8ピンSOPフォトトランジスタフォトカプラEL20X/EL21Xシリーズデータシート - パッケージSO-8 - 絶縁耐圧3750Vrms - 日本語技術文書

1. 製品概要

EL20XおよびEL21Xシリーズは、標準的な8ピン小型外形パッケージ（SOP）に収められたフォトトランジスタベースのフォトカプラ（オプトカプラ）のファミリーです。これらのデバイスは、赤外発光ダイオード（LED）を使用して信号をフォトトランジスタ検出器に伝送することで、2つの回路間の電気的絶縁を提供します。主な機能は、絶縁バリアを介して直接的な電気的接続なしに電気信号を伝送することであり、これにより高電圧やノイズが一方の回路から他方の回路へ伝播するのを防止します。

本シリーズの中核的な利点は、コンパクトで業界標準のSO-8フットプリントと堅牢な絶縁性能の組み合わせにあります。主な特徴には、3750 V_rmsの高い絶縁耐圧、-55°Cから+110°Cまでの広い動作温度範囲、80Vの高いコレクタ-エミッタ降伏電圧（BV_CEO）が含まれます。デバイスは複数の電流伝達率（CTR）グレードで提供されており、設計者は特定のアプリケーションの利得要件に最適化された部品を選択できます。ハロゲンフリー、鉛フリー、RoHS準拠、UL/cUL承認など、環境および安全規格への準拠により、幅広い商業および産業アプリケーションに適しています。

1.1 対象アプリケーション

これらのフォトカプラは、電子システムにおける汎用絶縁およびスイッチングタスク向けに設計されています。典型的なアプリケーション分野は以下の通りです：

• フィードバック制御回路：スイッチング電源（SMPS）におけるフィードバック信号の絶縁により、レギュレーションを維持し、制御ICを保護します。
• インターフェースシステム：異なるグランド電位または電圧レベルで動作する回路間（例：マイクロコントローラとモータードライブまたは産業用I/Oモジュールのインターフェース）でのデジタルまたはアナログ信号の結合。
• 汎用スイッチング：機械式リレーの置き換えによる、ノイズのない固体信号スイッチング。
• 監視および検出回路：絶縁が重要な安全監視、故障検出、ラインセンシングなどで使用されます。

2. 詳細技術パラメータ分析

このセクションでは、データシートに規定されている主要な電気的および光学的パラメータについて、詳細かつ客観的な解釈を提供します。

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（I_F）：60 mA（連続）。ピーク順方向電流（I_FM）は、非常に短いパルス（10 µs）で1 Aであり、これはターンオン時のサージ条件に関連します。
• 入力逆電圧（V_R）：6 V。入力LEDは比較的低い逆降伏電圧を持ちます。逆バイアス印加を避けるため、回路設計には注意が必要です。
• 出力コレクタ-エミッタ電圧（V_CEO）：80 V。これは、ベースがオープン（光入力なし）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。
• 総消費電力（P_TOT）：240 mW。これは、入力LEDと出力トランジスタによって消費される合計最大電力です。個別の制限は、入力（P_D）が90 mW、出力（P_C）が150 mWです。
• 絶縁電圧（V_ISO）：1分間3750 V_rms。これは重要な安全パラメータであり、すべての短絡入力ピン（1-4）とすべての短絡出力ピン（5-8）の間にこのAC電圧を印加してテストされます。内部絶縁体の絶縁耐力が認証されます。
• 動作・保管温度：-55°C ～ +110°C（動作）、-55°C ～ +125°C（保管）。広い範囲により、過酷な環境下での信頼性が確保されます。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、標準試験条件（特に記載がない限りTa=25°C）で測定され、デバイスの性能を定義します。

2.2.1 入力（LED）特性

• 順方向電圧（V_F）：I_F= 10 mA時、標準値1.3V、最大1.5V。これはLED駆動回路に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）：V_R= 6V時、最大100 µA。これはLEDのオフ状態でのリーク電流を示します。

2.2.2 出力（フォトトランジスタ）特性

• コレクタ-エミッタ暗電流（I_CEO）：V_CE= 10V、I_F= 0mA時、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、オフ状態の信号レベルを決定する上で重要です。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(sat)）：I_F= 10mA、I_C= 2mA時、最大0.4V。デバイスをスイッチとして使用する場合、電圧降下と電力損失を最小限に抑えるために、低い飽和電圧が望ましいです。

