JPS632422A - ソリツドステ−トリレ− - Google Patents

ソリツドステ−トリレ−

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JPS632422A
JPS632422A JP61145697A JP14569786A JPS632422A JP S632422 A JPS632422 A JP S632422A JP 61145697 A JP61145697 A JP 61145697A JP 14569786 A JP14569786 A JP 14569786A JP S632422 A JPS632422 A JP S632422A
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electrode
gate
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photovoltaic element
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Kenji Ogawa
小川 憲治
Tetsuo Yoshino
吉野 哲夫
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はソリッドステートリレーに関するものであり、
更に詳述するならば、光カップラー形式のソリッドステ
ートリレーに関するものである。
従来の技術 従来、この種のエンハンスメント形MO3FETを用い
たソリッドステートリレーの基本的な構成を第11図に
示す。第11図に示すように、入力端子1−1間に印加
された電圧により発光ダイオードを点灯させる。その結
果、この光を受ける直列接続フォトダイオードからなる
光起電力素子の両端に光起電力が発生し、出力素子であ
るMO3FET22のゲート電極23及びバックゲート
電極20に、この光起電力による電圧が印加されること
によりMO3FET22がオンして、出力端子7に接続
された負荷回路を閉じることになる。
なお、抵抗21は、発光ダイオード2が消灯したことに
より、光起電力素子から電圧が発生しなくなった場合、
速やかにMO3FET22のゲート電極23およびバッ
クゲート電極20の間に蓄積した電荷が放電するための
放電径路を形成するものである。これにより、MO3F
ET22は、オフして出力端子7に接続した負荷回路は
、開放されることになる。
以上が最も基本的なこの種のエンハンスメント形MO3
FETを用いたソリッドステートリレーの構成例である
が、通常は実使用に耐えるよう、放電回路を中心に改良
が施されている。
このような実際のソリッドステートリレーの構成例を第
12図に示して、説明する。
上記の場合と同様、入力端子1−1間に印加された電圧
により発光ダイオード2が点灯し、この発生した光によ
り光起電力素子3に起電力が発生する。この起電力によ
る電圧が、逆直列に接続されたエンハンスメント形DO
MO3FET4のゲート電極5及びソース電極6の間に
印加され、0MO3FET4がオンして、ドレイン電極
13−13間に接続された出力端子7に接続して負荷回
路が閉じられる。
一方、ゲート電極5とソース電極6に接続されたテ°イ
プレッション形MO3FET (JFETでも同じであ
る)26は、同様に発光ダイオード2が発する光を受け
る光起電力素子25から発生する光起電力による電圧が
ゲート27に印加されるため、オフ状態となる。
従って、出力用のエンハンスメント形DMOSFET4
のゲート電極5およびソース電極6間のインピーダンス
が非常に高くなり、光起電力素子3で発生した電圧が、
そのまま損失を生じないで印加される。それ故、第11
図の基本回路の場合の様に抵抗21が接続されている場
合に比べて、出力用のエンハンスメント形D M OS
 F E T 4−b<オンするのに要する時間が短縮
される。
−方、入力端子1に印加される電圧が無くなり、発光ダ
イオード2が消灯した場合、光起電力素子3及び25が
発生する電圧は無くなる。この時、光起電力素子25の
端子間に接続された抵抗24によりデイプレッション形
MO3FET26のゲート部分の電荷が放電され、デイ
