オプトカプラの基礎：機能、種類、実用的な応用

PCB設計者、エンジニア、ホビイストの皆さんは、スイッチ、リレー、カプラなど多様なコンポーネントを使ってPCBをカスタマイズできます。市場には数多くの選択肢があるため、どの部品がプロジェクトに最適か判断するのは容易ではありません。

例えば、「オプトカプラは何をするのか？他のリレーとどう違うのか？」と疑問に思うことでしょう。このガイドでは、オプトカプラの仕組み、種類、そしてプロジェクトへのメリットをわかりやすく解説します。

オプトカプラとは

オプトカプラは「オプトアイソレータ」「フォトカプラ」「光カプラ」「光アイソレータ」など様々な名称で呼ばれます。基本構造は4ピンの長方形パッケージで、ピン1がアノード、ピン2がカソード、ピン3がコレクタ、ピン4がエミッタです。

LTV-816 1チャネルオプトアイソレータ

出典：Wikimedia Commons

パッケージの角にある円形の切り欠きはピン1の位置を示し、部品番号が印刷されているためデータシートで詳細仕様を確認できます。

オプトカプラは本質的にソリッドステートリレーであり、2つの独立した電子回路を接続します。第1回路をピン1-2に、第2回路をピン3-4に接続することで、第1回路が第2回路を制御可能になります。見た目がIC（マイクロチップ）に似ているため、特にTRIACタイプでは混同されやすい点に注意が必要です。

電子マイクロチップ

オプトカプラの動作原理

オプトカプラの最大の特長は、2つの絶縁された回路間で電気信号を伝達できる点です。片方の回路で電圧スパイクやノイズが発生しても、オプトカプラが絶縁しているため、もう片方の回路へ悪影響が及ぶのを防止します。

また、半導体材料の特性により電子は一方向にのみ流れるため、異なる電圧・電流レベルの回路を接続できます。このガルバニック絶縁により、トランジスタを第2回路に追加しても第1回路に影響せず、より高電圧・大電流の制御や自動化が可能になります。

オプトカプラの内部構造（フォトトランジスタ型）

種類は多岐にわたりますが、最も一般的なフォトトランジスタ型で解説します。

フォトトランジスタオプトカプラ回路図

出典：Wikimedia Commons

内部にはLED（発光側）とフォトトランジスタ（受光側）が対向配置されています。通常のトランジスタにはベース端子がありますが、フォトトランジスタではベースがなく、代わりにLEDの光がベースの役割を果たします。光がトランジスタに当たり導通させることで、出力側の電流を制御します。

オプトカプラのトポロジー（縦型・横型）

出典：Wikimedia Commons

内部構造は縦積み型と横並び型の2トポロジーがあります。透明パッケージでない限り内部は見えませんが、簡易実験で原理を確認できます（後述）。

主なオプトカプラの種類

ピンセットで持たれたオプトカプラ

代表的な6種類を紹介します：

抵抗型オプトカプラ（バクトロール）：白熱電球・ネオンランプ・GaAs赤外LEDを光源、硫化カドミウムを受光素子とする初期型。応答が遅く、現在はほぼ絶滅。
ダイオード型オプトカプラ：GaAs赤外LEDとシリコンフォトダイオード（特にPINダイオード）の組み合わせ。最速の応答速度を誇る。
トランジスタ型オプトカプラ：GaAs赤外LEDとバイポーラ/ダーリントンフォトトランジスタの組み合わせ。抵抗型より高速、ダイオード型より低速。
オプトアイソレートSCR：赤外LEDとサイリスタ（SCR）の組み合わせ。転送速度は可変だがダイオード型ほど速くはない。
オプトアイソレートTRIAC：赤外LEDとTRIACの組み合わせ。転送速度は遅いが、電流転送比（CTR）が非常に高い。
ソリッドステートリレー（SSR）：複数の赤外LEDとフォトダイオードアレイでMOSFETやIGBTを駆動。高速転送と無制限に近いCTRを実現。