6ピンDIPフォトトランジスタフォトカプラ データシート - 4N2X、4N3X、H11AXシリーズ - 絶縁耐圧5000Vrms - 動作温度範囲 -55～+110°C - 日本語技術文書

1. 製品概要

4N2X、4N3X、およびH11AXシリーズは、6ピンデュアルインナラインパッケージ（DIP）フォトトランジスタフォトカプラ（オプトカプラまたはオプトアイソレータとも呼ばれる）のファミリーです。各デバイスは、ヒ化ガリウム赤外発光ダイオード（LED）と、光学的に結合されたシリコンフォト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、入力回路と出力回路の間の完全な電気的絶縁が提供され、電子システムにおける安全性、ノイズ耐性、および電圧レベルシフトのための必須コンポーネントとなっています。

中核機能は、光による信号伝送であり、直接的な電気的接続を排除します。入力電流が赤外LEDを励起し、電流に比例した光を放射します。この光がフォトトランジスタのベース領域に当たり、ベース電流を生成し、コレクタ-エミッタ電流を流すことを可能にし、これにより絶縁された出力側で入力信号を再現します。

1.1 中核的利点とターゲット市場

これらのフォトカプラは、信頼性の高い信号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。主な利点には、5000V_rmsの高い絶縁耐圧が含まれ、これは低電圧制御回路（マイクロプロセッサなど）を高電圧電源やモータードライブセクションから保護するために重要です。>7.62mmの延長された沿面距離は、高電圧環境における安全性と信頼性をさらに向上させます。-55°Cから+110°Cの動作温度範囲により、産業用、自動車用、および過酷な環境アプリケーションに適しています。

コンパクトなDIPパッケージは、標準、広リード間隔（0.4インチ）、および表面実装（SMD）バリエーションで提供され、スルーホールおよび自動化組立プロセスに柔軟性を提供します。これらのデバイスは、UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQCなどの主要な国際安全機関の認証を取得しており、厳格な安全基準に準拠しなければならないグローバルに販売される機器での使用を容易にします。

2. 詳細な技術パラメータ分析

データシートは、適切な回路設計と信頼性保証に不可欠な、包括的な電気的および光学的仕様を提供します。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、それを超えると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限界を定義します。通常動作を意図したものではありません。

• 入力（LED）側：最大連続順方向電流（I_F）は60mAです。10µs間の1Aの短時間ピーク順方向電流（I_FM）が許容され、これは過渡抑制に関連します。最大逆電圧（V_R）は控えめな6Vであり、LEDは高逆バイアス用に設計されておらず、AC回路で使用する場合は保護が必要であることを示しています。
• 出力（フォトトランジスタ）側：コレクタ-エミッタおよびコレクタ-ベース降伏電圧（V_CEO、V_CBO）はともに80Vであり、オフ状態でトランジスタに印加できる最大電圧を定義します。エミッタ-ベースおよびエミッタ-コレクタ電圧（V_EBO、V_ECO）は7Vに制限されています。
• 電力および熱：デバイス全体の電力損失（P_TOT）は25°Cで200mWです。デレーティング係数が提供されています：100°Cを超える入力側は3.8 mW/°C、100°Cを超える出力側は9.0 mW/°Cです。これらは、熱暴走を防ぐために、高温環境での最大許容電力を計算するために重要です。
• 絶縁：1分間の絶縁電圧（V_ISO）5000V_rmsは重要な安全パラメータであり、ピン1-2-3を短絡し、ピン4-5-6を短絡した状態でテストされます。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、標準条件（T_a=25°C）で測定され、デバイスの性能を定義します。

• 入力LED特性：順方向電圧（V_F）は、I_F=10mAで通常1.2V、最大1.5Vです。これは必要な電流制限抵抗を計算するために使用されます。逆電流（I_R）は非常に低いです（V_R=6Vで<10µA）。入力容量（C_in）は通常30pFです。
• 出力フォトトランジスタ特性：暗電流（I_CBO、I_CEO）はナノアンペアの範囲であり、LEDがオフのときのリークが非常に低いことを示しています。降伏電圧（BV_CEO、BV_CBOなど）は、絶対定格からの80Vおよび7Vの制限を確認します。