プ57シヨン形MO3FET26がオンする。これによ
り、出力用のD M 03FET4のゲート5の部分の
電荷が放電され0MO3FET4がオフし、負荷回路が
開かれる。
デイプレッション型MO3FET26のオン抵抗は第1
1図の基本回路の放電用抵抗21に比べ大幅に小さいた
め、0MO3FET4がオフするのに要する時間も短縮
される。
第13図に、従来のソリッドステートリレーで放電回路
にJFETを用した場合のオフ時の波形を示す。JFE
Tについては、前にも述べた様にデイプレッション形M
O3FETと同じと考えられるため、回路特性も同様で
ある。オフ時間は600μ秒程度である。
発明が解決しようとする問題点 以上述べてきたように、この種のソリッドステートリレ
ーは、ある程度の改良がなされることにより実用化され
てきているが、以下に述べる様なさまざまの欠点を有し
ている。
まず、第12図の構成例において放電用の素子として、
デイプレッション形MO3FETを用いているが、この
動作を検討すると次の様な問題点が存在する。
まず入力端子に電圧が印加されていない状態では光起電
力素子25に電圧が発生しないためデイプレッション形
MO3FET26はオンしている。この状態で入力端子
1−1開に電圧が印加されると、光起電力素子3及び2
5に起電力が発生するが、デイプレッション形MO3F
ET26がオン状態のため、光起電力素子3の電圧は、
迅速に立ち上がることができない。
光起電力25は、抵抗24に電流を流しながら、デイプ
レッション形MO3FET26のゲート27に電荷を蓄
積する。デイプレッション形MO3FET26のゲート
27は見かけ上コンデンサとなるため、光起電力素子2
5は電荷をゲート27に蓄積しながら、ゲートのコンデ
ンサー容量と光起電力素子25の内部抵抗及び抵抗24
で決まる時定数により電圧を上昇させる。従って、起電
力素子25の電圧がデイプレッション形MO3FET2
6のスレッシュホールド電圧を越えて、デイプレッショ
ン形M OS F ET26がオフするまで、必ず遅延
が生ずる。
また、出力用DMOSFET4がオフする際にも同様に
、デイプレッション形MO3FET26+17)ゲート
部分に蓄積された電荷が抵抗24を通じて放電され、ス
レッシュホールド電圧以下にならなければデイプレッシ
ョン形MO3FET26がオンしないため、やはり遅延
が生ずる。
このように第12図の構成例では、本質的に動作の遅延
を生ずる要因が存在するため高速化には限界がある。
また、抵抗24は、上記のように出力用DMOSFET
4のオン時間を早くするためには高抵抗であることが望
ましく、逆に、オフ時間を早くするためには低抵抗であ
ることが必要となり、矛盾した要求が存在する。このた
め、結局、中間的な抵抗値となるため、動作遅延の要因
を取り除くことができない。
以上の問題点の他に、第12図の構成では、デイプレッ
ション形MO3FETを駆動するためにだけ光起電力素
子25を必要とし、出力用DMOSFET4の駆動のた
めには直接は役立たない。このため第12図の構成に比
べ光起電力素子が余分に必要となり、コスト高の要因と
なる。
問題点を解決するための手段 本発明は、上記問題点を解決するため、出力用DMOS
FETのゲート電荷の放電回路にサイリスタを用い、更
に、そのサイリスタの駆動にダイオードあるいはフォト
トランジスタを設ける。
実施例 以下、添付図面を参照して、本発明によるソリッドステ
ー) IJシレー実施例を説明する。
第1図は、本発明の第1の実施例を示す回路図である。
入力端子1−1間に印加された電圧により、発光ダイオ
ード2が点灯し、この発生した光により光起電力素子3
に起電力が発生する。そして、サイリスタ8の両端が、
それぞれダイオード11及び12を介して光起電力素子
3の両端に接続されている。更に、光起電力素子3のア
ノードとダイオード11のアノードとの接続点に、サイ
リスタ8のN極ゲートが接続され、光起電力素子3のカ
ソードとダイオード12のカソードとの接続点に、サイ
リスタ8のP極ゲートが接続されている。
そして、サイリスタ8のアノードとカソードとが、それ
ぞれ、玉ンハンスメント形DOMO3FET4のゲート
電極5及びソース電極6に接続され、DMOSFET4
