JPH0623005Y2 - フォトカプラ回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は電子回路への信号の入力回路等に適するフォト
カプラ回路であって、フォトカプラの発光素子側回路内
に発光素子に対する直列抵抗と並列抵抗とが設けられる
ものに関する。

〔従来の技術〕

よく知られているようにフォトカプラはその入力側と出
力側とを相互に絶縁する上で非常に有用であり、とくに
プログラムコントローラのような電子装置で強電回路を
制御する場合には、強電回路から電子回路に信号を取り
込みあるいは電子回路から制御信号を強電回路に発信す
る際のインターフェースとして不可欠なものになってい
る。ところが、電子回路への信号の入力回路に用いられ
るフォトカプラは、強電回路からノイズ電圧が侵入した
ときその発光素子が発光してしまって電子回路に誤った
信号が与えられることがある。このため、発光素子が誤
って発光してもそれがノイズに基づく短時間内である限
り電子回路に信号が与えられることがないよう、フォト
カプラの受光素子側にフィルタないし時定数回路を挿入
することが従来から行なわれている。

第５図はかかる従来例を示すものである。図において、
１がフォトカプラであって発光ダイオード等の発光素子
２とフォトトランジスタ等の受光素子３からなり、この
フォトカプラ１を含むフォトカプラ回路30は、その左側
の入力端子Tiに強電回路の電源４の電圧V1をスイッチ５
を断続した入力信号Siを受けて、右側の出力端子Toから
それに応じた出力信号Soを電子回路に与える。フォトカ
プラ回路30内にはフォトカプラ１の発光素子側回路と受
光素子側回路とが含まれている。前者は発光素子２に対
する直列抵抗11と並列抵抗12とからなり、入力信号Siが
オンのときその電圧V1を両抵抗11,12により分圧して発
光素子２を発光させるようになっている。受光素子側回
路が電子回路用の電源V2から電位引き上げ抵抗21を介し
て給電され、受光素子３は図示のようにこの引き上げ抵
抗21と直列に接続される。受光素子３と並列に放電抵抗
22とキャパシタ23の直列回路が接続されており、キャパ
シタ23の電圧がしきい値動作をするインバータ24を介し
て出力信号Soとして取り出される。

入力信号Siがオフのときフォトカプラ１の発光素子２は
発光せず、従って受光素子３もオフなので、キャパシタ
23は引き上げ抵抗21と放電抵抗22とを介して電圧V2に充
填され、インバータ24はこの充電電圧を受けて出力信号
Soをオフにしている。入力信号Siがオンになり発光素子
２の発光に基づいて受光素子３がオンすると、キャパシ
タ23が放電抵抗22を介して放電され、その電圧v2がイン
バータ24のもつしきい値以下になったときに出力信号So
がオンになる。

いま、ある時間幅をもつノイズＮが入力端子Tiから侵入
して発光素子３が発光したとすると、これにより受光素
子３がオンしてキャパシタ23の電圧v2が低下するが、そ
の値がインバータ24のしきい値以下になるまでの時間を
ノイズＮの時間幅よりも長くしておけば、出力信号Soに
ノイズによる誤った信号は発生しない。つまり、この従
来回路ではノイズＮが持ち得る最大の時間幅に対して受
光素子側回路内の放電抵抗22とキャパシタ23とで決まる
放電の時定数を多少余裕を見て長目にしておくことによ
り、出力信号Soにノイズに基づく誤信号が発生しないよ
うにするわけである。もちろん、ノイズのもつ時間幅よ
りも長い時間幅をもつ正規の入力信号Siが与えられたと
きには、フォトカプラ回路30は正常に動作する。

〔考案が解決しようとする課題〕

ところが、この従来のフォトカプラ回路では、ノイズが
繰り返して侵入して来たときに誤信号を発する問題があ
る。これを第６図を参照しながら説明する。

第６図(a)は入子端子Tiに侵入するノイズの電圧波形を
示し、図では簡単化のため三角波状のノイズ電圧が連続
的に侵入したものとしてある。同図(b)はこのノイズ電
圧によりフォトカプラ１の発光素子２に掛かる電圧v1を
示す。この電圧v1はノイズ電圧Vnを２個の抵抗11,12で
分圧したもので、元来はノイズ電圧Vnの相似波形である
が、その値が発光素子２の発光しきい値Vt1を上回わる
と、このしきい値にクランプされるので図示のような台
形状になる。同図(c)は発光素子２の発光Ｌを示し、容
易にわかるように電圧v1の上の平坦部に対応する時間内
にこの光Ｌがオンされる。同図(b)は受光素子側回路内
のインバータ24への入子電圧つまりキャパシタ23の電圧
v2を示し、光Ｌのオン時に前述の時定数で立ち下がり、
光Ｌのオフ時に立ち上がる。しかし、ノイズが繰り返え
して侵入し、これに応じて発光素子２が同図(c)のよう
に繰り返えして発光すると、電圧v2の立ち上がりないし
は回復がこれに追い付かないで、その値が図示のように
発光ごとに漸次低下して遂にはインバータ24のしきい値
Vt2を下回わってしまい、この時点で同図(e)に示すよう
に出力信号Soに誤信号が発生してしまう。

