(57)【要約】【課題】半導体スイッチにおいて、エネルギー効率を高くする。【解決手段】半導体スイッチ１は、ＬＥＤ２を駆動回路３により駆動して発光させ、ＬＥＤ２から発光された光を受光部４により受光する。駆動回路３は、バイポーラトランジスタ３１と、コイル３２と、ダイオード３３等を有する。バイポーラトランジスタ３１は、導通状態と非導通状態とに切換えられ、導通状態のときに、電源からＬＥＤ２に電流が供給される状態にし、非導通状態のときに、電源からＬＥＤ２に電流が供給されない状態にする。コイル３２は、ＬＥＤ２に直列に接続されており、バイポーラトランジスタ３１が導通状態から非導通状態になったときに、自己誘導作用によって誘導起電力を発生する。ダイオード３３は、ＬＥＤ２及びコイル３２に並列に接続されており、バイポーラトランジスタ３１が非導通状態のときに、コイル３２が発生する誘導起電力によって、ＬＥＤ２に電流を還流させる。【選択図】図１
2013106310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤを駆動回路により駆動して発光させ、前記ＬＥＤから発光された光を受光部により受光する半導体スイッチにおいて、
前記駆動回路は、
導通状態と非導通状態とに切換えられ、導通状態のときに、電源から前記ＬＥＤに電流が供給される状態にし、非導通状態のときに、電源から前記ＬＥＤに電流が供給されない状態にするスイッチング素子と、
前記スイッチング素子が導通状態から非導通状態になったときに、自己誘導作用によって誘導起電力を発生するインダクタと、
前記スイッチング素子が非導通状態のときに、前記インダクタが発生する誘導起電力によって、前記ＬＥＤに電流を還流させるダイオードとを有する、ことを特徴とする半導体スイッチ。
【請求項２】
前記インダクタは、前記ＬＥＤに直列に接続されており、
前記ダイオードは、前記ＬＥＤ及び前記インダクタに並列に接続されており、アノードが前記ＬＥＤのカソード側に接続され、カソードが前記ＬＥＤのアノード側に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチ。
【請求項３】
前記スイッチング素子は、電界効果トランジスタである、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体スイッチ。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、バイポーラトランジスタである、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結合型の半導体スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光結合型の半導体スイッチは、ＬＥＤを駆動して発光させ、ＬＥＤから発光された光を受光部により受光するようになっている。ＬＥＤの駆動は、ＬＥＤに電流を流すことにより行われる。このような半導体スイッチとしては、図４に示す構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この半導体スイッチ１００は、電源が入力されると、最初、ＬＥＤ１０３とコンデンサ１０４を通る経路に電流が流れ、定常状態に達すると、ＬＥＤ１０３と抵抗１０５を通る経路に電流が流れて、ＬＥＤ１０３が発光する。ＬＥＤ１０３が発光することにより、太陽電池１０６が、ＬＥＤ１０３からの光を受光して、光起電力を発生する。これにより、放電回路１０７を通して、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０１のゲート１０１が充電され、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０１が導通状態になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１６２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した従来の半導体スイッチ１００においては、抵抗１０５による電圧降下のために、エネルギー効率が悪い。すなわち、抵抗１０５によるエネルギー（電力）の損失があり、その分だけ、エネルギーが無駄に消費される。