EL3H4-Gシリーズ フォトカプラ データシート - 4ピンSSOPパッケージ - AC入力 - 絶縁耐圧3750Vrms - 技術文書

1. 製品概要

EL3H4-Gシリーズは、ACまたは極性不明のDC電源からの電気的絶縁と信号伝送を必要とする用途向けに設計された、AC入力フォトトランジスタフォトカプラのファミリーです。本デバイスは、小型の表面実装型4ピンSSOP（Small Outline Package）に収められており、スペースに制約のあるPCB設計に適しています。

コアコンポーネントは、逆並列に接続された2つの赤外線発光ダイオード（LED）で構成されています。この構成により、入力波形の各半サイクルで一方のダイオードが導通するため、入力は交流（AC）信号を受け入れることができます。発せられた赤外線は、シリコンフォトトランジスタに光学的に結合され、絶縁された出力信号を提供します。全体のアセンブリは、ハロゲンフリーの緑色コンパウンドで封止されています。

1.1 主な利点

• AC入力機能：逆並列LED構成により、外部整流回路を必要とせずにAC信号源と直接インターフェースできます。
• 高絶縁耐圧：入力側と出力側の間に3750 V_rmsの安全規格適合絶縁を提供し、高電圧サージから敏感な回路を保護するために重要です。
• 小型フォームファクタ：SSOPパッケージは小さな占有面積を提供し、現代の高密度電子アセンブリに理想的です。
• 環境規制対応：本デバイスはハロゲンフリーであり、RoHSやREACHなどの関連する環境指令に準拠しています。
• 安全規格認証：本製品は、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います。

1.2 対象アプリケーション

このフォトカプラは、信頼性の高い絶縁とAC信号検出が必要な様々な産業用および通信アプリケーションでの使用を想定して設計されています。

• ACライン監視：電源、家電製品、産業機器における商用AC電圧の有無の検出。
• プログラマブルロジックコントローラ（PLC）：センサーやスイッチからのAC信号を検知するための絶縁デジタル入力チャネルの提供。
• 電話回線インターフェース：通信機器における呼び出し音やオフフック検出回路の絶縁。
• 極性不明DC検知：極性が固定されていない、または事前に不明なDC信号とのインターフェース。

2. 詳細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。これらは通常の動作条件を意図したものではありません。

• 入力順方向電流（I_F）：±50 mA（連続）。±記号はAC/双方向機能を示します。
• ピーク順方向電流（I_FM）：10 µsの短いパルス幅で1 A。この定格は、短時間のサージ電流に耐えるために重要です。
• コレクタ-エミッタ電圧（V_CEO）：80 V。これは出力フォトトランジスタに印加できる最大電圧です。
• 総消費電力（P_TOT）：200 mW。これはデバイスが入力側と出力側の両方から放散できる最大合計電力です。
• 絶縁耐圧（V_ISO）：1分間3750 V_rms。この高耐圧定格は重要な安全パラメータです。
• 動作温度（T_OPR）：-55°C ～ +100°C。広い範囲により、過酷な環境下での信頼性の高い動作を保証します。
• はんだ付け温度（T_SOL）：10秒間260°C。一般的な鉛フリーリフローはんだ付けプロファイルに準拠。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、指定された試験条件下（通常T_a= 25°C）でのデバイスの電気的および光学的性能を定義します。

2.2.1 入力特性

• 順方向電圧（V_F）：順方向電流±20 mA時、標準1.2V、最大1.4V。この低い電圧降下は低電力回路に有利です。
• 入力容量（C_in）：標準50 pF、最大250 pF。このパラメータは入力側の高周波応答に影響します。

2.2.2 出力特性

• コレクタ-エミッタ暗電流（I_CEO）：V_CE=20V、I_F=0時、最大100 nA。これは光がないときのフォトトランジスタのリーク電流です。
• コレクタ-エミッタ降伏電圧（BV_CEO）：最小80V。これにより、出力が一般的なロジックレベルまたは中電圧レベルを扱えることが保証されます。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(sat)）：I_F=±20mA、I_C=1mA時、標準0.1V、最大0.2V。ロジック入力段を駆動する出力段には低い飽和電圧が望ましいです。

