专利名称：功率控制光电耦合器及使用该光电耦合器的电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制AC(交变电流)的光电耦合器，以及使用这种光电耦合器的电子设备。
背景技术：
图7是表示控制负载的传统设备示例的电路图。
图7所示的电路是由使用AC电流源和功率控制元件所构成的传统负载控制设备的示例。在此将采用一个其中使用了固态继电器的例子，来描述这种负载控制设备。应该注意到，固态继电器是指一种非接触半导体继电器，其采用如门控双向三极晶闸管或反向阻断三极晶闸管的功率半导体器件，其特征在于一旦继电器导通，则将维持导通状态，直到流过开关部分的电流变为0，即使不再施加控制导通/截止的控制信号。
图7所示的固态继电器110由将电信号转换为光的光发射元件111(主要是镓-砷LED(发光二极管)或者镓-铝-砷LED)、将光转换为电信号的光接收元件112(主要是当光照到门极上时导电的光门控制类型的双向三极晶闸管)、以及功率控制元件113(主要是门控型双向三极晶闸管)所组成。当由于流经光发射元件111和与光发射元件111串联的电流控制电阻器120的控制电流I而使光发射元件111发光时，光接收元件112导通电流；触发电流流经功率控制元件113的门极；并且功率控制元件113接通。从而电流流经负载130并激活负载130。
由于交变电流140流过输出侧，不久电流达到0A，但是，如果这时没有输入信号，那么，由于流过晶闸管部分(光接收元件112和功率控制元件113)的电流为0A，所以，光接收元件112和功率控制元件113截止。
因此由于光输入信号使得交变电流导通和截止。
并且，随着近年来各种器件在节能方面的发展，注意力也被转向由负载消耗的电能上，因而对以低功耗实现交流负载的负载控制呈现增长的需要。例如，JP 2001-111398A(下面称为专利参考文献1)提出了半导体双路开关的尖峰电压抑制电路，其通过在晶体管被反向串联或并联的半导体双路开关的晶体管的门极和集电极之间，连接齐纳二极管和反向串联的二极管电路，就可以抑制在半导体双路开关中两个方向上产生的尖峰电压。
但是，在利用传统固态继电器的负载控制中，虽然交变电流可能被导通和截止，但是交变电流本身不能被控制。
由于在专利参考1中公开的半导体双路开关的尖峰电压控制电路用作传统负载控制设备的另一例子，提出了由双路开关构成的电路。但是，由于依赖于负载条件，难以实现精密的驱动控制，并且输入信号常常是从小信号电路例如微处理器提供的，所以通过将直流小信号电路和交流大信号电路分开，防止由于负载的开关噪声等产生的故障已经很有必要了。因此，需要用光隔离。
发明内容
本发明的实现考虑到上述事实，因此，其一个目的是提供负载信号的精密驱动控制，能降低功耗的功率控制光电耦合器，以及使用功率控制光电耦合器的电子设备。
为了解决上述问题，本发明的功率控制光电耦合器是根据来自连接到初级侧的微计算机的信号，来控制连接到次级侧的交流负载的功率控制光电耦合器，其特征在于提供了光电耦合部分，其用于将来自初级侧的输入信号输出到次级侧，以及控制部分，用于根据来自光电耦合部分的输出来控制交流负载。
利用这种结构，就可能降低当控制交流输出时消耗的电流。
在本发明中，利用这样的功率控制光电耦合器，控制部分可以包括由IGBT(绝缘栅双极晶体管)和二极管的组合组成的双路开关。
控制部分也可以使用FET(场效应晶体管)来代替IGBT。
在上述控制部分的任何结构中，可以更加精密地控制负载信号的驱动。
另外，控制部分的二极管还可以由FRD(快速恢复二极管)组成。
频率调制电路可以提供作为光电耦合器部分的初级侧前置电路。在这种结构中，可以按照希望容易地进行由于应用和负载容量的改变而发生的频率改变。
次级侧频率信号可被反馈到频率调制电路。在这种情况下，可以更加精密地控制负载所耗的功率。
另外，在频率调制电路中可以提供振荡电路以根据反馈的次级侧频率信号来产生PWM(脉冲宽度调制)波形。在这种结构中，甚至可以更加精密地控制负载所耗的功率。
依据本发明的电子设备，由于当控制交变电流输出时，可以减小功率控制光电耦合器中消耗的电流，结果，有可能降低电子设备消耗的电流。
应该注意到，上述功率控制光学元件以及电子设备可以实际用于这样的电子设备中，如以电磁阀和风扇作为负载的冰箱、空调器和自动售货机中的电子设备中。
图1是表示本发明的功率控制光电耦合器的实施例1的电路图。
图2是表示从图1的交流电源输出的交变电流的双路开关部分中的电流路径的示意图。
图3是表示图1的交流电源的输出电流波形的示意图。
图4是表示本发明的功率控制光电耦合器的实施例2的电路图。
图5是表示在图4所示的功率控制光电耦合器中使用的电流波形示例的示意图。
图6是表示构成本发明的功率控制光电耦合器的双路开关部分的另一个例子的电路图。
