H11AAXシリーズ AC入力フォトカプラ データシート - 6ピンDIPパッケージ - 絶縁耐圧5000Vrms - 技術文書

1. 製品概要

H11AAXシリーズは、AC入力フォトカプラ（オプトカプラ、オプトアイソレータとも呼ばれる）のファミリーを構成します。これらのデバイスは、ACまたは極性不明のDC入力回路と出力制御回路の間の電気的絶縁（ガルバニック絶縁）を提供するために特別に設計されています。中核機能は光を用いて電気信号を伝達することで、電気的接続を排除し、グランドループ、電圧スパイク、ノイズが回路間で伝播するのを防止します。

本シリーズは、H11AA1、H11AA2、H11AA3、H11AA4の4つの主要バリエーションを含みます。それらの主な違いは、入力から出力への信号伝達効率を定義する電流伝達率（CTR）です。これらのデバイスはコンパクトな6ピンデュアルインチラインパッケージ（DIP）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。

1.1 中核的利点とターゲット市場

H11AAXシリーズは、厳しい産業用および民生用アプリケーションに適したいくつかの重要な利点を提供します。最も顕著な特徴は、商用電源接続機器における安全性と信頼性に極めて重要な5000Vrmsの高絶縁耐圧です。7.62mmを超える沿面距離がこの安全定格をさらに強化しています。本デバイスは、UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQCなどの主要国際安全機関の認証を取得しており、規制適合を必要とする製品への世界的な適用が可能です。

入力側に統合された逆並列赤外線LED構成は、本デバイスの特徴です。この設計により、AC電圧または極性不明のDC電圧で直接駆動することが可能となり、外部整流回路が不要になることで回路設計を簡素化します。出力はシリコンNPNフォトトランジスタです。

ターゲット市場とアプリケーションは多岐にわたり、主に電気的絶縁とAC信号検知が最も重要となる分野に焦点を当てています。典型的なアプリケーションには、商用電源電圧の有無を検出するACライン監視、電話回線インターフェース回路、産業制御システムにおける極性不明のDC信号を検出するセンサなどがあります。

2. 技術パラメータ詳細解説

このセクションでは、データシートに規定された電気的、光学的、熱的特性について、詳細かつ客観的な分析を提供します。これらのパラメータを理解することは、信頼性の高い回路設計に不可欠です。

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ストレスの限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 入力順方向電流（IF）：60 mA（連続）。これは入力LEDに印加できる最大DC電流です。
• ピーク順方向電流（IFM）：10 µsという非常に短いパルス幅で1 A。過渡サージに対する耐性を示す重要な定格です。
• 入力電力損失（PD）：周囲温度25°Cで120 mW、90°C以上では3.8 mW/°Cでデレーティング。これはVF * IFの積を制限します。
• 出力コレクタ-エミッタ間電圧（VCEO）：80 V。ベースがオープンの状態で、フォトトランジスタのコレクタとエミッタ間に持続可能な最大電圧です。
• デバイス総合電力損失（PTOT）：200 mW。入力と出力の電力の合計はこの値を超えてはなりません。
• 絶縁耐圧（VISO）：相対湿度40-60%で1分間5000 Vrms。入力ピンと出力ピンをそれぞれ短絡させて試験される重要な安全パラメータです。
• 動作温度（TOPR）：-55°C から +100°C。デバイスはこのフルインダストリアル温度範囲内で機能します。
• はんだ付け温度（TSOL）：10秒間260°C。フローまたはリフローはんだ付けプロセスに関連します。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは通常25°Cで測定され、通常動作条件下でのデバイスの性能を定義します。

2.2.1 入力特性

• 順方向電圧（VF）：順方向電流（IF）= ±10mAにおいて、標準1.2V、最大1.5V。対称的な値は、逆並列LEDペアの動作を示しています。
• 入力容量（Cin）：標準80 pF。これは駆動回路の高周波性能に影響を与える可能性があります。