2.2.3 伝達特性

フォトカプラにとって最も重要なパラメータは電流伝達率（CTR）です。

• 定義：CTR = (I_C/ I_F) * 100%。ここで、I_Cはフォトトランジスタのコレクタ電流、I_FはLEDの順方向電流です。これは入力電流を出力電流に変換する効率を表します。
• グレーディングシステム：本シリーズは特定のCTRビンに分けられており、設計の一貫性を可能にします。
  • EL20Xシリーズ（I_F=10mA時の標準CTR）：EL205 (40-80%)、EL206 (63-125%)、EL207 (100-200%)、EL208 (160-320%)。
  • EL21Xシリーズ（I_F=10mA時の最小CTR）：EL211 (>20%)、EL212 (>50%)、EL213 (>100%)。
  • 低電流CTR（I_F=1mA時）：異なる型番（EL215、EL216、EL217）が、より低いLED電流での動作に対して規定されており、CTRがI_F.
• に依存することを示しています。スイッチング速度：_{標準的なターンオン時間（t}on_{）とターンオフ時間（t}off_r）はそれぞれ3.0 µs、立ち上がり時間（t_fr）は1.6 µs、立ち下がり時間（t_CCf）は2.2 µsです（指定試験条件：V_C=10V、I_L=2mA、R
• =100Ω）。これらのパラメータは、伝送可能な信号の最大周波数を制限します。絶縁パラメータ：_IO絶縁抵抗（R¹¹）は標準10_IOΩ、入力出力間容量（C

）は標準0.5 pFです。低容量は、ノイズの多い環境で高いコモンモード過渡耐性（CMTI）を維持するために重要です。

3. 性能曲線分析

提供されたPDF抜粋では代表的な特性曲線について言及されていますが表示はされていません。それらの一般的な目的と設計への影響を以下に説明します。_F)

3.1 電流伝達率（CTR）対順方向電流（I_F）：

代表的な曲線は、CTRが一定ではないことを示します。通常、特定のI

（このようなデバイスではしばしば1-10 mAの範囲）でピークに達し、それより低い電流でも高い電流でも減少します。設計者は、アプリケーションに十分な利得と直線性を提供する最適な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。

3.2 CTR対温度

CTRは負の温度係数を持ちます。周囲温度が上昇すると減少します。この特性は、-55°Cから+110°Cの全範囲で動作する設計にとって重要です。回路は、CTRが最小となる最高予想温度においても適切な動作（例えば、十分な出力スイングまたはスイッチング能力）を確保するように設計されなければなりません。_F3.3 コレクタ電流対コレクタ-エミッタ電圧_CE異なるI_C値でパラメータ化されたこの一連の曲線は、フォトトランジスタの出力特性を示します。飽和領域（V_Fが低く、I

が主にI

によって制御される）と能動/線形領域を示します。これは、線形絶縁増幅器を設計する場合、またはスイッチとして使用する際にデバイスが完全に飽和することを保証するために不可欠です。

4. 機械的・パッケージ情報4.1 ピン配置8ピンSOPパッケージのピン配置は以下の通りです：ピン1：アノード、ピン2：カソード、ピン3、4、8：未接続（NC）、ピン5：エミッタ、ピン6：コレクタ、

ピン7：

ベース。ベースピンは外部に引き出されており、設計の柔軟性を提供します。最大感度を得るためにオープンにしておく、感度を下げてスイッチング速度を向上させるためにエミッタに抵抗を介して接続する、または特定の構成でフィードバックに使用することができます。

4.2 パッケージ寸法とPCBレイアウト

本デバイスは標準SO-8フットプリントに準拠しています。データシートには、ミリメートル単位の寸法を含む詳細な機械図面が記載されています。表面実装用の推奨パッドレイアウトも提供されています。このランドパターンに従うことは、信頼性の高いはんだ接合を実現し、リフロー中のトゥームストーニングなどの問題を防止するために重要です。パッケージ外形は、自動ピックアンドプレース装置との互換性を確保します。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

