(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光結合器（２０５）が特定の電力定格を越えることを防止する回路であって、
フォトトランジスタ（Ｑ１）のコレクタを該フォトトランジスタに対する電源（Ｖｓｓ）に接続する抵抗分割器（Ｒｄ）と、
電力供給部（Ｖｄｄ）を前記電源（Ｖｓｓ）と前記抵抗分割器（Ｒｄ）とに接続するヒューズ（Ｆ１）と、
前記ヒューズと、前記フォトトランジスタの電源（Ｖｓｓ）と前記抵抗分割器との間に接続されたヒューズ抵抗（Ｒｆ）と、
カソードが前記ヒューズ抵抗（Ｒｆ）及び前記ヒューズ（Ｆ１）と直列に前記電力供給部（Ｖｄｄ）に対して接続されたダイオード（Ｚ１）と、
前記ダイオード（Ｚ１）のアノードと直接に接続され且つ前記フォトトランジスタのエミッタと接地との間に直接接続された出力抵抗（Ｒｏ）と、
を備え、前記フォトトランジスタのエミッタ電流が前記抵抗（Ｒｏ）において出力信号（Ｖｏ）を生成する回路（２００）。
【請求項２】
前記フォトトランジスタ（Ｑ１）の前記電源（Ｖｓｓ）に印加される電力の電圧を制限する電力供給抵抗（Ｒｄｄ）を更に備える、請求項１記載の回路（２００）。
【請求項３】
前記電力供給抵抗（Ｒｄｄ）が、前記電源（Ｖｓｓ）と前記ヒューズ抵抗（Ｒｆ）との間に接続される、請求項２記載の回路。
【請求項４】
前記電力供給抵抗（Ｒｄｄ）、前記ダイオード（Ｚ１）及び前記ヒューズ抵抗（Ｒｆ）の接合点において前記電源と接地とを接続する接地抵抗（Ｒｇ）を更に備える、請求項２記載の回路。
【請求項５】
前記出力抵抗（Ｒｏ）が６０４オームの抵抗である、請求項１記載の回路。
【請求項６】
前記電力供給部（Ｖｄｄ）が１４ボルトを供給する、請求項４記載の回路。
【請求項７】
前記抵抗分割器（Ｒｄ）が１．０キロオームの抵抗である、請求項４記載の回路。
【請求項８】
前記ヒューズ（Ｆ１）が６３ミリアンペアのヒューズである、請求項４記載の回路。
【請求項９】
前記接地抵抗（Ｒｇ）が４９．９キロオームの抵抗である、請求項４記載の回路。
【請求項１０】
前記ヒューズ抵抗（Ｒｆ）が６．２オームの抵抗である、請求項４記載の回路。
【請求項１１】
前記ダイオード（Ｚ１）が１６ボルトのダイオードである、請求項４記載の回路。
【請求項１２】
本質的に安全な側（２０１）と、本質的に安全でない側（２０２）とを有し、前記本質的に安全な側で入力信号（Ｖｉ）を受信して、前記本質的に安全でない側での出力信号（Ｖｏ）をハイ状態とロー状態との間で切り替える回路（２００）を更に備えており、
前記光結合器（２０５）が、低インピーダンスの第１の導通状態と高インピーダンスの第２の導通状態とを有し、
前記本質的に安全な側での入力（Ｖｉ）が、複数の状態の入力信号を受信して前記光結合器を前記第１の導通状態と前記第２の導通状態との間で切り替え、
前記光結合器が、前記第１の導通状態にあるとき、高電位信号を出力（Ｖｏ）に印加するよう動作し、
前記光結合器が、前記第２の導通状態にあるとき、低電位信号を前記出力（Ｖｏ）に印加するよう動作し、
前記本質的に安全でない側が、前記電力供給部（Ｖｄｄ）と、該電力供給部（Ｖｄｄ）と前記出力（Ｖｏ）との間に接続された前記ヒューズ抵抗（Ｒｆ）を含む第１の直列回路とを備えてなり、
前記光結合器が前記第２の導通状態にあるとき、前記第１の直列回路が、電流を前記出力に直列に前記出力（Ｖｏ）に印加するよう動作し、
前記本質的に安全でない側が、前記電源（Ｖｓｓ）と抵抗（Ｒｏ）の接地されていない側の前記出力（Ｖｏ）との間に接続された前記光結合器の出力側と前記抵抗分割器（Ｒｄ）とを含む第２の直列回路（Ｒｄｄ、Ｒｄ）を備え、
前記光結合器が前記第１の導通状態にあるときに、前記第２の直列回路が、前記出力抵抗（Ｒｏ）に相対的に大きい電流を印加し、前記抵抗（Ｒｏ）の前記接地されていない側における前記出力（Ｖｏ）に相対的に大きな出力信号を印加するよう動作する、