がオンして、ドレイン電極13−13間に接続された出
力端子7に接続して負荷回路が閉じられる。
以上のソリッドステートリレー回路において、第12図
の場合のデイプレッション形MO3FET26の代わり
に、サイリスタ8を用いているため、最初に点灯した状
態においてもサイリスタはオフ状態であり、抵抗値が極
めて高いため、光起電力素子3で発生した起電力による
電荷はダイオード11.12を通って出力用DMOSF
ET4のゲート5にただちに印加される。
このように、光起電力素子3からの電流がダイオード1
1.12のアノード側からカソード側にながれるため、
サイリスタ8のN極ゲート、P極ゲート10のいずれも
強く逆にバイアスされる。従って、外部からのノイズ等
にたいしても、十分安定しており、誤動作してサイリス
タ8がオンすることはない。
次に、入力端子1に印加されていた電圧が無くなり、発
光ダイオードが消灯した場合、光起電力3の発生電圧は
なくなるが、ダイオード11.12およびサイリスタ8
により出力用エンハンスメントDMOSFET4のゲー
ト電圧は、そのまま保たれている。この状態で光起電力
素子では自己放電により電圧が低下する。この電圧低下
により、まずダイオード11.12がオフ状態になる。
このためサイリスタ8のN極ゲート、P極ゲートのイン
ピーダンスがきわめて高くなり、極く僅かの電流でサイ
リスタ8がオンするようになる。更に、電圧が低下する
とN極ゲートあるいはP極ゲートが順方向にバイアスさ
れる。ゲートの感度がきわめて高いため、光起電力素子
のわずかな自己放電電流でも容易にサイリスタ8はオン
する。
サイリスタ8は自己保持特性を持つため、−度オンする
と、アノード、カソード間の電位が1v程度に下がるま
でオン状態を保つ。このため、出力用エンハンスメント
DMOSFET4のゲート5に蓄積された電荷は、サイ
リスタ8を通って速やか放電されD!08FET4はオ
フする。
実際の放電特性について調べると以下の様になる。まず
光起電力素子の放電特性の例として、第2図に光起電力
素子の一定の入射光に対する出力電流対出力電圧特性を
示し、また第3図に電圧に対する導通電流特性を示す。
第2図及び第3図から、最大9.67 Vに達していた
光起電力素子が、自己放電により約8V程度(ダイオー
ドオンN電圧の2倍と、サイリスタのゲートを順方向に
バイアスする電圧を足したものを9.67 Vから引い
た値)まで下がる時間を求めると第3図より、この間に
導電電流は約4.4μAから約0.25μAまで対数的
に減少し、−方、容量は約3pFであるので、約7.7
μ秒で8V程度まで減少する。
第1の実施例の実際のオフ時の動作波形を第4図に示す
。ここでは人力がオフしてから約160 μ秒で出力が
オフしている。このオフ時間には前に述べた、光起電力
素子3の自己放電時間以外にサイリスタ8のオン時間、
出力用エンハンスメントDMOSFET4のゲート放電
時間及びオフ時間等がふくまれており、光起電力素子の
自己放電時間に比べ、大幅に遅くなっているが、それで
も第13図に示した従来までの放電回路によるオフ時間
に比べると、約4倍程度高速化されているのが判る。
第5図は本発明の第2の実施例を示す回路図である。第
1の実施例から、N極ゲートに接続されていたダイオー
ドを除き、サイリスタのアノードと光起電力のアノード
とを直接接続し、N極ゲートは高インピーダンスの状態
にした。従って、第2の実施例では、人力の有無により
第一の実施例と同様に、サイリスタのP極ゲートが、逆
バイアスと高インピーダンスの状態との間を変化し、サ
イリスタをオン、オフさせる。−方、N極ゲートが常時
高インピーダンス状態にあるため、第1の実施例に比べ
ればノイズに弱くなるが、その代わり、ダイオードのオ
ン電圧による電圧ロスは無くなる。
第6図は、本発明の第3の実施例を示す回路図である。
第1の*絶倒から、P極ゲートに接続されていたダイオ
ードを除き、サイリスタのカソードと、光起電力素子の
カソードを直接接続し、P極ゲートは高インピーダンス
の状態にしたものである。動作原理、回路の特徴等は、
P極ゲートがN極ゲートに変わっただけで第2の実施例
と同様である。
第7図は、本発明の第4の実施例を示すものである。第
1の実施例でのダイオード11.12をNPNフォトト