2.2.3 伝達特性

これらのパラメータは、入力から出力への信号伝達の効率と品質を定義します。

• 電流伝達率（CTR）：これは出力コレクタ電流（I_C）と入力順方向電流（I_F）の比で、パーセンテージで表されます。利得の主要パラメータです。EL3H4-Gシリーズは異なるCTRグレードで提供されます：
  • EL3H4：I_F= ±1 mA、V_CE= 5V時、CTR 最小20% ～ 最大300%。
  • EL3H4A：CTR 最小50% ～ 最大150%。
  • EL3H4B：CTR 最小100% ～ 最大300%。
  この選択により、設計者はアプリケーションに適した利得を選択でき、感度と潜在的な飽和のバランスを取ることができます。
• CTR対称性：正のI_Fで測定したCTRと負のI_Fで測定したCTRの比。0.5から2.0の間で規定。値が1.0に近いほど、2つの入力LEDのAC応答の対称性が良好であることを示します。
• 絶縁抵抗（R_IO）：500V DC時、最小5×10¹⁰Ω、標準10¹¹Ω。この極めて高い抵抗は、絶縁の完全性を維持するために重要です。
• 浮遊容量（C_IO）：標準0.6 pF、最大1.0 pF。この低容量により、絶縁バリアを越える容量性結合が最小限に抑えられ、高周波同相ノイズの除去に重要です。
• スイッチング時間：立上り時間（t_r）と立下り時間（t_f）は、指定された試験条件（V_CE=2V、I_C=2mA、R_L=100Ω）下で最大18 µsです。これらの時間は、デバイスの速度と異なる周波数信号への適合性を定義します。

3. グレーディングシステムの説明

EL3H4-Gシリーズは、主に電流伝達率（CTR）に基づくグレーディングシステムを採用しています。

• スタンダードグレード（接尾辞なし）：最も広いCTR範囲（20-300%）を提供し、正確な利得が重要でない汎用アプリケーションに適しています。
• Aグレード（接尾辞 'A'）：より狭い、中程度のCTR範囲（50-150%）を提供し、より予測可能な性能を提供します。
• Bグレード（接尾辞 'B'）：狭く、高いCTR範囲（100-300%）を提供し、微弱信号の検出など、高感度と高利得を必要とするアプリケーションに理想的です。

このビニングにより、メーカーは一貫性のために設計を最適化したり、特定の感度要件に合わせて部品を選択したりできます。

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。提供されたテキストでは具体的なグラフは詳細に記述されていませんが、通常、設計に重要な以下の曲線が含まれます：

• CTR vs. 順方向電流（I_F）：伝達率が入力電流レベルとともにどのように変化するかを示します。CTRは、LEDの効率低下により、非常に高いI_Fでは低下することがよくあります。
• CTR vs. 温度：デバイスの感度の温度依存性を示します。CTRは一般に温度の上昇とともに減少します。
• 順方向電圧（V_F） vs. 順方向電流（I_F）：ダイオードのIV特性曲線。
• 出力コレクタ電流（I_C） vs. コレクタ-エミッタ電圧（V_CE）：異なる入力光レベル（I_F）に対するフォトトランジスタの出力特性。
• スイッチング時間 vs. 負荷抵抗（R_L）：選択した出力側の負荷抵抗が立上り時間と立下り時間にどのように影響するかを示します。

設計者は、非標準条件下でのデバイスの挙動を理解し、所望の速度と出力振幅のために入力電流や負荷抵抗などのパラメータを最適化するために、これらの曲線を参照すべきです。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 ピン配置

4ピンSSOPパッケージのピン配置は以下の通りです：

1. ピン1：一方のLEDのアノード／他方のLEDのカソード（逆並列接続のため）。
2. ピン2：最初のLEDのカソード／2番目のLEDのアノード。
3. ピン3：フォトトランジスタのエミッタ。
4. ピン4：フォトトランジスタのコレクタ。

この構成は、AC入力をピン1と2の間に印加し、出力をピン3と4から取り出すことを意味します（通常、ピン3が共通/グランド）。

5.2 パッケージ寸法とPCBレイアウト

データシートには、SSOPパッケージの詳細な機械図面が含まれています。主要寸法には、本体サイズ、リードピッチ、スタンドオフ高さが含まれます。表面実装用の推奨パッドレイアウトも提供されており、これは参考用であり、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ことが注記されています。適切なパッド設計は、信頼性の高いはんだ付けと機械的強度に不可欠です。

6. はんだ付けおよび実装ガイドライン

6.1 リフローはんだ付けプロファイル

本デバイスは、鉛フリーリフローはんだ付けプロセスに対応しています。推奨される最大本体温度プロファイルは、IPC/JEDEC J-STD-020Dに基づいています：

• プリヒート：60-120秒かけて150°Cから200°C。
• 液相線以上時間（T_L=217°C）：60-100秒。
• ピーク温度（T_P）：最大260°C。
• ピーク温度±5°C内の時間：最大30秒。
• 最大リフローサイクル数： 3.

