OPTOCOUPLERSまたはOPTOISOLATORSは、2つの回路ステージ間でDC信号やその他のデータを効率的に送信できるようにすると同時に、それらの間で優れたレベルの電気的絶縁を維持するデバイスです。

オプトカプラーは、電気信号を2つの回路ステージ間で送信する必要があるが、ステージ間で非常に高度な電気的絶縁が必要な場合に特に役立ちます。

オプトカップリングデバイスは、2つの回路間の論理レベルの切り替えとして機能します。集積回路間のノイズ伝達をブロックし、高電圧ACラインから論理レベルを分離し、グランドループを排除する機能を備えています。

オプトカプラーは効果的な代替品になりますリレー用、およびデジタル回路ステージをインターフェースするためのトランス用。

“2x4デコーダーを使用した4x16デコーダー ”

さらに、オプトカプラーの周波数応答は、アナログ回路では比類のないものであることが証明されています。

オプトカプラー内部構造

内部にオプトカプラーには、赤外線またはIRエミッターLED（通常はガリウムヒ素を使用して構築）が含まれています。このIRLEDは、隣接するシリコン光検出器デバイス（通常はフォトトランジスタ、フォトダイオード、または同様の感光性要素）に光学的に結合されます。これらの2つの補完的なデバイスは、不透明な遮光パッケージに密閉されています。

上の図は、一般的な6ピンデュアルインライン（DIP）オプトカプラーチップの解剖図を示しています。 IR LEDに接続された端子に適切な順方向バイアス電圧が供給されると、内部で900〜940ナノメートルの範囲の波長の赤外線が放射されます。

このIR信号は、通常はNPNフォトトランジスタ（同じ波長に感度が設定されている）である隣接する光検出器に到達し、瞬時に導通して、コレクタ/エミッタ端子間に導通を形成します。

画像に見られるように、IRLEDとフォトトランジスタはリードフレームの隣接するアームに取り付けられています。

リードフレームは、仕上げのようないくつかの分岐を持つ微細な導電性板金から切り出されたスタンピングの形をしています。デバイスを補強するために含まれている隔離された基板は、内側の枝の助けを借りて作成されます。 DIPのそれぞれのピン配置は、対応して外側のブランチから展開されます。

ダイケースと適切なリードフレームピンの間に導電性接続が確立されると、IR LEDとフォトトランジスタの周囲のスペースは、「ライトパイプ」または光導波路のように動作する透明なIRサポート樹脂内に密閉されます。 2つのIRデバイス。

完全なアセンブリは、最終的にDIPパッケージを形成する耐光性エポキシ樹脂で成形されます。仕上げでは、リードフレームのピン端子が下向きにきちんと曲げられています。

オプトカプラーのピン配列

上の図は、DIPパッケージの一般的なオプトカプラーのピン配置図を示しています。このデバイスは、2つのチップ間に電流が関与せず、光信号のみが関与し、IRエミッターとIR検出器が100％の電気絶縁と絶縁を備えているため、オプトアイソレーターとも呼ばれます。

このデバイスに関連付けられている他の一般的な名前は、フォトカプラまたはフォトカプラです。

内部IRトランジスタのベースがICのピン6で終端されていることがわかります。デバイスの主な目的は、絶縁された内部IR光信号を介して2つの回路を結合することであるため、このベースは通常未接続のままです。

同様に、ピン3はオープンまたは未接続のピン配列であり、関係ありません。ベースピン6をエミッタピン4に短絡して接続するだけで、内部IRフォトトランジスタをフォトダイオードに変換することができます。

