08/28/2024で公開されています 360

フォトカプラー、オプトカプラー、オプトイソレーターは説明しました

エレクトロニクスの世界では、特にこれらの回路が異なる電圧レベルで動作するか、電気ノイズの影響を受ける場合、信号がある回路から別の回路にスムーズかつ安全に移動できることを確認することが非常に重要です。光カプラーとも呼ばれるフォトカプラーは、これを実現するのに役立ちます。これらの小さなデバイスは、ライトを使用して回路間で信号を送信しながら別々に保ちます。これにより、敏感な部品が損傷から保護されます。この記事では、Photocouplersがどのように使用されているか、それらが使用されている場所、そして今日の電子機器で非常に役立つ理由を調べます。

カタログ

図1：フォトカプラーコンポーネント

フォトカプラーの理解

PotoCouplersとも呼ばれるPhotocouplersまたは オプトイソレーター、ある信号をある電気回路から別の電気回路に通過させながら、互いに分離したままにするデバイスです。フォトカプラーの主な仕事は、特に回路に電圧レベルが異なる場合、または1つの回路が電気ノイズがある場合、ある回路からの信号が別の回路に干渉しないことを確認することです。この分離は光を使用して行われるため、直接的な電気接続なしで信号を渡すことができます。

図2：フォトカプラーの断面ビューとシンボル

フォトカプラーの一部

フォトカプラーには2つの主要な部分があります。

軽い発光ダイオード（LED）： 最初の部分は、入力側にあるLEDです。このLEDは電気信号を取り、通常は赤外線範囲で光に変えます。赤外線は、この目的のためにうまく機能し、次の部分が検出するのが簡単であるため、よく使用されます。

Photodetector： 2番目の部分は、出力側にある光検出器です。フォトセクターはLEDから光を受け取り、電気信号に戻します。PhotodeTectorは、PhotoTransistor、Photodiode、またはPhotodarlingtonなど、さまざまな種類のデバイスにすることができます。使用されるフォトセクターのタイプは、信号の処理速度、それがどれだけ敏感であるか、出力信号がどれほど強いかに影響します。

LEDとPhotodeTectorの両方が1つのパッケージ内にあり、通常は小さな統合回路（IC）のように見えます。LEDと光検出器は物理的に分離されています。これは、入力回路と出力回路が直接接続されていないことを保証するため、非常に重要です。この分離は、敏感な部品を損傷する可能性のある高電圧やノイズなどの電気的な問題から回路を安全に保ちます。

フォトカプラーはどのように機能しますか？

Photocouplerは、2つの別々の回路の間を信号を移動させながら、互いに電気的に離れたままにしておくことができるデバイスです。この分離は、高電圧スパイクや電気干渉から繊細で低電圧部品を保護するのに非常に役立ちます。このプロセスは、電圧が入力回路に適用されると開始され、フォトカプラー内のLED（光エミッティングダイオード）を駆動します。このLEDはライトアップし、通常は赤外線を放ちます。これは、外部の影響によって妨害される可能性が低くなります。その後、光は断熱障壁を横切って移動して、出力側の光検出器に到達します。フォトダイオード、フォトトランジスタ、またはフォトティリスタである可能性のあるフォトセクターは、この光をキャッチし、電気信号に戻します。この新しい電気信号は、出力回路に送信されます。

絶縁層 LEDとPhototeTectorの間には、入力回路と出力回路を維持するものがあります。この分離は、低電圧部品が高電圧スパイクや電気ノイズによって害を受けるのを防ぐのに役立ちます。断熱層を通過する光は、物理的または電気的接触なしに信号を片側から他方に移動できるようになり、回路が互いに通信できるようになります。

PhototeTectorがLEDから光を受信すると、光を電気信号に戻します。この出力信号は入力信号と電子的に同じですが、必要なものに応じて増幅または調整される場合があります。信号は、出力回路によって必要なタスクを実行するために使用されます。

フォトカプラーのアプリケーション

フォトカプラーは、分離と明確な信号伝送の両方を提供するため、さまざまな電子デバイスで広く使用されています。

安全保護において、フォトカプラーは高電圧回路と低電圧回路の障壁として機能します。この分離は、高電圧の急増が敏感な部品を傷つけることを止めます。これは、パワースパイクが一般的な設定で非常に役立ちます。

