オプトカプラーとは：仕組みなど

オプトカプラーとは、PCB設計者、エンジニア、または趣味家として、PCBをカスタマイズするためのさまざまなスイッチ、リレー、およびカプラーがあります。市場に出回っているすべてのPCBコンポーネントとオプションがあるため、プロジェクトに最適なものを決定するのは困難です。

たとえば、フォトカプラが何をするのか、他のリレーとどのように違うのか疑問に思われるかもしれません。これは、次のガイドが解明したいと望んでいることです。その中で、オプトカプラー、そのさまざまなタイプ、およびそれがあなたとあなたのプロジェクトにどのように役立つかを探ります。

オプトカプラーとは

オプトカプラーには多くの名前があります。あなたはそれをオプトアイソレーター、フォトカプラー、オプティカルカプラー、オプティカルアイソレーター、または単にオプトカプラーと呼ぶかもしれません。一部の人々はそれらをオプションと呼ぶことさえあります。それにもかかわらず、オプトカプラーは統合された電子部品です。一般的に、最も基本的なタイプは、4つのピンを備えた長方形のボディで構成されています。各ピンはサブコンポーネントです。最初のピンはアノードです 、2番目はカソードです 、3番目はコレクター、 4番目はエミッターです 。

LTV-8161チャンネルオプトアイソレータ

出典：ウィキメディアコモンズ

さらに、最初のピンの近くの本体の角に円形のくぼみがあります。これにより、さまざまなピンを識別できます。本文には、フォトカプラの部品番号が記載されたテキストも含まれています。したがって、これを使用してオプトカプラーのタイプを識別し、メーカーのデータシートも検索します。

それにもかかわらず、オプトカプラーは本質的に、2つの別々の電子回路を相互接続するソリッドステートリレーです。最初の回路は最初の2つのピン（ピン1と2）に接続し、2番目の回路は最後の2つのピン（ピン3と4）に接続します。これにより、最初の回路が2番目の回路を制御できるようになります。

フォトカプラは見た目が良いため、集積回路/マイクロチップ（IC）と間違えやすいです。これは特にトライアックフォトカプラに当てはまります。

白い背景の電子マイクロチップ

オプトカプラーはどのように機能しますか？

フォトカプラを使用して、2つの絶縁された回路間で電子信号を転送できます。これは、そのより重要な属性の1つです。 1つの回路で電圧スパイクとノイズが発生する場合があります。回路を絶縁するオプトカプラーがないと、これらの混乱が2番目の回路に広がり、破壊を引き起こす可能性があります。オプトカプラーは、この損傷が両方の回路で発生するのを防ぎます。

さらに、オプトカプラーは、その半導体材料のために、電子が一方向にのみ流れることを許可します。その結果、これにより、2つの相互接続された回路が異なる電圧と電流を使用できるようになります。

さらに、デバイスの機能を拡張できます。これは主に、2つの別々の回路間のガルバニック絶縁を容易にする方法によるものです。たとえば、2回路構成では、最初の回路に干渉することなく、2番目の回路にトランジスタを追加できます。これにより、さらに大量の電圧と電流を制御できるようになります。さらに、電子部品を追加することで回路制御を自動化できる可能性があります。

オプトカプラーの構造

オプトカプラーには、さまざまなタイプと構成があります。ただし、わかりやすくするために、主にフォトトランジスタバージョンに焦点を当てます。

フォトトランジスタオプトカプラの回路図

出典：ウィキメディアコモンズ

上の図は、2つの回路を接続するフォトトランジスタを示しています。図のフォトトランジスタ部分を注意深く見ると、左側にLED記号があることがわかります。

LEDシンボルの画像

出典：ウィキメディアコモンズ

対照的に、右にトランジスタの記号があります：

トランジスタシンボルの画像

出典：ウィキメディアコモンズ

上記の図から、フォトトランジスタは通常のトランジスタの修正バージョンであることが簡単にわかります。さらに、トランジスタ側の（3番目と4番目の）端子をコレクタと呼ぶ理由を理解できます。 およびエミッター 。さらに、なぜ第1端子と第2端子をアノードと呼ぶのかがわかります。 およびカソード 。

