フォトカプラとは

← 07THEME 08 デバイスと回路09 →

フォトカプラとは、入力側の発光素子と出力側の受光素子を1つのパッケージに向かい合わせて封じ、電気信号をいったん光に変えて渡すことで、入力と出力を電気的に絶縁したまま信号を伝える半導体部品です。光を仲立ちにするので、たがいに絶縁された2つの回路のあいだでも電気の信号をやり取りできます。

そのかわり、出力へ届く電流は入力より小さくなります。その比率は使ううちに下がり、フォトカプラの寿命もこの低下で決まります。

赤外LEDとフォトトランジスタを、外の光を遮って1つの樹脂に封じる

フォトカプラは、オプトカプラ、フォトアイソレータとも呼ばれ、英語ではoptocouplerという呼称が一般に使われます。光を放つ側と受ける側を向かい合わせにして1つの樹脂で固め¹、入力側には赤外の発光ダイオード、出力側にはフォトトランジスタなどが入ります。外からの光は遮るように封じてあります²。

電位の異なる回路へ、信号だけを光で渡す

エアコンでは、マイコンを使う5Vの低圧回路と、モータを制御する200Vの高圧回路の電源電圧が異なります¹。このときマイコン側とモータ側のあいだで、フォトカプラが信号だけを光で伝えます。

GNDを含めて電気信号を絶縁できるため、ノイズの影響を減らせます²。用途は、回路間を絶縁した状態での信号伝達、基準電位が異なる回路間での信号伝達、異なる電圧での信号伝達です。工場のPLCの入力配線では負荷側のノイズを遮り、患者の身体に触れる医療用電子機器では感電を避け、ノイズの影響を受けやすい音響機器にも使われます。

絶縁したまま信号だけを渡します

電位の異なる2つの回路を電線で直結した場合と、フォトカプラを挟んだ場合を並べています。光に変えて渡すことで、入力側と出力側を絶縁したまま信号だけを移せます。例はエアコンの5Vと200Vです。

中の樹脂は光を通し、絶縁の余裕は3つの距離で測る

ルネサスの製品は、内部を二重の樹脂で構成しています。光を通しやすい樹脂を発光側と受光側のあいだに詰め、その周りを光を遮る樹脂で包む形です。同社は、こうすると外の光から守られた確実な動作と、大きな電流伝達率を同時に得られるとしています。

沿面距離は、パッケージの表面をたどって発光側の端子から受光側の端子まで測った長さです³。あいだを隔てる樹脂そのものの最も薄いところを絶縁物厚、樹脂の外側の空間を通って端子どうしが最も近づく長さを空間距離と呼びます。

電気製品の電気絶縁用に使うフォトカプラなどには、感電と火災から使用者を守るため、各国が用途に応じた安全規格を定めています¹。アメリカのUL、ドイツのVDE、カナダのCSAがその例です。

代償は、渡る電流が使ううちに減ること

光を経由させると絶縁が手に入るかわりに、出力へ届く電流は入力より小さくなります。この比率をルネサスは電流伝達率、シャープは電流伝達比と呼び、略称はどちらもCTRです。出力側の電流を入力側の順電流で割り、100を掛けた百分率で表します⁴。ルネサスはCTRを絶縁耐圧と並ぶ重要な特性としており、CTRは入力の順電流の値で変わり、周囲温度の影響を受け、経年で変化します。

CTRの大きさを左右するのは、発光ダイオードの発光効率、発光と受光のあいだの光結合効率、受光側のトランジスタの受光感度と電流増幅率です。経年変化は主にLEDの発光効率の低下によるもので⁴、順電流が大きいほど、また周囲温度が高いほど早く進みます。

そのため、寿命の定め方も他の半導体と異なります。ルネサスはフォトカプラの寿命をCTRの低下で定め、CTRが初期値の半分になったときを寿命と規定した推定寿命のデータ例を示しています⁴。同社の設計手順では、初期のCTRから見積もった出力電流を、寿命末期に半分へ下がることを見込んで半分以下に見積もります。