2.3 伝達特性

これらのパラメータは、入力と出力の間の結合効率とスイッチング性能を記述します。

• 電流伝達率（CTR）：これは最も重要なパラメータであり、（I_C/ I_F）* 100%として定義されます。これは型番によって大きく異なり、性能グレードシステムを形成します：
  • 高CTR（>100%）：4N35、4N36、4N37。
  • 中高CTR（50%）： H11A1.
  • 中CTR（30%）： H11A5.
  • 標準CTR（20%）：4N25、4N26、4N38、H11A2、H11A3。
  • 低CTR（10%）：4N27、4N28、H11A4。
  このグレード分けにより、設計者は特定のアプリケーションと望ましい出力電流レベルに必要な感度を持つデバイスを選択できます。
• 飽和電圧（V_CE(sat)）：これは、フォトトランジスタが完全にオンになったときの両端の電圧降下です。低い値（例：I_F=10mA、I_C=0.5mAでの4N3Xシリーズの最大0.3V）は、出力段での電力損失を最小限に抑える、より優れた性能を示します。
• スイッチング速度：ターンオン時間（t_on）とターンオフ時間（t_off）は、特定のテスト条件（V_CC=10V、R_L=100Ω）下での異なるシリーズに対して規定されています。4N2X/H11AXシリーズは、4N3Xシリーズ（t_onで通常10µs、t_offで通常9µs）と比較して、通常より高速です（通常3µs）。これはデジタル信号伝送およびPWMアプリケーションにとって重要です。
• 絶縁パラメータ：絶縁抵抗（R_IO）は極めて高く（>10¹¹Ω）、入力出力間容量（C_IO）は非常に低い（通常0.2pF）ため、絶縁バリアを越えた高周波ノイズの容量性結合を最小限に抑えます。

3. 性能曲線分析

PDFには代表的な電気光学特性曲線のプレースホルダーテキストが表示されていますが、そのような曲線はフォトカプラの標準であり、通常以下を含みます：

• 電流伝達率（CTR）対順方向電流（I_F）：効率がLED駆動電流とともにどのように変化するかを示し、特定の電流でピークに達することが多いです。
• CTR対温度：高温でのCTRの低下を示し、これは高温動作のための重要なデレーティング要因です。
• コレクタ電流（I_C）対コレクタ-エミッタ電圧（V_CE）：フォトトランジスタの異なる領域（飽和、能動）での動作を示す出力特性曲線。
• スイッチング時間対負荷抵抗（R_L）：プルアップ抵抗の選択が立ち上がり時間と立ち下がり時間にどのように影響するかを示します。

設計者は、特定の速度と出力要件に対して、LED電流、負荷抵抗、動作温度などのパラメータを最適化するために、完全なデータシートからこれらの曲線を参照する必要があります。

4. 機械的・パッケージ情報

これらのデバイスは、異なる組立ニーズに合わせていくつかの6ピンDIPパッケージバリエーションで提供されています。

4.1 パッケージ寸法とバリエーション

データシートには、各オプションの詳細な機械図面が含まれています。主要寸法には、全長、幅、ピン間隔、およびリード寸法が含まれます。

• 標準DIPタイプ：0.1インチ（2.54mm）の列間隔を持つ従来のスルーホールパッケージ。
• オプションMタイプ：0.4インチ（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ます。これにより、入力ピンと出力ピンの間の沿面距離および空間距離が増加し、高電圧アプリケーションにおける絶縁信頼性が向上します。
• オプションSおよびS1タイプ：表面実装デバイス（SMD）バージョン。オプションS1はロープロファイルバリエーションであり、標準のSオプションと比較してパッケージ高さが低減されており、スペースに制約のあるアプリケーションに有益です。

すべてのパッケージは、必要な絶縁を提供する成形ボディを特徴としています。ピン配置は標準化されています：ピン1（アノード）、ピン2（カソード）、ピン3（NC）、ピン4（エミッタ）、ピン5（コレクタ）、ピン6（ベース）。ベースピン（6）は通常未接続のままですが、一部の回路では帯域幅改善やバイアス制御に使用できます。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

絶対最大定格は、10秒間のはんだ付け温度（T_SOL）を260°Cと規定しています。これは、波はんだ付けまたはリフローはんだ付けプロセスの典型的な値です。SMDオプション（S、S1）の場合、ピーク温度が約260°Cの標準的な赤外線または対流リフロープロファイルが適用可能です。プラスチックパッケージおよび内部ワイヤボンドへの損傷を防ぐために、この時間-温度限界を超えないことが重要です。デバイスは、保管温度範囲（-55°Cから+125°C）内の条件で、SMD部品の場合はリフロー中のポップコーン現象を防ぐために必要に応じて湿気敏感梱包で保管する必要があります。

6. 梱包および発注情報

部品番号体系は明確に定義されています：4NXXY(Z)-VまたはH11AXY(Z)-V.