ただし、上記の機能は、4ピンオプトカプラーまたはマルチチャネルオプトカプラーではアクセスできない場合があります。

フォトカプラの特性

オプトカプラーは1つの非常に有用な特性を示し、それは次のように呼ばれるその光結合効率です。 現在の転送比率、またはCTR。

この比率は、隣接するフォトトランジスタ検出スペクトルと理想的に一致するIRLED信号スペクトルによって強化されます。

したがって、CTRは、特定のオプトカプラーデバイスの定格バイアスレベルでの、入力電流に対する出力電流の比率として定義されます。それはパーセントで表されます：

CTR = I_ced/ 私_fx 100％

仕様が100％のCTRを示唆している場合、それはIRLEDへの電流のmAごとに1mAの出力電流伝達を指します。 CTRの最小値は、さまざまなオプトカプラーで20〜100％の変動を示す場合があります。

CTRを変化させる可能性のある要因は、デバイスへの入力および出力供給電圧と電流の瞬間的な仕様によって異なります。

上の図は、フォトカプラ内部フォトトランジスタの出力電流（I_CB）対入力電流（I_F）コレクター/ベースピン間に10VのVCBが印加された場合。

重要なOptoCouplerの仕様

重要なオプトカプラー仕様パラメーターのいくつかは、以下のデータから調べることができます。

絶縁電圧（Viso） ：これは、デバイスに害を及ぼすことなく、フォトカプラの入力回路ステージと出力回路ステージの間に存在できる絶対最大AC電圧として定義されます。このパラメータの標準値は、500 V〜5 kVRMSの範囲になります。

あなたは： これは、デバイスのフォトトランジスタのピン配列に印加できる最大DC電圧として理解できます。通常、これは30〜70ボルトの範囲です。

場合：これは、に流れる可能性のある最大連続DC順方向電流です。 IRLEDまたはI_ネット 。これは、フォトカプラのフォトトランジスタ出力に指定されている電流処理能力の標準値であり、40〜100mAの範囲である可能性があります。

立ち上がり/立ち下がり時間 ：このパラメーターは、内部IRLEDとフォトトランジスター全体のオプトカプラー応答の論理速度を定義します。これは通常、立ち上がりと立ち下がりの両方で2〜5マイクロ秒です。これは、オプトカプラーデバイスの帯域幅についても教えてくれます。

フォトカプラの基本構成

上の図は、基本的なフォトカプラ回路を示しています。フォトトランジスタを通過する可能性のある電流の量は、IRLEDまたはIの印加された順方向バイアス電流によって決定されます。_ネット、完全に分離されているにもかかわらず。

スイッチS1が開いたままの状態で、Iを流れる電流_ネットが抑制されます。これは、フォトトランジスタがIRエネルギーを利用できないことを意味します。

これにより、デバイスが完全に非アクティブになり、出力抵抗R2の両端にゼロ電圧が発生します。

S1が閉じると、電流がIを流れることができます。_ネットおよびR1。

これにより、IR LEDがアクティブになり、フォトトランジスタでIR信号の放射が開始され、フォトトランジスタがオンになります。これにより、R2の両端に出力電圧が発生します。

この基本的なオプトカプラー回路は、ON / OFFスイッチング入力信号に特によく反応します。

ただし、必要に応じて、回路を変更してアナログ入力信号を処理し、対応するアナログ出力信号を生成することができます。

オプトカプラーの種類

フォトカプラのフォトトランジスタには、さまざまな出力出力ゲインと動作仕様が備わっている場合があります。以下に説明する回路図は、IREDと出力光検出器の独自の特定の組み合わせを持つ6つの他の形式のオプトカプラーバリアントを示しています。

上記の最初の変形は、入力AC信号を結合し、逆極性入力から保護するために、2つの連続して接続されたガリウムヒ素IREDを特徴とする双方向入力およびフォトトランジスタ出力オプトカプラの回路図を示しています。

通常、このバリアントは20％の最小CTRを示す場合があります。

上記の次のタイプは、出力がシリコンベースのフォトダーリントン増幅器で強化されたオプトカプラーを示しています。これにより、他の通常のオプトカプラーと比較して、より高い出力電流を生成できます。

出力にダーリントン要素があるため、このタイプのオプトカプラーは、コレクターからエミッターへの電圧が約30〜35ボルトの場合、最低500％のCTRを生成できます。この大きさは、通常のフォトカプラよりも約10倍高いようです。

