EL253Xシリーズ フォトカプラ データシート - 8ピンDIPパッケージ - 高速1Mbit/s - 5000Vrms絶縁耐圧 - 日本語技術文書

1. 製品概要

EL253Xシリーズは、デュアルチャネルの高速トランジスタ出力フォトカプラで構成されています。各デバイスは、赤外線発光ダイオードと高速フォト検出トランジスタが光学的に結合された構造を採用しています。重要なアーキテクチャ上の特徴は、フォトダイオードのバイアス端子と出力トランジスタのコレクタ端子が分離されている点です。この設計により、従来のフォトトランジスタカプラと比較して入力トランジスタのベース-コレクタ間容量が低減され、動作速度が大幅に向上しています。本デバイスは標準的な8ピンデュアルインチラインパッケージ（DIP）で提供され、広リード間隔オプションや表面実装タイプも用意されています。

1.1 中核的な利点とターゲット市場

EL253Xシリーズの主な利点は、高速データ伝送能力（最大1メガビット/秒）と堅牢な電気的絶縁性を兼ね備えている点です。これにより、異なるグランド電位や電圧レベルを持つ回路間で信頼性の高い信号伝送を必要とする用途に適しています。これを支える主要な特徴として、EL2611バリアントでは最小10kV/μsの高いコモンモード過渡耐性（CMTI）を備え、ノイズの多い電気的環境下でも安定した動作を保証します。また、入力と出力間の絶縁耐圧は5000 Vrmsと高く、-40℃から+85℃の広い温度範囲での動作が保証されており、産業用および車載用途に対応しています。ロジックゲート出力により、デジタル回路とのインターフェースが簡素化されています。鉛フリーおよびRoHS指令への準拠、主要な国際安全規格機関（UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO）の承認は、その信頼性とグローバル市場への適合性を裏付けています。ターゲットアプリケーションとしては、ラインレシーバ、通信機器、モータードライブにおけるパワートランジスタの絶縁、スイッチング電源（SMPS）のフィードバックループ、家電製品、および低速フォトトランジスタカプラからのアップグレードなどが挙げられます。

2. 詳細な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電気的特性および性能特性について、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。推奨動作条件ではありません。重要な限界値には、連続順方向電流（I_F）25mA、ピーク順方向電流（I_FP）50mA（デューティサイクル50%、パルス幅1ms）、および非常に短いパルス（≤1μs）に対する非常に高いピーク過渡電流（I_Ftrans）1Aが含まれます。出力は-0.5Vから20Vの電圧（V_O）に耐え、電源電圧（V_CC）は-0.5Vから30Vの範囲です。絶縁耐圧（V_ISO）は、特定の湿度条件下で試験された、1分間の定格5000 Vrmsです。デバイスは周囲温度（T_OPR）-40℃から+100℃で動作可能で、保存温度（T_STG）は-40℃から+125℃です。はんだ付け温度（T_SOL）は、10秒間260℃と規定されており、これは標準的な鉛フリーリフロー温度プロファイルに準拠しています。

2.2 電気的特性

これらのパラメータは、特に断りのない限り通常25℃における、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（V_F）は、順方向電流（I_F）16mAにおいて、標準値1.45Vです。約-1.9 mV/℃の負の温度係数を持ち、温度が上昇するとV_Fがわずかに低下することを意味します。最大逆電圧（V_R）は5Vです。入力容量（C_IN）は標準値60pFであり、高速スイッチング性能に影響を与える要因の一つです。

2.2.2 出力特性

ロジックハイ出力電流（I_OH）は非常に低く（V_CC=5.5V時、標準値0.001µA）、オフ状態における優れた出力リーク特性を示しています。供給電流はロジック状態によって大きく異なります：入力LEDが駆動されているとき（I_F=16mA）のロジックロー供給電流（I_CCL）は標準値140µAであるのに対し、入力がオフのときのロジックハイ供給電流（I_CCH）は標準値わずか0.01µAです。これはアイドル状態における低消費電力を強調しています。