2.2.2 出力特性

• コレクタ-エミッタ暗電流（ICEO）：VCE=10V、IF=0mAにおいて最大50 nA。これは光が入射していないときのフォトトランジスタのリーク電流であり、オフ状態のリークにとって重要です。
• 降伏電圧（BVCEO、BVCBO、BVECO）：それぞれ最小80V、80V、7V。これらは異なるピン構成下での耐電圧能力を定義します。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（VCE(sat)）：IF=±10mA、IC=0.5mAにおいて最大0.4V。これは出力トランジスタが完全にオン状態のときの両端の電圧降下です。

2.2.3 伝達特性

これらのパラメータは、信号伝達効率と速度を定義します。

• 電流伝達率（CTR）：これはシリーズの中核的なグレーディングパラメータであり、規定条件（IF=±10mA、VCE=10V）下で（IC / IF）* 100%として定義されます。
  • H11AA1: CTR ≥ 20%
  • H11AA2: CTR ≥ 10%
  • H11AA3: CTR ≥ 50%
  • H11AA4: CTR ≥ 100%
  CTRが高いデバイスは、所定の出力電流を得るために必要な入力電流が少なくなり、効率が向上します。
• CTR対称性：一方のLED極性に対する他方の極性のCTRの比で、0.5から2.0の間で規定されます。これは2つの逆並列LEDのバランスの良さを示します。
• 絶縁抵抗（RIO）：DC 500Vにおいて最小10^11 Ω。これは入力と出力間のDC抵抗であり、絶縁品質に寄与します。
• 入力-出力間容量（CIO）：標準0.7 pF。この非常に低い容量は、絶縁バリアを横切る高周波コモンモードノイズの除去に極めて重要です。
• スイッチング時間（Ton、Toff、Tr、Tf）：試験条件（VCC=10V、IC=10mA、RL=100Ω）下で、すべて最大値10 µsです。これらの時間は、出力が入力信号の変化にどれだけ速く応答できるかを定義し、最大AC周波数またはデータレートを制限します。

3. グレーディングシステムの説明

H11AAXシリーズは、電流伝達率（CTR）のみに基づいたシンプルなグレーディングシステムを採用しています。

CTRグレーディング（H11AAXのX）：数字の接尾辞（1、2、3、4）は、セクション2.2.3に記載されている保証最小CTRパーセンテージに直接対応します。波長、順方向電圧、その他のパラメータに基づくグレーディングはありません。設計者は、必要な出力電流駆動能力と利用可能な入力電流に基づいて適切なグレードを選択する必要があります。例えば、H11AA4（最小CTR 100%）は最も感度が高く、入力駆動能力が非常に低いアプリケーションに選択されます。一方、利用可能な駆動電流が高い回路では、H11AA2で十分であり、よりコスト効率が良い場合があります。

4. 性能曲線分析

データシートには、典型的な電気光学特性曲線が参照されています。具体的なグラフは提供されたテキストには再現されていませんが、その目的と伝える情報は、この種の部品では標準的なものです。

典型的な曲線には以下が含まれます：

• 電流伝達率（CTR）対順方向電流（IF）：この曲線は、CTRが駆動電流とともにどのように変化するかを示します。通常、CTRは適度なIFで最も高く、非常に低い電流または非常に高い電流では減少する可能性があります。
• CTR対周囲温度（Ta）：フォトカプラのCTRは一般に負の温度係数を持ち、温度が上昇すると減少することを意味します。このグラフは、全温度範囲で動作する回路を設計する際に重要です。
• コレクタ電流（IC）対コレクタ-エミッタ間電圧（VCE）：これは、入力LED電流（IF）をパラメータとした、バイポーラトランジスタに類似した出力特性曲線群です。飽和領域と活性領域を示します。
• 順方向電圧（VF）対順方向電流（IF）：入力LEDペアのIV特性です。
• スイッチング時間対負荷抵抗（RL）：立ち上がり時間、立ち下がり時間、ターンオン時間、ターンオフ時間が出力負荷によってどのように影響を受けるかを示します。