上述のようにノイズが繰り返えしてないしは連続して侵
入したときの問題は、キャパシタ23の電圧v2の回復速度
つまりその充電の時定数を上げれば解消できるが、この
充電時定数は引き上げ抵抗21と放電抵抗22の抵抗値の和
とキャパシタ23のキャパシタンス値の積で決まるので、
必ず放電時定数より大きくなる。もちろん、回路を工夫
することにより充電時定数を放電時定数よりも小さくす
ることも不可能ではないが、これらの時定数の大小関係
ないし比は、入力信号Si側のスイッチ５のチャタリング
やバウンス（はね返えり）への対策との関連があって、
あまり自由に選択することが許されない。

本考案はかかる問題を解決して、ノイズが繰り返えして
侵入して来ても誤信号の発生のおそれが少なく、かつ正
規の入力信号に対しては正常な応答速度で動作しうるフ
ォトカプラ回路を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

前述の目的を達成するため本考案は、フォトカプラの発
光素子側回路内に発光素子に対する直列抵抗と並列抵抗
とが設けられ、フォトカオプラの受光素子側回路内に受
光素子に直列接続される放電抵抗とノイズ除去用キャパ
シタとが設けられたフォトカプラ回路において、前記発
光素子側回路の発光素子に対する並列抵抗に並列にキャ
パシタを接続し、フォトカプラ回路の発光素子側に外部
から侵入しうるノイズ中の電圧と時間幅の積の最大なも
のに対して並列抵抗に掛かる電圧のノイズの時間幅内の
最大値が発光素子の発光しきい値の1.5倍以下になるよ
うに時定数を選択したことを特徴とする。

〔作用〕

本考案は問題の原因であるノイズ電圧の時間幅が正規の
信号と比べて短く、この性質を利用すればノイズを正規
の信号と区別して対策を施しうる点に着目し、かつこの
対策は従来のようにフォトカプラを介していわばデイジ
タル化された信号を扱う受光素子側回路に施すよりは、
むしろアナログ的な信号を扱う発光素子側回路に施す方
が有利なことに着目してなされたもので、上記構成にい
うように発光素子側回路内の並列抵抗に対して並列にキ
ャパシタを接続することにより、ノイズ電圧に基づく発
光素子の発光時間を従来よりも短縮しあるいは発光をな
くして、誤信号が起こらないようにすることに成功した
ものである。

以下、第１図と第２図を参照しながら上記構成のもつ作
用を説明する。

第１図にはフォトカプラ回路中のフォトカプラ１の発光
素子２側の回路が示されており、図からわかるように発
光素子２に対して直列抵抗11と並列抵抗12とが設けられ
ているのは従来と同じであるが、本考案に基づき並列抵
抗12に対して並列にキャパシタ13が接続されている。入
力端子Tiからは図示のような三角波状，矩形状のほか種
々の波形のノイズＮが侵入しうるが、以下簡単化のため
かつその中で最も条件の悪い矩形状のノイズが侵入して
来たものとする。第２図(a)にはこの波形がノイズ電圧V
nとして拡大して示されており、キャパシタ13は接続さ
れていないものとすると、これを直列抵抗11の抵抗値Rs
と並列抵抗12の抵抗値Rpとで分圧した電圧Vd＝Vn・Rp／
(Rs+Rp)が発光素子に掛かり、もちろんこの電圧Vdの値
は発光素子の発光しきい値Vt1より大きいので、発光素
子はノイズがもつ時間幅Tnを通じて発光することにな
る。本考案によりキャパシタンス値Ｃのキャパシタ13を
並列抵抗12に並列接続すると、発光素子２に掛かる電圧
v1は図示のようにその立ち上がりが遅れ、その時間的な
経過はよく知られているように、 v1＝Vd（１−e^-t/ _τ） で表わされる。ただしτは時定数で、両抵抗11,12の並
列抵抗値をＲとすると、τ＝Ｃ・Ｒで1/R＝1/Rs+Rpにな
る。この電圧v1が発光素子の発光しきい値Vt1にまで立
ち上がったとき発光素子は同図(b)のように発光Ｌを起
こすが、この発光時間TLはノイズの時間幅Tnよりも常に
短くなる。また、電圧v1は発光素子が発光するとほぼそ
の発光しきい値Vt1に図示のようにクランプされる。