ランジスタ15.16に置き変えたものである。ダイオ
ードのアノードをフォトトランジスタのコレクターに、
またカソードを、エミッタに置き変えて接続しである。
フォトダイオードのべ−スには、光起電力素子3と同様
に、発光ダイオード2の光が照射するようにする。
この回路では、フォトトランジスタ15.16が発光ダ
イオード2の光によりオンする。この回路の特徴は、フ
ォトトランジスタのオン電圧が、ダイオードよりかなり
低く、はぼ短路状態になる点である。このため、第一の
実施例に比べ、Nゲート、Pゲートの逆バイアスが弱く
、ノイズには若干弱くなる。その代り、オン電圧が低い
ため、オン電圧によるロスは低減できる。
オフ時には、第1の実施例と同様に、フォトトランジス
タがオフすることにより、Nゲート及びPゲートが高イ
ンピーダンスになり、サイリスタがオンする。その際、
フォトトランジスタがオフするまでに、ベースのキャリ
アの消滅時間がはいるため、オフ時間は、若干のびる傾
向にある。なおフォトトランジスタはPNP形を用いて
も逆に接続すれば同様である。
第8図は、本発明の第5の実施例を示すものであり、第
4の実施例において、N極ゲートに接続されていたフォ
トトランジスタを除き、サイリスタのアノードと光起電
素子のアノードとを直接接続し、N極ゲートは高インピ
ーダンスの状態にしたものである。第4の実施例と同様
に、P極ゲートのフォトトランジスタが発光ダイオード
の光の有無により、オン、オフすることによりサイリス
タがオフ、オンすることになる。第4の実施例に比ベフ
ォトトランジスタがへるため、その分チップ面積が減少
するがノイズにはさらに弱くなる。
第9図は、本発明の第6の実施例を示すものである。第
4の実施例からP極ゲートに接続されていたフォトトラ
ンジスタを除き、サイリスタのカソードと光起電力素子
のカソードを直接接続し、P極ゲートは、高インピーダ
ンスの状態にしたものである。動作原理、回路の特徴等
は、P極ゲートがN極ゲートに変わっただけで、第4の
実施例と同様である。
次に、本回路の回路を集積化した場合の実施例を図面を
参照して説明する。第10図は、本発明の第1の実施例
の回路を集積化した場合の一部の回路の断面を示す断面
図である。光起電力素子3、サイリスタ8、ダイオード
IL 12は、それぞれ二酸化シリコン層18により多
結晶シリコン基板19から絶縁分離して形成された単結
晶領域17に形成されている。各単結晶領域17は、二
酸化シリコン層18により多結晶シリコン基板19から
絶縁分離さているので、光起電力素子で発生する電荷が
基板19にリークすることなく有効に作用する。
出力用エンハンスメントDMOSFETについては、負
荷の種類が多い時は別構成にできる。このように構成し
た場合、集積回路を構成する素子がすべてバイポーラプ
ロセスで製造可能となるため、製造上有利である。
また、単結晶領域が化合物半導体の場合、発光ダイオー
ドを含む全回路素子を上記と同様の構成で集積化可能で
ある。基板については、多結晶シリコン以外にアルミナ
、サファイア、ガラス等の基板を用いても同様である。
なお、上記の実施例においては、出力用素子はすべてエ
ンハンスメント形DMOSFETの場合についてのみ説
明を行なったが、同様な動作を行なう池のJFET及び
MOSFET等についても同様な効果が得られることは
言うまでもない。また、デイプレッション形のFETに
ついても、ゲートとソースに印加する電圧を逆転させる
だけで、ノーマルクローズ形のソリッドステートリレー
を容易に構成できる。
発明の詳細 な説明したように、本発明によるソリッドステートリレ
ーは、サイリスタと、ダイオードあるいはフォトトラン
ジスタと、光起電力素子とを組合せることにより、高速
で動作し、かつ低価格で実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のソリッドステートの回路の、第1の
実施例を示す回路図である。 第2図は、本発明のソリッドステートリレーの第1の実
施例における光起電力素子の発生電圧と出力電流の特性
を示す特性図である。 第3図は、本発明のソリッドステートリレーの第1の実
施例における光起電力素子に外部から電圧を印加した(
