6ピンDIPフォトダーリントン・フォトカプラ データシート - TIL113, 4NXX, H11BXシリーズ - 絶縁耐圧5000Vrms

1. 製品概要

TIL113、4NXX、H11BXシリーズは、フォトダーリントン・フォトカプラ（光アイソレータ）のファミリーです。各デバイスは、赤外発光ダイオード（LED）と光学的に結合されたフォトダーリントン・トランジスタ検出器で構成されています。この構成により高い電流伝達率（CTR）が得られ、低電流の制御信号と高電流の負荷とのインターフェースに適しています。デバイスはコンパクトな6ピンDIP（デュアル・インライン・パッケージ）に収められており、標準スルーホール実装、広リード間隔、表面実装技術（SMD）のオプションがあります。本シリーズの中核的な利点は、入力回路と出力回路間の高い電気的絶縁（5000 V_rms）であり、異なるグランド電位を持つシステムにおける安全性とノイズ耐性にとって極めて重要です。

2. 主な特徴と認証

本シリーズは、過酷なアプリケーションにおける堅牢で信頼性の高い動作のために、いくつかの重要な特徴を提供します。5000 V_rmsの高絶縁耐圧と7.62 mmを超える沿面距離は、高電圧環境での安全な動作を保証します。これらのデバイスは、+110°Cまでの広い動作温度範囲に対応しています。さらに、本製品シリーズは、UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQC認証を含む主要な国際安全・環境規格に準拠しています。デバイスはEU REACH規則にも準拠しており、RoHS準拠版も用意されています。

3. 用途

これらのフォトカプラは、電気的絶縁と信号結合が必要とされる幅広いアプリケーション向けに設計されています。典型的な用途は以下の通りです：

• 低電力ロジック回路のインターフェースとレベルシフト。
• 信号絶縁のための通信機器。
• 携帯型およびバッテリー駆動の電子機器。
• 産業用制御システム、電源装置、測定機器など、異なる電位やインピーダンスで動作するインターフェースおよび結合システム。

4. ピン配置と回路図

デバイスは標準的な6ピンDIP構成を使用します。ピン配置は以下の通りです：

• ピン1: 入力LEDのアノード。
• ピン2: 入力LEDのカソード。
• ピン3: 未接続 (NC)。
• ピン4: 出力フォトダーリントン・トランジスタのエミッタ。
• ピン5: 出力フォトダーリントン・トランジスタのコレクタ。
• ピン6: 出力フォトダーリントン・トランジスタのベース（通常はオープンまたはスピードアップ回路用に接続）。

内部回路図は、ピン1と2の間に接続された赤外LEDと、ピン4（エミッタ）、5（コレクタ）、6（ベース）の間に接続されたフォトダーリントン・トランジスタを示しています。

5. 絶対最大定格

これらの限界を超えるストレスは、デバイスに永久的な損傷を与える可能性があります。特に断りのない限り、すべての定格は周囲温度（T_a）25°Cで規定されています。

• 入力 (LED):順方向電流 (I_F): 60 mA; ピーク順方向電流 (I_FP, 1µsパルス): 1 A; 逆電圧 (V_R): 6 V; 消費電力 (P_D): 120 mW (T_a= 100°C以上では3.8 mW/°Cで減額が必要)。
• 出力 (トランジスタ):消費電力 (P_C): 150 mW (T_a= 80°C以上では6.5 mW/°Cで減額が必要); コレクタ-エミッタ間電圧 (V_CEO): 55 V; コレクタ-ベース間電圧 (V_CBO): 55 V; エミッタ-コレクタ間電圧 (V_ECO): 7 V; エミッタ-ベース間電圧 (V_EBO): 7 V.
• デバイス全体:総消費電力 (P_TOT): 200 mW; 絶縁耐圧 (V_ISO): 5000 V_rms(AC、1分間、40-60% RH)。
• 温度:動作温度 (T_OPR): -55°C ～ +100°C; 保存温度 (T_STG): -55°C ～ +125°C; はんだ付け温度 (T_SOL): 260°C (10秒間)。

6. 電気光学特性

これらのパラメータは、通常動作条件下（通常T_a=25°C）での電気的・光学的性能を定義します。

6.1 入力特性 (LED)

• 順方向電圧 (V_F): 標準値 1.2V、最大値 1.5V (I_F= 10mA時、H11B3は50mA時)。
• 逆電流 (I_R): 最大 10 µA (V_R= 6V時)。
• 入力容量 (C_in): 標準値 50 pF (V=0, f=1MHz時)。

6.2 出力特性 (フォトダーリントン)

• コレクタ-エミッタ間暗電流 (I_CEO): 最大 100 nA (V_CE= 10V時)。
• コレクタ-エミッタ間降伏電圧 (BV_CEO): 最小 55 V (I_C=1mA時)。
• コレクタ-ベース間降伏電圧 (BV_CBO): 最小 55 V (I_C=0.1mA時)。
• エミッタ-コレクタ間降伏電圧 (BV_ECO): 最小 7 V (I_E=0.1mA時)。

