本記事ではフォトカプラのデータシートに記載されている用語についての解説と各種パラメータを利用した設計計算方法について解説しております。
絶対最大定格(発光側)
部品を使用するうえで絶対に超えてはいけない値になります。設計時にはこの値を超えないように設計しましょう。
①入力順電流：IF
LEDに順方向に流せる電流値になります。この値を超えると部品が壊れる恐れがあるため、絶対に超えないようにしましょう。
➁IF-Ta特性
周囲温度に対する、入力順電流IFの許容値の変化についてグラフにしております。
周囲温度が高くなると入力順電流は低くなるため、注意しましょう。
例）周囲温度120℃の場合、下記グラフより、入力順電流IF＝17.5mAとなる。
③入力順電流低減率
周囲温度が上昇した際に順方向電流IFが1℃当たりどれくらい下がるかを記載しているものとなる。注意点としてはデータシートに記載の温度条件Ta≧116℃などであれば、116℃以降の温度から低減率を加えていくこと。
上記のIF-Ta特性を数値で表したものなので結果はどちらも同じとなるため、より細かく計算したい場合はこちらを使用すること。
例）Ta≧116℃の条件で入力順電流低減率＝-0.6mA/℃、Ta＜116℃時の入力順電流IF=20mA、この時周囲温度Ta=120℃の時の入力順電流IF=20mA-(120-116)×-0.6mA=17.4mAとなる。
④入力順電流(パルス)
AC検出回路や短パルス駆動にてパルスで入力される際のピーク電流の最大許容値になります。
データシートに記載の条件を全て満たす場合の入力順電流になります。
例）条件にてパルス幅≦1ms、duty=50%の時、IF＝50mAと記載があった場合、
パルス幅≦1ms、duty＜50%をどちらも満たしているパルスにIF＝50mAが適用される
⑤入力順電流逓減率(パルス)
③入力順電流低減率と同様の考え方となる。
⑥ピーク過渡入力順電流
サージ電流や瞬時短絡時にLEDが壊れず動作できる最大許容値になります。
データシートに記載の条件を全て満たす場合の入力順電流になります。
例）条件にてパルス幅≦1μs、300ppm(繰り返し回数最大300回/秒)の時、IF＝1Aと記載があった場合、
パルス幅≦1μs、1秒あたりの繰り返し回数≦300ppmをどちらも満たしているパルスにIF＝1Aが適用される
⑦ピーク過渡入力順電流低減率
③入力順電流低減率と同様の考え方となる。
⑧入力許容損失：PD
発行側LED(入力側)の損失量(入力順電流IF×入力順電圧VF)の最大許容値になります。
周囲温度が高くなるとこの値は低くなっていきますので⑨入力許容損失低減率の条件以上の温度であれば
⑨入力許容損失低減率を加味した値が許容損失となります。
例）入力許容損失PD＝40mW、入力順電流IF＝1.0mA、入力順方向電圧VF＝2.0Vの場合、
発行側LED(入力側)の損失量P=IF×VF＝1.0mA×2.0V＝2.0mWのため、OK
⑨入力許容損失低減率
周囲温度が上昇した際に許容損失が1℃当たりどれくらい下がるかを記載しているものとなる。注意点としてはデータシートに記載の温度条件Ta≧116℃などであれば、116℃以降の温度から低減率を加えていくこと。
例）Ta≧110℃の条件で入力順電流低減率＝-1mW/℃、Ta＜110℃時の許容損失PD=40mW、この時周囲温度Ta=120℃の時の許容損失PD=40mW-(120-110)×-1mW=30mWとなる。
⑩入力逆電圧
発行側LED(入力側)に逆方向に電圧を印加した際に部品が壊れない逆電圧の最大値になります。
AC検出回路等でフォトカプラを使用する際にこの値が検出したい電圧を超えているのであれば、
AC逆電圧が直接フォトカプラに印加されないよう整流ダイオードや直列抵抗で対策しましょう。
絶対最大定格(受光側)
⑪出力電流Io
受光側のフォトトランジスタが流せるコレクタ電流になります。周囲温度が高くなるとこの値は低くなっていきますので⑫出力電流低減率の条件以上の温度であれば