請求項１記載の回路。
【請求項１３】
前記ダイオード（Ｚ１）が前記電力供給部（Ｖｄｄ）の電圧を所定の大きさに制限し、
前記第１の直列回路が、ヒューズを介して前記電力供給部（Ｖｄｄ）の第１の側に接続された第１の側を有する前記ヒューズ抵抗（Ｒｆ）を備えており、
前記ダイオード（Ｚ１）が、前記ヒューズ抵抗（Ｒｆ）の第２の側に接続されたカソードと、前記抵抗（Ｒｏ）の前記接地されていない側における前記出力（Ｖｏ）に接続されたアノードとを備え、前記電力供給部（Ｖｄｄ）からの電圧の大きさを所定の大きさに制限し、
前記第２の直列回路が、前記ダイオードのカソードと接続された第１の端を有する前記電力供給抵抗（Ｒｄｄ）を備え、
前記抵抗分割器（Ｒｄ）が、前記電力供給抵抗（Ｒｄｄ）の第２の端に接続された第１の端と、前記光結合器のコレクタに接続された第２の端とを備え、
前記光結合器が、前記抵抗（Ｒｏ）の前記接地されていない側における前記出力（Ｖｏ）に接続されたエミッタ素子を有しており、
前記光結合器が、前記第２の導通状態にあるときに高インピーダンスを呈し、もって、前記電力供給部（Ｖｄｄ）から前記第１の直列回路を通って前記抵抗（Ｒｏ）の前記接地されていない側における前記出力（Ｖｏ）に流れる電流が前記出力抵抗（Ｒｏ）における前記出力（Ｖｏ）に低電圧信号を印加し、
前記光結合器が、第１の導通状態にあるときに低インピーダンスを呈し、もって、前記電力供給部（Ｖｄｄ）から、前記ヒューズ抵抗（Ｒｆ）、前記電力供給抵抗（Ｒｄｄ）、前記抵抗分割器（Ｒｄ）及び前記光結合器を含む直列経路を通って流れる電流が前記負荷抵抗（Ｒｏ）における前記出力に相対的に高い電圧信号を印加する、
請求項１２記載の回路。
【請求項１４】
前記光結合器が、
前記回路の前記本質的に安全な側から入力信号を受け取り、前記入力信号に応答して光制御信号を生成する発光ダイオード（２０２）と、
光入力信号の生成に応答して光制御信号を受信し、前記電力供給部から前記出力への電流の大きさを制御すると共に前記負荷抵抗における電圧を制御するフォトトランジスタ（２０２）と、
を備える、請求項１２記載に回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、本質的に安全な回路から本質的に安全でない回路へのデータの伝送に関する。特に、本発明は、これら回路間でデータを伝送するために用いられる光結合器に関する。更に、本発明は、過剰なエネルギが光結合器へ印加されることを防止するためにフォトトランジスタに接続される回路に関する。
【０００２】
課題
ＬＥＤ及び関連するフォトトランジスタを単一のデバイスとして一体化した光結合器は周知であり、信号源と増幅或いは処理された入力信号を表わす信号出力との間の直流及び交流の絶縁が維持されねばならない用途において広く用いられている。光結合器は、入出力回路間の容量結合により提供される絶縁が充分ではない場合に用いられる。
【０００３】
容量結合が充分ではない１つのこうした例は、容量結合のみでは提供される安全度が充分でない危険な場所で入出力回路が動作する用途である。このような場合、周知のように、ＬＥＤが増幅その他の処理をされるべき入力信号を受け取り、受け取った入力信号を表わす光出力信号を生成する光結合回路を用いる。このＬＥＤはフォトトランジスタを含むデバイス・パッケージの一部であり、フォトトランジスタのベースはＬＥＤの光出力を受け取ってフォトトランジスタのコレクタ電流を制御する。このフォトトランジスタは、有利なことに、出力がコレクタ抵抗に生成される増幅器として働く。
【０００４】
