(57)【要約】【課題】フォトカプラ回路の大幅な寿命延長を実現すること。【解決手段】フォトカプラ回路１の発光部４への通電電流を所定時間が経過するまでは低レベルに抑制しておき、その後、発光部４への通電電流を増大する。これにより、簡素な回路構成によりフォトカプラ回路１の大幅な寿命延長が実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部及び受光部を有するフォトカプラと、前記フォトカプラの入力電流を断続制御する駆動回路とを備えるフォトカプラ回路において、
前記発光部の発光量の経年劣化に相関を有する経年劣化信号を求め、この経年劣化信号の状態に応じて上記経年劣化の増大時に前記発光部のオン電流を増大させる電流補償回路を有することを特徴とするフォトカプラ回路。
【請求項２】
請求項１記載のフォトカプラ回路において、
前記電流補償回路は、
前記経年劣化信号として前記フォトカプラの累積電源オン時間を検出し、前記累積電源オン時間が所定しきい値を超えた場合に前記駆動回路を制御して前記フォトカプラのオン電流を増大させるフォトカプラ回路。
【請求項３】
請求項１又は２記載のフォトカプラ回路において、
前記駆動回路は、
前記発光部のオン電流を所定の定電流値に一定化する定電流回路からなり、
前記電流補償回路は、上記経年劣化の増大時に実質的に前記定電流値を増大させるフォトカプラ回路。
【請求項４】
請求項３記載のフォトカプラ回路において、
前記電流補償回路は、
前記発光部の通電電流を断続制御するドライバトランジスタと、
前記ドライバトランジスタと直列接続された抵抗回路と、
前記抵抗回路の電圧降下と所定のしきい値電圧とを比較するコンパレータと、  
前記コンパレータの出力及び入力パルス信号により前記ドライバトランジスタを断続制御するＯＮ／ＯＦＦ制御回路と、
を有するフォトカプラ回路。
【請求項５】
請求項１記載のフォトカプラ回路において、
前記駆動回路は、
前記フォトカプラの出力の良不良を判別するとともに、不良である場合に前記発光部への通電を禁止する不良時通電禁止回路を有するフォトカプラ回路。
【請求項６】
請求項１記載のフォトカプラ回路において、
前記電流補償回路は、
前記発光部の温度に相関を有する電気量を検出するとともに、前記電気量に基づいて前記温度が高い場合に低い場合よりも前記発光部への通電電流を低減するフォトカプラ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトカプラ回路に関し、詳しくはそのＬＥＤ発光部の寿命延長技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤからなる発光部とフォトダイオードやフォトトランジスタからなる受光部とのペアを用いるフォトカプラ回路が電気絶縁信号伝送用途に広く用いられている。発光部は、簡単には図７に示すように電流制限抵抗を通じてドライバトランジスタ２０により断続駆動される。下記の特許文献１は、図８に示すように発光部を定電流駆動することを提案している。ＬＥＤの発光光量の低下特性（寿命特性）を図９に示す。
【特許文献１】特開平5-21850号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図８に示すフォトカプラの発光部の定電流駆動方式は、図７に示す電流制限抵抗を用いた定電圧駆動方式よりも温度による駆動電流のばらつきを抑え設計寿命を長くすることができる。しかしながら、図９に示すように、信号の確実伝送が可能な低電流値ｉａでの通電を行ったとしても、発光光量は電流特性ａに従って経年劣化し、時点ｔ０において寿命を迎えてしまう。
【０００４】
定電流駆動における電流値と寿命との関係を図９を参照して更に説明する。駆動電流を増大すると伝達発光量閾値までのマージンは大きくなるが、発光素子の劣化が早くなり寿命が長くならない。逆に駆動電流を小さくすると発光素子そのものの寿命は長くなるが、伝達発光量閾値までのマージンが少ないため寿命が長くならないことがわかる。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回路構成の複雑化を抑止しつつ大幅な寿命延長が可能なフォトカプラ回路を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するこの発明は、発光部及び受光部を有するフォトカプラと、前記フォトカプラの入力電流を断続制御する駆動回路とを備えるフォトカプラ回路において、前記発光部の発光量の経年劣化に相関を有する経年劣化信号を求め、この経年劣化信号の状態に応じて上記経年劣化の増大時に前記発光部のオン電流を増大させる電流補償回路を有することを特徴としている。
【０００７】