このプロファイルに従うことで、プラスチックパッケージと内部ワイヤボンドへの熱損傷を防止します。

6.2 注意事項

• 取り扱いおよびはんだ付け中に、絶対最大定格を超える温度にデバイスをさらさないでください。
• パッケージの入力側と出力側の間に汚染物（フラックス、異物など）が入り込んで絶縁バリアが損なわれないようにしてください。
• 内部のLEDとトランジスタは静電気に敏感であるため、取り扱い中は標準的なESD（静電気放電）対策に従ってください。

7. 包装および注文情報

7.1 型番規則

品番は以下の形式に従います：EL3H4(Y)(Z)-VG

• EL3H4：基本品番。
• Y：CTRグレード（A、B、またはスタンダードの場合は空白）。
• Z：テープ＆リールオプション（TA、TB、EA、EB、またはチューブの場合は空白）。TA/TBリールは5000個入り、EA/EBリールは1000個入り。AとBオプションの違いは、通常、テープ幅または送り方向に関連します。
• V：VDE認証取得品を示すオプションの接尾辞。
• G：ハロゲンフリー材料を示します。

例：EL3H4A-TA-VGは、'A'グレード品、5000個入りTAリール供給、VDE認証取得、ハロゲンフリーです。

7.2 包装仕様

本デバイスは、チューブ（150個入り）またはテープ＆リールで供給可能です。自動実装機との互換性のために、詳細なテープ寸法（ポケットサイズ、ピッチ、テープ幅）が提供されています。

7.3 デバイスマーキング

パッケージ上面には以下のコードが印字されています：EL 3H4 RYWWV

• EL：メーカーコード。
• 3H4：デバイス番号。
• R：CTRグレード（A、B、または空白）。
• Y：1桁の年コード。
• WW：2桁の週コード。
• V：VDE認証マーク（存在する場合）。

8. アプリケーション設計上の考慮事項

8.1 入力回路設計

AC動作の場合、入力ピン（1と2）と直列に電流制限抵抗を配置する必要があります。その値は、ピーク入力電圧と所望の順方向電流（I_F）に基づいて計算すべきで、I_Fが連続定格50 mAを超えないようにします。例えば、120V_rmsACラインから入力駆動する場合、抵抗はピーク電流（≈170V / R）を制限しなければなりません。この抵抗の電力定格と耐電圧能力を考慮してください。

8.2 出力回路設計

出力フォトトランジスタは、コモンエミッタ構成（V_CCとコレクタの間に負荷抵抗、エミッタをグランド）またはスイッチとして使用できます。負荷抵抗（R_L）の値は以下に影響します：

出力電圧振幅：所定のI_Lに対して、高いR_C.

はより大きな電圧降下を与えます。スイッチング速度：_L高いR_rはRC時定数を増加させ、立上り時間と立下り時間を遅くします（R_f=100Ωでのt_L/t

仕様で示される通り）。_{ロジック入力段を駆動する場合、プルアップ抵抗がしばしば必要です。'オン'状態での出力電圧（V}CE(sat)

）がロジック'0'として認識されるのに十分低いことを確認してください。

8.3 信頼性の高い絶縁の確保_{規定の3750V}rms

絶縁を維持するためには、PCBレイアウトが重要です。入力側（ピン1、2）に関連する銅パターンとパッドと出力側（ピン3、4）に関連するそれらの間に、ボード上で十分な沿面距離と空間距離を確保してください。これは、デバイス本体下のPCBに物理的なスロットまたは広い分離を設けることを意味することがよくあります。入力と出力のトレースを互いに近く平行に配線しないでください。

9. 技術比較と差別化

• EL3H4-Gシリーズの、標準的なDC入力フォトカプラと比較した主な差別化機能は以下の通りです：内蔵AC入力：
• AC信号を扱うための外部ブリッジ整流器や二重フォトカプラが不要となり、基板スペースと部品点数を削減します。CTR対称性：
• AC両半波でバランスの取れた応答を保証する規定パラメータであり、DC入力デバイスでは問題になりません。ハロゲンフリー構造：