图7是表示传统的负载控制设备的一个例子的电路图。
具体实施例方式
以下将参考附图对本发明的实施例进行说明。
实施例1图1是表示本发明的功率控制光电耦合器的实施例1的电路图。
本发明的功率控制光电耦合器10是由具有发光二极管11、具有推挽式电路的IGBT门控制部分20以及用于交变电流控制的双路开关电路30的光电耦合器部分组成的。
IGBT门控制部分20由接收从发光二极管11输出的光的光接收元件21、连接到光接收元件21的放大器(AMP)26、连接到AMP 26的接口25以及连接到接口25的推挽式电路组成。该推挽式电路由两个晶体管(第一Tr 22和第二Tr 23)和电阻器(RG 24)组成。另外，其集电极连接到控制电源部分的第一Tr 22的发射极与其集电极连接到地电位的第二Tr 23的发射极连接，并且RG 24的一个端子连接到该组发射极的连接点。另外，接口25的一个端子连接到第一Tr 22和第二Tr 23的基极，而其另一个端子连接到控制部分电源。
双路开关部分30由其发射极相互连接的两个晶体管(第一IGBT 31和第二IGBT 32)，以及其阳极相互连接的两个二极管(第一FRD 33和第二FRD34)组成，其中RG 24的另一端连接到第一IGBT 31和第二IGBT 32的门极端。第一IGBT 31的集电极连接到第一FRD 33的阴极，并且第二IGBT 32的集电极连接到第二FRD 34的阴极。第一IGBT 31和第二IGBT 32的发射极相连的连接点通过一条信号线连接到第一FRD 33和第二FRD 34的阳极相连的连接点，并且，IGBT门控制部分20的第二Tr 23的集电极连接到第一IGBT 31和第二IGBT 32的发射极的连接点上。而且，负载41和交流电源42连接在第一IGBT 31的集电极和第一FRD 33的阴极的连接点，与第二IGBT 32的集电极和FRD 34的阴极的连接点之间。也就是说，在本实施例1中，与IGBT具有相同电压阻抗和响应速度的FRD(快速恢复二极管)被用作双路开关部分30中的两个二极管。
由于电路以这种方式构成，假定由发光二极管11接收的信号处于高电平，那么，第一Tr 22导通，而第二Tr 23截止，电荷被提供给第一IGBT 31和第二IGBT 32的门极，并且，第一IGBT 31和第二IGBT 32都导通。另一方面，如果输入到发光二极管11的信号处于低电平，那么，第一Tr 22截止，而第二Tr 23导通，停止向第一IGBT 31的门极和第二IGBT 32的门极提供电荷，第一IGBT 31和第二IGBT 32都截止。
接下来将参考
功率控制光电耦合器10的导通/截止动作。
图2是表示在双路开关部分30中从交流电源42输出的交变电流的电流路径示意图，图3是表示交流电源42的输出电流波形的示意图。
由于交流电源42连接到本实施例的功率控制光电耦合器10的输出侧，如图2所示，当第一IBGT 31和第二IGBT 32两个都导通时(也就是说当输入到发光二极管11的信号为高电平时)，在由图3中的A指示的交流电源42的输出部分中，电流A从双路开关部分30的一个端子30a，经由第一IGBT31和第二FRD 34流到另一个端子30b，在由图3中的B指示的交流电源42的输出部分中，电流B从另一个端子30b，经由第二IGBT 32和第一FRD 33流到一个端子30a。结果，就可能驱动负载41。另一个方面，当第一IBGT 31和第二IGBT 32两个都截止时(也就是说当输入到发光二极管11的信号为低电平时)，功率控制光电耦合器10截止，并且电流不流过负载41。也就是说，通过在高和低电平之间切换到发光二极管11的输入信号，交变电流可以被导通/截止。因此，在将控制信号发送给发光二极管11之前，通过将来自微计算机44的控制信号调制成特定频率的脉冲信号，就可能控制输出侧的损耗功率，其中微机算机44经由电阻器43连接到发光二极管11。更具体地说，通过将输入信号以比输出侧交变电流频率(50Hz或60Hz)更高的频率(从几百赫兹到几千赫兹)发送给发光二极管11，以高速切换第一IGBT 31和第二IGBT 32的导通/截止，则可以通过重复地导通/截止输出侧的交变电流，来降低总的功耗。
利用本实施例1的功率控制光电耦合器10，由于在输入和输出之间的空间是电绝缘的，并且可以直接连接来自微计算机的信号，就可以可靠地控制功耗，而不会受到例如在输出侧上波动的电势所引起的噪声的影响。进一步，可以按希望容易地实现由于应用和负载容量的改变而导致频率的改变。
实施例2图4是表示本发明的功率控制光电耦合器10的实施例2的电路图。
本发明实施例2的功率控制光电耦合器10还具有反馈部分，用于检测输出交变电流的频率，并将其反馈给功率控制光电耦合器，以及具有频率调制电路，用于根据反馈频率产生脉冲宽度调制波形，将其加到上述实施例1所示的功率控制光电耦合器上。