すなわち、この発明は、運用初期には信号伝送可能な範囲でなるべく低電流で発光部を駆動してその劣化を防ぎ、発光光量の低下に対しては発光部への通電電流を段階的乃至連続的に増大することにより対処する。このようにすれば、簡素な回路構成によりフォトカプラ回路の寿命を延長することができる。
【０００８】
好適な態様において、前記電流補償回路は、前記経年劣化信号として前記フォトカプラの累積電源オン時間を検出し、前記累積電源オン時間が所定しきい値を超えた場合に前記駆動回路を制御して前記フォトカプラのオン電流を増大させる。このようにすれば、簡素な回路構成により発光部の寿命を大幅に延長することができる。
【０００９】
好適な態様において、前記駆動回路は、前記発光部のオン電流を所定の定電流値に一定化する定電流回路からなり、前記電流補償回路は、上記経年劣化の増大時に実質的に前記定電流値を増大させる。このようにすれば、定電流回路の一部を変更するだけで発光部の寿命延長が可能となり、回路構成が簡素となり、加えて定電流駆動による寿命延長効果を期待できる。
【００１０】
好適な態様において、前記電流補償回路は、前記発光部の通電電流を断続制御するドライバトランジスタと、前記ドライバトランジスタと直列接続された抵抗回路と、前記抵抗回路の電圧降下と所定のしきい値電圧とを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力及び入力パルス信号により前記ドライバトランジスタを断続制御するＯＮ／ＯＦＦ制御回路とを有する。このようにすれば、回路構成を簡素化して発光部の寿命延長を実現することができる。
【００１１】
好適な態様において、前記駆動回路は、前記フォトカプラの出力の良不良を判別するとともに、不良である場合に前記発光部への通電を禁止する不良時通電禁止回路を有する。これにより、回路構成を共用化しつつ不良時通電禁止を実現することができる。
【００１２】
好適な態様において、前記電流補償回路は、前記発光部の温度に相関を有する電気量を検出するとともに、前記電気量に基づいて前記温度が高い場合に低い場合よりも前記発光部への通電電流を低減する。これにより、更に回路共用化を図りつつ寿命延長を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のフォトカプラ回路の好適実施態様を図面を参照して説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきものではなく、その他の公知技術の組み合わせにより本発明の技術思想を実現できる。
【００１４】
（全体構成）
図１は、この実施例のフォトカプラ回路を示す回路図である。１はフォトカプラ、２はフォトカプラ１の入力電流を断続制御する駆動回路、３は駆動回路のオン時入力電流量を調整するマイコン内蔵のコントローラ（本発明で言う電流調整回路）、４はフォトカプラ１の発光部、５はフォトカプラ１の受光部である。フォトカプラ１の内部回路自体は従来通りであり、周知かつ本発明と無関係であるため説明は省略する。
【００１５】
（駆動回路の構成）
駆動回路２は、フォトカプラ１の発光部４の通電電流を断続制御するソースホロワトランジスタであるドライバトランジスタ２０と、ドライバトランジスタ２０を断続制御するＯＮ／ＯＦＦ制御回路２１と、電流調整用のコンパレータ２２と、ドライバトランジスタ２０の負荷をなす抵抗回路２３とからなる。
【００１６】
抵抗回路２３は、ドライバトランジスタ２０の負荷抵抗をなす抵抗素子２４、２５及びトランジスタ２６とからなる。互いに直列接続された抵抗素子２５及び負荷抵抗値切替用のトランジスタ２６は、抵抗素子２４と並列接続されている。
【００１７】
ドライバトランジスタ２０と抵抗回路２３の接続点は、コンパレータ２２の−入力端に接続され、コンパレータ２２の＋入力端には所定のしきい値電圧が印加されている。コンパレータ２２の出力電圧はＯＮ／ＯＦＦ制御回路２１に入力され、ドライバトランジスタ２０のドレインは、フォトカプラ１の発光部４を通じて一定の電源電圧が印加されている。この実施形態では、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２１は、入力パルス信号電圧とコンパレータ２２の出力電圧との論理積電圧によりドライバトランジスタ２０を導通させるアンドゲートと、このアンドゲートの出力インピーダンスを低減するための電流増幅バッファとにより構成されている。
【００１８】
（駆動回路の動作説明）