このように働く光結合器は、コンデンサ結合トランジスタ増幅器により提供される絶縁に比して大きな絶縁を提供する。光結合器により提供される絶縁は、本質的に安全な回路を本質的に安全でない回路に接続するのに必要とされる。本質的に安全な回路は、或る低いエネルギ・レベルよりも下のレベルで働く回路である。この回路は、或るエネルギ・レベルよりも下のレベルで動作することによって、何らかの状態で故障した場合でさえ、危険環境における物質の爆発を引き起こす火花或いは高い熱を生じないよう保証される。回路を本質的に安全にするのに必要な電力レベルは、米国におけるＵＬ、ヨーロッパにおけるＣＥＮＥＬＥＣ、カナダにおけるＣＳＡ及び日本におけるＴＩＩＳのような管轄官庁によって決定される。
【０００５】
本質的に安全であるためには、本質的に安全な回路は、本質的に安全な回路と本質的に安全でない回路との間にガルヴァーニ絶縁バリアを備えなければならない。ガルヴァーニ絶縁バリアを跨ってディジタル・データを伝送するためには、多数の安全コンポーネントが必要とされる。光結合器においては、ＬＥＤ或いはフォトトランジスタが本質的に安全な回路の一部をなしている。
【０００６】
共通エミッタ構成において、フォトトランジスタがＬＥＤにより活性化されると、フォトトランジスタは飽和状態となり、フォトトランジスタからの出力電圧はフォトトランジスタのコレクタの飽和電圧に等しくなる。フォトトランジスタが不動作状態のときは、その出力電圧は電力供給電圧に等しい。動作状態では、フォトトランジスタに接続された端子は光結合器の最大電流、電圧又は電力定格の３分の２（２／３）を越えてはならない。フォトトランジスタに接続された端子が最大値を越えることを防止するため、典型的には、端子に接続されたツェナー・ダイオード及び適切な定格のヒューズが、端子に対する充分な保護であると考えられる。抵抗もまた、ヒューズの破壊容量を阻止するために付加される。このような構成において、ダイオード及びヒューズがフォトトランジスタのコレクタ及び電力供給部に接続される。その結果、信号ピンから接地への経路がヒューズを通らないことになる。従って、ヒューズは、３つ全ての接続において必要な訳ではない。コンポーネントのコストが増加し、基板サイズが減少するにつれて、こうした回路を基板コストを低減するように構成する必要が存在する。
【０００７】
解決手段
上記の及び他の課題は本発明の保護回路によって解決され、技術の進歩が達成される。本発明の回路は、フォトトランジスタにおけるノード接続数を２つのノードへ低減する。従って、１つのツェナー・ダイオードとヒューズと抵抗とによって、保護が提供できる。これにより、必要とされるコンポーネント数が低減され、必要とされる基板コストと基板面積とを低減する。
【０００８】
本発明によれば、フォトトランジスタと該フォトトランジスタのコレクタに対する電力供給接続は１つのノードへ低減される。従って、コレクタ−エミッタ電流は、データ線をトグルさせるように出力抵抗に対し印加される。電力接続とエミッタは、電力接続とエミッタとの間の抵抗分割器を用いて、１つのノードへ低減される。抵抗分割器の使用により、光結合器は専用の供給電流により給電される状態を維持することができる。
【０００９】
本発明の第１の特徴においては、光結合器が特定の電力定格を越えることを防止する回路は、以下のコンポーネントから構成される。抵抗分割器は、フォトトランジスタのエミッタを該フォトトランジスタに対する電力供給部に接続する。ヒューズは、電力供給部を電源と抵抗分割器とに接続する。ダイオードは電源と接地に接続される。最後に、ヒューズ抵抗が、ヒューズ抵抗とフォトトランジスタの電源と抵抗分割器との間に接続される。
【００１０】
本発明の別の特徴においては、電力供給抵抗は、フォトトランジスタの電源と抵抗分割器へ印加される電力の電圧を制限することができる。これにより、フォトトランジスタに対して印加される電流の電圧を調整する。電力供給抵抗は前記電源と前記ヒューズ抵抗との間に接続される。
【００１１】
本発明の別の特徴においては、接地抵抗は、電力供給抵抗、ダイオード及びヒューズ抵抗の間で電源と接地を接続する。
本発明の別の特徴においては、出力抵抗はエミッタと接地との間に接続される。出力抵抗は、６０４オームの抵抗であり得る。
【００１２】