ただし、これらは他の通常のデバイスほど高速ではない可能性があり、これはフォトダーリントンカプラーを使用する際の重要なトレードオフになる可能性があります。

また、有効帯域幅の量が約10分の1に減少する場合があります。 photoDarlingtonオプトカプラーの業界標準バージョンは4N29から4N33、6N138と6N139です。

デュアルチャネルおよびクアッドチャネルのフォトダーリントンカプラーとして入手することもできます。

上の3番目の回路図は、IREDと双方向線形出力を備えたMOSFETフォトセンサーを備えたオプトカプラーを示しています。このバリアントの絶縁電圧範囲は、2500ボルトRMSまで高くなる可能性があります。ブレークダウン電圧の範囲は15〜30ボルトの範囲内で、立ち上がり時間と立ち下がり時間はそれぞれ約15マイクロ秒です。

上記の次のバリアントは、基本的な SCRまたはサイリスタベースのオプトフォトセンサー。ここでは、出力はSCRを介して制御されます。 OptoSCRタイプのカプラーの絶縁電圧は、通常、約1000〜4000ボルトRMSです。それは200から400Vの最小遮断電圧を特徴とします。最大のターンオン電流（I_fr）は約10mAにすることができます。

上の画像は、フォトトライアック出力を備えたフォトカプラを示しています。これらの種類のサイリスタベースの出力カプラは、一般に400 Vの順方向ブロッキング電圧（VDRM）を備えています。

シュミットトリガー特性を備えたオプトカプラーも利用できます。このタイプのオプトカプラーは上に表示されており、正弦波または任意の形式のパルス入力信号を長方形の出力電圧に変換するシュミットトリガーICを備えたICベースのオプトセンサーが含まれています。

これらのIC光検出器ベースのデバイスは、実際にはマルチバイブレータ回路のように機能するように設計されています。絶縁電圧は2500〜4000ボルトの範囲である可能性があります。

ターンオン電流は通常1〜10mAで指定されます。最小および最大の動作電源レベルは3〜26ボルトで、データレート（NRZ）の最大速度は1MHzです。

アプリケーション回路

オプトカプラーの内部機能は、個別にセットアップされたIR送信機と受信機のアセンブリの動作とまったく同じです。

入力電流制御

他のLEDと同様に、フォトカプラのIR LEDにも、入力電流を安全な限界まで制御するための抵抗が必要です。この抵抗は、以下に示すように、2つの基本的な方法でオプトカプラーLEDに接続できます。

抵抗は、IREDのアノード端子（a）またはカソード端子（b）のいずれかと直列に追加できます。

ACオプトカプラー

以前の議論で、AC入力にはACオプトカプラーが推奨されることを学びました。ただし、次の図に示すように、IRED入力ピンに外部ダイオードを追加することにより、標準のオプトカプラーをAC入力で安全に構成することもできます。

この設計により、偶発的な逆入力電圧状態に対するデバイスの安全性も確保されます。

デジタルまたはアナログ変換

オプトカプラーの出力でデジタルまたはアナログ変換を行うために、以下に示すように、オプトトランジスターのコレクターピンまたはエミッターピンとそれぞれ直列に抵抗を追加することができます。

フォトトランジスタまたはフォトダイオードへの変換

以下に示すように、通常の6ピンDIPフォトカプラの出力フォトトランジスタは、フォトトランジスタのトランジスタのベースピン6をグランドに接続し、エミッタを未接続のままにするか、ピン6で短絡することにより、フォトダイオード出力に変換できます。。

この構成により、入力信号の立ち上がり時間が大幅に増加しますが、CTR値が0.2％まで大幅に低下します。

オプトカプラーデジタルインターフェース

フォトカプラは、さまざまな電源レベルで動作するデジタル信号インターフェイスに関して優れています。

オプトカプラーは、同一のTTL、ECL、またはCMOSファミリー間、および同様にこれらのチップファミリー間でデジタルICをインターフェースするために使用できます。