トランジスタには通常3つの端子があります。ただし、ここには小さな違いがあります。通常のトランジスタ回路のベースピンがフォトトランジスタ回路から欠落しています。これは、フォトカプラのトランジスタの動作がわずかに異なるためです。ベースピンからの電子信号を使用する代わりに、オプトカプラーのトランジスターはLEDからの光を使用します。

LEDから光が当たってトランジスタに当たり、スイッチがオンになり、主電気回路に電流が流れます。それらは、単なる電気入力電流ではなく、光入力に反応します。オプトカプラーには、2つの一般的なトポロジーがあります。内部コンポーネントは、互いに重ねて配置することも、隣り合わせに配置することもできます。

オプトカプラートポロジー

出典：ウィキメディアコモンズ

フォトトランジスタの内部の仕組みはわかりませんが（半透明でない限り）、簡単な回路を使用して独自の動作を作成できます。このガイドのさらに下でそれを探求します。しかし、最初に、他のタイプのオプトカプラーを調べてみましょう。

オプトカプラータイプ

ピンセットの間に保持されたオプトカプラー。

トランジスタには6つの最も一般的なタイプがあります。それらは：

• 抵抗性オプトカプラー： これらは最も初期のオプトカプラーでした。白熱電球、ネオンランプ、GaAs赤外線LEDを光源として使用しています。さらに、トランジスタの材料に硫化カドミウムを使用しています。人々はまた、これらのタイプのオプトカプラーをバクトロールと呼びます。
  これらは古い感光性デバイスであるため、最新のオプトカプラーよりも少し低速です。その結果、これがそれらがほとんど時代遅れになっている理由です。
• ダイオードオプトカプラー： ダイオードオプトカプラーは、光源にガリウムヒ素赤外線LEDを使用し、受容体としてシリコンフォトダイオードを使用します。これにより、特にPINダイオードを使用する場合に、最速のタイプのオプトカプラーになります。
• トランジスタオプトカプラー： ダイオードオプトカプラーと同様に、光源としてGaAs赤外線LEDも使用します。ただし、センサーとしてバイポーラシリコンフォトトランジスタまたはダーリントンフォトトランジスタのいずれかを使用します。これにより、転送速度と応答時​​間が抵抗性オプトカプラーよりも速くなりますが、ダイオードオプトカプラーよりも遅くなります。
• オプトアイソレートSRC： 光絶縁SRCは、シリコン制御整流子とともに赤外線LEDを使用します。それらの転送速度は異なる場合があります。ただし、どの構成でも、ダイオードベースのオプトカプラーほど高速ではありません。それにもかかわらず、彼らはまだまともな応答時間と転送速度を持っています。
• オプトアイソレートトライアック： これらのタイプのオプトカプラーは、センサータイプとして交流用の三極真空管（TRIAC）を使用します。これは、光源としてのGaAs赤外線LEDに追加されます。転送速度は速くありませんが、電流転送率は非常に高くなっています。
• ソリッドステートリレー： ソリッドステートリレーは、GaAs赤外線LEDのスタックを光源として使用します。さらに、センサーとしてMOSFETのペアまたは単一のIGBTを駆動するフォトダイオードのスタックを使用します。それらは非常に高い転送速度と無制限の電流転送比を持つことができます。

簡単なフォトカプラ回路を作成する方法

PCBの前にあるピンセットの間に保持されたオプトカプラー

パーツリスト：

• 50〜100Kオームの光依存抵抗（LDR）
• 3V 0.02A白色発光ダイオード（LED）
• 2V 0.02A赤色発光ダイオード（LED）
• 9Vバッテリーx2
• 切り替え
• 300オーム抵抗
• 150オーム抵抗x2（または300オーム抵抗）

説明と手順：

赤色LEDとオプトカプラー

このシンプルなフォトカプラは、シンプルな光依存抵抗を使用しています。 （LDR）と白色LED。 LDRは、露光量に基づいて負荷抵抗を変化させます。したがって、暗闇の中で、それは非常に高い抵抗を持っています。逆に、明るい光にさらすと抵抗が弱くなります。この文脈では、それは私たちのフォトダイオードとして機能します。