• XX / X：特定の部品番号（例：25、35、1、5）。
• Y（リード形状）：
  • なし：標準DIP（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）：SMDオプションにのみ適用されます。
  • TAまたはTB：異なるテープおよびリール仕様（1000個/リール）。
• V：VDE安全認証を示すオプションの接尾辞。

この柔軟なシステムにより、生産に必要な正確な機械的バリエーションを調達することができます。

7. アプリケーション推奨事項

7.1 代表的なアプリケーション回路

データシートに記載されているように、主なアプリケーションには以下が含まれます：

• 電源レギュレータ：スイッチング電源（SMPS）において、二次側（出力側）と一次側コントローラの間でフィードバック絶縁を提供します。これは安全性とノイズ除去に不可欠です。
• デジタルロジック入力/マイクロプロセッサ入力：ノイジーな産業用センサ信号（例：リミットスイッチ、エンコーダからの信号）や異なるグランドドメインが、敏感なデジタルロジックやマイクロコントローラピンに入る前に絶縁します。
• 汎用信号絶縁：2つのサブシステムが共通のグランドを共有せずに通信しなければならない、グランドループを断ち切り、同相ノイズを除去し、または電圧レベル変換を提供する任意の回路。

7.2 設計上の考慮点とベストプラクティス

• LED電流制限：順方向電流（I_F）を設定するために常に直列抵抗を使用してください。R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_Fを計算します。最適なCTRと長寿命のために、推奨されるI_F範囲（多くの場合5-20mA）内で動作させてください。
• 出力側バイアス：フォトトランジスタには、コレクタからV_LCC_output_{に接続されたプルアップ抵抗（R}）が必要です。その値はトレードオフです：小さいR_Lはより高速なスイッチングを提供しますが、消費電力が高く、出力電圧スイングが低くなります；大きいR_Lはより良いノイズマージンを提供しますが、速度が遅くなります。
• 速度最適化：より高速なスイッチングのためには、より高速なシリーズ（4N2X/H11AX）のデバイスを使用し、R_Lを最小化し、十分なI_F駆動を確保してください。ベース（ピン6）とエミッタの間に抵抗（例：100kΩから1MΩ）を接続すると、蓄積電荷を放電し、ターンオフ時間を短縮するのに役立ちます。
• ノイズ耐性：高い絶縁抵抗と低い容量は、本質的に同相ノイズを除去します。電気的にノイジーな環境での追加の堅牢性のために、入力側と出力側の両方でデバイスの電源ピンの近くにバイパスコンデンサ（例：0.1µF）を配置することが推奨されます。

8. 技術比較と選定ガイド

3つのシリーズ（4N2X、4N3X、H11AX）は、異なるニーズを満たすための一連の性能を提供します：

• 4N3Xシリーズ（4N35-38）：一般に最高のCTR値（4N35-37で>100%）を提供し、高い出力電流を必要とする、または最小限の入力駆動電流が望まれるアプリケーションに適しています。それらの飽和電圧も非常に低いです。
• 4N2Xシリーズ（4N25-28）およびH11AXシリーズ（H11A1-A5）：10%から50%までの段階的なCTR範囲を提供します。4N2Xシリーズは通常、より高速なスイッチング時間を持ちます。これらは汎用性の高い、汎用アイソレータです。H11A5（30% CTR）およびH11A1（50% CTR）は特定の性能ポイントを満たします。
• 選定基準：必要なCTR（出力電流利得）、スイッチング速度、飽和電圧、およびコストに基づいて選択してください。例えば、低速スイッチを読み取るマイクロプロセッサ入力には、H11A4のような低CTRでコスト効率の良い部品を使用できます。良好な直線性と利得を必要とする電源のフィードバックループには、4N35または4N36を使用するかもしれません。