⑫出力電流低減率を加味した値が許容損失となります。
例）出力電流定格Io＝15mA、フォトトランジスタのコレクタ電源5V、コレクタ抵抗1.0kΩの時、フォトトランジスタに流れるコレクタ電流Ic＝5V÷1.0kΩ＝5mAのため、定格未満であり、OK
⑫出力電流低減率
周囲温度が上昇した際に受光側のフォトトランジスタが流せる出力電流Ioが1℃当たりどれくらい下がるかを記載しているものとなる。注意点としてはデータシートに記載の温度条件Ta≧116℃などであれば、116℃以降の温度から低減率を加えていくこと。
例）Ta≧110℃の条件で出力電流低減率＝-1mA/℃、Ta＜110℃時の出力電流Io=15mA、この時周囲温度Ta=120℃の時の出力電流定格Io=15mA-(120-110)×-1mA=5mAとなる。
⑬出力電圧：Vo
フォトカプラの受光側のフォトトランジスタのコレクタ-エミッタ間に印加できる最大電圧になります。
例）出力電圧Vo＝30Vの時、プルアップ電源電圧＝12Vをフォトトランジスタの受光側に印加しても十分なマージンを確保できているためOK
⑭Vo-IF特性
電流を流すことでトランジスタがONするフォトカプラの場合はON（H→L）、OFF(L→H)にするのに必要な入力順電流値IFになります。両者の間の入力順電流を流してしまうと、ON/OFFがはっきりしなくなるため、
ONしたい時は十分な入力順電流を流し、OFFしたい時は出来るだけ、0mAに近くしましょう。
例）下記グラフより、ON（H→L）にするために必要な入力順電流IFは余裕をもって2.5mA以上が望ましい。
逆にOFF(L→H)にするために必要な入力順電流IFは余裕をもって0.5ｍA以下が望ましい
⑮電源電圧：Vcc
フォトカプラ内臓受光側IC（フォトIC、コンパレータ、CMOSロジック）に供給する電源電圧の絶対最大定格になります。
例）電源電圧Vcc＝30Vの時、プルアップ電源電圧＝12Vをフォトトランジスタの受光側に印加しても十分なマージンを確保できているためOK
⑯出力許容損失：Po
フォトカプラの受光側トランジスタのコレクタ-エミッタ間で発生する損失の最大許容値になります。
ロジック出力型の場合、ON時の損失はローレベル出力電圧VoLとローレベル出力電流IoLにて判断します。
OFF時の損失はハイレベル出力電圧VoHとハイレベル出力電流IoHにて判断します。
例：ON時）出力許容損失Po=80mW、ローレベル出力電圧VoL＝0.6V、電源電圧Vcc＝5V、コレクタ抵抗Rc＝1kΩの
場合、ON時の損失はVoL×(Vcc-VoL)/Rc＝0.6V×4.4V÷1kΩ＝26.4mWのため、OK
⑰出力許容損失低減率
周囲温度が上昇した際に受光側のフォトトランジスタの許容損失が1℃当たりどれくらい下がるかを記載しているものとなる。注意点としてはデータシートに記載の温度条件Ta≧116℃などであれば、116℃以降の温度から低減率を加えていくこと。
例）Ta≧110℃の条件で出力許容損失低減率＝-2mW/℃、Ta＜110℃時の許容損失Po=15mA、この時周囲温度Ta=120℃の時の出力許容損失Po=80mW-(120-110)×-2mW=60ｍWとなる。
絶対最大定格(発光側・受光側共通)
⑱動作温度：Topr
部品を壊さずに動作を保証する最大許容温度になります。この動作温度の周辺になると各定格値が低減率により、下がってくるので注意が必要になります。
⑲保存温度：Tstg
非動作時に保存する際の周囲温度の許容値になります。
⑳はんだ付け温度：Tsol
はんだ付け工程における部品が壊れないための上限温度と時間の最大値になります。
リフロー炉のピーク温度、はんだごてでの手実装・リワーク、ウェーブはんだ付け時の温度がこの値を超えないようにしましょう。
㉑絶縁耐圧：BVs
入力側（LED側ピン1–3短絡）と出力側（ピン4–6短絡）の間に50/60 Hz の AC 正弦波 印加しても、
絶縁破壊や異常リークが発生しないこと電圧と印加時間を保証する試験電圧になります。あくまで参考試験値で
