FR2644652A1 - Circuit-relais a semi-conducteurs - Google Patents
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Abstract
Le circuit-relais à semi-conducteurs de l'invention comprend un FET 17 de sortie relié à un réseau 16 de diodes engendrant une sortie photovoltaque en réponse à un signal lumineux d'un élément photo-émetteur 14, un circuit-série comprenant un dispositif semi-conducteur 22 et un redresseur 23 étant monté entre le drain et la porte de ce FET, le dispositif semi-conducteur étant rendu conducteur à la réception du signal lumineux pour former un trajet de courant de charge pour la charge accumulée entre la porte et la source du FET et le redresseur empêchant ce courant de circuler de façon inverse entre le drain et la porte du FET. On peut ainsi obtenir une plus grande vitesse de commutation du circuit et empêcher la circulation inverse du courant photo-électrique lors de la conduction du FET.
Description
CIRCUIT-RELAIS A SEMI-CONDUCTEURS
La présente invention concerne les circuits-relais
à semi-conducteurs, c'est-à-dire des circuits à semi-
conducteurs jouant le rôle de relais, et elle a trait, plus particulièrement, à un circuit-relais à semi- conducteurs qui assure un isolement grâce à un agencement du circuit servant à convertir un signal lumineux en un signal électrique au moyen d'un ensemble ou réseau de diodes photovoltaïques complées optiquement à un moyen photo-émetteur, tel qu'une diode photo-émettrice, qui transforme un signal d'entrée en un signal lumineux, et pour commander un transistor de sortie à effet de champ (que l'on appellera plus simplement par la suite: FET) au moyen du signal électrique résultant de la conversion
du signal lumineux.
Le circuit-relais à semi-conducteurs du type mentionné peut être utilisé avec efficacité, par exemple dans le système de transmission et de commande de signaux électriques des dispositifs et instruments de dosage et
de mesure.
Comme circuit à semi-conducteurs du type mentionné, on a suggéré, par exemple dans le brevet US N' 4.390.790, un circuit dans lequel un transistor MOSFET est monté en série avec un ensemble ou réseau de diodes
photovoltaiques couplé optiquement à une diode photo-
émettrice, un transistor FET à jonction, du type normalement conducteur, est monté entre la porte et la source de ce MOSFET, et un autre ensemble ou réseau de diodes photovoltaïques est monté, par l'intermédiaire d'une résistance, entre la porte et la source du FET à jonction. Dans ce brevet US, on empêche le MOSFET de se maintenir dans un état intermédiaire en faisant en sorte que le FET à jonction du type normalement conducteur soit commandé par un autre ensemble ou réseau de diodes, de manière que l'on obtienne, dans une certaine mesure, un fonctionnement rapide. Du fait que l'agencement du circuit a pour but de combiner le FET à jonction avec un autre réseau de diodes, on se trouve par contre confronté aux problèmes que les réseaux de diodes exigent généralement une taille de puce plus grande au point de détériorer l'efficacité de la transmission optique et il
en résulte une vitesse de fonctionnement assez faible.
Quand le FET de sortie passe à l'état complètement conducteur et que la tension entre le drain et la source prend une valeur sensiblement nulle, il y a de fortes probabilités pour que le courant en provenance du réseau de diodes photovoltaïques circule entre le drain et la source du FET de sortie, de sorte que l'on ne peut obtenir le fonctionnement à grande vitesse que dans les cas rares o le FET de sortie présente une résistance considérablement élevée dans l'état conducteur et sa tension de drain se trouve à un niveau élevé tel que la tension de porte se trouve, normalement à environ 5 V ou plus, ce qui soulève des difficultés en ce que la plage
de fonctionnement normale se trouve ainsi réduite.
Dans la Demande de Modèle d'Utilité Japonais publiée N' 64-33228, on a décrit une mesure permettant d'accélérer le fonctionnement du MOSFET- en montant un photo-transistor, par l'intermédiaire d'une source de courant partiellement contrôlée, entre le drain et la porte du MOSFET et en fournissant un courant à la porte du MOSFET & partir de la source de courant par
l'intermédiaire du photo-transistor à l'état conducteur.
Toutefois, avec cette disposition, on peut obtenir un fonctionnement plus rapide lors de l'opération du passage à l'état conducteur mais l'accélération de l'opération de passage à l'état non conducteur est encore insuffisante en raison de l'absence de tout circuit de commande de décharge entre la porte et la source du MOSFET, de sorte que le problème reste non résolu par le fait que l'on ne peut pas réduire entre la porte et le drain du MOSFET la circulation inverse du courant photo-électrique, la plage de fonctionnement normale se trouvant ainsi limitée pour
les mêmes raisons que dans l'agencement connu précédent.
