PCB設計：PCBレイアウトのためのオプトカプラチュートリアル

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電子機器では、組み込みシステムが外部センサーやスイッチからの入力信号を受け取るためにオプトカプラ回路に頼ることがよくあります。ある意味で、それらはマイクロコントローラーのアラーム時計のようなものです。理想的には、すべての信号がマイクロコントローラーに正確に伝達されます。しかし、オプトカプラのシンボルが適切に実装されていない場合、マイクロコントローラーは入力信号を見逃したり、入力がトリガーされていない時に誤って信号を検出したりすることがあります。このPCB設計オプトアイソレータチュートリアルでは、成功するオプトカプラPCBレイアウトの設定方法について話し合います。しかし、まずはこのオプトカプラチュートリアルでオプトカプラ設計ガイドがどのように機能するかを思い出しましょう。

オプトアイソレータチュートリアル：オプトカプラPCBの基本原則

オプトカプラーまたはオプトアイソレーターは、光学インターフェースを介して入力信号を隔離する電子部品です。最も基本的な形態のオプトカプラーは、単一の集積回路内に赤外線LEDとフォトトランジスタを含んでいます。電流が流れると赤外線LEDが点灯し、その強度は電流の振幅に依存します。LEDの光によってフォトトランジスタが活性化され、そのコレクターとエミッター間に短絡が生じます。

赤外線LEDとフォトトランジスタは、ガラスまたは空気によってしばしば分離されています。これにより、オプトカプラーのPCBレイアウトを通じて<10kVの電気的絶縁が実現されます。その結果、オプトカプラー回路は、入力信号の環境から発生する電気的干渉から埋め込みシステムを隔離するのに理想的な選択肢となります。

電気的ノイズから埋め込みシステムを保護するだけでなく、オプトカプラーは低電圧と高電圧システムを分離するためにも使用されます。例えば、フォトトライアックは、オプトカプラーの変形であり、高AC電圧デバイスを制御するために使用できます。例えば、ACモーターです。これにより、マイクロコントローラーとその付随するコンポーネントに損傷を与える可能性のある回路の故障のリスクが排除されます。

PCBオプトアイソレーターチュートリアル：オプトカプラーでの間違い

オプトカプラーは、ほとんどの設計者が遭遇する単純な受動部品です。オプトカプラーPCBを動作させることはロケット科学ではありませんが、使用する目的を損なうか、不安定な入力信号を引き起こす設計ミスがいくつかあります。

1. オプトカプラーPCBのグラウンド接続を分離しない。

基本的なオプトカプラーPCBレイアウトでは、集積回路（IC）には2つのグラウンドピンがあります。一方は赤外線LEDに、もう一方はフォトトランジスタに接続されています。PCBをルーティングする際に両方のグラウンドを一緒に接続することは間違いです。私のエンジニアリング経験では、機械で使用される電子コントローラーでもこれを見かけました。

オプトカプラーを使用する主な理由は、二つの回路を安全に分離することです。外部グラウンドがPCBに接続されると、回路のグラウンドノイズが直接敏感なオンボード回路に結合する可能性があります。代わりに、外部グラウンドピン用の別の信号接続を作成し、入力グラウンドワイヤー用に専用のコネクタを割り当ててください。

2. 電流制限抵抗の値を間違える

適切な出力電圧を適用するだけでなく、オプトカプラーの赤外線LEDには適切な電流が必要です。最小前方電流出力の値は、該当するオプトカプラーの電流伝達比チャートから参照できます。電流制限抵抗がオプトカプラーの最小値で動作する場合、フォトトランジスタは不規則に動作する可能性があります。例えば、スイッチからの10の有効な入力のうち、一部しか検出されない場合があります。

一方、制限抵抗の値を低すぎに設定してはいけません。これは、赤外線LEDが故障するのを防ぐためです。通常のLEDと同様に、赤外線LEDには超えてはならない最大前方電流があります。これにより、適切な電流制限抵抗を選択することが、信頼性の高いオプトカプラーPCBの動作を保証するための重要なステップとなります。

3. 間違ったオプトカプラーを選択する

一般的に見えるかもしれませんが、すべてのオプトカプラーが同じように作られているわけではありません。例えば、オプトトライアックはAC負荷を制御するために使用され、オプトダーリントンは入力電流が少量しか生成されない状況に理想的です。別の考慮事項は、コレクター-エミッターのブレークダウン出力電圧であり、これはオプトカプラーの異なるモデルによって異なる場合があります。

通常の入力アイソレータとしてオプトカプラ設計ガイドを使用している場合、PC817のようなモデルで十分です。また、汎用オプトカプラ電子部品をPCB設計ソフトウェアで使用することで、フットプリントの作成にかかる時間も節約できます。高品質な製造可能な回路基板を構築するために必要なすべてを含む使いやすいPCBレイアウトツールにアクセスしたい場合は、CircuitMakerをお探しのところです。使いやすいPCB設計ソフトウェアに加えて、すべてのCircuitMakerユーザーはAltium 365プラットフォーム上に個人のワークスペースへのアクセス権を持っています。設計データをクラウドにアップロードして保存し、安全なプラットフォームでウェブブラウザを通じてプロジェクトを簡単に閲覧できます。

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