設計者は、最小/標準/最大値の表では捕捉されない非線形動作やデレーティング要因を理解するために、完全なデータシートのこれらの曲線を参照すべきです。

5. 機械的仕様とパッケージ情報

本デバイスは、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。

5.1 パッケージ寸法とタイプ

• 標準DIPタイプ：デフォルトのスルーホールパッケージです。
• オプションMタイプ：標準の0.3インチ（7.62mm）ではなく、0.4インチ（約10.16mm）のリード間隔を提供するワイドリードベンドを特徴とし、より大きな沿面距離を必要とする基板に有用です。
• 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です。
• オプションS1タイプ：ロープロファイルの表面実装バージョンで、PCBからのスタンドオフ高さが低いと思われます。

各タイプについて、本体サイズ、リード長、リード間隔、コプレーナリティ仕様を含む詳細な寸法図が提供されています。これらはPCBフットプリント設計に不可欠です。

5.2 パッドレイアウトと極性識別

表面実装オプション（SおよびS1）の推奨パッドレイアウトが提供されています。データシートには、これは提案であり、設計者は特定のPCB製造プロセスと熱要件に基づいて修正すべきであると記載されています。

デバイスマーキング：パッケージ上面には以下がマーキングされています：

- "EL"（メーカーコード）

- フルパーツナンバー（例：H11AA1）

- 1桁の年コード（Y）

- 2桁の週コード（WW）

- そのユニットにVDE安全認証が指定されている場合、オプションの"V"接尾辞。

ピン配置（6ピンDIP）：

1. アノード / カソード（LED1アノード、LED2カソード）

2. カソード / アノード（LED1カソード、LED2アノード）

3. 未接続（NC）

4. エミッタ（フォトトランジスタの）

5. コレクタ（フォトトランジスタの）

6. ベース（フォトトランジスタの）。ベースピンは通常オープンのままにするか、感度調整や速度向上のためにエミッタへ抵抗を介して接続します。

6. はんだ付けと実装ガイドライン

絶対最大定格からの重要なガイドラインは、はんだ付け温度です：最大10秒間260°C。これは標準的な無鉛（SnAgCu）リフロープロファイルと互換性があります。

重要な考慮事項：

• 湿気感受性：提供されたテキストには明示されていませんが、プラスチック封止のSMDフォトカプラはしばしば湿気感受性レベル（MSL）を持ちます。表面実装部品（オプションS、S1）については、リフロー中のポップコーン現象を防ぐために、ベーキングやフロアライフに関するメーカーの取り扱い指示に従うことが極めて重要です。
• 洗浄：洗浄溶剤がデバイスのプラスチック材料と互換性があることを確認してください。
• 保管条件：データシートに従い、保管温度範囲は-55°Cから+125°Cです。デバイスは乾燥した、静電気防止環境で保管すべきです。

7. 梱包と発注情報

発注コードは以下のパターンに従います：H11AAXY(Z)-V

• X：CTRランク（1、2、3、4）。
• Y：リード形状オプション。
  • なし：標準DIP-6（65個/チューブ）。
  • M：ワイドリードベンド（65個/チューブ）。
  • S：表面実装リード形状。
  • S1：ロープロファイル表面実装リード形状。
• Z：テープ＆リールオプション（S/S1のみ）。
  • TA：特定のテープ＆リールタイプ。
  • TB：代替のテープ＆リールタイプ。
  • TAとTBの両方とも、リールあたり1000個を梱包します。
• V：オプションのVDE安全認証マーキング。