本発明の別の特徴においては、電力供給部は回路に対し１４ボルトの電圧を供給する。
本発明の別の特徴においては、抵抗分割器は１．０キロオームの抵抗であり得る。
【００１３】
本発明の別の特徴においては、ヒューズは６３ミリアンペアのヒューズであり得る。
本発明の別の特徴においては、接地抵抗は４９．９キロオームの抵抗であり得る。
【００１４】
本発明の別の特徴においては、ヒューズ抵抗は６．２オームの抵抗であり得る。
本発明の別の特徴においては、ダイオードは１６．０ボルトのツェナー・ダイオードである。
【００１５】
本発明の上記の及び他の特質は、以下の詳細な記述及び図面において記述される。
詳細な記述
図１は、本質的に安全な回路１０１と本質的に安全でない回路１０２とを含む従来技術の回路１００を示している。ガルヴァーニ絶縁バリア１０３は、本質的に安全な回路１０１と本質的に安全でない回路１０２との間の分離を提供し、安全定格の目的で２つの回路を分離する。発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｌ１及びフォトトランジスタＱ１は、本質的に安全な回路１０１から本質的に安全でない回路１０２へディジタル信号を伝える光結合器１０５を構成する。
【００１６】
光結合器１０５は、ヒューレット・パッカード社のＨＣＮＷ４５０６光結合器のような通常の光結合器である。データ伝送のため、ＬＥＤ  Ｌ１は光信号を伝送し、この光信号はフォトトランジスタＱ１によって受光されてフォトトランジスタＱ１を動作状態又は不動作状態にする。フォトトランジスタＱ１が動作状態にされると、フォトトランジスタは電力供給部Ｖddからの電力で飽和する。飽和されると、出力電圧ＶｏはフォトトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ飽和電圧に等しくなる。フォトトランジスタＱ１が不動作状態になると、出力電圧ＶｏはＶddまでプルアップされる。Ｑ１に対する電力供給接続はＶddにバイアスされた状態を保持する。
【００１７】
「爆発性雰囲気のための電気装置――本質的安全性（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ  ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｓ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  Ｓａｆｅｔｙ）」という表題のＣＥＮＥＬＥＣ文書ＥＮ  ５００２０のような規格によれば、光結合器の本質的に安全でない端子は、光結合器が最大電流、電圧或いは電力定格の３分の２を越えないことを保証する保護回路を備えなければならない。従来技術においては、フォトトランジスタＱ１の３つのノードのうちの２つのノードが保護されなければならない。３つのノードのうちの２つのノードが保護される限り、ヒューズを通らない電流が流れ得る経路は存在しない。
【００１８】
フォトトランジスタＱ１に対する電力供給ノードを保護するために、ヒューズＦ１が電源と電力供給ノードとの間に接続される。ヒューズＦ１は、充分な保護に適する定格を有するヒューズである。ダイオードＺ１は接地され、且つ、電力供給ノードとヒューズＦ１との間に接続される。抵抗Ｒ１は、ヒューズＦ１と電力供給ノードとダイオードＺ１との間に接続され、ヒューズの破壊容量に対する保護となる。
【００１９】
フォトトランジスタＱ１のコレクタ・ノードはＶｏを供給する。コレクタ・ノードは抵抗Ｒ２により電力供給ノードに接続される。また、ヒューズＦ２もコレクタ・ノードに接続される。ダイオードＺ２はフォトトランジスタＱ１のコレクタ・ノードを接地する。抵抗Ｒ３は、コレクタ・ノードとヒューズＦ２との間に接続され、ヒューズの破壊容量に対する保護となる。フォトトランジスタＱ１のエミッタ・ノードは接地とダイオードＺ２とに接続される。以上の論述から理解されるように、電力供給ノードとコレクタ・ノードとが本質的に安全でない回路１０２において保護される。