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、エネルギー効率を高くすることができる半導体スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明の半導体スイッチは、ＬＥＤを駆動回路により駆動して発光させ、ＬＥＤから発光された光を受光部により受光する半導体スイッチにおいて、駆動回路は、導通状態と非導通状態とに切換えられ、導通状態のときに、電源からＬＥＤに電流が供給される状態にし、非導通状態のときに、電源からＬＥＤに電流が供給されない状態にするスイッチング素子と、スイッチング素子が導通状態から非導通状態になったときに、自己誘導作用によって誘導起電力を発生するインダクタと、スイッチング素子が非導通状態のときに、インダクタが発生する誘導起電力によって、ＬＥＤに電流を還流させるダイオードとを有する、ものである。
【０００８】
本発明の半導体スイッチにおいて、インダクタは、ＬＥＤに直列に接続されており、ダイオードは、ＬＥＤ及びインダクタに並列に接続されており、アノードがＬＥＤのカソード側に接続され、カソードがＬＥＤのアノード側に接続されている、ものが好ましい。
【０００９】
また、本発明の半導体スイッチにおいて、スイッチング素子は、電界効果トランジスタである、ものが好ましい。
【００１０】
また、本発明の半導体スイッチにおいて、スイッチング素子は、バイポーラトランジスタである、ものが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来のような抵抗を使用しておらず、従来のような抵抗によるエネルギー（電力）損失がなく、スイッチング素子によるエネルギー（電力）損失が小さいので、エネルギー効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体スイッチの構成を示す電気回路図。
【図２】同半導体スイッチの各部の出力を示す図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体スイッチの構成を示す電気回路図。
【図４】従来の半導体スイッチの構成を示す電気回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した実施形態による半導体スイッチについて図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態による半導体スイッチの構成を示す。半導体スイッチ１は、光結合型の半導体スイッチである。半導体スイッチ１は、ＬＥＤ２と、駆動回路３と、受光部４とを備える。駆動回路３は、バイポーラトランジスタ（スイッチング素子）３１と、コイル（インダクタ）３２と、ダイオード３３と、発振回路３４と、ＡＮＤ回路３５とを有する。受光部４は、太陽電池４１と、電界効果トランジスタ４２と、充放電回路４３とを有する。また、半導体スイッチ１は、電源端子５１、５２と、入力端子５３と、出力端子５４、５５とを備える。
【００１４】
半導体スイッチ１は、電源端子５１から電源が入力されることにより動作し、入力端子５３から入力される入力信号に応じて、ＬＥＤ２を駆動回路３により駆動して発光させ、ＬＥＤ２から発光された光を受光部４により受光するようになっている。そして、半導体スイッチ１は、受光部４の受光出力（半導体スイッチ１の出力）を出力端子５４、５５から出力するようになっている。
【００１５】
ＬＥＤ２は、電源端子５１と電源端子５２との間に接続されており、アノードが電源端子５１に接続され、カソードがコイル３２及びバイポーラトランジスタ３１を介して電源端子５２に接続されている。
【００１６】
バイポーラトランジスタ３１は、ＬＥＤ２と電源端子５２との間に接続されており、コレクタがコイル３２を介してＬＥＤ２のカソードに接続され、エミッタが電源端子５２に接続され、ベースがＡＮＤ回路３５に接続されている。バイポーラトランジスタ３１は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであり、ベースに入力される電圧によって、導通状態と非導通状態とに切換えられる。すなわち、バイポーラトランジスタ３１は、ベース・エミッタ間の電位差が所定のプラスの電位差未満であるときに、非導通状態になり、ベース・エミッタ間の電位差が所定のプラスの電位差以上であるときに、導通状態になる。
【００１７】
コイル３２は、ＬＥＤ２とバイポーラトランジスタ３１との間に接続されており、一端がＬＥＤ２のカソードに接続され、他端がバイポーラトランジスタ３１のコレクタに接続されている。すなわち、コイル３２は、ＬＥＤ２に直列に接続されている。
