EL121Nシリーズ フォトカプラ データシート - 4ピンSOPパッケージ - 2.0mmロープロファイル - 絶縁耐圧3750Vrms - CTR 50-400% - 技術文書

1. 製品概要

EL121Nシリーズは、信号の絶縁および伝送のために設計された赤外線光電子部品のファミリーです。その中核は、ガリウムヒ素赤外発光ダイオード（IRED）と、シリコンNPNフォトトランジスタが光学的に結合された構造で、コンパクトな表面実装型4ピン小型アウトライン・パッケージ（SOP）内に収められています。主な機能は、2つの回路間で電気信号を伝達しながら高い電気的絶縁を維持し、ノイズ、グランドループ、電圧スパイクが一方から他方へ伝播するのを防止することです。

本デバイスは、限られたスペースで信頼性の高い絶縁を必要とするアプリケーション向けに設計されています。2.0mmのロープロファイルは、現代の高密度プリント基板（PCB）設計に適しています。このシリーズの背後にある重要な設計思想は、ハロゲンフリー、鉛フリー（Pbフリー）、RoHSおよびEU REACH指令への適合を含む、世界的な環境および安全基準への準拠です。さらに、UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKOといった重要な国際安全認証を取得しており、世界中の商業および産業機器での使用における信頼性と適合性を裏付けています。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のある応力限界を定義します。これらの限界以下または限界での動作は保証されません。

• 入力（LED側）：順方向電流（I_F）は、連続50mAと定格されています。1マイクロ秒間の短時間ピーク順方向電流（I_FP）1Aが許容されており、これはパルス動作に関連します。最大逆電圧（V_R）は6Vで、適切な極性保護の必要性を強調しています。
• 出力（トランジスタ側）：コレクタ電流（I_C）は50mAと定格されています。コレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）は80Vですが、エミッタ-コレクタ間電圧（V_ECO）はわずか7Vであり、フォトトランジスタの降伏特性の非対称性を示しています。
• 電力および熱特性：デバイス全体の電力損失（P_TOT）は200mWです。個別のデレーティング係数が提供されています：周囲温度100°C以上での入力（LED）側は2.9 mW/°C、周囲温度70°C以上での出力（トランジスタ）側は3.7 mW/°Cです。これは高温環境での熱管理に重要です。
• 絶縁および環境特性：絶縁電圧（V_ISO）は、ピン1-2を互いに短絡し、ピン3-4を互いに短絡した状態で試験した場合、1分間3750 V_rmsです。動作温度範囲は-55°Cから+110°C、保管温度範囲は-55°Cから+125°Cです。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、通常動作条件下（特に記載がない限りTa=25°C）でのデバイスの性能を定義します。

• 入力特性：順方向電圧（V_F）は、試験電流20mAで典型的に1.2V、最大1.4Vです。この低電圧は、低電力ロジックインターフェース回路に有利です。逆方向リーク電流（I_R）は、4Vで最大10µAです。
• 出力特性：コレクタ-エミッタ間暗電流（I_CEO）、すなわちLEDがオフの状態でのリーク電流は、V_CE=20Vで最大100nAです。降伏電圧（BV_CEO=80V,BV_ECO=7V）は定格を確認しています。
• 伝達特性：これはデバイス仕様の核心です。
  • 電流伝達率（CTR）：これは、出力コレクタ電流と入力LED順方向電流の比率で、パーセンテージで表されます。EL121Nシリーズはグレーディング/ビニングシステム:
    • を提供します： EL121N（標準）：I_F=5mA、V_CE=5VでのCTR範囲は50%から400%。
    • EL121N B：より狭い範囲の130%から260%。
    • EL121N C：高性能の200%から400%。
    • EL121N BC：130%から400%をカバーする広い範囲。
    このビニングにより、設計者は必要な利得と一貫性に基づいて部品を選択し、回路性能とコストを最適化できます。
  • 飽和電圧（V_CE(sat)）：I_F=20mAで駆動し、I_C=1mAで負荷した場合、典型的に0.1V（最大0.2V）。この低い値は、デジタルスイッチング用途に優れており、電圧損失を最小限に抑えます。
  • 絶縁抵抗（R_IO）：最小5 x 10¹⁰Ωで、非常に高い直流絶縁抵抗を示しています。
  • スイッチング速度：立ち上がり時間（t_r）は、指定された試験条件（Vt_f=2V、I_CE=2mA、R_C=100Ω）下で、典型的に6µs（最大18µs）、立ち下がり時間（_L）は典型的に8µs（最大18µs）です。これは、中速デジタル信号伝送のためのデバイスの能力を定義します。