也就是说，除了在发光二极管11和电阻器43之间提供频率调制电路12外，还在频率调制电路12的直流电源线L2以及连接到双路开关部分30的两个输出端子的交流电源线L1之间，提供光电耦合器13和检测交变电流的频率的频率检测电路14。由于连接功率控制光电耦合器10的输出和输入侧的交流电源线L1和直流电源线L2是通过光电耦合器13非接触连接的，所以功率控制光电耦合器10受噪声等影响较少，其工作是可靠的。
利用本实施例2的功率控制光电耦合器10，根据反馈频率，就可能通过调制从频率调制电路12中提供的振荡电路12a的输出(例如三角波等)，产生一个与输出侧交变电流的频率相对应的PWM控制波形，并利用该波形控制发光二极管11，从而可以更精密地控制负载41所消耗的能量。
图5是表示在图4所示的功率控制光电耦合器10中使用的电流波形示例的示意图。图5中的实线波形表示从振荡电路12a输出的锯齿波形，虚线波形表示从直流电源线L2输出到频率调制电路12的电流(输出电流)，而带有粗实线的脉冲波形表示PWM控制波形。
更进一步，通过调节PWM控制波形的频率和占空比，可以控制工作负载的额度，并且利用带有负载的电子设备的其它参数，就可控制工作负载。
下面说明双路开关部分的另一个示例。
图6是表示构成本发明功率控制光电耦合器的双路开关部分的另一个示例的电路图。
上述对实施例1和实施例2做了说明，其中IGBT被看作构成双路开关部分的晶体管，但是，根据电压和电流，使用FET(第一FET 35和第二FET36)替代IGBT，可以达到同样的效果。
使用上述结构的功率控制光电耦合器10，就可降低当控制交流输出时消耗的电流，并且通过提供微计算机控制，可以实现更精密的控制。
另外，通过向电子设备中安装具有上述结构的功率控制光电耦合器10，利用功率控制光电耦合器就可以降低当控制交流电源输出时消耗的电流，结果，可以降低电子设备消耗的电流。
不脱离本发明的精神和实质特点，可以以其它不同形式具体化并实现本发明。因此，上述实施例被认为是在各个方面的示例说明，而非限制说明。本发明的范围由附加的权利要求书表示，而不是由上述说明书界定。在附加权利要求书等同范围内的各种变化和修改被认为是包含在本发明中的。
权利要求
1.一种功率控制光电耦合器，用于根据来自连接到初级侧的微计算机的信号来控制连接到次级侧的交流负载，所述功率控制光电耦合器包括光电耦合部分，用于从初级侧向次级侧输出一个输入信号，以及控制部分，根据所述光电耦合器部分的输出来控制所述交流负载。
2.依据权利要求1所述的功率控制光电耦合器，其中，所述控制部分包括由绝缘栅双极晶体管和二极管的组合组成的双路开关部分。
3.依据权利要求1所述的功率控制光电耦合器，其中，所述控制部分包括由场效应晶体管和二极管的组合组成的双路开关部分。
4.依据权利要求2或3所述的功率控制光电耦合器，其中，所述二极管是高速整流二极管。
5.依据权利要求1所述的功率控制光电耦合器，其中，在所述光电耦合器的初级侧提供作为前置电路的频率调制电路。
6.依据权利要求2所述的功率控制光电耦合器，其中，在所述光电耦合器的初级侧提供作为前置电路的频率调制电路。
7.依据权利要求3所述的功率控制光电耦合器，其中，在所述光电耦合器的初级侧提供作为前置电路的频率调制电路。
8.依据权利要求4所述的功率控制光电耦合器，其中，在所述光电耦合器的初级侧提供作为前置电路的频率调制电路。
9.依据权利要求5到8中任意一项所述的功率控制光电耦合器，其中，在所述次级侧的频率信号被反馈到所述频率调制电路。
10.依据权利要求9所述的功率控制光电耦合器，还包括在所述频率调制电路中的振荡电路；其中，根据反馈的所述次级侧频率信号产生脉冲宽度调制波形。
11.一种电子设备，其中，使用依据权利要求1到10中任意一项所述的功率控制光电耦合器。
全文摘要
本发明具有一种连接到微计算机侧的发光二极管11，具有光接收元件21和推挽式电路的IGBT门控制部分20，以及控制交变电流的双路开关部分30。双路开关部分30包括第一IGBT 31和第二IGBT 32，它们的发射极相互连接，并且它们的门极连接到推挽式电路的输出，以及第一FRD 33和第二FRD 34，它们的阳极相互连接。第一IGBT 31的集电极连接到第一FRD 33的阴极，而第二IGBT 32的集电极连接到第二FRD 34的阴极。在输出侧的交变电流的导通/截止控制是通过连接第一IGBT 31和第二IGBT 32的发射极的连接点与第一FRD 33和第二FRD 34的阳极连接点之间的信号线来控制的。
文档编号H03K17/16GK1725640SQ20051008479
公开日2006年1月25日 申请日期2005年7月21日 优先权日2004年7月21日
发明者长谷川也寸志 申请人:夏普株式会社