はんだ付け温度の絶対最大定格は、10秒間260°Cです。これは鉛フリーリフローはんだ付けプロセスの典型的な定格です。湿気感受性レベル（MSL）およびリフロープロファイルに関する標準IPC/JEDEC J-STD-020ガイドラインに従う必要があります。デバイスは、使用するまで元の防湿バッグに保管してください。MSL定格を超える環境湿度にさらされた場合は、リフロー中のポップコーン損傷を防ぐために、はんだ付け前にベーキングが必要です。

6. 梱包および発注情報6.1 型番命名規則

• 型番は以下の形式に従います：EL2XX(Y)-V
• XX：型番（05、06、07、08、11、12、13、15、16、17）。CTRグレードを定義します。
• Y：テープおよびリールオプション（TA、TB、またはチューブ梱包の場合はなし）。

V：

• VDE安全承認が含まれていることを示すオプションの接尾辞。6.2 梱包オプション
• チューブ：1チューブあたり100個。試作または少量の手動実装に適しています。

テープおよびリール：

1リールあたり2000個。大量生産の自動実装ライン向けに設計されています。データシートには、詳細なテープおよびリール仕様（ポケット寸法、テープ幅、リール直径）が含まれています。

6.3 デバイスマーキング

パッケージの上面には、EL（メーカーコード）、型番（例：207）、1桁の年コード（Y）、2桁の週コード（WW）がマーキングされています。VDE承認バージョンではオプションのVが存在する場合があります。このマーキングにより、部品のトレーサビリティと検証が可能になります。

7. アプリケーション設計上の考慮事項_{7.1 入力LEDの駆動}LEDは電流制限抵抗で駆動する必要があります。抵抗値はR_LIMIT= (V_FDRIVE_F- V_F) / I_Fとして計算されます。すべての条件下で必要な最小I_Fが達成されるように、データシートの最大V

を使用してください。デジタルスイッチングの場合、デバイスのスイッチング速度を考慮して、駆動回路が必要な時間内に所望の出力状態を達成するために必要なI

を供給できることを確認してください。_L7.2 出力回路設計_CCコレクタとV_Lの間に接続される負荷抵抗（R_L）は、出力電圧スイングとスイッチング速度を決定します。小さいR_Fはスイッチングを高速化します（RC時定数が小さいため）が、出力電圧スイングは小さくなり、消費電力は大きくなります。大きいR

はスイングを大きくしますが、速度は遅くなります。選択したI

とCTRは、オン時にフォトトランジスタが十分な電流をシンクして、出力電圧を受信回路の論理低レベル閾値以下に引き下げることができることを保証しなければなりません。_{7.3 ベースピンの使用方法}ベースピン（ピン7）をオープンにすると、最高のCTRと感度が得られます。ベースとエミッタ（ピン5）の間に抵抗（通常100 kΩから1 MΩの範囲）を接続すると、光生成ベース電流の一部がシャントされ、実効利得（CTR）は減少しますが、特にターンオフ時間（t

off

）が大幅に改善され、スイッチング速度が向上します。これは高速デジタル絶縁アプリケーションにおける一般的なトレードオフです。

7.4 信頼性の高い絶縁の確保

定格絶縁耐圧を維持するためには、適切なPCBレイアウトが不可欠です。関連する安全規格（例：IEC 60950、IEC 60601）で規定されているように、PCB上の入力側と出力側の銅配線の間に十分な沿面距離および空間距離を確保してください。部品内部の絶縁バリアは認証されていますが、PCBレイアウトがそれを損なわないようにする必要があります。_{8. 技術比較と選定ガイダンス}EL20X/EL21Xシリーズは、標準SO-8パッケージで高い3750V_Frms

の絶縁耐圧を実現している点で差別化されており、これは多くの基本的な4ピンフォトカプラよりも高い値です。より高度なデジタルアイソレータ（CMOS技術を使用）と比較すると、このようなフォトトランジスタフォトカプラは一般に速度が遅く、CTRが低く、CTRは経時劣化します。しかし、DCおよび低周波AC信号絶縁に対して、優れたコモンモード除去、シンプルさ、堅牢性を提供します。主要な選定基準は、必要な絶縁耐圧、動作I