【００１８】
ダイオード３３は、アノードがコイル３２の他端に接続され、カソードがＬＥＤ２のアノードに接続されている。すなわち、ダイオード３３は、ＬＥＤ２及びコイル３２に並列に接続されており、アノードがコイル３２を介してＬＥＤ２のカソード側に接続され、カソードがＬＥＤ２のアノード側に接続されている。
【００１９】
発振回路３４は、電源端子５１から入力される電源電圧ＶＤＤが入力され、電源電圧ＶＤＤよって動作して、発振出力ＶＯＳを出力する。すなわち、発振回路３４は、電源端子５１から入力される電源電圧ＶＤＤが所定の電圧値（例えば＋５．０Ｖ）のときに、所定の周波数で発振し、発振出力ＶＯＳとして、所定の周波数でローレベルとハイレベルとに交互に変化する出力を出力する。また、発振回路３４は、電源端子５１から入力される電源電圧ＶＤＤが所定の電圧値未満のときには、発振を停止し、発振出力ＶＯＳとして、ローレベルを持続する出力を出力する。
【００２０】
ＡＮＤ回路３５は、入力端子５３から入力される入力信号ＶＩＮ、及び発振回路３４の発振出力ＶＯＳが入力され、入力信号ＶＩＮのレベル及び発振出力ＶＯＳのレベルに応じて、ＡＮＤ出力ＶＯＵＴを出力する。すなわち、ＡＮＤ回路３５は、入力端子５３から入力される入力信号ＶＩＮがハイレベルであり、かつ、発振回路３４の発振出力ＶＯＳがハイレベルのときに、ＡＮＤ出力ＶＯＵＴとして、ハイレベルの出力を出力する。また、ＡＮＤ回路３５は、それ以外のとき（入力端子５３から入力される入力信号ＶＩＮがローレベルであるか、又は、発振回路３４の発振出力ＶＯＳがローレベルであるとき）に、ＡＮＤ出力ＶＯＵＴとして、ローレベルの出力を出力する。
【００２１】
従って、ＡＮＤ回路３５は、入力信号ＶＩＮがハイレベルを持続し、かつ、発振出力ＶＯＳがローレベルとハイレベルとに交互に変化する出力であるときに、ＡＮＤ出力ＶＯＵＴとして、ローレベルとハイレベルとに交互に変化する出力を出力する。また、ＡＮＤ回路３５は、入力信号ＶＩＮがローレベルを持続するか、又は、発振出力ＶＯＳがローレベルを持続する出力であるときに、ＡＮＤ出力ＶＯＵＴとして、ローレベルを持続する出力を出力する。
【００２２】
ＡＮＤ回路３５のＡＮＤ出力ＶＯＵＴは、バイポーラトランジスタ３１のベースに入力される。従って、バイポーラトランジスタ３１は、ＡＮＤ回路３５のＡＮＤ出力ＶＯＵＴによって、導通状態と非導通状態とに切換えられる。
【００２３】
太陽電池４１は、光を受光することにより、光起電力を発生する素子である。太陽電池４１は、ＬＥＤ２が発光したときに、ＬＥＤ２から発光された光を受光するようになっている。従って、太陽電池４１は、ＬＥＤ２が発光したときに、ＬＥＤ２から発光された光を受光して、光起電力を発生する。太陽電池４１は、充放電回路４３に接続されている。
【００２４】
電界効果トランジスタ４２は、出力端子５４、５５間に接続されている。すなわち、電界効果トランジスタ４２は、ドレインが出力端子５４に接続され、ソースが出力端子５５に接続され、ゲートが充放電回路４３に接続されている。電界効果トランジスタ４２は、エンハンスメント型のＮ型の電界効果トランジスタであり、ゲートに入力される電圧によって、導通状態と非導通状態とに切換えられる。すなわち、電界効果トランジスタ４２は、ゲート・ソース間の電位差が所定のプラスの電位差未満であるときに、非導通状態になり、ゲート・ソース間の電位差が所定のプラスの電位差以上であるときに、導通状態になる。
【００２５】
充放電回路４３は、太陽電池４１が発生する光起電力によって動作して、電界効果トランジスタ４２のゲートに電荷を充放電する。すなわち、充放電回路４３は、太陽電池４１が光起電力を発生しているときに、電界効果トランジスタ４２のゲートに電荷を充電し、太陽電池４１が光起電力を発生していないときに、電界効果トランジスタ４２のゲートの電荷を放電する。
【００２６】
図２は、半導体スイッチ１の各部の出力を示す。半導体スイッチ１は、以下のように動作する。
【００２７】
まず、電源端子５１に電源が入力されていないときには、電源端子５１から入力される電源電圧ＶＤＤは、ローレベル（所定の電圧値未満）である。従って、発振回路３４は動作を停止しており、発振回路３４の発振出力ＶＯＳは、ローレベルを持続する出力となっている。
【００２８】