6.3 伝達特性

これらのパラメータは、結合効率とスイッチング性能を定義します。

• 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。型番によって異なります：
  • 4N32, 4N33, H11B1: CTR ≥ 500% (I_F=10mA, V_CE=10V または I_F=1mA, V_CE=5V時)。
  • 4N29, 4N30: CTR ≥ 100%。
  • 4N31, H11B3, H11B255: CTR ≥ 100%。
  • H11B2: CTR ≥ 200%。
  • TIL113: CTR ≥ 300% (I_F=10mA, V_CE=1V時)。
• コレクタ-エミッタ間飽和電圧 (V_CE(sat)):最大 1.0V ～ 1.2V (シリーズにより異なり、規定のI_FおよびI_C conditions.
• 条件下)。_IO絶縁抵抗 (R):¹¹最小 10_IOΩ (V
• =500V DC時)。_IO入出力間容量 (C):_IO標準値 0.8 pF (V
• =0, f=1MHz時)。スイッチング時間:_{ターンオン時間 (t}on_{) とターンオフ時間 (t}off_CC) は、特定の試験条件（V_F=10V、規定のI_Lおよび負荷抵抗R_{=100Ω）下で各シリーズについて規定されています。例えば、H11Bxシリーズのt}on_{は標準25µs、t}off

は標準18µsです。4NxxおよびTIL113シリーズはターンオンが速い（最大5µs）一方、ターンオフは遅くなる可能性があります（一部のバリエーションで最大100µs）。

7. 性能曲線とスイッチング特性_rデータシートには典型的な性能曲線が含まれています（提供されたテキストには詳細はありません）。これらの曲線は通常、CTRと温度、順方向電流、またはコレクタ電流との関係を示します。設計者が非標準条件下での性能偏差を理解するために不可欠です。スイッチング時間試験回路が定義されており、LEDを駆動する入力パルスと、コレクタでの結果としての出力パルスを示しています。立ち上がり時間 (t_f)、立ち下がり時間 (t_{)、ターンオン遅延時間 (t}on_{)、ターンオフ遅延時間 (t}off

) などの主要なタイミングパラメータは、それぞれのパルスの10%点と90%点の間で測定されます。

8. 機械的・パッケージ情報

• デバイスは、異なる実装プロセスに対応するため、いくつかのパッケージバリエーションで提供されています。標準DIPタイプ:
• 従来のスルーホールパッケージ。オプションMタイプ:
• 広リードベンドを特徴とし、0.4インチ（約10.16mm）のリード間隔を提供します。より大きな沿面距離が必要なアプリケーションや、手動挿入を容易にする場合に適しています。オプションSタイプ:
• リフローはんだ付け用の表面実装リード形状。オプションS1タイプ:

低プロファイルの表面実装リード形状バリエーション。 各パッケージタイプについて、本体の長さ、幅、高さ、リードピッチ、リード寸法を含む詳細な寸法図が提供されています。表面実装オプションについては、PCB実装時に信頼性の高いはんだ接合を確保するために、推奨パッドレイアウトも含まれています。

9. はんだ付けと実装ガイドライン

絶対最大定格では、はんだ付け温度260°Cを10秒間と規定しています。これはリフローまたはフローはんだ付けプロセスにおける重要なパラメータです。設計者は、実装時の熱プロファイルがこの限界を超えないようにし、内部の半導体ダイやプラスチックパッケージへの損傷を防ぐ必要があります。表面実装バリエーションでは、チップ部品の立ち上がりや不良はんだ接合を防ぐために、推奨パッドレイアウトに従うことが重要です。使用前のデバイスの完全性を保つため、保存温度定格（-55°C ～ +125°C）に従った適切な保管条件を維持する必要があります。

10. 梱包と発注情報

型番体系は、シリーズ、特定の型番、リード形状オプション、テープ＆リールオプション、およびオプションの安全認証を示すように構成されています。

型番フォーマット:[シリーズ][型番][リード形状][テープリール]-[安全認証]

• シリーズ: 4NXX, H11BX, または TIL113。
• 型番: 4NXXの場合: 29,30,31,32,33。H11BXの場合: 1,2,3,255。
• リード形状 (Y): S (SMD), S1 (低プロファイルSMD), M (広リード)、または無し (標準DIP)。
• テープリール (Z): TA, TB (SMDオプション用)、または無し。
• 安全認証 (V): オプションのVDE認証。

梱包数量:

• 標準DIPおよびMオプション: チューブあたり65個。
• TA/TB付きSおよびS1オプション: リールあたり1000個。

11. アプリケーション設計上の考慮点

これらのフォトダーリントン・フォトカプラを使用して設計する際には、いくつかの要因を考慮する必要があります。高いCTRにより、比較的低いLED電流で出力トランジスタを飽和状態に駆動できるため、マイクロコントローラとのインターフェースに有利です。ただし、フォトダーリントン構造は本質的に、フォトトランジスタやフォトICカプラに比べてスイッチング速度が遅く、低周波数アプリケーション（通常、負荷条件に依存して数十kHz範囲まで）により適しています。ベースピン（ピン6）は、外部抵抗を接続して光生成ベース電流の一部をグランドに分流するために使用でき、CTRを犠牲にしてターンオフ時間を大幅に改善できます。設計者は、出力トランジスタの電圧定格（V_CEO, V_CBO）が負荷回路によって超えないようにする必要があります。入力LEDには常に直列に電流制限抵抗が必要です。その値は、電源電圧、所望のI_F、およびLEDのV_F.

