３も増加し、抵抗Ｒ２の両端電圧である出力電圧Ｖｏが大きくなる。逆の場合も同様である。
【００２６】
また、周囲温度が変動してフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の電流伝達率が変動した場合も、演算増幅器Ａの上記の負帰還動作により、Ｖｉｎ＝Ｖｏの関係は常に維持される。これは、フォトカプラＰＣ１とフォトカプラＰＣ２が、電流伝達率及びその温度変動が同じでありかつ温度結合されていることにより実現される。したがって、一般的な絶縁アンプのように、サーミスタ等の特殊な素子を用いて温度補償する必要が無い。
【００２７】
図１に示した絶縁アンプ１０は、汎用的な素子を用いた極めて簡易な構成により、良好な直線性及び温度特性を実現することができる。
【００２８】
別の実施形態として、図３に示すように、図１に示した絶縁アンプ１０を、複数直列接続することにより、数十ｋＶの高電圧における絶縁も可能となる。
【００２９】
また、本発明の絶縁アンプ１０は、高速応答性を有する演算増幅器Ａ及びフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２を選択することにより、直流〜数ＭＨｚの広帯域に対応することが可能である。
【００３０】
以上に説明した本発明の絶縁アンプの構成は、図示の例に限られず、本発明の主旨に沿う範囲において多様な変形が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１、２  入力端子
３、４  出力端子
１０  絶縁アンプ
Ａ  演算増幅器
＋  非反転入力端
−  反転入力端
ＰＣ１、ＰＣ２  フォトカプラ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３  抵抗
【図１】
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【図２】
2020150039.tif 000004
【図３】
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