電源端子５１に電源が入力されると、電源端子５１から入力される電源電圧ＶＤＤは、ハイレベル（所定の電圧値）になる。これにより、発振回路３４は動作を開始して、発振回路３４の発振出力ＶＯＳは、所定の周波数でローレベルとハイレベルとに交互に変化する出力となる。
【００２９】
このとき、入力端子５３から入力される入力信号ＶＩＮがローレベルであれば、ＡＮＤ回路３５のＡＮＤ出力ＶＯＵＴは、ローレベルを持続する出力となっている。
【００３０】
ＡＮＤ出力ＶＯＵＴがローレベルに持続されていることにより、バイポーラトランジスタ３１は、非導通状態に持続されている。そして、バイポーラトランジスタ３１は、非導通状態に持続されていることにより、電源から（電源端子５１から）ＬＥＤ２に電流が供給されない状態を持続している。
【００３１】
電源からＬＥＤ２に電流が供給されない状態が持続されていることにより、ＬＥＤ２には電流が流れない。ＬＥＤ２の駆動電圧ＶＤは、０Ｖに持続されている。従って、ＬＥＤ２は、発光しない。
【００３２】
ＬＥＤ２が発光しないことにより、太陽電池４１は、光を受光せず、光起電力を発生しない。従って、充放電回路４３は、電界効果トランジスタ４２のゲートに電荷を充電せず、電界効果トランジスタ４２は、非導通状態を持続し、出力端子５４、５５間の抵抗ＲＯＮは、高い値を持続する。
【００３３】
その後、入力端子５３から入力される入力信号ＶＩＮがハイレベルになると、ＡＮＤ回路３５のＡＮＤ出力ＶＯＵＴは、発振出力ＶＯＳと同じ所定の周波数でローレベルとハイレベルとに交互に変化する出力となる。
【００３４】
ＡＮＤ出力ＶＯＵＴが所定の周波数でローレベルとハイレベルとに交互に変化する出力となることにより、バイポーラトランジスタ３１は、所定の周波数で導通状態と非導通状態とに切換えられる。そして、バイポーラトランジスタ３１は、このように導通状態と非導通状態とに切換えられることにより、導通状態のときに、電源から（電源端子５１から）ＬＥＤ２に電流が供給される状態にする。また、非導通状態のときに、電源から（電源端子５１から）ＬＥＤ２に電流が供給されない状態にする。つまり、バイポーラトランジスタ３１は、所定の周波数で、電源からＬＥＤ２に電流が供給される状態と、電源からＬＥＤ２に電流が供給されない状態とに切換える。
【００３５】
このとき、コイル３２は、バイポーラトランジスタ３１が導通状態から非導通状態になると、すなわち、電源からＬＥＤ２に電流が供給されている状態から、電源からＬＥＤ２に電流が供給されない状態になると、自己誘導作用によって誘導起電力を発生する。そして、ダイオード３３は、バイポーラトランジスタ３１が非導通状態のときに、すなわち、電源からＬＥＤ２に電流が供給されていないときに、コイル３２が発生する誘導起電力によって、ＬＥＤ２に電流を還流させる。
【００３６】
これにより、電源からＬＥＤ２に電流が供給される状態と、コイル３２からダイオード３３を経由してＬＥＤ２に電流が還流される状態とが繰り返され、ＬＥＤ２に電流が流れ続ける。ＬＥＤ２の駆動電圧ＶＤは、ほぼ一定の所定の電圧値となる。ＬＥＤ２の駆動電流（ＬＥＤ２に流れる電流）は、ほぼ一定の所定の電流値となる。このようにＬＥＤ２に電流が流れ続けることにより、ＬＥＤ２は、発光する。ＬＥＤ２の駆動電流は、発振出力ＶＯＳのデューティ比や周波数を変えることにより、所望の電流値となるように設定される。
【００３７】
ＬＥＤ２が発光することにより、太陽電池４１は、ＬＥＤ２からの光を受光して、光起電力を発生する。これにより、充放電回路４３は、電界効果トランジスタ４２のゲートに電荷を充電し、電界効果トランジスタ４２は、導通状態となる。従って、出力端子５４、５５間の抵抗ＲＯＮは、低い値となる。
【００３８】
その後、入力端子５３から入力される入力信号ＶＩＮがローレベルになると、ＡＮＤ回路３５のＡＮＤ出力ＶＯＵＴは、ローレベルを持続する出力となる。
【００３９】
ＡＮＤ出力ＶＯＵＴがローレベルに持続されることにより、バイポーラトランジスタ３１は、非導通状態に持続されることになる。そして、バイポーラトランジスタ３１は、非導通状態に持続されることにより、電源から（電源端子５１から）ＬＥＤ２に電流が供給されない状態を持続することになる。
【００４０】
電源からＬＥＤ２に電流が供給されない状態が持続されることにより、コイル３２は、自己誘導作用による誘導起電力を発生しなくなり、ダイオード３３は、ＬＥＤ２に電流を還流させなくなる。これにより、ＬＥＤ２には、電流が流れなくなる。ＬＥＤ２の駆動電圧ＶＤは、０Ｖになる。これにより、ＬＥＤ２は、発光を停止する。