まず、トランジスタ２６がオフし、抵抗素子２５に電流が流れない状態の動作を説明する。ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２１は、外部から入力される入力パルス信号に応じてドライバトランジスタ２０を断続させる。ドライバトランジスタ２０のオンにより発光部（ＬＥＤ）４及び抵抗回路２３（ここでは抵抗素子２４）に電流が流れ、抵抗回路２３に生じる電圧降下が上記しきい値電圧を超えるとコンパレータ２２の出力電圧がローレベルとなってドライバトランジスタ２０がオフし、このオフにより抵抗回路２３の電圧降下がしきい値電圧未満となるとコンパレータ２２の出力電圧がハイレベルとなってドライバトランジスタ２０がオンする。これにより、入力パルス電圧がハイレベルである期間に発光部４に流れる電流は、しきい値電圧を抵抗回路２３の抵抗値で割った値に調整される。
【００１９】
次に、トランジスタ２６がオンし、抵抗素子２５に電流が流れる状態の動作を説明する。トランジスタ２６のオンにより、抵抗回路２３の抵抗値は、トランジスタ２６のオン抵抗値を無視すれば抵抗素子２４、２５の並列合成抵抗（ｒ２４・ｒ２５／（ｒ２４＋ｒ２５）となる。抵抗回路２３のこの抵抗値減少が生じると、コンパレータ２２は、抵抗回路２３に流れ込む電流がそれ以前に比べて（（ｒ２４＋ｒ２５）／ｒ２５）＝（ｒ２４／ｒ２５＋１））倍になるまで反転せず、その結果、入力パルス信号電圧がハイレベルである場合にドライバトランジスタ２０を通じて発光部４に流れる電流は、それ以前に比べて（ｒ２４／ｒ２５＋１））倍に増加する。
【００２０】
（コントローラ３の動作説明）
次に、マイコン構成のコントローラ３の動作を図２に示すフローチャートを参照して説明する。以下のルーチンは電源オンの間一定インタバルで繰り返されるものとする。
【００２１】
まず、電源電圧を検出して（S１００）、それが所定しきい値を超えるまで待機し、超えたらトランジスタ２６に駆動電流切替信号としてのローレベルを出力する（S１０２）。これにより、フォトカプラ１の発光部４への通電電流は上記低レベルとなる。その後、累積電源オン時間が所定の一定時間を超えたかどうかを判定し（S１０４）、超えていなければ、いままでの累積電源オン時間をカウントするカウンタに上記インタバル時間を加算し（S１０６）、ステップS１０４に戻る。累積電源オン時間が所定の一定時間を超えていれば、トランジスタ２６に駆動電流切替信号としてのハイレベルを出力し（S１０８）、ルーチンを終了する。これにより、フォトカプラ１の発光部４への通電電流は上記高レベルとなる。
【００２２】
（実施例効果）
以上説明したこの実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
【００２３】
まず、フォトカプラ１の発光部４をなすLEDの累積電源オン時間が所定値を超えたら通電電流を増大するため、フォトカプラ１の発光部４をなすLEDの発光量がその経年劣化により低下しても、発光量を補償することができる。その結果、LED発光量の経年劣化により、フォトカプラ１が電気絶縁伝送するパルス信号のデューテイ比が変化するのを抑止し、伝送失敗を抑止することができる。
【００２４】
また、フォトカプラ１の累積電源オン時間がまだ発光量の経年劣化が問題となるレベルに達しない状態では、発光部４への通電電流を絞ることができるため、発光部４の寿命を延長することができ、消費電力も低減することができる。
【００２５】
発光光量の時間変化を示す特性図を図３に示す。aは電流値iaでの発光量、bは電流値ibでの発光量、cは電流値icでの発光量である。ic＞ib＞icである。フォトカプラの信号伝送不良が生じる必要伝達光量しきい値以下よりも発光光量が低下するまでの時間は、通電電流が大きいほぼ早くなる。
【００２６】
そこで、この実施形態では、ここでは累積電源オン時間が所定時間Ｔとなる時点t1に達するまでは電流値icを発光部４に通電し、超えたら電流値icでの発光量を行う。いままで低い電流値である電流値icでの発光量を行っていたため、その後の発光光量の時間変化は特性線dとなるため、時点t２まで寿命を延長することができる。
【００２７】
更に、この実施形態では、フォトカプラ１の発光部４に通電する電流を定電流回路に抵抗素子２５及びトランジスタ２６を追加するだけで回路を構成することができ、上記機能を得るための回路負担を減らすことができる。なお、図２に示すルーチンは、他の回路の動作制御を行うマイコンのプログラムステップを若干追加するのみであり、ほとんど回路構成が複雑化することはない。
【００２８】
（変形態様）
上記実施形態では、図２のステップS１０６に示すように累積電源オン時間をカウントしたが、電源がオン状態でも入力パルス信号が無い状態あるいはそのオンデューテイ比が小さい状態が続く場合などがある。この場合には、フォトカプラ１の発光部４がオンしないためその発光量の経年劣化を招かない可能性が考えられる。
【００２９】