2.3 伝達特性

これは入力と出力の関係を定義します。

2.3.1 電流伝達率（CTR）

フォトカプラの重要なパラメータであるCTRは、出力コレクタ電流と入力LED電流の比で、パーセンテージで表されます。EL2530のCTR範囲は7%から50%であるのに対し、EL2531はより高い範囲の19%から50%です（いずれもI_F=16mA、V_O=0.4V、V_CC=4.5V、25℃時）。したがって、EL2531はより高利得のバリアントです。最小CTR値は、わずかに異なる条件（V_O=0.5V）下で、EL2530は5%、EL2531は15%が保証されています。

2.3.2 ロジックロー出力電圧（V_OL）

これはデバイスがオンまたはロー状態にあるときの出力電圧です。EL2530の場合、V_OLは出力電流（I_O）1.1mA時、標準値0.18Vです。EL2531の場合、I_O=3mA時、標準値0.25Vです。両者の最大V_OLは、それぞれの試験条件下で0.5Vであり、インターフェース用の確実なロジックローレベルを保証します。

2.4 スイッチング特性

これらのパラメータは高速アプリケーションにおいて重要です。試験はI_F=16mA、V_CC=5Vで実施されます。

2.4.1 伝搬遅延時間

ロジックローへの伝搬遅延時間（t_PHL）とロジックハイへの伝搬遅延時間（t_PLH）が測定されます。負荷抵抗（R_L）4.1kΩのEL2530の場合、t_PHLは標準値0.35µs（最大2.0µs）、t_PLHは標準値0.5µs（最大2.0µs）です。R_L 1.9kΩのEL2531の場合、両遅延時間はそれぞれ標準値0.35µsおよび0.3µs（最大1.0µs）です。EL2531はより高速なスイッチング時間を示しており、これは部分的に、より高いCTRによりより小さなプルアップ抵抗の使用が可能であるためです。

2.4.2 コモンモード過渡耐性（CMTI）

CMTIは、入力と出力のグランド間の高速電圧過渡に対するデバイスの耐性を測定します。単位はボルト毎マイクロ秒（V/µs）で規定されます。EL2530とEL2531の両方とも、ロジックハイ（CM_H）およびロジックロー（CM_L）状態において、最小CMTI 1000 V/µs、標準値 10,000 V/µsを有します。試験条件は異なります：EL2530は10V p-pのコモンモードパルスを使用するのに対し、EL2531は1000V p-pのパルスを使用しており、この点において後者のバリアントはより厳格な試験が行われている可能性を示唆しています。

3. 性能曲線分析

データシートには代表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、通常、電流伝達率（CTR）対順方向電流（I_F）、CTR対周囲温度（T_A）、伝搬遅延時間対負荷抵抗（R_L）、順方向電圧（V_F）対I_Fなどのプロットが含まれます。これらの曲線は、設計者が非理想的な条件や変動する条件下（例えば、低い駆動電流、高い温度、異なる負荷構成など）でパラメータがどのように変化するかを理解し、規定された動作範囲全体にわたる堅牢な回路設計を可能にするために不可欠です。

4. 機械的仕様およびパッケージ情報

本デバイスは8ピンDIPパッケージを使用しています。ピン配置は以下の通りです：ピン1：アノード（チャネル1）、ピン2：カソード（チャネル1）、ピン3：カソード（チャネル2）、ピン4：アノード（チャネル2）、ピン5：グランド（GND）、ピン6：出力2（V_OUT2）、ピン7：出力1（V_OUT1）、ピン8：電源電圧（V_CC）。パッケージはいくつかのリード形状オプションで提供されています：標準DIP、広リードベンド（0.4インチ間隔、オプションM）、および表面実装リード形状（オプションSおよびロープロファイルS1）。

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℃です。これは典型的な鉛フリーリフローはんだ付けプロファイルに適合しています。フローはんだ付けや手はんだ付けの場合は、スルーホールまたはSMD部品に対する標準的な手法に従い、パッケージの損傷や内部材料の劣化を防ぐために最大温度と時間制限を遵守してください。デバイスは保存温度範囲（-40℃から+125℃）内の条件で保管し、SMDバリアントの場合はリフロー時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包装で保管する必要があります。