但し光起電力素子には光は当っていない)場合の、印加
電圧と導電電流の特性を示す特性図である。 第4図は、本発明のソリッドステートリレーの第1の実
施例におけるオフ時の波形を示す図である。 第5図は、本発明のソリッドステートリレーの第2の実
施例を示す回路図である。 第6図は、本発明のソリッドステートリレーの第3の実
施例を示す回路図である。 第7図は、本発明のソリッドステートリレーの第4の実
施例を示す回路図である。 第8図は、本発明のソリッドステートリレーの第5の実
施例を示す回路図である。 第9図は、本発明のソリッドステートリレーの第6の実
施例を示す回路図である。 第10図は、本発明のソリッドステートリレーの第1の
実施例の回路を集積化した場合の集積回路の一部の断面
を示す断面図である。 第11図は、従来のソリッドステートリレーの基本的な
回路を示す回路図である。 第12図は、従来の回路によるソリッドステートリレー
を示す回路図である。 第13図は、第12図で示した従来のソリッドステート
リレーの○tF時の波形を示す図である。 (主な参照番号) 1・・入力端子  2・・発光ダイオード3・・光起電
力素子 4・・エンハンスメント形DMOSFET5・・エンハ
ンスメント形DMOSFETのゲート 6・・エンハンスメントffiDMOSFETのソース 7・・出力端子   8・・サイリスタ9・・サイリス
タのN極ゲート 10・・サイリスタのP極ゲート 11.12・ ・ダイオード、 13・・エンハンスメント形DMOSFETのドレイン 15.16・・フォトトランジスタ 17・・単結晶層  18・・二酸化シリコン層19・
・多結晶シリコン層 20・・MOSFETのバックゲート 21・・抵抗 22・・エンハンスメントIMO3FET23・・エン
ハンスメント形MO3FETのゲート

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体発光素子と、該発光素子からの光により起
    電力を発生する光起電力素子と、該光起電力素子から発
    生する電圧がゲートに印加されることによって導通状態
    になる電界効界形トランジスタとを具備し、電界効界形
    トランジスタが、スイッチング素子として、負荷回路の
    開閉を行なうソリッドステッドリレーにおいて、該電界
    効界形トランジスタのゲート電極にアノード電極が接続
    され、またバックゲート電極にカソード電極が接続され
    たサイリスタを有し、且つ、該サイリスタのN極ゲート
    が、該光起電力素子のアノード電極に接続され、または
    、該サイリスタのP極ゲートが該光起電力素子のカソー
    ド電極に接続されていることを特徴とするソリッドステ
    ートリレー。
  2. (2)前記光起電力素子はフォトダイオードの従続接続
    より成ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    ソリッドステートリレー。
  3. (3)前記サイリスタのN極ゲートが、該光起電力素子
    のアノード電極に接続され、かつ該サイリスタのP極ゲ
    ートが該光起電力素子のカソード電極に接続され、かつ
    該サイリスタのN極ゲートにアノード電極が接続され、
    かつ該サイリスタのアノード電極にカノード電極が接続
    された第1のダイオードと、該サイリスタのP極ゲート
    にカソード電極が接続され、かつ該サイリスタのカソー
    ド電極がアノード電極が接続された第2のダイオードと
    を有することを特徴とする特許請求の範囲第1項または
    第2項記載のソリッドステートリレー。
  4. (4)前記サイリスタのN極ゲートが、該光起電力素子
    のアノード電極に接続され、かつ該サイリスタのN極ゲ
    ートにアノード電極が接続され、かつ該サイリスタのア
    ノード電極にカノード電極が接続されたダイオード有す
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項
    記載のソリッドステートリレー。
  5. (5)前記サイリスタのP極ゲートが該光起電力素子の
    カソード電極に接続され、かつ該サイリスタのP極ゲー