3. 性能曲線分析

データシートには代表的な電気光学特性曲線が参照されています。具体的なグラフはテキストでは再現されていませんが、設計に不可欠な以下の関係が通常含まれます：

• CTR vs. 順方向電流（I_F）：CTRは一定ではなく、一般にI_Fが増加すると減少します。設計者は、LEDを過駆動せずに所望の利得を提供する動作点を選択するために、この曲線を参照する必要があります。
• CTR vs. 周囲温度（T_a）：フォトカプラのCTRは負の温度係数を持ち、温度が上昇すると減少します。この曲線は、意図した動作温度範囲で回路の安定性を確保するために不可欠です。
• コレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ間電圧（I_C-V_CE）：これらの出力特性曲線は、フォトトランジスタが線形（能動）領域と飽和領域で動作する様子を示しており、標準的なバイポーラトランジスタに似ていますが、ベース電流の代わりにI_Fが制御パラメータとなります。
• 順方向電圧 vs. 順方向電流（V_F-I_F）：このLED特性は、電流制限駆動回路を設計する上で重要です。

データシートの図10は、抵抗負荷（Rt_on, t_off, t_r, t_f）と定義された入力パルスを使用して、スイッチング時間（_L）を測定するための標準試験回路と波形定義を提供しています。

4. 機械的仕様、パッケージ、実装情報

4.1 ピン配置とパッケージ寸法

4ピンSOPパッケージのピン配置は明確です： 1. 赤外LEDのアノード（A） 2. 赤外LEDのカソード（K） 3. フォトトランジスタのエミッタ（E） 4. フォトトランジスタのコレクタ（C）

1. 赤外LEDのアノード（A）
2. 赤外LEDのカソード（K）
3. フォトトランジスタのエミッタ（E）
4. フォトトランジスタのコレクタ（C）

パッケージ図には、本体サイズ、リード間隔、全高を含む正確な寸法が記載されており、2.0mmのプロファイルを確認できます。信頼性の高いはんだ付けと表面実装時の機械的安定性を確保するために、推奨PCBランドパターン（パッドレイアウト）も提供されています。

4.2 はんだ付けおよび実装ガイドライン

本デバイスは、最大はんだ付け温度（T_SOL）260°Cで10秒間の定格です。さらに、IPC/JEDEC J-STD-020Dに準拠した詳細なリフローはんだ付けプロファイルが提供されています。このプロファイルの主要なパラメータは以下の通りです：

• プリヒート：60-120秒かけて150°Cから200°C。
• 液相線温度以上（217°C）の時間：60-100秒。
• ピーク温度：最大260°C。
• ピーク温度±5°C以内の時間：最大30秒。
• 最大リフロー回数：3回。

このプロファイルに従うことは、パッケージのクラック、デラミネーション、または内部ダイとワイヤボンドへの損傷を防ぐために不可欠です。

5. 発注、梱包、マーキング

5.1 型番体系

型番は以下の形式に従います：EL121N(X)(Y)-V

• EL121N：基本デバイス番号。
• X：CTRランク（B、C、BC、または標準グレードの場合は空白）。
• Y：テープおよびリールオプション（給送方向が異なるTAまたはTB）。
• -V：VDE認証を含むことを示すオプションの接尾辞。

例：EL121NBC-TA、EL121NC-TB-V。

5.2 梱包仕様

デバイスは自動実装用にテープおよびリールで供給されます。テープ寸法（幅、ポケットサイズ、ピッチ）およびリール仕様が詳細に提供されています。TAおよびTBオプションはともに、リールあたり3000個です。

5.3 デバイスマーキング

各デバイスの上面には、レーザーまたはインクでコードがマーキングされています：EL 121N RYWWV

• EL：メーカーコード。
• 121N：デバイス番号。
• R：CTRランクコード（例：BまたはC）。
• Y：1桁の年コード。
• WW：2桁の週コード。
• V：VDE認証マークの有無。

このマーキングにより、デバイスタイプのトレーサビリティと検証が可能です。

6. アプリケーションノートと設計上の考慮点

6.1 代表的な用途

EL121Nシリーズは、幅広い絶縁およびインターフェースのニーズに適しています：

• スイッチング電源（SMPS）：DC-DCコンバータでのフィードバック絶縁を提供し、一次側からの安全絶縁を維持しながら出力電圧を調整するために重要です。
• 産業制御システム：低電圧ロジックコントローラ（PLC）と高電圧/電流の産業用アクチュエータまたはセンサ間のインターフェースとして、グランドループノイズを防止します。
• 通信機器：モデム、ルータ、またはラインカードインターフェースでの信号線の絶縁または電気的絶縁を提供します。
• 一般的な回路絶縁：異なるグランド電位またはインピーダンスを持つ回路間での信号伝送を必要とするあらゆるアプリケーション。