6. 梱包および発注情報

品番は以下の形式に従います：EL253XY(Z)-V。'X'は品番を示します（EL2530の場合は0、EL2531の場合は1）。'Y'はリード形状オプションを示します：標準DIPの場合は空白、広リードベンドの場合はM、表面実装の場合はS、ロープロファイル表面実装の場合はS1。'Z'はテープおよびリールオプションを指定します：TAまたはTB（異なるリールタイプ）、またはチューブ梱包の場合は空白。'V'はVDE承認のためのオプションの接尾辞です。梱包数量は、スルーホールタイプはチューブあたり45個、テープアンドリールSMDタイプはリールあたり1000個です。

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シナリオ

• ラインレシーバ：デジタル通信ライン（例：RS-485、RS-422）を絶縁し、グランドループやノイズを防止します。
• モータードライブ絶縁：可変速ドライブにおけるパワートランジスタ（IGBT、MOSFET）へのゲート駆動信号を提供し、低電圧制御ロジックと高電圧パワーステージを絶縁します。
• スイッチング電源（SMPS）フィードバック：二次側（出力側）から一次側（入力側）コントローラへのフィードバック誤差信号を絶縁します。これは重要な安全性および機能要件です。
• ロジックグランド絶縁：ノイズの多いデジタルサブシステム間（例：マイクロコントローラとモータードライバICの間）のグランドを分離し、ノイズ結合を防止します。
• 通信機器：呼出回路、ラインインターフェース、またはデータラインプロテクションにおける信号絶縁。

7.2 設計上の考慮事項

• 電流制限抵抗：入力LEDと直列に外部抵抗を使用して順方向電流（I_F）を設定する必要があります。通常、最適な速度とCTRのために推奨される16mAに設定します。
• プルアップ抵抗：出力にはV_CCへのプルアップ抵抗（R_L）が必要です。その値はスイッチング速度と消費電力に影響を与えます。データシートには、EL2530用に4.1kΩ、EL2531用に1.9kΩの試験条件が規定されています。
• 電源デカップリング：V_CCピン（ピン8）とグランドの近くにバイパスコンデンサ（例：0.1µF）を配置し、安定動作を確保し、スイッチングノイズを最小限に抑えます。
• 高CMTIのためのレイアウト：高いCMTIを維持するために、PCBレイアウトの入力部と出力部の間の寄生容量を最小限に抑えます。安全規格に従って十分な沿面距離および空間距離を確保してください。
• EL2530とEL2531の選択：より高速なスイッチング速度が必要なアプリケーション、またはより低い値のプルアップ抵抗が許容されるアプリケーションではEL2531を選択します。EL2530は、速度要件がそれほど厳しくないアプリケーション、またはオン状態での供給電流を低く抑えること（より高いR_Lによる）が優先されるアプリケーションで選択される場合があります。

8. 技術比較および差別化

EL253Xシリーズは、標準的なフォトトランジスタカプラと比較して、主にその高速性（1Mbit/s、標準タイプは通常<100kbit/s）によって差別化されています。分離されたフォトダイオードバイアス接続がこれを可能にする重要なアーキテクチャ上の違いです。他の高速フォトカプラ（統合ロジックゲートを備えたものやより高速なデジタルアイソレータなど）と比較して、EL253Xはシンプルで堅牢なトランジスタ出力を提供し、これは特定のアナログまたはレベルシフトアプリケーションで有利であり、通常はより低コストです。単一の8ピンパッケージ内のデュアルチャネル構成は、2つのシングルチャネルデバイスを使用する場合と比較して基板スペースを節約します。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: EL2530とEL2531の主な違いは何ですか？