パーソナルコンピュータやマイクロコントローラを他のメインフレームコンピュータ、またはモーターなどの負荷と接続する場合、オプトカプラーもお気に入りです。リレー、ソレノイド、ランプなど。以下に示す図は、TTL回路を備えたオプトカプラーのインターフェース図を示しています。

TTLICとオプトカプラーのインターフェース

ここでは、フォトカプラのIREDが、TTL出力とグランドの間にある通常の方法ではなく、+ 5VとTTLゲート出力の間に接続されていることがわかります。

これは、TTLゲートが非常に低い出力電流（約400 uA）を生成するように定格されているが、かなり高いレート（16 mA）で電流をシンクするように指定されているためです。したがって、上記の接続により、TTLが低い場合は常にIREDの最適な起動電流が可能になります。ただし、これは出力応答が反転することも意味します。

TTLゲート出力に存在するもう1つの欠点は、その出力がHIGHまたはロジック1の場合、約2.5 Vレベルを生成する可能性があることです。これは、IREDを完全にオフにするのに十分でない場合があります。 IREDの完全なスイッチオフを有効にするには、少なくとも4.5Vまたは5Vである必要があります。

この問題を修正するために、R3が含まれています。これにより、2.5 VでもTTLゲート出力がHIGHになると、IREDが完全にシャットオフします。

フォトカプラのコレクタ出力ピンは、TTLICの入力とグランドの間に接続されていることがわかります。ゲート出力で正しい論理0を有効にするには、TTLゲート入力を1.6mAで少なくとも0.8V未満に適切に接地する必要があるため、これは重要です。上図に示す設定では、出力で非反転応答が可能であることに注意する必要があります。

CMOSICとオプトカプラーのインターフェース

TTLの対応物とは異なり、CMOS IC出力には、問題なく最大数mAまで十分な電流の大きさをソースおよびシンクする機能があります。

したがって、これらのICは、以下に示すように、シンクモードまたはソースモードのいずれかでフォトカプラIREDと簡単にインターフェイスできます。

入力側でどちらの構成を選択しても、出力側のR2は、CMOSゲート出力でロジック0と1の状態の間で完全な出力電圧スイングを可能にするのに十分な大きさである必要があります。

“NICカードとは ”

ArduinoマイクロコントローラーとBJTをオプトカプラーとインターフェースする

上の図はマイクロコントローラーまたはArduinoのインターフェース方法オプトカプラーとBJTステージを介した比較的高い電流負荷の出力信号（5ボルト、5mA）。

ArduinoのHIGH + 5Vロジックでは、フォトカプラIREDとフォトトランジスタの両方がオフのままになります。これにより、Q1、Q2、および負荷モーターをオンのままにすることができます。

これで、Arduino出力がローになるとすぐに、オプトカプラーIREDがアクティブになり、フォトトランジスターがオンになります。これにより、Q1のベースバイアスが瞬時に接地され、Q1、Q2、およびモーターがオフになります。

アナログ信号とオプトカプラーのインターフェース

オプトカプラーは、IREDを流れるしきい値電流を決定し、適用されたアナログ信号で変調することにより、2つの回路ステージ間でアナログ信号をインターフェースするためにも効果的に使用できます。

次の図は、この手法をアナログオーディオ信号の結合にどのように適用できるかを示しています。

オペアンプIC2は、ユニティゲイン電圧フォロワ回路のように構成されています。オプトカプラーのIREDは、負帰還ループに装備されているのがわかります。

このループにより、R3の両端の電圧（したがってIREDを流れる電流）が正確に追従するか、非反転入力ピンであるオペアンプのピン＃3に印加される電圧を追跡します。

このピン3は、R1、R2分圧器ネットワークを介して電源電圧の半分に設定されたオペアンプです。これにより、ピン3をAC信号で変調することができます。これは、オーディオ信号であり、このオーディオまたは変調アナログ信号に従ってIRED照明を変化させます。