発光素子に掛かる電圧の立ち上がりはノイズ電圧Vnが大
きい程早く、かつその時間幅Tn内に達しうる最大値は時
間幅Tnが長い程高くなるから、この最大値はノイズのも
つ電圧値と時間幅との積によってほぼ決まる。ノイズに
起因する発光素子の発光時間TLを短くするには、時定数
τを長くして電圧と時間幅の積が最大のノイズに対して
も、電圧v1の時間幅Tn内にとりうる最大値が発光素子の
発光しきい値Vt1を余り越えないようにすればよい。電
圧v1の最大値がこの例のように時間幅Tnの終期に起きる
とすると、この関係は、 Ｋ＝（Vd/Vt1）（１−e^-rn/ _τ） で定義される係数Ｋで表わされ、時定数τを大きく選ぶ
ことにより係数Ｋが１を余り越えないようにすればよい
ことになる。しかし、時定数τを余り大きくするとフォ
トカプラ回路のオン動作速度が遅くなってしまうことに
なり、従って係数Ｋには自ら制約が生じる。この制約下
で、ノイズに起因する発光素子の発光時間を極力短くし
て誤信号の発生を有効に防止するには、経験的であるが
この係数Ｋが1.5以下になるように時定数τを選択する
のが望ましい。

〔実施例〕

以下、第３図と第４図を参照しながら本考案の実施例を
説明する。第３図は本考案によるフォトカプラ回路30の
実施例回路図であるが、その発光素子側回路は前の第１
図と，受光素子側回路は第５図と同じで対応部分に同符
号が付されているので、その説明は一切省略する。その
入力端子Tiから図示のように三角波状の連続したノイズ
Ｎが侵入して来た場合について、以下第４図を参照しな
がらその動作を説明する。

第４図(a)にはノイズ電圧Vnが前の第６図と同じ波形で
示されており、これにより発光素子２に掛かる電圧v2の
波形が同図(b)に示されている。図の左端のノイズの山
について説明すると、時刻t0からノイズ電圧Vnが正方向
に立ち上がるとそれに応じて電圧V1も立ち上がるが、そ
の立ち上がりはキャパシタ13によって従来よりも緩やか
で、その最大値は三角波の場合ノイズがもつ時間幅Tnの
終期近くになる。しかし、ノイズ電圧がこの例のように
高いと、電圧v1はこの最大値に至るまでに発光素子２の
発光しきい値Vt1に達し、この時刻t1から同図(c)に示す
ように発光Ｌが起こる。従って、この時刻t1以降は電圧
v1は発光しきい値Vt1にクランプされる。発光素子２が
発光すると、その順方向抵抗が並列抵抗12に並列接続さ
れることになり、ノイズ電圧は直列抵抗11とこの順方向
抵抗および並列抵抗12の合成抵抗とで分圧されて発光素
子２に掛かるので、この分圧電圧が発光素子の発光しき
い値Vt1を越える間中発光Ｌが維持されることになる。
ノイズ電圧が発光を維持しうるこの限界値が同図(a)に
維持電圧Vhで示されており、ノイズ電圧Vnがこの維持電
圧Vhにまで下がった時刻t2において発光Ｌが停止する。
この発光停止時刻t2にキャパシタ13は発光しきい値Vt1
で充電されているが、以降は低抵抗値の並列抵抗12によ
って放電されるので電圧v2は同図(d)のようにかなり急
速に減衰する。

ノイズの電圧Vnや時間幅Tnが大きい限り、同図(c)に示
すようにノイズの正の山ごとに発光Ｌが生じるが、同図
(a)の右端の山で示すようにノイズの電圧や時間幅が小
さいと、これに応じて同図(b)に示すように発光素子に
かかる電圧v1は時刻t3から立ち上がるもののその最大値
が発光しきい値Vt1に達せず、従って発光は起こらな
い。また、同じノイズ電圧波形に対応する第６図と比較
すればわかるように、本考案によるフォトカプラ回路で
は発光Ｌが起きても各発光時間TLが従来よりもずっと短
くなる。同図(d)はこの発光Ｌに伴う受光素子３側回路
内のインバータ24への入力電圧v2の変化の様子を示し、
各発光時間TLが従来よりも短いので、図示のようにこの
間に電圧v2は一旦は立ち下がるものの次の発光が起こる
までの間に電源電圧v2のごく近くまで回復する。このた
め本考案回路では、ノイズがこの例のように連続して侵
入して来て発光Ｌが繰り返えして発生しても、従来のよ
うに電圧v2の立ち上がりが漸次累積されてその値がイン
バータ24の動作しきい値Vt2を下回わってしまうような
ことがなくなり、従って同図(e)に示すように出力信号S
oに誤信号が発生することがない。