に基づいて計算されます。

12. 技術比較と選定ガイダンス

本シリーズ内での主な違いは電流伝達率（CTR）です。4N32/33やH11B1などの部品は非常に高い感度（CTR ≥ 500%）を提供し、駆動信号が非常に弱いアプリケーションに理想的です。4N29/30やH11B2は中程度の感度を提供します。4N31、H11B3、H11B255は標準的な100% CTRを提供します。TIL113は300%で良好なバランスを提供します。DIPとSMDパッケージの選択は、製造プロセスによります。広リード（M）オプションは、PCB上で増加した沿面距離を必要とする高電圧アプリケーションに有益です。より単純なフォトトランジスタカプラと比較して、フォトダーリントンははるかに高い利得を提供しますが、速度は遅くなります。非常に高速なデジタル絶縁には、デジタル・アイソレータ（容量結合または磁気結合ベース）やロジックゲート出力を持つ高速フォトカプラなどの他の技術がより適切です。

13. よくあるご質問 (FAQ)

Q: 標準的なフォトトランジスタと比べて、フォトダーリントンの主な利点は何ですか？

A: 主な利点は、はるかに高い電流伝達率（CTR）であり、多くの場合10倍から100倍です。これは、非常に小さな入力LED電流で、はるかに大きな出力電流を制御できることを意味し、駆動回路を簡素化します。

Q: なぜフォトダーリントンのスイッチング時間は遅いのですか？

A: ダーリントン対構成には追加のトランジスタ段があり、電荷蓄積が増加し、特にターンオフ時のスイッチング速度が低下します。

Q: フォトダーリントンのターンオフ時間を改善するにはどうすればよいですか？

A: ベースピン（6）とエミッタピン（4）の間に外部抵抗（通常10kΩ～100kΩの範囲）を接続すると、蓄積された電荷を放電する経路が提供され、ターンオフ時間を大幅に短縮できます。_{Q: 5000 V}rms

の絶縁定格は、私の設計にとって何を意味しますか？

A: この定格は、デバイスが入力側と出力側の間に5000ボルトのAC電位差を1分間耐え、破壊されないことを証明しています。これはシステムの安全バリアを定義し、ユーザーや低電圧回路を高電圧故障から保護します。

Q: AC入力信号にこれらを使用できますか？

A: 入力はダイオードであるLEDです。AC信号の正の半周期中にのみ導通します。真のAC入力検知には、ブリッジ整流器または専用のAC入力フォトカプラが必要です。

14. 設計・使用例例1: マイクロコントローラ・リレードライバ:_F一般的な用途は、3.3Vまたは5Vのマイクロコントローラを12Vまたは24Vのリレーコイルから絶縁することです。マイクロコントローラのGPIOピンは、電流制限抵抗（例えば、5V電源で約10mAのI

の場合220Ω）を介してLED側を駆動します。フォトダーリントンのコレクタはリレーコイルに接続され、エミッタはグランドに接続されます。リレーコイルにはフライバックダイオードを必ず配置する必要があります。高いCTRにより、マイクロコントローラのピンが中程度の電流しか供給できなくても、リレーが完全に励磁されます。例2: 商用電圧ゼロクロス検出:

商用電源に直接接続するためのものではありませんが、これらのカプラは、スイッチング電源の絶縁フィードバック経路や、より高電圧の絶縁信号を低電圧ロジック回路に伝達する必要があるゼロクロス検出回路で使用できます。ここでは高い絶縁耐圧が重要です。例3: 産業用デジタル入力モジュール:

PLC入力モジュールでは、これらのフォトカプラを使用して、フィールドセンサ信号（例：24V DC近接スイッチ）を内部ロジック回路から絶縁し、ノイズ耐性を提供し、中央コントローラをフィールド側の電圧トランジェントから保護できます。

15. 動作原理_F基本原理は、電気-光-電気変換です。入力赤外LEDに順方向電流（I_C）が流れると、光子（光）を放出します。この光はパッケージ内の透明な絶縁ギャップを横断し、出力シリコンフォトダーリントン・トランジスタのベース領域に当たります。吸収された光子は電子-正孔対を生成し、ダーリントン対の最初のトランジスタのベース電流として機能する光電流を生成します。この小さな光電流は、2つのトランジスタの高い利得によって増幅され、外部負荷をスイッチングできるはるかに大きなコレクタ電流（I

）となります。重要な点は、入力と出力の間の唯一の接続が光ビームであり、電気的絶縁を提供することです。

16. 技術トレンド