実際に設計で使用してよい電圧を確認したい時はこの値ではなく、安全規格と認証書に記載の絶縁カテゴリ・最大動作電圧を見て判断しましょう。
推奨動作条件
部品が仕様通りの安定した動作を保証するために必要な動作条件になります。これらのパラメータが実際に使用する条件の基準としてとても重要になるのでこれらの値の範囲内で使用するように設計しましょう。
㉒入力オン電流：IF(ON)
受光側のフォトトランジスタを完全にONにする(出力を確実にLに落とす)ために必要な発光側ダイオードに流す電流値になります。㊶スレッショルド入力電流(H/L)：IFHLはON保証できる最低の電流値ですが、安定動作を求めるならこちらの入力オン電流IF(ON)の範囲内で使用するようにしましょう。
㉓入力オフ電圧：VF(OFF)
受光側のフォトトランジスタを完全にOFFにする(出力を確実にHにする)ために必要な発光側ダイオードに印加する電圧になります。㊸スレッショルド入力電圧(L/H)：VFLHもOFF保証できる最大の電圧値ですが、安定動作を求めるなら
こちらの入力オフ電圧VF(OFF)の範囲で使用するようにしましょう。
㉔電源電圧：VCC
フォトカプラに内臓している受光側IC（フォトIC、コンパレータ、CMOSロジック）を動作させるために必要な電源電圧範囲になります。
この値の範囲内の電源電圧を使用するようにしましょう。
㉕動作温度：Topr
フォトカプラが仕様通りの安定した動作を保証するために必要な動作条件になります。
この温度範囲内で使用するようにしましょう。
電気的特性
㉖入力順電圧
フォトカプラの発光側ダイオードに発生する順方向電圧になります。Max値が書いている場合はこの値を参考にワースト設計し、記載ない場合は、IF-VF特性より判断しましょう。入力順電圧が周囲温度により、低下すると順方向電流IFがより流れるようになるため、注意すること
㉗IF-VF特性
発光側ダイオードに流れる任意の入力順電流と周囲温度における入力順電圧VFの値になります。
例）下記のグラフより、入力順電流IF＝10mA、Ta＝25℃の時、入力順電圧VF＝1.55Vとなる。
㉘入力順電圧温度係数
周囲温度が上昇した際に発光側ダイオードに側の順方向電圧が1℃当たりどれくらい下がるかを記載しているものとなる。
例）入力順電圧低減率＝-1.8mV/℃、Ta＜25℃時の入力順電圧VF=1.55V、この時周囲温度Ta=45℃の時の出力許容損失Po=1.55V-(45-25)×-1.8mV=1.514Vとなる。
㉙入力逆電流：IR
発光側ダイオードに逆方向に電圧を印加した場合に流れる漏れ電流の値になります。
㉚端子間容量(入力側)：Cin
発行側ダイオードが持つ寄生容量になります。高速にフォトカプラを駆動させる際はこの寄生容量が立ち上がり時間や立下り時間を遅延させるRC要因となるため、注意しましょう。
例）Cin＝30pF、ドライバ側の出力抵抗＝100Ω時、フォトカプラがH→LまたはL→Hになるまでの
時定数τ=R×C＝100Ω×30pF=3ns
㉛ハイレベル出力電流：IOH
受光側のフォトトランジスタがOFFの時に、0A流れているのが理想だが実際はわずかに漏れ電流がある。
この漏れ電流の値がハイレベル出力電流IOHになります。この値とプルアップ抵抗値を用いて、
オープンコレクタ出力回路のHighレベル時の電圧に影響ないかを確認するパラメータとして使用します。
また、OFF時にフォトトランジスタに発生する消費電力の計算にも使用します。
例1）受光側フォトトランジスタのプルアップ抵抗Rpull=10kΩ、プルアップ電圧VPU＝24V、
ハイレベル出力電流50μAの場合、Highレベル時のコレクタ出力電圧Vo＝24-(10kΩ×50μA)＝24-0.5＝23.5V
マイコンの仕様を確認し、Highレベルと認識する電圧に十分入っていればOK
例2)上記例1と同条件時に受光側フォトトランジスタにて消費する電力量P=24V×50μA＝1.2mW。非常に小さいため問題なし。