そこで、この態様では、入力パルス信号のハイレベル期間に良好な正相関をもつパルス信号をコントローラ３に読み込み、このパルス信号のハイレベル期間をカウントして累積発光時間を求め、この累積発光時間が所定値に達したら、上記抵抗値切替を行う。このようにすれば、より実際の経年劣化に即した電流補償を発光部４に与えることができる。
【００３０】
たとえば、入力パルス信号のハイレベル期間に良好な正相関をもつパルス信号として、図４に示すように入力パルス信号をコンデンサ積分回路６で積分し、それがある一定電圧に達したらモノマルチ７によりカウンタ８に１個のパルス電圧をカウンタ８に出力し、積分回路６のコンデンサをリセットする。コントローラ３は定期的にカウンタ８の数値を読み込み、カウンタ８が所定値に達したら自己の不揮発メモリの記憶値に１だけ加算し、カウンタ８をクリアする。コントローラ３は上記不揮発メモリの記憶値を累積発光時間とする。
【００３１】
このようにすれば、上記実施形態よりも更に適切に発光部４の通電電流切替が可能となる。
【００３２】
（変形態様）
上記実施形態では、発光部４の発光量経年劣化の補償のために、ドライバトランジスタ２０の負荷抵抗である抵抗回路２３の抵抗値を切り替えたが、その代わりに、コンパレータ２２の＋入力端に印加するしきい値電圧を切り替えても良い。この切替は、たとえばコントローラ３が出力する通電電流値に相当するデジタル信号をD／A変換するなどしてアナログしきい電圧を発生させ、これをホールド回路にホールドしてコンパレータ２２の＋入力端に印加すればよい。
【００３３】
（変形態様）
上記実施形態では、発光部４の発光量経年劣化の補償のために、ドライバトランジスタ２０の抵抗回路２３の抵抗値を切り替えたが、その代わりに、レギュレータなどを用いて発光部４に印加する電源電圧を調整してもよい。
【００３４】
（変形態様）
上記実施形態では、発光部４の発光量経年劣化の補償のために、所定の累積時間に達したらトランジスタを２６をオンして発光部４のオン時電流量を切替えたが、累積時間の増大とともに発光部４のオン時電流量を徐増してもよい。
【００３５】
たとえば、図１に示すトランジスタ２６のゲート電圧をアナログ制御することにより抵抗回路２３の抵抗値を調整すれば上記オン時電流量を徐増を実現できることは当業者であれば理解されるであろう。
【００３６】
（変形態様）
上記実施形態では、コントローラ３の電源電圧を発光部４のそれと共通としたが、コントローラ３の電源電圧をフォトカプラ１の受光部５と共通とし、コントローラ３から駆動回路２側へは異なるフォトカプラを通じてパルス信号伝送してもよい。
【００３７】
（変形態様）
その他の変形態様を図５を参照して説明する。
【００３８】
この態様は、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２１を、３入力アンドゲート２１Ａ及び電流増幅バッファ１０に変更するとともに、コントローラ３に図６に示す不良時通電禁止ルーチンを追加したものである。
【００３９】
３入力アンドゲート２１Ａには、図１と同じ入力パルス信号及びコンパレータ２２の出力信号とともに、コントローラ３から不良時通電禁止信号が入力される。この不良時通電禁止信号は、フォトカプラ１の異常を検出しない場合にハイレベルとなり、異常を検出した場合にローレベルとなり、３入力アンドゲート２１Ａを遮断し、ドライバトランジスタ２０を停止させる。
【００４０】
この不良時通電禁止ルーチンを説明すると、まず電源オンからの累積オン時間が所定のしきい値時間を超えたかどうかを判定し、超えていなければこの累積オン時間をインクリメントし、超えたらフォトカプラ１の受光部がこのしきい値時間の間に少なくとも一個のパルス信号を出力したかどうかを判定し、パルス信号を出力していればフォトカプラ１は正常と判定し、パルス信号を出力していなければ不良と判定して上記３入力アンドゲート２１Ａに不良時通電禁止信号（ローレベル）を出力する。
【００４１】
このようにすれば、ほとんど回路構成を複雑化することなくフォトカプラ１の異常時にその動作を停止させることができる。なお、コントローラ３には、電源オンから所定時間内にフォトカプラ１を通じてのテスト用のパルス信号伝送を行うようにしても良く、あるいはフォトカプラ１には電源オンすれば所定周期で常時パルス伝送が行われるようにし、そのデューティ比の変更により信号伝送がなされるようにしてもよい。フォトカプラ１の伝送不良を検出する不良検出方式としては公知の他の方式を採用しても良い。
【００４２】
（変形態様）
その他の変形態様を図５を参照して説明する。
【００４３】
この態様は、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２１を３入力アンドゲート２１Ａに変更するとともに、コントローラ３に下記に説明する不良時通電禁止ルーチンを追加したものである。