9. よくある質問（FAQ）

Q: ベースピン（ピン6）の目的は何ですか？

A: ベースピンは、フォトトランジスタのベース領域へのアクセスを提供します。オープン（未接続）のままにするのが標準です。ベースからエミッタに抵抗を接続すると、蓄積電荷を除去する経路を提供することでスイッチング速度を改善できます。一部の設計では、プリバイアス用またはスピードアップネットワーク接続用に使用できます。

Q: 長期信頼性をどのように確保しますか？

A: LEDをその絶対最大定格内で、できればデレーティングして動作させてください。電力デレーティング曲線を尊重することで接合温度を低く保ってください。特に高電圧絶縁バリアについては、パッケージの7.62mm能力に一致またはそれを超えるように、PCB上で十分な沿面距離/空間距離を使用してください。

Q: AC信号絶縁にこれを使用できますか？

A: はい、ただし入力LEDは低い逆電圧定格（6V）を持っています。AC信号を絶縁するには、通常、LED入力に並列に標準ダイオードを逆方向に配置するか、またはLEDの前にブリッジ整流器構成を使用して、LEDを逆バイアスから保護しなければなりません。

Q: なぜCTRは最小値として規定されているのですか？

A: CTRは、LED効率とフォトトランジスタ利得の製造公差により広いばらつきがあります。データシートは、指定条件下での最小CTRを保証します。設計は、すべての生産ユニットおよび温度範囲にわたって回路機能を確実にするために、この最小値に基づいて行わなければなりません。

10. 実践的な設計例

シナリオ：PLC出力からの24Vデジタル信号を、3.3Vマイクロコントローラ入力に絶縁します。

1. デバイス選定：4N25（最小CTR 20%）のような汎用部品を選択します。その速度はデジタルI/Oに十分です。
2. 入力回路：PLC出力は24Vです。目標I_F= 10mA。V_F≈ 1.2V。R_limit= (24V - 1.2V) / 0.01A = 2280Ω。標準の2.2kΩ抵抗を使用します。LED入力に逆保護ダイオードを追加します。
3. 出力回路：マイクロコントローラV_CC= 3.3V。R_L= 1kΩを選択します。フォトトランジスタがオフのとき、出力は3.3V（ロジック1）にプルアップされます。オンのとき、I_C= CTR * I_F= 0.2 * 10mA = 2mAと仮定すると、出力電圧はV_CE(sat)（最大0.5V）となり、確実なロジック0となります。このアプリケーションでは、1kΩのプルアップ抵抗が速度と消費電流の良いバランスを提供します。

11. 動作原理

フォトカプラは、電気-光-電気変換の原理で動作します。電気信号が入力側に印加され、赤外LEDに電流が流れます。この電流は放射される光強度に直接比例します。光は透明な絶縁ギャップ（通常は成形プラスチック）を横切り、光検出器（この場合はNPNフォトトランジスタのベース-コレクタ接合）の半導体材料に当たります。光子は電子-正孔対を生成し、ベース電流を生み出します。この光生成されたベース電流は、トランジスタの電流利得（h_FE）によって増幅され、電気的に絶縁された出力回路で元の入力信号を再現するより大きなコレクタ電流となります。ガルバニック接続が完全にないことが、高電圧絶縁とノイズ耐性を提供します。

12. 技術トレンド

4NXXシリーズのようなフォトトランジスタベースのフォトカプラは、成熟したコスト効率の高い絶縁技術を代表しています。オプトカプラ市場の現在のトレンドには、より高速なデバイス（SPI、I2Cなどのデジタル通信バス用に、これに特化して設計されたICで絶縁）、より高い集積度（複数チャネルの組み合わせやゲートドライバなどの追加機能の統合）、および改善された信頼性指標（より高い温度動作、より長い寿命）の開発が含まれます。また、容量性アイソレータや巨大磁気抵抗（GMR）ベースのアイソレータなどの代替絶縁技術も成長しており、特定のアプリケーションにおいてサイズ、速度、消費電力の面で利点を提供できます。しかし、フォトトランジスタカプラは、そのシンプルさ、実証された信頼性、および優れた同相過渡耐性（CMTI）により、汎用、コスト重視、および高電圧絶縁アプリケーションにおいて依然として支配的です。