ノイズの減少に関しては、フォトカップラーは非常に便利です。それらは、電気干渉の影響を最小限に抑えるのに役立ち、送信された信号が明確で安定したままであることを確認します。

インターフェース回路では、フォトカップラーを使用すると、異なる電圧レベルで動作するシステムのさまざまな部分が安全に通信できるようになります。フォトカプラーを使用することにより、電圧の違いによる損傷のリスクなしに回路を接続できます。

フォトカプラーは、電源を切り替える重要な部分でもあります。これらのアプリケーションでは、制御部品を高電圧出力とは別に保持し、困難な電気条件でも制御信号が安定して信頼できることを保証します。

オプトカプラーとオプトイソローターパッケージ

図3：オプトカプラーとオプトイソローターパッケージ

光カプラーは、光カプラーまたはオプトイソレーターとしても知られており、光を使用して2つの回路間で分離する必要がある電気信号を送信する電子部品です。この分離は、高電圧が信号を受信する回路を損傷するのを防ぐのに役立ちます。これらの部品の設計とパッケージは、低電圧または高電圧の状況で使用されるかどうかに応じて変化します。

低電圧アプリケーション： 低電圧セットアップでは、オプトカプラーは通常、標準のデュアルインライン（DIL）統合回路（ICS）または小さなアウトライン統合回路（SOIC）パッケージのように見えるパッケージにあります。これらの形式は、一般的にSurface Mount Technology（SMT）で使用されているため、最新のコンパクトな電子設計に簡単に適合します。パッケージングにより、部品を印刷回路板（PCB）に簡単に含めることができ、回路の異なるセクションを個別に保ちます。

高電圧アプリケーション：高電圧の状況では、オプトイソレーターは、より高い分離電圧を処理するために、より強力なパッケージで設計されていることがよくあります。これらのパッケージは長方形または円筒形であり、標準のICパッケージよりも多くの保護を提供するように作られています。この機能は、回路間の電圧の差が大きくなる可能性があり、追加の安全対策が必要な電力システムまたはその他のセットアップで役立ちます。

フォトカプラーの用語とシンボル

図4：フォトカプラーの回路図シンボル

「Opto-coupler」と「Opto-Isolator」は同じことを意味するためによく使用されますが、それらの使用方法に基づいて小さな違いがあります。

オプトクープ 通常、回路間の電圧の差が5,000ボルトを超えないシステムで使用される部品を指します。これらの部品は、さまざまな電子セットアップで別々の回路全体にアナログまたはデジタル信号を送信するためによく使用されます。

オプトイソレーター 電圧の差が5,000ボルトを超える可能性のある高出力システムで使用するために特別に作られています。主な仕事は、電気分離を維持しながら信号を送信するのに似ていますが、これらの部品は、配電および産業システムに見られるより厳しい電気セットアップを処理するために作られています。

回路図では、オプトカプラーのシンボルは通常、片側にLED（送信機として機能する）と、他方にフォトトランジスターまたはフォトダーリントン（受信機として機能する）を示しています。このシンボルは、部品が内側でどのように機能するかを示し、別々の回路間の電気リンクを作成するために光がどのように使用されるかを示します。LEDは、電流が流れると光を放ち、それがフォトトランジスタによって拾われ、回路を電気的に分離しながら信号を通過させます。

フォトカプラーの重要な仕様

図5：フォトカプラー入出力のタイミングとコレクター - エミッター電圧特性

Photocouplerを選択するときは、その主要な機能を理解して、ニーズに合っていることを確認することが役立ちます。

現在の転送比（CTR）：これは、出力電流と入力電流の比率です。簡単に言えば、入力側の電流が出力側にどの程度転送されるかを示します。CTRの値は、フォトカプラーの種類に応じて、10％から5,000％を超えるまで大きく異なります。CTRが高いということは、デバイスが入力から出力への信号をより効果的であることを意味します。これは、正確な信号制御が必要なアプリケーションにとって重要です。

帯域幅： この機能は、フォトカプラーがデータを処理できる最大速度を示しています。PhotoTransistorベースのフォトカプラーの帯域幅は約250 kHzであるため、多くの一般的な用途に適しています。ただし、より速いものが必要な場合は、PhotodarlingtonベースのPhotocouplersがデザインのために遅くなる可能性があることに注意してください。