【００４４】
３入力アンドゲート２１Ａには、図１と同じ入力パルス信号及びコンパレータ２２の出力信号とともに、コントローラ３から不良時通電禁止信号が入力される。この不良時通電禁止信号は、フォトカプラ１の異常を検出しない場合にハイレベルとなり、異常を検出した場合にローレベルとなり、３入力アンドゲート２１Ａを遮断し、ドライバトランジスタ２０を停止させる。
【００４５】
コントローラ３にて行われる不良時通電禁止ルーチンを説明すると、まず電源オンからの累積オン時間が所定のしきい値時間を超えたかどうかを判定し、超えていなければこの累積オン時間をインクリメントし、超えたらフォトカプラ１の受光部５がこのしきい値時間の間に少なくとも一個のパルス信号を出力したかどうかを判定し、パルス信号を出力していればフォトカプラ１は正常と判定し、パルス信号を出力していなければ不良と判定して上記３入力アンドゲート２１Ａに不良時通電禁止信号（ローレベル）を出力する。
【００４６】
このようにすれば、ほとんど回路構成を複雑化することなくフォトカプラ１の異常時にその動作を停止させることができる。なお、フォトカプラ１の受光部５のパルス信号出力の有無はフォトカプラ１の受光部５側にて計測するため、コントローラ３がフォトカプラ１の発光部４側にある場合には、計測信号をフォトカプラ１を通じてコントローラ３に伝送する。逆に、コントローラ３がフォトカプラ１の受光部５側にある場合にはコントローラ３はフォトカプラを通じて３入力アンドゲート２１Ａに不良時通電禁止信号を出力する。
【００４７】
（変形態様）
その他の変形態様を図６を参照して説明する。
【００４８】
この態様は、コントローラ３に温度補償ルーチンを追加するとともに、コンパレータ２２の＋入力端に印加するしきい値電圧をこの温度補償ルーチンの出力する信号により連続的に調整する点をその特徴とする。
【００４９】
まず、図８に示す温度補償ルーチンを説明する。まず、フォトカプラ１の温度に正相関をもつ温度信号を読み込む。この温度信号は、フォトカプラ１と同一回路基板に実装されたサーミスタの温度を検出しても良い。あるいは入力パルス信号のデューティ比により発光部４の通電発熱量による発光部４の温度上昇を上記サーミスタ温度に加算して発光部４の温度としてもよい。
【００５０】
コントローラ３は、求めた上記発光部４の温度に応じて、それが高温時にはトランジスタ２６のゲート電圧を低下させるか、あるいはコンパレータ２２の参照電圧Ｖrefを調整することにより、発光部４の温度が高い場合にはドライバトランジスタ２０のオン電流を減らし、発光部４の温度が低い場合にはドライバトランジスタ２０のオン電流を増やす。LEDの発光光量はその温度に正相関をもつため、このようにすれば、高温時に電流を減らして発光部４の寿命を延長することができる。
【００５１】
図６に回路例を示す。コントローラ３は、参照電圧Ｖrefに相当するデジタル信号Sを演算し、それをD／Aコンバータ１１を通じてサンプルホールド回路１２に定期的にサンプルホールドさせ、このサンプルホールド電圧を参照電圧Ｖrefとしてコンパレータ２２の＋入力端に印加すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施形態のフォトカプラ回路を示す回路図である。
【図２】図１のコントローラの電流切替動作を示すフローチャートである。
【図３】図１のフォトカプラ回路における発光光量の時間変化図である。
【図４】変形態様のフォトカプラ回路を示す回路図である。
【図５】変形態様のＯＮ／ＯＦＦ制御回路を示す回路図である。
【図６】変形態様のフォトカプラ回路を示す回路図である。
【図７】従来のフォトカプラ回路を示す回路図である。
【図８】従来のフォトカプラ回路を示す回路図である。
【図９】従来のフォトカプラ回路における発光光量の時間変化図である。
【符号の説明】
【００５３】
１      フォトカプラ
２      駆動回路（電流補償回路、不良時通電禁止回路）
３      コントローラ（電流補償回路、不良時通電禁止回路）
４      発光部
５      受光部
６      積分回路
７      モノマルチ
８      カウンタ
１０      電流増幅バッファ
１１      コンバータ
１２      サンプルホールド回路
２０      ドライバトランジスタ
２１      制御回路
２１Ａ      ３入力アンドゲート
２２      コンパレータ
２３      抵抗回路
２４      抵抗素子
２５      抵抗素子
２６      トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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