CNY17-X / CNY17F-X 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 - CTR 40-320% - 技術文書

1. 製品概要

CNY17-XおよびCNY17F-Xシリーズは、6ピンデュアルインナーラインパッケージ（DIP）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、ヒ化ガリウム赤外線発光ダイオード（LED）と、光学的に結合されたシリコンNPNフォトトランジスタで構成されています。主な機能は、光による信号伝送を可能にしながら、2つの回路間の電気的絶縁を提供することです。両シリーズの主な違いは、CNY17-Xには外部ベース接続（ピン6）が利用可能であるのに対し、CNY17F-Xシリーズにはそれが存在せず（無接続）、後者はノイズ耐性が向上しています。

1.1 中核的な利点とターゲット市場

これらのデバイスは、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。その中核的な利点には、5000 V_rmsの高い絶縁耐圧、スルーホール実装に適したコンパクトなDIPフォームファクタ、設計の一貫性のための選別された電流伝達比（CTR）グループが含まれます。主要な国際安全規格機関（UL、cUL、VDE、SEMKOなど）の認可を受けており、安全性とノイズ耐性が重要な幅広い産業用、民生用、電源アプリケーションに適しています。

2. 詳細な技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

絶対最大定格は、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。これらは推奨動作条件ではありません。

• 入力（LED側）：最大連続順方向電流（I_F）は60 mAです。短時間（10 µs）のピーク順方向電流（I_FM）1 Aが許容されます。LED両端の最大逆電圧（V_R）は6 Vです。入力電力損失（P_D）は25°Cで100 mW、100°C以上では3.8 mW/°Cで減額されます。
• 出力（フォトトランジスタ側）：コレクタ-エミッタ電圧（V_CEO）およびコレクタ-ベース電圧（V_CBO、CNY17-Xのみ）は80 V定格です。エミッタ-コレクタ（V_ECO）およびエミッタ-ベース（V_EBO）電圧は7 Vです。出力電力損失（P_C）は25°Cで150 mW、100°C以上では9.0 mW/°Cで減額されます。
• デバイス全体：デバイス全体の電力損失（P_TOT）は200 mWを超えてはなりません。
• 絶縁と環境：絶縁電圧（V_ISO）は5000 V_rms（1分間AC）です。動作温度範囲（T_OPR）は-55°Cから+110°Cです。最大はんだ付け温度は260°Cで10秒間です。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、典型的な動作条件下（特に指定がない限りT_a= 25°C）でのデバイスの性能を定義します。

2.2.1 入力特性（赤外線LED）

• 順方向電圧（V_F）：I_F= 60 mA時、最大1.65 V。これはLEDが導通時の両端の電圧降下です。
• 逆電流（I_R）：V_R= 6 V時、最大10 µA。これはLEDが逆バイアス時のリーク電流です。
• 入力容量（C_in）：代表値18 pF。これは入力側の高周波スイッチング性能に影響します。

2.2.2 出力特性（フォトトランジスタ）

• 暗電流：LEDオフ時（I_F=0）にリーク電流が存在します。I_CEO（コレクタ-エミッタ）はV_CE=10V時、代表値50 nAです。I_CBO（コレクタ-ベース、CNY17-Xのみ）はV_CB=10V時、最大20 nAです。
• 降伏電圧： BV_CEOおよびBV_CBOは最小80 Vです。BV_ECOは最小7 Vです。
• 出力容量（C_CE）：代表値8 pF。これは出力スイッチング速度に影響します。