【００４１】
ＬＥＤ２が発光を停止することにより、太陽電池４１は、光を受光しなくなり、光起電力を発生しなくなる。これにより、充放電回路４３は、電界効果トランジスタ４２のゲートの電荷を放電し、電界効果トランジスタ４２は、非導通状態となる。従って、出力端子５４、５５間の抵抗ＲＯＮは、高い値となる。
【００４２】
本実施形態の半導体スイッチ１によれば、従来のような抵抗を使用しておらず、従来のような抵抗によるエネルギー（電力）損失がなく、バイポーラトランジスタ３１によるエネルギー（電力）損失が小さいので、エネルギー効率を高くすることができる。
【００４３】
なお、本実施形態において、バイポーラトランジスタ３１は、電源端子５１とＬＥＤ２との間に接続されていてもよい。また、コイル３２は、電源端子５１とＬＥＤ２との間に接続されていてもよい。また、１つの電界効果トランジスタ４２に代えて、２つの電界効果トランジスタが出力端子５４、５５間に接続されていてもよい。また、ＬＥＤ２、駆動回路３、受光部４は、パッケージに収納されて一体化されていてもよい。
【００４４】
＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施形態による半導体スイッチの構成を示す。本実施形態の半導体スイッチ１は、駆動回路３の構成が上記第１の実施形態と異なっている。本実施形態における他の構成については、上記第１の実施形態と同様である。
【００４５】
本実施形態では、駆動回路３は、上記第１の実施形態におけるバイポーラトランジスタ３１に代えて、電界効果トランジスタ（スイッチング素子）３９を有する。電界効果トランジスタ３９は、ＬＥＤ２と電源端子５２との間に接続されており、ドレインがコイル３２を介してＬＥＤ２のカソードに接続され、ソースが電源端子５２に接続され、ゲートがＡＮＤ回路３５に接続されている。電界効果トランジスタ３９は、エンハンスメント型のＮ型の電界効果トランジスタであり、ゲートに入力される電圧によって、導通状態と非導通状態とに切換えられる。すなわち、電界効果トランジスタ３９は、ゲート・ソース間の電位差が所定のプラスの電位差未満であるときに、非導通状態になり、ゲート・ソース間の電位差が所定のプラスの電位差以上であるときに、導通状態になる。
【００４６】
ＡＮＤ回路３５のＡＮＤ出力ＶＯＵＴは、電界効果トランジスタ３９のゲートに入力される。従って、電界効果トランジスタ３９は、ＡＮＤ回路３５のＡＮＤ出力ＶＯＵＴによって、導通状態と非導通状態とに切換えられる。駆動回路３の他の構成については、上記第１の実施形態と同様である。
【００４７】
本実施形態の半導体スイッチ１では、電界効果トランジスタ３９が導通状態と非導通状態とに切換えられることにより、上記第１の実施形態と同様に、ＬＥＤ２が発光、発光停止して、電界効果トランジスタ４２が導通状態と非導通状態とに切換えられる。
【００４８】
本実施形態の半導体スイッチ１によれば、従来のような抵抗を使用しておらず、従来のような抵抗によるエネルギー（電力）損失がなく、電界効果トランジスタ３９によるエネルギー（電力）損失が小さいので、エネルギー効率を高くすることができる。
【００４９】
なお、本実施形態において、電界効果トランジスタ３９は、電源端子５１とＬＥＤ２との間に接続されていてもよい。また、コイル３２は、電源端子５１とＬＥＤ２との間に接続されていてもよい。また、１つの電界効果トランジスタ４２に代えて、２つの電界効果トランジスタが出力端子５４、５５間に接続されていてもよい。また、ＬＥＤ２、駆動回路３、受光部４は、パッケージに収納されて一体化されていてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１    半導体スイッチ
２    ＬＥＤ
３    駆動回路
４    受光部
３１    バイポーラトランジスタ（スイッチング素子）
３２    コイル（インダクタ）
３３    ダイオード
３４    発振回路
３５    ＡＮＤ回路
３９    電界効果トランジスタ（スイッチング素子）
４１    太陽電池
４２    電界効果トランジスタ
４３    充放電回路
５１、５２    電源端子
５３    入力端子
５４、５５    出力端子
【図１】
2013106310.tif 000003
【図２】
2013106310.tif 000004
【図３】
2013106310.tif 000005
【図４】
2013106310.tif 000006