A: 主な違いは、保証された最小電流伝達率（CTR）です。EL2531は、EL2530（5-7%、試験条件による）と比較して、より高い最小CTR（15-19%、試験条件による）を有します。これにより、一般にEL2531は、与えられた負荷抵抗でより高速にスイッチングできるか、同じ速度でより大きなプルアップ抵抗を使用できるため、消費電力と駆動能力に影響を与えます。

Q: 入力LEDを電圧源で直接駆動できますか？

A: できません。LEDは電流制限された電源で駆動する必要があり、通常は電源からの直列抵抗によって実現されます。データシートには、所望のI_F（例：16mA）を計算するための適切な抵抗値を求めるのに役立つ順方向電圧（V_F）特性が提供されています。

Q: コモンモード過渡耐性（CMTI）10kV/µsとはどういう意味ですか？

A: これは、入力回路と出力回路のグランド間の電位差が毎マイクロ秒10,000ボルトという高い速度で変化したとしても、出力状態が正しく維持される（誤って切り替わらない）ことを意味します。これは、高速高電圧スイッチングによって大きなグランド過渡が発生するモータードライブや電源において極めて重要です。

Q: ヒートシンクは必要ですか？

A: 電力損失の絶対最大定格（P_IN=45mW、P_O=35mW）内の通常動作条件下では、ヒートシンクは必要ありません。損失電力は比較的低いです。放熱のための適切なPCBレイアウトで通常は十分です。

10. 実践的な設計および使用例

ケース1：絶縁型GPIOエキスパンダ。マイクロコントローラが産業用パネル内の12Vリミットスイッチを監視する必要があります。6チャネルのEL2531を使用することで、マイクロコントローラの3.3V GPIOが電流制限抵抗を介してLEDを駆動できます。12Vにプルアップされた出力は、スイッチにクリーンなロジック信号を提供します。5000Vrmsの絶縁は、12Vの産業用ライン上の潜在的な過渡現象からマイクロコントローラを保護します。

ケース2：ハーフブリッジMOSFETのゲートドライバ。低電力DCモーターコントローラでは、単一のEL2531チャネルを使用してハイサイドMOSFETを駆動できます。入力はコントローラからのPWM信号で駆動されます。出力は、適切なゲート抵抗を介してMOSFETのゲートに接続され、ブートストラップ電源にプルアップされて、絶縁されたゲート駆動を提供します。高いCMTIにより、ハーフブリッジの高速スイッチング中にゲート信号が安定したままであることが保証されます。

11. 動作原理

基本原理は光電変換です。入力の赤外線発光ダイオード（IRED）に電流を流すと、光を発します。この光は、光学的には透明ですが電気的には絶縁されたバリア（通常はシリコーンまたは類似の材料）を通過します。光は統合検出器のフォトダイオードに当たり、光電流を生成します。EL253Xでは、この光電流が出力NPNトランジスタのベースを直接バイアスし、トランジスタをオンにして出力ピン（コレクタ）をローに引き下げます。フォトダイオードの分離された接続により、光電流がトランジスタのベース-コレクタ間容量によって部分的に分流されることなく、スイッチングにより効率的に使用できるようになります。この容量が従来のフォトトランジスタにおける速度制限要因でした。

12. 技術トレンド

信号絶縁の分野は進化しています。EL253Xのようなトランジスタ出力フォトカプラは、そのシンプルさ、堅牢性、コスト効率の高さから依然として非常に重要ですが、いくつかの注目すべきトレンドがあります。IGBT/GaN FET用の統合ドライバを備えたデバイスなど、より高い集積化への動きがあります。CMOS技術およびRFまたは容量結合に基づくデジタルアイソレータは、大幅に高いデータレート（数十から数百Mbps）、より低い消費電力、およびより高い信頼性（LEDの劣化なし）を提供します。しかし、フォトカプラは特定の分野で利点を維持しています：非常に高い絶縁耐圧能力、優れたコモンモード過渡耐性、および磁場に対する固有の耐性です。フォトカプラの開発焦点には、速度のさらなる向上、パッケージサイズの小型化（特にSMD）、高温性能の向上、長期CTR安定性などの信頼性指標の向上が含まれます。