Selon une invention antérieure que la Demanderesse a conçue et qui est décrite dans le brevet US N' 4.801.822, on a réalisé un circuit à semiconducteurs dans lequel: un MOSFET est relié à un réseau de diodes
photovoltaiques couplé optiquement à un élément photo-
émetteur, un FET de commande du mode à appauvrissement est monté entre la porte et la source de ce MOSFET, et un circuit parallèle comprenant une résistance et un élément de conduction à tension constante est monté entre la porte et la source du FET de commande, de sorte que l'élément de conduction à tension constante est rendu conducteur lors de l'application d'une tension plus élevée que celle du niveau de seuil du FET de commande du mode à appauvrissement, et un FET de sortie se charge entre la porte et la source et se décharge entre le drain et la porte d'un FET de sortie au moyen d'un courant de
conduction lors de la conduction de l'élément précité.
Bien que cet agencement de circuit permette d'atteindre une vitesse plus élevée de passage à l'état non conducteur qui est suffisamment satisfaisante, il ne permet pas encore d'obtenir un fonctionnement à une
vitesse plus élevée lors du passage à l'état conducteur.
C'est pourquoi la présente invention a pour objet
principal la réalisation d'un circuit-reiais à semi-
conducteurs qui permet d'obtenir un fonctionnement rapide du circuit par diminution du temps nécessaire pour élever la tension entre la porte et la source du FET de sortie et qui permet d'élargir relativement la plage de
fonctionnement normale du circuit.
Selon la présente invention, on atteint cet objectif à l'aide d'un circuit-relais à semi-conducteurs comprenant un élément photo-émetteur qui engendre un signal lumineux, un réseau de diodes couplées optiquement à l'élément photo-émetteur pour engendrer une sortie photovoltaïque lors de la réception du signal lumineux, un transistor FET de sortie relié au réseau de diodes photovoltaiques pour être amené à passer d'un premier état d'impédance à un second état d'impédance par la sortie photovoltaïque appliquée entre la porte et la source de ce FET, et un moyen monté entre la porte et la source du FET pour commander son fonctionnement, un circuit série comprenant un moyen semi-conducteur et un moyen redresseur étant monté entre le drain et la porte du FET de sortie, ce moyen semi-conducteur étant mis dans un état de basse impédance afin de former pour une charge accumulée un trajet de charge entre la porte et la source du FET de sortie lorsque le réseau de diodes reçoit le signal lumineux, et le moyen redresseur empêchant toute circulation inverse d'un courant photo-électrique entre la porte et le drain du FET de sortie quand la tension entre le drain et la source du FET prend une valeur
sensiblement nulle.
Dans le circuit & semi-conducteurs selon la présente invention, agencé comme décrit ci-dessus, en plus de l'accélération du passage à l'état non conducteur du FET de sortie, le trajet de charge formé entre la porte et la source lors du passage à l'état conducteur élève de façon remarquable la vitesse de charge en procurant efficacement l'accélération, et le moyen redresseur empêche le courant photo-électrique engendré par les diodes photovoltaïques de circuler de façon inverse entre la porte et le drain du FET de sortie même lorsque la tension entre le drain et la source de ce FET de sortie prend une valeur sensiblement nulle, grâce à quoi le circuit ne se trouve soumis à aucune limitation de circuit entraînée par une telle circulation inverse, ce qui fait que l'on obtient une excellente plage de
fonctionnement normal.
D'autres objets et avantages de la présente
invention apparaîtront dans la description donnée ci-
après avec référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma de principe montrant un mode de réalisation du circuit-relais A semi-conducteurs selon la présente invention; la figure 2 est un schéma de principe montrant un autre mode de réalisation dans lequel une résistance est montée en série avec le moyen redresseur du circuit de la figure i; la figure 3 est un graphique montrant la relation entre la valeur ohmique de la résistance et le temps de réponse du mode de réalisation de la figure 2; la figure 4 est un schéma de principe d'un autre mode de réalisation du circuit-relais à semi-conducteurs selon la présente invention; et la figure 5 est un schéma montrant un autre mode de réalisation encore dans lequel une résistance est montée en série avec le moyen redresseur du circuit de la
figure 4.
