オプトカプラIC：用途と部品選択

投稿日七月 16, 2020
更新日七月 1, 2024

新しい設計者にとって、オプトカプラは電子機器とはあまり関係がないように思えるかもしれませんが、異なる回路ブロック間の絶縁を提供するための重要なデバイスです。オプトカプラICは、単純なスイッチのように機能する光学要素を統合しています。異なる回路に簡単に導入でき、異なる電圧で動作する回路ブロック間の絶縁をうまく提供します。また、絶縁が必要な異なる回路ブロック間のフィードバックループでの使用にも理想的です。一部のオプトカプラは、高データレートでのスイッチングを提供するように設計されています。次の電気または電気光学システムにすぐにインポートできるオプトカプラICのオプションをいくつか紹介します。

オプトカプラとは何か？

非常に単純に、オプトカプラは赤外線LEDとフォトディテクター（通常はフォトトランジスタ）を統合し、光学スイッチのように機能します。LEDが入力信号を受け取ると、LEDが点灯し、フォトトランジスタのベースに光子を供給します。これによりフォトトランジスタがオンになり、接続された回路を通じて電流が流れます。LEDは内部のフォトトランジスタとは異なるレベルで動作している可能性があり、これによりこれら2つの信号レベル間にある程度の絶縁が可能になります。これは、アンプを使用せずに低電圧信号を高電圧回路ブロックに導入する方法の一つです。

オプトカプラのシンボルとフットプリント

これらのコンポーネントは安価な光学要素であるため、異なる回路ブロック間で特定の形態のEMIを伝導せずに電気的絶縁をうまく提供します。これがすべてのノイズ問題に対する万能薬であるとは言いませんが、提供される絶縁は異なる電圧で動作するシステムを隔離し、2つのシステム部分からのグラウンドループノイズを抑制するという良い利点があります。NPNまたはPNPフォトトランジスタはオプトカプラICに見られます。

オプトカプラICのタイプ

オプトカプラは、フォトトランジスタ以外のスイッチング要素を使用する場合があります。電子市場で見つかるオプトカプラICの他のタイプは次のとおりです：

トライアック: トライアックを検出器として使用するオプトカプラICは、高出力電圧/電流が必要なシステムで使用されます。これらは応答速度が遅く、高電流出力が必要な高電圧DCシステムに最適です。
サイリスタ（SCR）: これらのオプトカプラも、トライアックと同様に高いゲインを提供します。しかし、これらもかなり遅く、中程度の高電圧/電流DCシステムに最適です。
フォトダイオード: 検出器としてフォトダイオードを使用するオプトカプラは、高速スイッチングが必要なシステムで一般的です。これらのコンポーネントは、LEDがデジタルパルスの流れまたはAC信号でスイッチされる場合に使用できます。フォトダイオードは、典型的なフォトトランジスタICと比較して非常に低い出力-入力電流転送比を提供します。
ダーリントン対フォトトランジスタ: これらのオプトカプラも高いゲインで有用であり、最も高い出力-入力電流転送比を提供します。
フォトレジスタ: これらはOFF状態でも導電するため、あまり一般的ではありません。また、低い出力-入力電流転送比を持っています。

オプトカプラICの重要な仕様

オプトカプラICを選択する際には、まず取り付けスタイルから検討することになるでしょう。スルーホールDIPパッケージまたは表面実装コンポーネントで利用可能です。しかし、オプトカプラICを選択する際に検討すべきいくつかの重要な仕様があります：

LEDの順方向電圧とトリガ電流。 これは、所望のスイッチング動作を提供するために入力LEDをどのように電源供給する必要があるかを教えてくれます。正方形波またはPWM信号でスイッチされるように設計されたオプトカプラでは、ON状態の信号のパルス幅に依存して、スイッチをトリガするために必要なピーク順方向電流が変わります。短いパルスは、トリガを強制するためにより大きなピーク信号電流を必要とします。
出力-入力電流比。 これは、オプトカプラの各端間の電流転送を教えてくれます。これは、フォトトランジスタオプトカプラの絶対最大コレクタ-エミッタ電圧に依存することに注意してください。
順方向電圧対順方向電流曲線。 この仕様は標準LEDと同じ意味を持ちますが、トリガ電流と混同してはいけません。
温度変動。 これらの仕様は、運用中に高温に達する可能性がある電力システムにとって非常に重要です。
安全性評価とIEC/UL認証。 電力システムやACメイン近くの高電圧環境でデータ転送を設計する場合、高い過渡電圧に耐えることができることを確認するために重要な基準の1つとしてIEC 60747-5-2があります。安全基準に準拠していることを確認するために、安全性および絶縁ガイドラインに従う必要があります。
データレートまたはスイッチ速度。 データネットワークで使用することを意図したコンポーネントは、通常、最大データレートを指定しますが、スイッチング速度や周波数も指定されることがあります。

これらは、DCシステムや低データレートアプリケーションで使用できるオプトカプラICの例です。

ON Semiconductor, FODM611

ON SemiconductorのFODM611オプトカプラICは、最大10Mbpsのデータレート（NRZ、100 ns伝搬遅延）に対応した単一チャネルオプトカプラです。このデバイスは5Vで出力し、高い共通モード過渡ノイズ耐性を提供するため、産業用ネットワーク（CAN、RS485、DeviceNetシステム）や低速自動車システムに最適です。スイッチングは、バッファに接続されたフォトダイオードによってトリガーされます（下記参照）。

機能的回路図と真理値表、FODM611データシートより。

Broadcom, HCPL-7723-300E

BroadcomのHCPL-7723-300Eは、最大50 MBaudのデータレート（最大PWD 2 ns）に対応して設計されています。入力信号がドライバをオンにする統合CMOS LEDドライバを特長としています。検出部はフォトダイオード、高速トランスインピーダンスアンプ、および出力ドライバを備えた電圧コンパレータで構成されています。

機能的回路図と真理値表、HCPL-7723-300Eデータシートより。

Renesas, PS2802-4

RenesasのPS2802-4 4チャネルオプトカプラは、ダーリントンペアフォトトランジスタを使用して、2から20の高い出力入力電流比（定格コレクタエミッタ電圧最大40V）を提供します。このコンポーネントは4つのチャネルを並列に提供し、さまざまな電圧間の絶縁が必要な電力管理システムに役立ちます。このコンポーネントの暗電流は400 nAと非常に低いため、高電力システムでのスイッチングイベント間で無駄になる電力は非常に少ないです。このコンポーネントは単一チャネルバリアント（PS2802-1、下記参照）としても利用可能です。