㉜IOH-Ta特性
周囲温度に対する、ハイレベル出力電流の変化についてグラフにしております。
設計時にはあくまでtypがどの程度か把握し、実力値の参考にする程度にしましょう。
実際には㉜IOHのmax値を使用しましょう。
㉝ローレベル出力電圧：VOL
受光側のフォトトランジスタがONの時の受光側フォトトランジスタの飽和電圧VCE(sat)になります。
この電圧をオープンコレクタ出力回路のLowレベル時にマイコンがOFFと認識する電圧になっているかを確認しましょう。また、ON時にフォトトランジスタに発生する消費電力の計算にも使用します。
例1)マイコンがLowと認識する最大電圧が0.8Vの場合、ローレベル出力電圧VOL＝0.6Vであれば問題なくLow認識する
例2)出力許容損失Po=80mW、ローレベル出力電圧VoL＝0.6V、電源電圧Vcc＝5V、コレクタ抵抗Rc＝1kΩの
場合、ON時の損失はVoL×(Vcc-VoL)/Rc＝0.6V×4.4V÷1kΩ＝26.4mWのため、OK
㉞VOL-Ta特性(VCE(sat)-Ta特性)
周囲温度に対する、ローレベル出力電圧の変化についてグラフにしております。
周囲温度が高くなることでVOLが低下するものと上昇するものがあります。
㉟ハイレベル供給電流：ICCH
発光側ダイオードに電流が流れておらず、受光側フォトトランジスタがOFF状態の時にフォトカプラ内部のICが消費する電流値になります。フォトカプラがどれくらいの電力を消費するかに使用します。
例）発光側ダイオードの入力順電流IF=0A、電源電圧VCC＝5V、ハイレベル供給電流ICCH＝1.3mAの場合、
フォトカプラにて消費する電力PHigh＝VCC×ICCH＝5V×1.3ｍA＝6.5mW
㊱ICCH-Ta特性
周囲温度に対する、ハイレベル供給電流の変化についてグラフにしております。
設計時にはあくまでtypがどの程度か把握し、実力値の参考にする程度にしましょう。
実際には㉟ICCHのmax値を使用しましょう。
㊲ローレベル供給電流：ICCL
発光側ダイオードに電流が流れており、、受光側フォトトランジスタがON状態の時にフォトカプラ内部のICが消費する電流値になります。フォトカプラがどれくらいの電力を消費するかに使用します。
設計では発行側ダイオードのON/OFF比を考慮した平均電流を計算するときに使用します。
例）入力が50％デューティー比でON/OFFし、ICCH＝1.0mA、ICCL＝2.0mAの時、
平均電流Icc=D・ICCL+(1-D)・ICCH＝0.5・2.0ｍA+(1-0.5)・1.0mA=1.5mAとなる。
㊳ICCL-Ta特性
周囲温度に対する、ローレベル供給電流の変化についてグラフにしております。
設計時にはあくまでtypがどの程度か把握し、実力値の参考にする程度にしましょう。
実際には㊲ICCLのmax値を使用しましょう。
㊴出力電流：Io(IoL)
受光側フォトトランジスタがONの時に内部トランジスタが安全かつ飽和状態で引き込める電流の上限になります。
受光側フォトトランジスタに流れる電流がこの値を超えないようにしましょう。
例）電源電圧Vcc＝5V、プルアップ抵抗Rpull=2kΩ、出力電流Io=13mAの時、
受光側フォトトランジスタに流れる電流Icc=5÷2kΩ＝2.5mAのため、十分マージンあるためOK
㊵Io-Ta特性
周囲温度に対する、出力電流の変化についてグラフにしております。
設計時にはあくまでtypがどの程度か把握し、実力値の参考にする程度にしましょう。
実際には㊴Io(IoL)のmax値を使用しましょう。
㊶スレッショルド入力電流(H/L)：IFHL
受光側のフォトトランジスタを完全にONすることを保証できる最低の電流値になります。
実際の設計ではこちらの値ではなく㉒入力オン電流：IF(ON)の範囲内に収まるよう設計しましょう。
㊷IFHL-Ta特性
周囲温度に対する、スレッショルド入力電流の変化についてグラフにしております。