En se référant à la figure 1 qui représente un mode de réalisation du circuit-relais à semi-conducteurs selon la présente invention, on voit que ce circuit comprend, d'une façon générale, un circuit d'entrée 10 et un circuit de sortie 11 couplé optiquement au circuit d'entrée 10 tandis qu'est maintenu un état d'isolement entre ces deux circuits. Le circuit d'entrée 10 comprend une source 12 de courant électrique, un contact 13 relié à la source 12 pour transmettre un signal d'entrée et une diode photo-émettrice 14 reliée par l'intermédiaire d'une résistance 15 à l'interrupteur 13 pour engendrer un
signal lumineux en réponse au signal d'entrée.
Dans le circuit de sortie 11 est inclus un réseau 16 de diodes, disposé de manière à être couplé optiquement à la diode photo-émettrice 14 du circuit d'entrée 10 afin d'engendrer une sortie photovoltaïque à
l'aide du signal lumineux reçu de la diode photo-
émettrice 14. Ce réseau 16 de diodes photovoltaïques est relié à la porte et à la source d'un transistor de sortie 17, de préférence à un MOSFET qui est, de façon souhaitable, du type à canal N du mode à enrichissement et fonctionne de manière à prendre un premier état d'impédance et un second état d'impédance lorsque la sortie photovoltaïque du réseau 16 de diodes est appliquée entre la porte et la source, tandis que le transistor de sortie FET 17 est relié à son drain et à sa source, au moyen d'une paire de bornes de sortie 18 et 18a, à un circuit série comprenant une source 19 de courant et une charge d'utilisation 20, de manière -à se trouver à un potentiel positif sur le côté drain par rapport au côté source, afin de commander la charge 20 en
fonction de l'état d'impédance du FET 17 de sortie.
En outre, entre la porte et la source du FET 17 de sortie est monté un circuit de commande 21 qui forme un trajet de décharge, tandis que ce circuit 21 peut être, par exemple, un FET du mode à appauvrissement, ou analogue, dont l'état est commuté entre un état de haute impédance et un état de basse impédance en réponse à la présence ou à l'absence de la sortie photovoltaïque du réseau 16 de diode. De plus, entre le drain et la porte du FET 17 de sortie est monté un circuit série comprenant un photo-transistor 22 et une diode 23. Dans ce cas, le photo-transistor 22 est également couplé optiquement à la diode photo-émettrice 14 du circuit d'entrée 10, de la même manière que le réseau 16 de diodes, de sorte que le photo-transistor 22 reçoit également le signal lumineux de la diode photo-émettrice 14, de manière à être en même temps placé dans l'état de basse impédance. Lorsque le photo-transistor 22 passe dans l'état de faible impédance, il se forme un trajet de charge pour une charge accumulée entre la porte et la source du FET 17 de sortie, de sorte que le temps nécessaire pour que la tension s'accroisse entre la porte et la source du FET 17 de sortie se trouve remarquablement raccourci et le fonctionnement à grande vitesse, particulièrement lors du passage à l'état conducteur du FET 17 de sortie et finalement du circuit de sortie 11, peut être facilité. Dans ce cas, l'opération de passage à l'état non conducteur peut être accélérée par le circuit de commande 21 et on peut obtenir un fonctionnement accéléré du circuit complet. En même temps,la diode a pour effet d'empêcher le courant issu du réseau 16 de diodes de s'écouler entre la porte et le drain du FET 17 de sortie au moment o la tension entre le drain et la source de ce FET 17 de sortie devient pratiquement nulle, c'est-à-dire lorsque ce FET prend essentiellement son état de conduction complet, grace à quoi la tension de porte du FET de sortie ne diminue pas et un fonctionnement normal en relais du
circuit complet peut être assuré.
En se référant maintement à la figure 2, on voit que l'on y a représenté une autre forme perfectionnée de réalisation du circuit-relais à semiconducteurs de la
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figure 1, une résistance de limitation 30 étant, dans ce mode de réalisation, insérée entre le photo-transistor 22 et la diode 23 du circuit de la figure 1. Dans ce mode de réalisation, on a mesuré le temps de réponse du FET 17 de sortie en faisant varier la valeur-de cette résistance de limitation 30 et l'on a obtenu les résultats représentés sur la figure 3. Alors que la valeur de la résistance de limitation 30 peut être choisie de façon appropriée en fonction des caractéristiques des autres éléments de circuit, on comprendra que, dans cet exemple de la figure 3 o la valeur de la résistance de limitation 30 se situe dans une plage de 0,5 à 1,0 Ma, il est possible d'obtenir un temps de réponse stable par le fait que le temps de réponse représenté par la courbe "T. on" pour le passage à l'état conducteur est d'environ 48 gs et le temps de réponse représenté par la courbe "T.offlf" pour le passage à l'état non conducteur est d'environ 36 gs. Il en est ainsi pour la raison que, même quand le temps de passage
à l'état non conducteur du moyen d'accélération 22 à semi-
conducteurs devient plus long que le temps de passage à l'état conducteur du circuit de commande 21, la résistance de limitation restreint le courant pénétrant dans la porte à partir du drain du FET de sortie lors du passage à l'état non conducteur afin de ne pas perturber la chute de potentiel de la porte du FET de sortie. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les autres éléments de circuit sont sensiblement identiques à ceux l1 de la figure 1 et on a utilisé dans la figure 2 les mêmes
références numériques que sur cette figure 1.