入力電流： これは、フォトカプラーの入力側にLEDに電力を供給するために必要な電流の量を指します。入力電流は、デバイスが使用する電力と回路の他の部分でどれだけうまく機能するかに影響するため、重要な要素です。

出力デバイス最大電圧： トランジスタベースのフォトカプラーの場合、これは出力トランジスタが処理できる最高の電圧です。デバイスの損傷を避けるために、この電圧定格がアプリケーションが使用する最大電圧よりも高いことを確認することが重要です。

フォトカプラーとソリッドステートリレーの違い

図6：フォトカプラーとソリッドステートリレー

フォトカプラーと ソリッドステートリレー（SSRS） どちらも光を使用して信号を分離しますが、設計に基づいてさまざまな方法で使用されます。

一般に、フォトカプラーは、主な目標が信号を送信して隔離することである低電力状況で使用されます。高電圧のスパイクまたはノイズから敏感な電子部品を保護するのに理想的であり、信号が回路のある部分から別の部分にきれいに渡されることを確認します。

一方、ソリッドステートリレー（SSRS）は、より高い出力レベルを切り替えるように設計されています。Photocouplersとは異なり、SSRには多くの場合、Surge ProtectionやZero-Crossing Switching（AC Signals）などの余分な部品があり、電気ノイズの減少に役立ち、リレーを長持ちさせます。SSRは通常大きく、より高い電流を処理するため、多くの場合、安全な接続のために熱とねじ端子を管理するためにヒートシンクが必要です。

結論

Photocouplersは、回路を安全に保ち、回路を分離しながら信号を通過させることでうまく機能するのに役立ちます。これらは、低電圧回路を高電圧スパイクから保護し、電気ノイズを減らすため、多くの電子デバイスで非常に役立ちます。回路間で信号を単純に渡すか、より複雑な電力システムで合格するために使用されるかどうかにかかわらず、適切なフォトカプラーを選択することは、標準的なオプトカプラーであろうと強力なオプトイソレーターであろうと、電子システムがどれだけうまく機能するかに大きな違いをもたらすことができます。テクノロジーが進歩し続けるにつれて、これらのデバイスは引き続き非常に役立ち、電子デバイスの保護者として機能します。

よくある質問[FAQ]

1.オプトイソレーターの適用は何ですか？

オプトイソレーターの適用は、回路の異なる部分を分離しながら、信号を通過させることを許可することです。これにより、回路の敏感な部分が高電圧スパイクまたは電気ノイズから保護するのに役立ちます。光電源、マイクロコントローラーインターフェイス、および産業制御システムでは、低電圧コンポーネントの損傷を防ぐために、電源供給、マイクロコントローラーインターフェース、および産業制御システムでよく使用されます。

2.オプトイソレーターをいつ使用する必要がありますか？

回路の低電圧部分を高電圧サージまたは電気ノイズから保護する必要がある場合は、光電子装置を使用する必要があります。また、システムのさまざまな部分が直接接続されずに一緒に動作する必要がある場合にも役立ちます。これは、回路が異なる地上レベルの場合、または安全上の理由で電気的に分離する必要がある場合に役立ちます。

3.オプトカプラーの主な目的は何ですか？

オプトカプラーの主な目的は、回路を電気的に離しながら、光を使用して2つの別々の回路間を通過させることです。これにより、高電圧回路が低電圧回路に影響を与えないようになり、繊細な部品が損傷を受けないようにします。

4.リレーの代わりにOptoCouplerを使用するのはなぜですか？

より速いスイッチング、より長い寿命、静かな操作が必要なときに、リレーの代わりにオプトカプラーを使用します。リレーとは異なり、OptoCouplersには可動部品がないため、より迅速に切り替えて長持ちすることがあります。また、より少ないスペースを占有し、より良い電気分離を提供します。

5.オプトカプラーの欠点は何ですか？

オプトカプラーの欠点には、リレーと比較して高電流と電圧を処理する限られた能力が含まれます。一部のオプトカプラー、特にフォトトランス装置を使用している人の中には、応答が遅くなる可能性があります。また、内部のLEDが劣化するため、時間の経過とともに摩耗することもあります。オプトカプラーは、リレーまたはソリッドステートリレーがより適切に機能する非常に高出力を制御するための最良の選択ではないかもしれません。