設計時には温度変化により、スレッショルド入力電流が上昇するのか低下するのかの傾向を掴むためのグラフです。
㊸スレッショルド入力電圧(L/H)
受光側のフォトトランジスタをOFF保証できる最大の電圧値ですが、安定動作を求めるなら
㉓入力オフ電圧：VF(OFF)の範囲内に収まるように設計しましょう。
絶縁特性
㊹端子間容量(入力-出力間)：CISO
発光側ダイオードと受光側フォトトランジスタ間の寄生容量になります。この値が小さいほど、ノイズが印加された時に、発光側ダイオード→受光側フォトトランジスタに流れる電流値が少なくなり、ノイズに強くなります。
例）端子間容量CISO＝1.2pF、dV/dt=1000V/μsの場合ノイズ電流I=1.2pF×1000V/μs=1.2mA流れる可能性あり
㊺絶縁抵抗：RISO
発光側ダイオードと受光側フォトトランジスタ間の直流に対する絶縁抵抗値になります。漏れ電流の計算に使用します。
例）発光側ダイオード入力電圧V＝400V、絶縁抵抗RISO＝50GΩの時、漏れ電流I＝400÷50GΩ＝8nAとなる。
㊻絶縁耐圧：VISO
発光側ダイオードと受光側フォトトランジスタ間の交流に対する絶縁強度になります。
安全規格適合の確認や、外部サージに対してどこまで持つかの目安で使用しましょう。
スイッチング特性
㊼伝搬遅延時間(H/L)
発光側ダイオードがONになってから、受光側フォトトランジスタがONになるまでの時間になります。
㊽伝搬遅延時間(L/H)
発光側ダイオードがOFFになってから、受光側フォトトランジスタがOFFになるまでの時間になります。
㊾伝搬遅延時間バラつき
発光側ダイオードがONになってから、受光側フォトトランジスタがONになるまでの時間と
発光側ダイオードがOFFになってから、受光側フォトトランジスタがOFFになるまでの時間の遅延差になります。
この値が大きいと波形が歪みます。(デューティー比変動が起きる)
㊿tpLH,tpHL,|tpHL-tpLH|-Ta特性
周囲温度に対する、伝搬遅延時間や伝搬遅延時間バラつきの変化についてグラフにしております。
設計時には応答速度が遅くなってくる周囲温度の手前で使用するようにしましょう。
51.tpLH,tpHL,|tpHL-tpLH|-Vcc特性
受光側フォトトランジスタに印加する電源電圧Vccに対する、伝搬遅延時間や伝搬遅延時間バラつきの変化についてグラフにしております。電源電圧Vccが大きいほど伝搬遅延時間が短くなり、高速応答が可能になります。
52.tpLH,tpHL,|tpHL-tpLH|-IF特性
発光側ダイオードの入力電流IFに対する、伝搬遅延時間や伝搬遅延時間バラつきの変化についてグラフにしております。伝搬遅延時間が短くなる入力電流IFになるように設計しましょう。
53.伝搬遅延スキュー：skew
複数チャネルがあるフォトカプラの場合に各チャネル間で伝搬遅延時間のバラツキの値になります。
伝搬遅延スキュー≦200ns程度なら基本的な制御用途で実用範囲になります。その場合でも高速通信(数MHｚ)にはさらに制度の良いものを選びましょう。
54.ハイレベルコモンモード過渡耐性：CMTI
発光側ダイオードにノイズが印加されても誤動作で受光側フォトトランジスタがONしない値になります。
例）dV/dt=±15KV/μsの場合、1μsの間に±15000V変化しても誤動作で受光側フォトトランジスタがONにならない。
55.ローレベルコモンモード過渡耐性
発光側ダイオードにノイズが印加されても誤動作で受光側フォトトランジスタがOFFしない値になります。
例）dV/dt=15KV/μsの場合、1μsの間に±15000V変化しても誤動作で受光側フォトトランジスタがOFFにならない
まとめ
本記事ではフォトカプラのデータシートに記載されている用語についての解説と・各種パラメータを利用した設計計算方法について解説させていただきました。上記のパラメータは抵抗の設計時に確認すべきパラメータになりますので、ぜひ設計にお役立てください。