渡る量は使ううちに減ります

電流伝達率は動作時間とともに下がり、初期値の半分になったときを寿命と規定する例があります。設計では、下がったあとの値でも必要な出力を満たすようにします。

出力側は4種類で、流せる電流はたかだか数十mA

受光素子の違いで、フォトカプラは主に4種類に分かれます²。トランジスタ出力は最初に生まれた最も一般的な型で、価格が安く汎用性が高いとされます。IC出力は受光素子を集積化した型で、ロームは、通常のフォトカプラが数kHzから十数kHzの信号伝送にとどまるのに対し、IC出力は数十MHzの高周波信号にも対応するとしています。トライアック出力は商用電源につなぐスイッチ素子として使われます。MOSFET出力はフォトリレーとも呼ばれ、交流と直流のどちらの負荷にも対応します。

ルネサスは、汎用フォトカプラの出力端子に流せる電流は定格から見てもたかだか数十mAで⁵、発光ダイオードを点滅させる程度の電流容量とみなすよう求めています。フォトカプラの出力に直接モータを載せる設計は、この目安を大きく超えます。

よくある質問（FAQ）

フォトカプラとは何ですか？

入力側の発光素子と出力側の受光素子を1つのパッケージに向かい合わせて封じ、電気信号をいったん光に変えて渡す部品です。入力と出力を電気的に絶縁したまま信号を伝えます。オプトカプラ、フォトアイソレータとも呼ばれます。

なぜ光を経由させるのですか？

電位の異なる回路どうしへ信号を渡すためです。エアコンでは、マイコンを使う5Vの回路とモータを制御する200Vの回路の電源電圧が異なり、フォトカプラが信号だけを光で伝えます。GNDを含めて絶縁できるので、ノイズの影響も減らせます。

電流伝達率（CTR）とは何ですか？

入力側の順電流に対する出力電流の比率で、出力電流を入力順電流で割って100を掛けた百分率で表します。ルネサスは、絶縁耐圧と並ぶフォトカプラの重要な特性としています。

フォトカプラの寿命はどう決まりますか？

電流伝達率の低下で決まり、この点が他の一般的な半導体と異なります。ルネサスは、CTRが初期値の半分になったときを寿命と規定した推定寿命の例を示しています。

どんな種類がありますか？

受光素子の違いで、トランジスタ出力、IC出力、トライアック出力、MOSFET出力（フォトリレー）の4種類に分かれます。ロームは、汎用のトランジスタ出力が数kHzから十数kHzの信号伝送にとどまるのに対し、IC出力は数十MHzの高周波信号にも対応するとしています。

フォトカプラで大きな電流を扱えますか？

出力電流は小さめです。ルネサスは、汎用フォトカプラの出力端子に流せる電流は定格から見てもたかだか数十mAで、発光ダイオードを点滅させるくらいの容量と考えるよう求めています。大きな負荷はほかの素子へ渡す設計になります。

絶縁耐圧とは何ですか？

入出力間の絶縁度を保証する値で、絶対最大定格として規定します。一般には交流または直流で何kVを何分間と規格化されます。シャープは、2重トランスファ構造による高絶縁耐圧品で5000Vrmsを保証するものが自社製品の主流としています。

比較・違いを学ぶ

レーザーダイオードとは── 光そのものを製品の出力として取り出す素子で、フォトカプラは光をパッケージの内側で使い切ります
ダイオードとは── 電流を一方向に流す2端子素子で、フォトカプラの入力側にある発光ダイオードもその一種です

出典

5件を表示

1
シャープ：技術情報光半導体フォトカプラjp.sharp a b c
2
ローム TechWeb：フォトカプラとは？動作原理や使い方、選定方法を解説techweb.rohm.co.jp a b c
3
ルネサスエレクトロニクス：フォトカプラ絶縁距離renesas.com ↩
4
ルネサスエレクトロニクス：汎用フォトカプラの電流伝達率（CTR）renesas.com a b c
5
ルネサスエレクトロニクス：フォトカプラはこうして使うrenesas.com ↩