2.3 伝達特性

これらは信号結合アプリケーションにおいて最も重要なパラメータです。

• 電流伝達比（CTR）：これは出力コレクタ電流（I_C）と入力LED順方向電流（I_F）の比で、パーセンテージで表されます。デバイスは4つの異なるCTR範囲にグループ分けされています：
  • CNY17-1 / CNY17F-1：CTR = 40% から 80%（I_F=10mA、V_CE=5V時）
  • CNY17-2 / CNY17F-2：CTR = 63% から 125%
  • CNY17-3 / CNY17F-3：CTR = 100% から 200%
  • CNY17-4 / CNY17F-4：CTR = 160% から 320%
• 低電流時のCTR：I_F= 1mA時、最小CTRが規定されています（例：-1グレードで13%、-4グレードで56%）。これは低電力またはアナログセンシングアプリケーションで重要です。
• 飽和電圧（V_CE(sat)）：I_F=10mA、I_C=2.5mA時、最大0.3 V。これはトランジスタが完全に"オン"状態の時の両端電圧です。
• 絶縁抵抗（R_IO）：最小10¹¹Ω。これは入力側と出力側の間の極めて高い直流抵抗を示します。
• 入力-出力容量（C_IO）：代表値0.5 pF。この小さな容量が高いコモンモード過渡耐性（CMTI）を実現する鍵です。

2.4 スイッチング特性

動的性能はターンオン/オフ時間および立上り/立下り時間によって定義され、これらは試験条件に依存します。

• 条件1（V_CC=10V、I_C=2mA、R_L=100Ω）：
  • ターンオン時間（t_on）：代表値10 µs、最大12 µs。
  • ターンオフ時間（t_off）：代表値9 µs、最大12 µs。
  • 立上り時間（t_r）：代表値6 µs、最大10 µs。
  • 立下り時間（t_f）：代表値8 µs、最大10 µs。
• 条件2（V_CC=5V、I_F=10mA、R_L=75Ω）：
  • 立上り時間（t_r）：代表値2 µs、最大10 µs。
  • 立下り時間（t_f）：代表値3 µs、最大10 µs。

3. グレーディングシステムの説明

これらのフォトカプラの主なグレーディングは、電流伝達比（CTR）に基づいています。4つのグレード（1、2、3、4）は、順次高い最小および最大CTR値を提供します。これにより、設計者は必要な信号利得に合致し、生産ロットで一貫性を提供するデバイスを選択できます。例えば、強力で明確な信号を必要とするデジタル入力回路には-3または-4グレードを使用し、変動に敏感な回路にはより厳密で低利得の-1グレードを指定するかもしれません。

4. 性能曲線分析

データシートは典型的な電気光学特性曲線を参照しています。具体的なグラフは提供されたテキストでは詳細に記載されていませんが、このようなデバイスの典型的な曲線には以下が含まれます：

• CTR vs. 順方向電流（I_F）：伝達比がLED駆動電流とともにどのように変化するかを示し、通常特定の電流でピークに達します。
• CTR vs. 温度：周囲温度が上昇するにつれてCTRが減少することを示し、高温動作において重要です。
• コレクタ電流（I_C） vs. コレクタ-エミッタ電圧（V_CE）：フォトトランジスタの出力特性で、飽和領域と活性領域を示します。
• 順方向電圧（V_F） vs. 順方向電流（I_F）：赤外線LEDのIV特性。

これらの曲線は、非標準条件下でのデバイスの挙動を理解し、回路設計を最適化するために不可欠です。

5. 機械的およびパッケージ情報

デバイスは、いくつかのリード形状オプションを備えた標準的な6ピンDIPパッケージで提供されます。

5.1 パッケージ寸法とオプション

• 標準DIP：デフォルトのスルーホールパッケージ。
• オプションM：より広いPCBフットプリントとの互換性のために0.4インチ（約10.16 mm）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。
• オプションS：表面実装リード形状。リフローはんだ付けプロセス用に設計されています。
• オプションS1：高さ制限のあるアプリケーション向けのロープロファイルを備えた表面実装リード形状。

各オプションについて、本体サイズ、ピン長、ピン間隔、シーティングプレーンを指定した詳細な寸法図（mm単位）が提供されます。

5.2 ピン配置と極性

明確なピン識別は正しい取り付けに不可欠です。

• CNY17-X（ベースピン付き）：
  1. アノード（LED +）
  2. カソード（LED -）
  3. 無接続
  4. エミッタ（フォトトランジスタ）
  5. コレクタ（フォトトランジスタ）
  6. ベース（フォトトランジスタ、外部接続）
• CNY17F-X（ベースピンなし）：
  1. アノード（LED +）
  2. カソード（LED -）
  3. 無接続
  4. エミッタ（フォトトランジスタ）
  5. コレクタ（フォトトランジスタ）
  6. 無接続