すべての古いフォトカプラモデルが対応していない可能性のある厳格な環境要件を満たします。

他のAC入力フォトカプラと比較して、その利点は、高絶縁耐圧、小型SSOPパッケージ、複数のCTRグレードの可用性の組み合わせにあります。

10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q1: これを直接230V AC商用電源の検知に使用できますか？

A: はい、ただし順方向電流を50mA制限内に保つために、入力と直列に適切な外部電流制限抵抗を使用する必要があります。その抵抗は、高電圧と電力放散に対して定格されたものでなければなりません。

Q2: スタンダード、A、Bグレードの違いは何ですか？

A: 違いは、保証された電流伝達率（CTR）の最小値と最大値です。Bグレードは最も高い最小感度（100%）を持ち、より弱い信号の検出に適しています。Aグレードはより適度で予測可能な範囲を提供します。スタンダードグレードは最も広い範囲を持ち、コスト効率の高い汎用使用を提供します。

Q3: このデバイスはどのくらい高速ですか？通信に使用できますか？

A: 典型的な立上り/立下り時間が最大18 µsであるため、帯域幅はおよそ数十kHzに制限されます。AC電源周波数（50/60 Hz）の検出、低速デジタル信号、またはPLCでの状態検出には適していますが、デジタルアイソレータのような高速データ通信用には設計されていません。

Q4: なぜ絶縁抵抗が非常に高い（10^11 Ω）のですか？

A: この極めて高い抵抗は、絶縁バリアを越えるリーク電流を最小限に抑えます。これは、安全のために、絶縁された回路間を危険な電流が流れるのを防ぎ、高精度測定アプリケーションでの信号の完全性のために重要です。

11. 実践的な設計例

シナリオ：絶縁型120V ACライン有無検出器。目標：

120V ACが存在するときに、マイクロコントローラに3.3Vのロジックロー信号を提供する。

1. 設計手順：入力抵抗計算：_120Vrms_Fの場合、ピーク電圧は約170V。I_{を安全な10mA（50mAより十分に低い）に制限するには、R}limit

2. = 170V / 0.01A = 17kΩ。標準の18kΩ、1/2W以上の定格抵抗を使用します。出力回路：

3. フォトトランジスタのコレクタ（ピン4）を、プルアップ抵抗（例：10kΩ）を介してマイクロコントローラの3.3V電源に接続します。エミッタ（ピン3）をグランドに接続します。コレクタノードはマイクロコントローラのデジタル入力ピンに接続します。動作：_{ACが存在するとき、フォトカプラの出力は各半サイクルでオンになり、コレクタ電圧をV}CE(sat)

（約0.2V）近くまで引き下げ、これはロジック'0'として読み取られます。ACが存在しないとき、フォトトランジスタはオフになり、プルアップ抵抗がコレクタ電圧を3.3V（ロジック'1'）に引き上げます。ソフトウェアは、50/60 Hzのゼロクロスによるこの信号のデバウンスが必要な場合があります。

12. 動作原理

EL3H4-Gは、光電子結合の原理で動作します。入力側に印加された電気信号により、赤外線LEDが電流に比例した光を発します。この光は、パッケージ内の透明な絶縁バリアを通過します。出力側では、光がシリコンフォトトランジスタのベース領域に当たり、電子-正孔対を生成します。この光電流はベース電流として作用し、トランジスタがはるかに大きなコレクタ電流を導通させることで、絶縁された出力側で入力信号を再現します。逆並列LED構成により、AC入力信号の両極性の間で電流が流れ、光が発せられます。

13. 技術トレンド

EL3H4-Gのようなフォトカプラは、成熟した信頼性の高い絶縁技術を代表しています。信号絶縁分野の現在のトレンドには以下が含まれます：集積化：

複数の絶縁チャネルを組み合わせたり、追加機能（ドライバや保護など）を単一パッケージに統合したりすること。高速化：

デジタル通信アプリケーション向けに、より高速なスイッチング時間を持つフォトカプラの開発。ただし、一般的に容量結合や磁気結合に基づく技術よりも低速です。強化された安全基準：

国際安全基準（UL、VDE、IEC）の継続的な進化により、より高い動作電圧、強化絶縁、改善された信頼性指標の要件が推進されています。材料科学：