テープ＆リール仕様：自動ピックアンドプレース実装のための、キャリアテープ（ポケットサイズA、B）、カバーテープ、リールの詳細寸法が提供されています。

8. アプリケーション提案

8.1 典型的なアプリケーション回路

ACライン監視：入力は（電流制限抵抗を介して）ACラインに直接接続されます。出力トランジスタはACゼロクロスと同期してスイッチングし、電源の有無を検出するためのデジタルパルス列または整流信号をマイクロコントローラに提供します。

極性不明DCセンサ：逆並列入力により、極性を気にせずにDC電圧源に接続することが可能で、配線の極性が逆になる可能性があるバッテリ駆動機器や産業用センサでの検知に理想的です。

電話回線インターフェース：着信検出やオフフック検出に使用され、電話回線と論理回路の間の絶縁を提供します。

8.2 設計上の考慮事項

• 入力電流制限：ピーク入力電圧とLED順方向電圧に基づいて計算された、60mA未満の安全な値に入力電流（IF）を制限するために、常に直列抵抗を使用する必要があります。
• 出力負荷：コレクタの負荷抵抗（RL）は出力電圧スイングを決定し、スイッチング速度に影響を与えます。RLが小さいほどスイッチングは速くなりますが、消費電力が増加します。
• ノイズ耐性：低い入力-出力間容量（0.7pF）は、高周波コモンモードノイズに対する優れた除去特性を提供します。最高の性能を得るために、PCB上で入力と出力のトレースを物理的に分離してください。
• CTR劣化：非常に長期間および高温下では、フォトカプラのCTRは劣化する可能性があります。重要な長寿命アプリケーションでは、十分な初期CTRマージンを持って設計してください。

9. 技術比較と差別化

H11AAXシリーズは、主にその逆並列LED構造によるAC入力機能によって差別化されています。ほとんどの標準フォトカプラ（例：4N25、PC817）は、定義された順方向バイアスを必要とする単一LED入力を持ち、AC動作には外部ブリッジ整流器が必要です。H11AAXはこの機能を統合しています。

他のAC入力フォトカプラと比較して、その主な利点は、高い5000Vrms絶縁定格および包括的な国際安全認証群（UL、VDEなど）であり、これらは複数のグローバル市場で販売される製品に不可欠です。複数のCTRグレードとパッケージタイプ（スルーホールとSMD）の入手可能性は、設計の柔軟性を提供します。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q1: H11AAXを120VACや230VACの商用電源から直接駆動できますか？

A: 直接はできません。入力と直列に電流制限抵抗を使用する必要があります。抵抗値は、ピーク商用電源電圧（例：230VACの場合~340V）、所望の順方向電流、およびLEDのVFに基づいて計算する必要があります。抵抗の電力定格も考慮する必要があります。

Q2: このフォトカプラで使用できる最大AC周波数はどれくらいですか？

A: 最大スイッチング時間は10 µsです。これは理論的には約50 kHzまでの矩形波周波数を可能にします。ただし、クリーンな50/60 Hz AC正弦波検知には、周期（16.7ms/20ms）がスイッチング時間よりもはるかに長いため、完全に適しています。

Q3: なぜベースピン（ピン6）があり、どのように使用すべきですか？

A: ベースピンは、フォトトランジスタのベースへのアクセスを提供します。オープンのままにするのが標準です。ベースとエミッタの間に抵抗を接続することで、以下が可能です：

1. 速度向上：低い値の抵抗（例：10kΩから100kΩ）は蓄積電荷をバイパスし、ターンオフ時間（Toff）を短縮します。

2. 感度低下/スレッショルド増加：抵抗はリーク経路を提供し、出力をオンにするために必要な最小入力電流をわずかに増加させます。

Q4: 異なるCTRグレード（H11AA1、AA2、AA3、AA4）の間でどのように選択すればよいですか？

A: 入力駆動能力と必要な出力電流に基づいて選択してください。回路が小さな入力電流しか提供できない場合（例：高抵抗から）、十分な出力を得るために高いCTRグレード（AA3またはAA4）を選択します。入力電流が豊富な場合は、低いグレード（AA1またはAA2）の方がコスト効率が良い場合があります。常に、時間と温度によるCTR劣化のマージンを持って設計してください。

11. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ: 230VAC商用電源有無検出器の設計

目標：230VACが存在するときに、マイクロコントローラに3.3Vのロジックハイ信号を提供する。

設計手順：

1. 部品選択：入力電流が十分であるため、H11AA1（最小CTR 20%）を選択。

2. 入力抵抗計算：ピーク電圧 = 230V * √2 ≈ 325V。所望のIF ≈ 10mA（良好なCTRのため）。VF ≈ 1.2V。R = (325V - 1.2V) / 0.01A ≈ 32.4kΩ。標準の33kΩ抵抗を使用。Rでの電力損失：P = (230V)^2 / 33000Ω ≈ 1.6W。2Wまたは3W定格の抵抗が必要です。

3. 出力回路：コレクタ（ピン5）をプルアップ抵抗（例：10kΩ）を介して3.3Vマイクロコントローラ電源に接続。エミッタ（ピン4）をグランドに接続。ベース（ピン6）はオープン。

4. 動作：ACが存在すると、出力トランジスタが各半サイクルでオンになり、コレクタ（およびMCU入力ピン）をローにプルダウンします。MCUは50/60 Hzの脈動するロー信号を見て、ソフトウェアでデバウンスして電源オンを示すことができます。

5. PCBレイアウト：絶縁定格を維持するために、PCB上の入力側（ピン1、2、3、抵抗）と出力側（ピン4、5、6、MCU）のトレース間の沿面距離を>7.62mm確保してください。

12. 動作原理

H11AAXは、光電子絶縁の原理に基づいて動作します。入力側では、2つのガリウムヒ素赤外線発光ダイオード（LED）が逆並列に接続されています。AC電圧が（直列電流制限抵抗とともに）印加されると、一方のLEDが正の半サイクル中に導通して光を発し、他方のLEDが負の半サイクル中に導通して光を発します。したがって、入力AC信号の周波数の2倍の周波数で赤外線光パルスが生成されます。

この光は、パッケージ内の透明な絶縁バリアを横切って伝播します。出力側では、光がシリコンNPNフォトトランジスタのベース領域に照射されます。光子は電子-正孔対を生成し、ベース電流を作り出してトランジスタをオンにし、コレクタ電流（IC）を流します。この出力コレクタ電流と入力順方向電流の比が電流伝達率（CTR）です。フォトトランジスタのコレクタ-エミッタ間電圧は、外部負荷回路によって制御されます。

13. 技術トレンド

フォトカプラ技術は進化を続けています。基本原理は変わりませんが、トレンドには以下が含まれます：

• 高速化：デジタル通信やインバータゲート駆動アプリケーション向けに、より速いスイッチング時間（ナノ秒）を持つデバイスの開発。多くの場合、フォトトランジスタの代わりにフォトダイオードやICベースの出力を使用します。
• 高集積化：フォトカプラにIGBTゲートドライバ、エラーアンプ、デジタルインターフェース（I²Cアイソレータ）などの追加機能を組み合わせること。
• 信頼性と寿命の向上：時間と温度によるCTR劣化率を低減するためのLED材料とパッケージングの進歩。
• 小型化：特に表面実装バージョンで、PCBスペースを節約するためのパッケージサイズの継続的な縮小。
• 代替絶縁技術：容量性および磁気性（巨大磁気抵抗、GMR）アイソレータが、一部の高速・高密度アプリケーションで競合していますが、フォトカプラは高いコモンモード過渡耐性（CMTI）と確立された安全認証において利点を保持しています。

H11AAXシリーズは、その堅牢な設計と安全認証により、従来のAC検知と基本的な絶縁ニーズに対する成熟した信頼性の高いソリューションを表しており、統合されたAC入力機能が明確な利点を提供します。