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

データシートは、最大はんだ付け温度260°Cを10秒間と規定しています。これは通常、スルーホールリードの波はんだ付けまたは手はんだ付け用です。表面実装オプション（S、S1）には、ピーク温度が260°Cを超えない標準的な赤外線または対流リフロープロファイルを使用する必要があります。取り扱い中にパッケージに過度の機械的ストレスがかからないように注意する必要があります。保管は、指定された温度範囲-55°Cから+125°C内の乾燥した静電気防止環境で行うべきです。

7. 梱包および発注情報

7.1 型番規則

部品番号は以下の形式に従います：CNY17-XY(Z)-VまたはCNY17F-XY(Z)-V

• X：部品番号 / CTRグレード（1、2、3、または4）。
• Y：リード形状オプション（S、S1、M、または標準DIPの場合はなし）。
• Z：テープおよびリールオプション（TA、TB、またはなし）。SおよびS1オプションにのみ適用されます。
• V：オプションのVDE認証マーキング。

7.2 梱包仕様

• チューブ梱包：標準DIPおよびオプションMは、各65個入りのチューブで供給されます。
• テープおよびリール：オプションSおよびS1はテープおよびリールで入手可能です。TAおよびTBオプションはともにリールあたり1000個入りです。

8. アプリケーション推奨事項

8.1 典型的なアプリケーション回路

データシートには一般的な用途が記載されています：電源レギュレータ（フィードバック絶縁用）、デジタルロジック入力（レベルシフトおよびノイズ絶縁用）、マイクロプロセッサ入力（ノイズの多い外部信号とのインターフェース用）。スイッチング時間のための特定の試験回路（図11）が示されており、入力電流制限抵抗（R_IN）、CNY17-X用のオプションのベース-エミッタ抵抗（R_BE）、およびコレクタ負荷抵抗（R_L）が含まれています。

8.2 設計上の考慮事項

• LED電流制限：常に直列抵抗を使用してI_Fを所望の値（速度、CTR、電力のバランスのために通常1 mAから20 mAの間）に制限してください。
• 負荷抵抗（R_L）：コレクタのR_Lの値は、スイッチング速度、出力振幅、および消費電力に影響します。R_Lを小さくすると立下り時間は速くなりますが、出力電圧振幅は減少します。
• ノイズ耐性（CNY17F-X）：外部ベース接続のないCNY17F-Xシリーズは、フォトトランジスタのベースへのノイズ注入の影響を受けにくく、電気的にノイズの多い環境で好ましいです。
• 速度と電流のトレードオフ：I_Fを高くすると一般にスイッチング速度は向上しますが、電力損失が増加します。異なる試験条件下でのスイッチング時間仕様を参照してください。
• CTR劣化：CTRはデバイスの寿命期間中に減少する可能性があり、特に高い動作温度および電流下で顕著です。長期信頼性のために設計を適切に減額してください。

9. 技術比較

このファミリー内の主な違いは、外部ベースピンの有無（CNY17-X）または無し（CNY17F-X）です。CNY17-Xはより多くの設計柔軟性を提供します；ベースピンはオープンのままにすることも、抵抗を介してエミッタに接続して（蓄積電荷を除去することで速度を改善）、または特定のバイアス構成で使用することもできます。CNY17F-Xは、フォトトランジスタのベースが完全に内部にありアクセスできないため、優れたノイズ耐性を提供し、これは高ノイズの産業環境において重要な利点です。両シリーズは同一の絶縁、電圧、およびCTR仕様を共有しています。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: -1、-2、-3、-4グレードの主な違いは何ですか？

A: 違いは電流伝達比（CTR）の保証範囲です。グレード-4は最も高い利得（160-320%）を持ち、グレード-1は最も低い利得（40-80%）を持ちます。回路で必要な信号増幅度に基づいて選択してください。