Alors que dans le circuit-relais à semi-conducteur des figures 1 et 2, on a utilisé le photo-transistor 22 comme un élément formant un trajet positif de charge pour la charge entre la porte et la source du FET 17 de sortie, on pourrait utiliser communément certains autres éléments photosensibles, tels qu'un photothyristor, une photodiode, et autres éléments analogues qui feraient circuler un courant en réponse au signal lumineux issu de la diode
photo-émettrice 14.
En se référant maintenant à la figure 4, on voit que l'on y a représenté un autre mode de réalisation du circult-relais à semi-conducteurs selon la présente invention, ce circuit comprenant, d'une façon générale, un circuit d'entrée 50 et un circuit de sortie 51 couplé optiquement au circuit d'entrée 50 tout en maintenant un état d'isolement entre ces circuits. Le circuit d'entrée comprend une source 52 de courant à laquelle est reliée, par l'intermédiaire de bornes 53 et 53a, une diode photo-émettrice 54, une résistance 55 étant insérée entre la source 52 de courant et une des bornes 53 et 53a, de sorte qu'un signal lumineux est émis par la diode photo-émettrice 54 en réponse à un signal d'entrée
appliqué aux bornes 53 et 53a.
Le circuit de sortie 51 comprend un réseau 56 de diodes couplées optiquement à la diode photo-émettrice 54
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du circuit d'entrée 50, de sorte qu'une sortie photovoltaïque est engendrée par ce réseau 56 de diodes
en réponse à un signal lumineux émis par la diode photo-
émettrice 54. Un transistor de sortie, de préférence un MOSFET 57, est relié à sa porte et à sa source au réseau 56 de diodes photovoltaïques, ce FET 57 de sortie étant de façon souhaitable du type à canal N du mode à enrichissement qui fonctionne de manière à passer d'un premier état d'impédance à un second état d'impédance lorsque la sortie voltaique du réseau 56 de diodes est appliquée entre la porte et la source de ce FET 57. En outre, entre le drain et la source du FET 57 de sortie est monté un circuit série, comprenant une source 59 de courant et une charge d'utilisation 60, par l'intermédiaire d'une paire de bornes de sortie 58 et 58a de sorte que le côté drain se trouve à un potentiel positif par rapport au côté source et la charge 60 est commandée en fonction de l'état d'impédance du FET 57 de sortie. D'autre part, entre la porte et la source du FET 57 de sortie est monté un FET de commande 61 qui forme un trajet de décharge, ce FET étant de préférence du mode à appauvrissement, de manière à commuter son état entre un état de haute impédance et un état de basse impédance selon que la sortie photovoltaique du réseau 56 de diode est présente ou absente. En outre, entre le drain et la porte du FET 57 de sortie est monté un circuit série comprenant un transistor NPN 62 et une diode 63 et ce transistor NPN 62 est relié à sa base au côté pôle positif du réseau 56 de diodes, tandis qu'une résistance 64 est insérée entre la porte du FET 57 de sortie et le côté pôle positif du réseau 56 de diodes. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la sortie photovoltaïque engendrée au réseau 56 de diodes par le signal lumineux d'entrée, en particulier, est appliquée par l'intermédiaire de la source et du drain du FET de commande 61 à la résistance 64 et, lorsque la tension aux bornes de cette résistance 64, dépasse un niveau de seuil,le FET de commande 61 passe de l'état de haute impédance, de sorte qu'une charge est appliquée entre la porte et la source du FET 57 de sortie. En même temps que cette charge, une tension engendrée à l'endroit de la résistance 64 est appliquée entre la base et l'émetteur du transistor NPN 62, de manière que celui-ci soit polarisé normalement et un état de conduction est obtenu entre le collecteur et l'émetteur de ce transistor NPN 62.Par conséquent, de la même manière que dans le mode de réalisation de la figure 1, un trajet de charge pour la charge accumulée entre la porte et la source du FET 57 de sortie est formé à travers le transistor NPN 62, grace à quoi l'augmentation de tension entre la porte et la source du FET de sortie 57 a lieu brusquement, ce qui fait que le passage à l'état conducteur du circuit de sortie 51 peut être accéléré. Quand la tension entre le drain et la source du FET de sortie 57 atteint une valeur sensiblement nulle, le courant issu du réseau 56 de diodes tend à circuler de façon inverse entre la porte et le drain du FET 57 de sortie, mais cet écoulement inverse est empêché au moyen de la diode 63. Lorsque, par contre, le signal lumineux cesse d'être appliqué au réseau 56 de diodes et le réseau 56 de diodes cesse d'engendrer la sortie photovoltaïque, le transistor NPN 62 se trouve polarisé de façon inverse entre sa base et son émetteur par la tension entre la porte et la source du FET 57 de
sortie, de manière à passer dans l'état non conducteur.