IRED電流の静止電流またはアイドル電流引き込みは、R3を介して1〜2mAで達成されます。

フォトカプラの出力側では、静止電流はフォトトランジスタによって決定されます。この電流は、ポテンショメータR4の両端に電圧を発生させます。ポテンショメータの値は、電源電圧の半分に等しい静止出力を生成するように調整する必要があります。

トラッキング変調されたオーディオ出力信号の等価物は、ポテンショメータR4全体で抽出され、C2を介して分離されてさらに処理されます。

トライアックとオプトカプラーのインターフェース

オプトカプラーは、低DC制御回路と高ACメインベースのトライアック制御回路の間に完全に絶縁された結合を作成するために理想的に使用できます。

DC入力のアース側を適切なアース線に接続しておくことをお勧めします。

完全なセットアップは、次の図で確認できます。

上記の設計は、隔離されたものに使用できます主電源ACランプの制御、ヒーター、モーターおよび他の同様の負荷。この回路はゼロ交差制御のセットアップではありません。つまり、入力トリガーにより、AC波形の任意のポイントでトライアックが切り替わります。

“8ビットキャリーリップル加算器 ”

ここで、R2、D1、D2、およびC1によって形成されるネットワークは、ACライン入力から得られる10Vの電位差を作成します。この電圧はトライアックのトリガースイッチS1を閉じることにより入力側がオンになるたびにQ1を介して。つまり、S1が開いている限り、Q1のベースバイアスがゼロであるため、フォトカプラはオフになり、トライアックはオフになります。

S1が閉じられると、IREDがアクティブになり、Q1がオンになります。その後、Q1は10 V DCをトライアックのゲートに接続します。このゲートはトライアックをオンにし、最終的には接続された負荷もオンにします。

上記の次の回路は、シリコンモノリシックゼロ電圧スイッチCA3059 / CA3079を使用して設計されています。この回路により、トライアックは同期的にトリガーできます。ゼロ電圧交差 ACサイクル波形の。

S1が押されると、オペアンプは、トライアック入力ACサイクルがゼロ交差線の近くで数mVに近い場合にのみそれに応答します。 ACがゼロ交差ラインの近くにないときに入力トリガーが行われると、オペアンプは波形がゼロ交差に達するまで待機し、ピン4から正論理を介してトライアックをトリガーします。

このゼロクロッシングスイッチング機能は、ACがより高いピークにあるときではなく、ゼロクロッシングレベルでターンオンが行われるため、突然の巨大な電流サージとスパイクから接続を保護します。

これにより、不要なRFノイズや電力線の障害も排除されます。このオプトカプラートライアックベースのゼロクロッシングスイッチは、SSRまたはソリッドステートリレー。

PhotoSCRおよびPhotoTriacsオプトカプラーアプリケーション

photoSCRおよびフォトトライアック出力の形で光検出器を備えたフォトカプラは、一般に、より低い出力電流で定格が定められています。

ただし、他のオプトカプラーデバイスとは異なり、optoTriacまたはoptoSCRは、定格RMS値よりもはるかに高いサージ電流処理容量（パルス）を備えています。

SCRオプトカプラーの場合、サージ電流の仕様は最大5アンペアになる可能性がありますが、これは100マイクロ秒のパルス幅と1％以下のデューティサイクルの形式にすることができます。

トライアックオプトカプラーの場合、サージ仕様は1.2アンペアである可能性があり、最大デューティサイクルが10％の10マイクロ秒パルスの間だけ持続する必要があります。

次の画像は、トライアックオプトカプラーを使用したいくつかのアプリケーション回路を示しています。

最初の図では、ACラインから直接ランプをアクティブにするように構成されたphotoTriacを見ることができます。ここでは、フォトカプラを安全に動作させるために、電球の定格を100 mA RMS未満、ピーク突入電流比を1.2アンペア未満にする必要があります。

2番目の設計は、スレーブトライアックをトリガーし、その後、任意の優先電力定格に従って負荷をアクティブ化するようにphotoTriacオプトカプラーを構成する方法を示しています。この回路は、白熱灯やヒーターエレメントなどの抵抗性負荷でのみ使用することをお勧めします。