一次回路では、電圧降下が3ボルトで、0.02アンペアを使用する白色LEDが必要になります。次に、9V電池を電源とし、スイッチで回路を制御します。白色LEDライトには3ボルトの電流が必要なため、6ボルトの電圧降下の抵抗が必要になります。したがって、抵抗には300オームの抵抗（（9V – 3V）÷0.02A）が必要です。

したがって、一次回路は、スイッチ、抵抗、および白色LEDライトに確実に接続するバッテリーで構成されます。ブレッドボードまたはワイヤーを使用してコンポーネントを接続できます。全体として、これは私たちの制御回路として機能します。

二次回路には、電圧降下が2ボルト、電流が0.02アンペアの赤色LEDがあります。

回路が機能していることを示すインジケーターとして使用します。さらに、LDRをこの回路に接続します。明らかに、LDRは白色LEDライトに隣接して配置する必要があります。

LDRは、LEDからの光にさらされたときに、約70オームの抵抗を提供します。 LDRを赤いLEDに接続する必要があります。二次回路に電力を供給するために、別の9ボルト電池を使用します。繰り返しになりますが、LEDが効果的に機能するように、電圧を下げるための抵抗が必要になります。 150オームの抵抗を2つ使用することをお勧めします。ただし、1つの300オーム抵抗でも問題ありません。

それでも、回路の構築が完了したら、LDRと白色LEDの周りに黒いテープを巻く必要があります。それらを接続していることを確認する必要があります。これにより、部屋の周囲の光が遮られます。または、完全に暗い部屋で回路をテストすることもできます。

一次回路（入力回路）ボタンを押すと、白色LEDが点灯します。次に、LDRに光を当て、出力回路の赤いLEDをオンにします。白色LEDからの光は、スイッチの電気信号のように機能します。このプロジェクトは、フォトカプラの内部動作を説明するのに十分なほど単純です。ただし、受信機と一緒に赤外線エミッターを実装することで改善できます。このプロジェクトでは、可視光の代わりに赤外線を使用します。

オプトカプラーアプリケーション

IC、コンデンサ、オプトカプラー、その他の半導体を備えた小さなPCBアセンブリ

オプトカプラーがどのように機能するかを理解したので、オプトカプラーをどこに適用できるかを探ることができます。単純な光活性化スイッチとしてオプトカプラーを使用できます。しかし、どの電子機器やデバイスが彼らに最も適しているでしょうか？フォトカプラを使用できる場所のリストは次のとおりです。

• ソレノイドコントロール
• モーター制御
• 白熱灯調光スイ​​ッチ
• マイクロプロセッサ
• ランプバラスト
• AC検出
• 電圧分離
• 電磁スイッチ
• マイクロコントローラー

オプトカプラーの利点

フォトカプラのセット

電気機械式リレーやスイッチの代わりにオプトカプラーを使用したいのはなぜですか？利点のほんの一部を次に示します。

• 電気信号の一方向の伝達を容易にします
• オプトカプラーは、干渉に対して耐性を持たせることで、プロジェクトの信頼性を高めます
• 複数の回路間の電気的絶縁を容易にすることができます
• オプトカプラーはプロジェクトの入力セクションと出力セクションを分離できるため、トラブルシューティングが容易になります
• 回路の入力セクションの外部出力信号を減らします
• オプトカプラーを使用すると、小さなデジタル信号を使用して大きなAC回路を制御できます
• 2つの別々の回路間でアナログ信号を転送できます
• 高電圧コンポーネントを低電圧デバイスとインターフェースさせることができます
• オプトカプラーは、信号からの電気的ノイズを低減または完全に排除するのに役立ちます
• 電源のスパイク、電圧サージ、落雷に対してより耐性のある電子デバイスを設計および構築できます

結論

上記のテキストでは、オプトカプラーに関するわかりやすく詳細なガイドを提供しました。ガイドのこのセクションに到達すると、オプトカプラーについてより深く理解できます。それでも、このガイドがお役に立てば幸いです。いつものように、読んでいただきありがとうございます。