En même temps, la tension entre la porte et la source du FET de commande 61 tombe au point de faire passer ce FET 61 dans l'état de passe impédance, une charge accumulée entre le FET de sortie se décharge rapidement par le trajet de décharge formé par le FET de commande 61 et on peut ainsi obtenir un passage accéléré du circuit de sortie 51 à l'état non conducteur. Par conséquent, le présent mode de réalisation a également pour effet
d'accélérer le fonctionnement du circuit-relais à semi-
conducteur. Dans le présent cas, on peut remplacer le transistor NPN par un MOSFET à canal N en pouvant
s'attendre au même niveau d'effet.
En outre, comme on peut le voir sur la figure 5, une résistance de limitation 70 est insérée entre le transistor NPN 62 et la diode 63 dans le circuit-relais à semi-conducteur de la figure 4, auquel cas on peut également obtenir sensiblement le même niveau de stabilisation du temps de réponse que dans le mode de réalisation précédent de la figure 2 ainsi que le
maintien de la plage de fonctionnement normale.
Claims (9)
1. Circuit-relais à semi-conducteurs comprenant un élément photo-émetteur (14; 54) qui engendre un signal lumineux, un réseau (16; 56) de diodes couplé optiquement audit élément photo-émetteur pour engendrer une sortie photovoltaïque lors de la réception du signal lumineux, un transistor FET (17; 57) de sortie relié au réseau de diodes photovoltaïques pour être amené d'un premier état d'impédance à un second état d'impédance par la sortie photovoltaïque appliquée entre la porte et la source de ce FET, et un moyen (21; 61) monté entre la porte et la source du FET pour commander son fonctionnement, caractérisé en ce qu'un circuit-série comprenant un moyen semi-conducteur (22; 62) et un moyen redresseur (23; 63) est monté entre le drain et la porte du transistor FET de sortie, ledit moyen semiconducteur étant commuté dans un état de basse impédance, afin de former pour une charge accumulée un trajet de charge entre la porte et la source du FET (17; 57) de sortie lorsque le réseau de diodes reçoit le signal lumineux, et le moyen redresseur (23; 63) empêchant toute circulation inverse de courant photo-électrique entre la porte et le drain du FET de sortie lorsque la tension entre le drain et la source de ce FET prend une valeur sensiblement
nulle.
2. Circuit selon la revendication i, caractérisé en ce que le moyen semiconducteur (22) du circuit-série est un photo-transistor et le moyen redresseur (23) dans
ce circuit-série est une diode.
3. Circuit selon la revendication 2, dans lequel le moyen (61) de commande de fonctionnement comprend un transistor FET de commande du mode & appauvrissement.
4. Circuit selon la revendication 2, dans lequel une résistance (30; 70) est montée en série avec le
photo-transistor et la diode du circuit-série.
5. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le moyen (61) de commande de fonctionnement comprend un
transistor FET de commande du mode à appauvrissement.
6. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen semiconducteur (62) du circuit-série est un transistor de commutation et le moyen redresseur
(63) du circuit-série est une diode.
7. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen (61) de commande de fonctionnement comprend un transistor FET de commande du mode à appauvrissement.
8. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une résistance (70) est montée en série avec le
transistor de commutation et la diode du circuit-série.
9. Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen (61) de commande de fonctionnement comprend un transistor FET de commande du mode à appauvrissement.
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