【００２０】
図２は、本発明に係る保護回路を備える回路の例示的な実施の形態を示している。本発明の回路は、光結合器がその最大電圧、電流又はエネルギの３分の２を越えることに対する保護を提供するのに必要なコンポーネントの数を低減するよう、ノード数を低減する。回路２００は、本質的に安全な回路２０１と本質的に安全でない回路２０２とを含んでいる。ガルヴァーニ絶縁バリア２０３は、本質的に安全な回路２０１と本質的に安全でない回路２０２とを分離する。ＬＥＤ  Ｌ１及びフォトトランジスタＱ１は光結合器２０５を形成する。光結合器の一例は、ヒューレット・パッカード社製のＨＣＮＷ  ４５０６光結合器である。光結合器２０５は、本質的に安全な回路２０１と本質的に安全でない回路２０２との間でガルヴァーニ絶縁バリア２０３を介してデータを伝送する。
【００２１】
フォトトランジスタＱ１は、電力供給ノードとコレクタ・ノードとエミッタ・ノードとを有する。電力供給部は電力供給ノードに接続される。ヒューズＦ１は、経路２１０の電力供給部とヒューズ抵抗Ｒｆとの間にある。経路２１０におけるヒューズ抵抗Ｒｆは、ヒューズＦ１と電力供給ノードとの間に接続される。ヒューズＦ１の破壊容量はヒューズ抵抗Ｒｆにより保護される。ダイオードＺ１は経路２１５を介して経路２１０を接地する。ダイオードＺ１は、電力供給抵抗Ｒｄｄとヒューズ抵抗Ｒｆとの間で経路２１０に接続される。抵抗Ｒｇは、電力供給抵抗Ｒｄｄとヒューズ抵抗Ｒｆとの間で経路２１０と経路２１５とを接続している。
【００２２】
経路２１０は、光結合器２０５へ供給される電気量を調整する電力供給抵抗Ｒｄｄをも含み得る。電力供給抵抗Ｒｄｄは、経路２１０において電力供給ノードとヒューズ抵抗Ｒｆとの間に接続される。フォトトランジスタＱ１のコレクタは分割器抵抗Ｒｄに接続される。分割器抵抗Ｒｄは、電力供給ノードと電力供給抵抗Ｒｄｄとの間でコレクタを経路２１０に接続する。フォトトランジスタＱ１のコレクタを経路２１０に対して接続したので、１つのヒューズと１つのダイオードとによって光結合器２０５に対する保護を提供することができる。
【００２３】
経路２１５はフォトトランジスタのエミッタ・ノードを接地する。経路２１５における出力抵抗はエミッタと接地との間に接続される。接地抵抗Ｒｇは、エミッタと出力抵抗Ｒｏとの間で経路２１５に接続される。ダイオードＺ１は、エミッタと出力抵抗との間で接地抵抗Ｒｇに並列に経路２１５に接続される。
【００２４】
望ましい実施の形態においては、光結合器２０５はヒューレット・パッカード社製のＨＣＮＷ  ４５０６である。ＣＥＮＥＬＥＣ文書ＥＮ  ５００２０によれば、光結合器２０５は下表に示す値の３分の２を越えることはできない。
【００２５】
【表１】
0005139616.tif 000002
下記の表は、望ましい実施の形態に対する本質的に安全でない回路２０１のコンポーネントの値を含む。これらの値は、光結合器２０５に適用され且つフォトトランジスタＱ１から出力される電圧及び電流の値を決定するために、以降の記述において用いられる。
【００２６】
【表２】
0005139616.tif 000003
出力電圧は次のようにして決定される。フォトトランジスタＱ１がＬＥＤ  Ｌ１から光信号を受け取っておらず、不動作状態にあるとき、電力供給部からの電流は０．６ｍＡに限定される。その結果、出力電圧は下式から決定することができる。
【００２７】
【数１】
0005139616.tif 000004
コンポーネント値の表からの値を図１へ挿入すると、トランジスタＱ１が不動作状態にあるときの出力電圧は０．５３ボルトであると決定することができる。これは、要求される値である２０ボルトを充分に下回る。
【００２８】
フォトトランジスタがＬＥＤ  Ｌ１から信号を受け取って動作状態にあるときは、フォトトランジスタは電流を流し、出力電圧は下式によって決定される。