    トにカソード電極が接続され、かつ該サイリスタのカソ
    ード電極にアノード電極が接続されたダイオードとを有
    することを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2
    項記載のソリッドステートリレー。
  6. (6)前記サイリスタのN極ゲートが、該光起電力素子
    のアノード電極に接続され、かつ該サイリスタのP極ゲ
    ートが該光起電力素子のカソード電極に接続され、かつ
    該サイリスタのN極ゲートにコレクタ電極が接続され、
    かつ該サイリスタのアノード電極にエミッタ電極が接続
    された第1のNPNフォトトランジスタと、該サイリス
    タのP極ゲートにコレクタ電極が接続され、かつ該サイ
    リスタのカソード電極がエミッタ電極が接続された第2
    のNPNフォトトランジスタとを有し、該フォトトラン
    ジスタと該光起電力素子を同一の半導体発光素子で駆動
    することを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2
    項記載のソリッドステートリレー。
  7. (7)前記サイリスタのN極ゲートが、該光起電力素子
    のアノード電極に接続され、かつ該サイリスタのN極ゲ
    ートにコレクタ電極が接続され、かつ該サイリスタのア
    ノード電極にエミッタ電極が接続されたNPNフォトト
    ランジスタを有し、該フォトトランジスタと該光起電力
    素子を同一の半導体発光素子で駆動することを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項または第2項記載のソリッドス
    テートリレー。
  8. (8)前記サイリスタのP極ゲートが該光起電力素子の
    カソード電極に接続され、かつ該サイリスタのP極ゲー
    トにコレクタ電極が接続され、かつ該サイリスタのカソ
    ード電極がエミッタ電極が接続されたNPNフォトトラ
    ンジスタを有し、該フォトトランジスタと該光起電力素
    子を同一の半導体発光素子で駆動することを特徴とする
    特許請求の範囲第1項または第2項記載のソリッドステ
    ートリレー。
  9. (9)前記スイッチング素子は、DMOSFETあるい
    はUMOSFETで構成され、バックゲート電極をソー
    ス電極とし、開閉する負荷回路をドレイン電極とソース
    電極に接続したことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    から第8項までのいずれか1項記載のソリッドステート
    リレー。
  10. (10)DMOSFETあるいはUMOSFETを並列
    的に接続し、各々のゲート電極及びソース電極を直接接
    続し、各々のドレイン電極を負荷回路に接続するように
    したことを特徴とする特許請求の範囲第9項記載のソリ
    ッドステートリレー。
  11. (11)スイッチング素子及び半導体発光素子の両方あ
    るいはいずれか一方を除いた残りの全ての素子を1チッ
    プ上に集積したことを特徴とする特許請求の範囲第1項
    から第10項までのいずれか1項記載のソリッドステー
    トリレー。
  12. (12)すべての素子を化合物半導体の1つのチップ上
    に集積したことを特徴とする特許請求の範囲第1項から
    第11項までのいずれか1項記載のソリッドステートリ
    レー。
  13. (13)少なくともサイリスタ及び光起電力素子は、酸
    化物によって囲まれて、基板から島状に分離された複数
    の単結晶領域を有する、多結晶シリコン、アルミナ、サ
    ファイアあるいは池の多結晶化合物半導体基板上に集積
    化されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項か
    ら第12項までのいずれか1項記載のソリッドステート
    リレー。
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