6.2 重要な設計上の考慮点

• CTRの劣化：フォトカプラのCTRは、特に高LED電流および高温で動作させた場合、時間の経過とともに劣化する可能性があります。LED電流をデレーティングし、必要最小限を十分に上回る初期CTRを持つ部品を選択することで、寿命マージンを確保します。
• 速度と電流のトレードオフ：スイッチング速度は、より高いLED駆動電流で向上しますが、より高い電力消費と潜在的な加速老化の代償を伴います。試験条件（I_F=10mA typ.）は基準を与えます；より高速な場合は、より高いI_Fが必要になる場合があります。
• 負荷抵抗の選択：負荷抵抗（R_L、コレクタ側）の値は、スイッチング速度と出力電圧スイングの両方に影響します。より小さいR_Lは速度を向上させますが、利得と出力電圧範囲を減少させます。
• ノイズ耐性：デジタル用途では、受信回路を設計してフォトトランジスタのオン状態とオフ状態を明確に区別できるようにすることで、十分なノイズマージンを確保することが重要です。
• 絶縁沿面距離および空間距離：PCBレイアウトを設計する際は、入力側と出力側のトレース間に指定された沿面距離および空間距離（3750V_rms定格によって暗示される）を維持し、絶縁の完全性を保ちます。

7. 技術比較と市場での位置付け

フォトトランジスタ出力フォトカプラ市場において、EL121Nシリーズはいくつかの主要な属性を通じて自らの位置を確立しています：

• パッケージ：4ピンSOPは、従来の4ピンDIPパッケージよりもコンパクトなフットプリントを提供し、超小型4ピンパッケージよりも取り扱いやすくはんだ付けしやすいため、サイズと製造性のバランスを取っています。
• CTRビニング：複数の明確に定義されたCTRグレード（B、C、BC）を提供することは、汎用部品では必ずしも利用できない柔軟性を提供し、最適化された設計を可能にします。
• 包括的な認証：UL、cUL、VDE、および北欧のSEMKO/NEMKO/DEMKO/FIMKO認証を単一の部品に集約することで、厳格な安全要件を持つ世界市場を対象とした製品の部品選択プロセスを簡素化します。
• 性能バランス：最大400%のCTR、0.2V以下の飽和電圧、マイクロ秒範囲のスイッチング時間により、単純なオン/オフ信号からPWMフィードバックまで、幅広いアナログおよびデジタル絶縁タスクに適したバランスの取れた性能を提供します。

8. よくある質問 (FAQ)

8.1 TAとTBのテープオプションの違いは何ですか？

主な違いは、リールからの給送方向です。TAとTBでは、キャリアテープ上のコンポーネントポケットの向きが異なります。設計者は、特定のピックアンドプレースマシンのフィーダーシステムが必要とする向きに基づいて、正しいオプションを指定する必要があります。どちらも3000個入りです。

8.2 B、C、BCのCTRグレードはどのように選択すればよいですか？

回路の利得要件と一貫性の必要性に基づいて選択してください。

• 高感度が必要なアプリケーション、または駆動回路が低いLED電流しか供給できないアプリケーションには、グレードC（200-400%）を使用してください。
• 適度で厳密に制御された利得が、すべてのユニットで予測可能な性能のために必要なアプリケーションには、グレードB（130-260%）を使用してください。
• 回路設計がCTRの広い変動を許容できる（フィードバックの使用や重要度の低い信号レベルによる）コスト重視のアプリケーションには、標準（50-400%）またはBC（130-400%）グレードを使用してください。

8.3 このデバイスはアナログ信号絶縁に使用できますか？

はい、ただし重要な注意点があります。フォトトランジスタの非線形性、CTRの温度依存性、および固有のデバイス間ばらつきにより、専用のリニアフォトカプラ（フォトダイオードとオペアンプを含む）と比較して、高精度アナログ絶縁には理想的ではありません。低精度のアナログ信号、または外部線形化および温度補償を採用した回路では、効果的に使用できます。

8.4 絶縁耐圧試験（ピン1-2を3-4に短絡）の目的は何ですか？

この試験は、パッケージの入力（LED）部と出力（フォトトランジスタ）部の間の内部絶縁バリアの完全性を検証します。各側のピンを短絡することで、試験電圧が絶縁境界全体に印加され、モールドコンパウンド内またはリードフレームに沿った潜在的な絶縁破壊経路がないかチェックします。