Q: いつCNY17-Xの代わりにCNY17F-Xを使用すべきですか？

A: 著しい電気的ノイズがある環境（例：モータードライブ、産業制御）で動作する場合はCNY17F-Xを使用してください。外部ベース接続がないため、本質的に敏感なベース領域への電磁干渉（EMI）結合の影響を受けにくくなります。

Q: LEDの入力直列抵抗はどのように計算しますか？

A: オームの法則を使用します：R_IN= (V_{CC_IN}- V_F) / I_F。V_F≈ 1.2V（代表値、最大1.65V）と仮定します。例えば、5V電源で所望のI_Fが10mAの場合：R_IN= (5V - 1.2V) / 0.01A = 380Ω。標準の390Ω抵抗を使用します。

Q: これはAC信号絶縁に使用できますか？

A: はい、ただし制限があります。フォトトランジスタ出力は一方向性（DC）です。AC信号を伝送するには、通常2つのフォトカプラ（半サイクルごとに1つ）が必要か、または出力をアナログ伝送用に線形領域にバイアスする追加回路が必要ですが、このデバイスでは直線性は規定パラメータではありません。

11. 実践的な設計例

シナリオ：3.3VマイクロコントローラGPIOピンと24V産業用センサ信号の絶縁。

1. デバイス選択：良好な利得（100-200% CTR）と高いノイズ耐性のためにCNY17F-3を選択。
2. 入力側（マイクロコントローラ）：GPIOピンが電流制限抵抗を介してLEDを駆動します。V_{GPIO_HIGH}≈ 3.3V、目標I_F= 5mAの場合：R_IN= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω。430Ωを使用。
3. 出力側（センサインターフェース）：フォトトランジスタのコレクタをプルアップ抵抗（R_L）を介して24V電源に接続します。エミッタはグランドに接続します。オン時に出力が飽和し、オフ時に有効なロジックハイを提供するようにR_Lを選択します。I_C≈ CTR * I_F= 150% * 5mA = 7.5mA（代表値）、オフ時の所望の出力ロジックハイが~20Vの場合：R_L≤ (24V - 20V) / (I_CEO)。I_CEO最大~50nAでは、リークに対してほとんど任意の値が機能します。スイッチング速度のために、10kΩ抵抗が一般的な出発点です。出力（コレクタノード）は、入力信号の絶縁された反転コピーを提供します。

12. 動作原理

フォトカプラは、電気信号を光に変換し、電気的に絶縁されたバリアを越えて伝送し、その後光を電気信号に戻すことで動作します。CNY17-X/F-Xシリーズでは、電流（I_F）が赤外線LEDを流れ、光子を放出させます。これらの光子は透明な絶縁モールド樹脂を通過し、シリコンフォトトランジスタのベース領域に衝突します。光子エネルギーはベースで電子-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（I_C）を流します。比I_C/I_FがCTRです。入力と出力の間に電気的接続は存在せず、モールド樹脂の絶縁耐力と内部ピン間隔（沿面距離 >7.6mm）によって決定される電気的絶縁を提供します。

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。CNY17シリーズのような従来のフォトトランジスタベースのカプラは、コスト効率の高い汎用絶縁用として依然として人気がありますが、トレンドは以下に向かっています：

高速化：マルチMbpsデータ伝送のためのフォトダイオードと集積アンプ（例：デジタルアイソレータ）を使用したより高速なカプラの開発。

高集積化：複数の絶縁チャネルを組み合わせる、または絶縁をゲートドライバやADCインターフェースなどの他の機能と単一パッケージに統合。

信頼性と寿命の向上：時間と温度にわたるCTR劣化を最小限に抑える材料と設計に焦点。

小型化：同じまたはより良い絶縁定格を持つより小さな表面実装パッケージ（SOIC、SSOP）への移行。CNY17シリーズのSおよびS1オプションは、表面実装組立へのこのトレンドを反映しています。