における必要なCTR、許容可能なスイッチング速度、および動作温度範囲です。

9. よくある質問（FAQ）

9.1 EL20XシリーズとEL21Xシリーズの違いは何ですか？

EL20Xシリーズ（EL205-EL208）は最小値と最大値（ビン分け範囲）の両方でCTRを規定しており、より厳密なパラメータ制御を提供します。EL21Xシリーズ（EL211-EL213）は最小CTR値のみを規定しており、実際の値の分布は広くなる可能性がありますが、コストは低くなる可能性があります。

9.2 温度は性能にどのように影響しますか？

CTRは温度の上昇とともに減少します。全温度範囲にわたって信頼性の高い動作を確保するためには、設計計算では最高動作温度における最小予想CTRを使用する必要があります。この目的のために、データシートには通常、デレーティング曲線または温度係数が提供されています。_F9.3 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、ただし制限があります。フォトトランジスタの応答は非線形であり、CTRはI

と温度によって変化します。線形アナログ絶縁のためには、応答を線形化するための追加の外部回路（オペアンプ、フィードバック）が必要であるか、専用のリニアオプトカプラを検討すべきです。

9.4 型番のVオプションの目的は何ですか？

-V接尾辞は、その特定のユニットが強化絶縁に関するVDE（Verband der Elektrotechnik）安全規格を満たすようにテストおよび認証されていることを示します。これは欧州市場で販売される製品ではしばしば要件となります。10. 実践的設計例

シナリオ：

1. 3.3VマイクロコントローラのGPIOピンを絶縁し、別の回路上の12Vリレーコイルを制御する。リレーコイルの動作には50mAが必要。設計手順：
2. インターフェース選択：フォトカプラをリレーのローサイドスイッチとして使用する。マイクロコントローラはLED側を駆動する。フォトトランジスタがリレーコイル電流をシンクする。_C部品選定：_F十分なCTRを持つ部品を選択する。必要なI
3. = 50mA。MCUからのIを5mAと目標とする場合、必要な最小CTR = (50mA / 5mA)*100% = 1000%。標準的なフォトトランジスタではこれは提供できません。したがって、フォトカプラは小さなトランジスタ（ポストトランジスタ）を駆動し、それがリレーを駆動するようにする必要があります。良好な利得のためにEL207（CTR 100-200%）を選択する。
4. 入力回路：MCU GPIO (3.3V) -> 電流制限抵抗 R1 -> EL207 ピン1（アノード）およびピン2（カソード）。R1 = (3.3V - 1.5V) / 0.005A = 360Ω（標準330Ωを使用）。
5. 出力回路：12V電源 -> リレーコイル -> EL207のコレクタ（ピン6）。エミッタ（ピン5）をグランドに接続。リレーコイルには逆並列にフライバックダイオードを配置し、ターンオフ時の電圧スパイクからフォトトランジスタを保護する必要があります。ベース-エミッタ抵抗（例：1 MΩ）をピン7に追加して、ターンオフ速度を向上させることができます。_F検証：_CI

=5mA時、最小CTR 100%でI

= 5mAが得られる。これは高利得の小さなBJT（例：2N3904）を飽和させるのに十分であり、そのBJTが50mAのリレーコイルをスイッチングできます。_F11. 動作原理_FEフォトカプラは、光を通さないパッケージ内に収められた2つの主要コンポーネントで構成されます。入力側では、赤外ガリウムヒ素（GaAs）発光ダイオード（LED）が電流を赤外光に変換します。この光の強度は、LEDを流れる順方向電流（I_C）に直接比例します。この光は透明な絶縁ギャップ（しばしば誘電体ゲルで満たされている）を横切り、出力側のシリコンフォトトランジスタに照射されます。フォトトランジスタのベース領域は、この特定波長の光に敏感になるように設計されています。入射光子はベース-コレクタ接合部で電子-正孔対を生成し、ベース電流として機能する光電流を生み出します。この光生成ベース電流は、トランジスタの電流利得（h_C）によって増幅され、はるかに大きなコレクタ電流（I_F）となります。比I

/I

が電流伝達率（CTR）です。重要な点は、信号が光によって伝送され、内部絶縁材料の物理的特性とLEDとトランジスタ間の距離によって決定される電気的絶縁が提供されることです。12. 技術トレンドEL20X/EL21Xのようなフォトトランジスタベースのフォトカプラは、成熟した信頼性の高い絶縁技術を代表しています。信号絶縁における現在のトレンドには、CMOS技術およびRFまたは容量結合に基づく