以上説明した実施例からもわかるように、本考案による
フォトカプラの発光素子側回路において、キャパシタ13
のキャパシタンスにより作られる動作時定数は入力端子
から侵入して来るノイズの時間幅に合わせて選択され
る。一方、その受光素子側回路のキャパシタ23が関係す
る動作時定数は前述のようにフォトカプラ回路30に対し
て要求される動作速度に合わせて選択される。換言すれ
ば、本考案ではフォトカプラ回路の動作速度とは独立し
てノイズ対策を発光素子側回路に施すことができるわけ
で、このため本考案を実施してもフォトカプラ回路の動
作特性は実施的にその影響を受けることがない。

なお、以上の実施例では入力信号Siが直流の電源４から
作られるものとしたが、電源４が交流方式であっても発
光素子側回路に整流器等を適宜に追加することによっ
て、本考案は例示された実施例に限らず種々の態様で実
施をすることができる。

〔考案の効果〕

以上説明したとおり本考案においては、フォトカプラの
発光素子側回路内に発光素子に対する直列抵抗と並列抵
抗とが設けられ、フォトカオプラの受光素子側回路内に
受光素子に直列接続される放電抵抗とノイズ除去用キャ
パシタとが設けられたフォトカプラ回路において、前記
発光素子側回路の発光素子に対する並列抵抗に並列にキ
ャパシタを接続し、フォトカプラ回路の発光素子側に外
部から侵入しうるノイズ中の電圧と時間幅の積の最大な
ものに対して並列抵抗に掛かる電圧のノイズの時間幅内
の最大値が発光素子の発光しきい値の1.5倍以下になる
ように時定数を選択したことによって、ノイズの侵入に
起因する誤信号対策を、受光素子側のノイズ除去用キャ
パシタに加えて受光素子側回路に施すことにより、発光
素子がノイズにより発光する時間を短縮することがで
き、その受光素子側回路に与える悪影響が著しく軽減さ
れてノイズによる誤信号の発生が実質上皆無になり、ま
たこの誤信号対策が発光素子側回路にキャパシタを追加
するだけですむので、受光素子側で設定されるフォトカ
プラ回路の正常な信号に対する動作速度等の特性が本考
案の実施により影響されることがなく、フォトカプラ回
路に要求されるないしは所望の特性を容易に持たせるこ
とができる。さらに、本考案の実施のために従来回路に
追加すべき部品はキャパシタ１個ですみ、僅少な失費で
フォトカプラ回路の動作信頼性を著しく向上することが
できる。

かかる特長をもつ本考案によるフォトカプラ回路は、前
述のように電子回路への信号の入力回路にとくに適し、
ノイズによる電子回路の誤動作を減少させる上で非常に
有効かつ有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までが本考案に関し、第１図は本考案
によるフォトカプラ回路の要部の回路図、第２図はその
動作を説明する波形図、第３図は本考案の実施例回路
図、第４図はその主な信号の波形図である。第５図以降
は従来技術に関し、第５図は従来のフォトカプラ回路の
回路図、第６図はその主な信号の波形図である。図にお
いて、 １：フォトカプラ、２：発光素子、３：受光素子、４：
入力側電源、５：スイッチ、11：直列抵抗、12：並列抵
抗、13：キャパシタ、21：電位引き上げ抵抗、22：放電
抵抗、23：キャパシタ、24：インバータ、Ｃ：キャパシ
タ13のキャパシタンス値、Ｌ：発光、Ｎ：ノイズ、Si：
入力信号、So：出力信号、Ti：入力端子、Tn：ノイズの
時間幅、To：出力端子、TL：発光時間、ｔ：時間、t0〜
t3：時刻t0、Vd：ノイズ電圧の分圧値、Vh：維持電圧、
Vn：ノイズ電圧、Vt1：発光素子の発光しきい値、Vt2：
インバータの動作しきい値、V1：入力信号用電圧、V2：
フォトカプラの受光素子側回路用電源電圧、v1：発光素
子に掛かる電圧、v2：インバータへの入力電圧、であ
る。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】フォトカプラの発光素子側回路内に発光素
   子に対する直列抵抗と並列抵抗とが設けられ、フォトカ
   オプラの受光素子側回路内に受光素子に直列接続される
   放電抵抗とノイズ除去用キャパシタとが設けられたフォ
   トカプラ回路において、前記発光素子側回路の発光素子
   に対する並列抵抗に並列にキャパシタを接続し、フォト
   カプラ回路の発光素子側に外部から侵入しうるノイズ中
   の電圧と時間幅の積の最大なものに対して並列抵抗に掛
   かる電圧のノイズの時間幅内の最大値が発光素子の発光
   しきい値の1.5倍以下になるように時定数を選択したこ
   とを特徴とするフォトカプラ回路。