【００２９】
【数２】
0005139616.tif 000005
コンポーネント値の表からの値を挿入することにより、フォトトランジスタＱ１が動作状態にあるときの望ましい実施の形態における出力電圧は３．１０ボルトであり、これは、光結合器２０５に対する最大定格の表に与えられる最大出力電圧の３分の２を充分に下回る。
【００３０】
電力供給部からの電力の電圧Ｖｓｓは、フォトトランジスタＱ１が動作状態と不動作状態とのいずれにあるかに従って変動する。フォトトランジスタがＬＥＤ  Ｌ１から信号を受け取っていて動作状態にあるときは、Ｖｓｓは分割器抵抗Ｒｄを流れる電流に等しい。式２から、分割器抵抗Ｒｄを流れる電流は、
【００３１】
【数３】
0005139616.tif 000006
となる。
【００３２】
コンポーネント値の表及び最大値の表からの値を挿入することにより、分割器抵抗を流れる電流は５．１５ｍＡであり、５．１５ボルトという供給電圧Ｖｓｓを与える。
【００３３】
この実施の形態においては、供給電圧Ｖｓｓ、抵抗電圧Ｖｒ及び出力電圧ＶｏはダイオードＺ１によって制限される。従って、ダイオードＺ１は、望ましい実施の形態においては最大値の表から２０ボルトであると決定される電力供給電圧の最大値の３分の２より低く制限しなければならない。ヒューズＦ１は、ダイオードＤ１が最大電力供給電圧の電力の３分の２を越えることを防止するよう、電力供給部からの電流を制限する。
【００３４】
望ましい実施の形態においては、ダイオードＤ１は３．０ワットの定格を有しており、これは、このダイオードを通る最大電力が２．０ワットに制限されなければならないことを意味する。ダイオードＤ１を通る電力は、下記のように計算される。
【００３５】
【数４】
0005139616.tif 000007
ここで、Ｖｚｍａｘは、ダイオードＺ１の定格にダイオードＺ１の公差（５％）を加えたものであり、乗数１．７は、ヒューズを含む回路に対するＣＥＮＥＬＥＣ文書ＥＮ  ５００２０により必要とされる。ダイオードＤ１は３．０ワットの定格を持ち、これはダイオードに流れる最大電圧の電力が２．０ワットに制限されなければならないことを意味する。望ましい実施の形態においては、ダイオードＺ１を通る最大電力は１．８ワットである。
【００３６】
ヒューズの破壊容量も保護されなければならない。望ましい実施の形態においては、ヒューズＦ１の破壊容量は５０Ａであり、ヒューズＦ１は２５０ボルトで評価される。ヒューズ抵抗Ｒｆの値がコンポーネント値の表で示されるように６．２オームであるから、ヒューズＦ１の電流は２５０ボルト／６．２オーム、すなわち４０．３Ａに制限される。
【００３７】
保護されなければならない最後のパラメータは、フォトトランジスタＱ１のコレクタに流れる電流である。最大電流は、フォトトランジスタＱ１が動作状態にあるときに到達される。この最大電流は、式４の結果を出力抵抗Ｒｏの値で割ることによって決定することができる。すなわち、
【００３８】
【数５】
0005139616.tif 000008
である。
【００３９】
望ましい実施の形態においては、最大値とコンポーネント値との表からの値が挿入されると、出力電流ｌｏは５．１３ｍＡである。これは、１０ｍＡである出力電流ｌｏに対する最大値の３分の２より小さい。
【００４０】
以上は、光結合器に対する保護を提供するための回路についての記述である。当業者であれば、請求の範囲に記載された発明を文言どおり或いは均等論によって侵害する代替的な回路を設計するものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術の光結合器及び保護回路を示す図である。
【図２】  本発明に係る光結合器及び保護回路を示す図である。
【図１】
0005139616.tif 000009
【図２】
0005139616.tif 000010