上の3番目の図は、上の2つの回路をどのように変更できるかを示しています。誘導性負荷の処理モーターのように。この回路は、トライアックのゲートドライブネットワークで位相シフトを生成するR2、C1、およびR3で構成されています。

これにより、トライアックは正しいトリガーアクションを実行できます。抵抗R4とC2は、誘導性逆起電力によるサージスパイクを抑制および制御するためのスナバネットワークとして導入されています。

上記のすべてのアプリケーションで、トライアック光検出器を適切にトリガーするために、IREDに少なくとも20mAの順方向電流が供給されるようにR1の寸法を決定する必要があります。

スピードカウンターまたはRPM検出器アプリケーション

上の図は、速度カウンターまたはRPM測定アプリケーションに使用できるいくつかの独自のカスタマイズされたオプトカプラーモジュールを説明しています。

最初の概念は、カスタマイズされたスロット付きカプラー-インタラプタアセンブリを示しています。 IREDとフォトトランジスタの間にエアギャップの形のスロットが配置されていることがわかります。フォトトランジスタは、エアギャップスロットを挟んで向かい合った別々のボックスに取り付けられています。

通常、赤外線信号は、モジュールに電力が供給されている間、ブロックされることなくスロットを通過できます。赤外線信号は、その経路に不透明なオブジェクトを配置することで完全にブロックできることがわかっています。説明したアプリケーションでは、ホイールスポークなどの障害物がスロットを通過できる場合、IR信号の通過が中断されます。

これらはその後、フォトトランジスタ端子の出力全体でクロック周波数に変換されます。この出力クロック周波数はホイールの速度によって異なり、必要な測定のために処理できます。。

示されたスロットの幅は3mm（0.12インチ）である可能性があります。モジュール内で使用されるフォトトランジスタには、「オープン」状態で約10％の最小CTRで指定する必要があります。

モジュールは実際にはのレプリカです標準のフォトカプラ埋め込まれたIRとフォトトランジスターを持っている唯一の違いは、ここではこれらが別々のボックス内に個別に組み立てられ、エアギャップスロットがそれらを分離していることです。

上記の最初のモジュールは、回転を測定するため、または回転カウンターのように使用できます。ホイールタブがオプトカプラーのスロットを横切るたびに、フォトトランジスターがオフになり、シングルカウントが生成されます。

添付の2番目の設計は、反射IR信号に応答するように設計されたオプトカプラーモジュールを示しています。

IREDとフォトトランジスタはモジュール内の別々のコンパートメントに取り付けられているため、通常はお互いを「見る」ことができません。ただし、2つのデバイスは、5 mm（0.2インチ）離れた共通の焦点角度を共有するように取り付けられています。

これにより、インタラプタモジュールは、薄いスロットに挿入できない近くの移動物体を検出できます。このタイプのリフレクターオプトモジュールは、コンベヤーベルト上の大きな物体またはフィードチューブを滑り落ちる物体の通過をカウントするために使用できます。

上の2番目の図では、モジュールが回転カウンターとして適用されており、回転ディスクの反対側の表面に取り付けられたミラーリフレクターを介してIREDとフォトトランジスタ間の反射IR信号を検出しています。

オプトカプラーモジュールと回転ディスクの間の間隔は、エミッター検出器ペアの5mmの焦点距離に等しくなります。

ホイールの反射面は、メタリックペイントやテープ、またはガラスを使用して作成できます。これらのカスタマイズされたディスクリートオプトカプラーモジュールは、エンジンシャフト速度カウント、およびエンジンシャフトRPMまたは1分あたりの回転数の測定など。上記で説明したフォトインタラプタおよびフォトリフレクタの概念は、出力回路構成仕様に従って、フォトダーリントン、photoSCR、およびフォトトライアックデバイスなどの任意のオプト検出器デバイスを使用して構築できます。