ELM8XL-Gシリーズ フォトカプラ データシート - 5ピンSOPパッケージ - 3.3V/5V電源 - 15MBit/s 高速伝送 - 日本語技術文書

1. 製品概要

ELM8XL-Gシリーズは、現代のデジタル絶縁アプリケーション向けに設計された高速ロジックゲート出力フォトカプラ（光アイソレータ）のファミリーです。このデバイスのコア機能は、高速でデジタルロジック信号を伝送しながら、入力回路と出力回路間の電気的絶縁を提供することです。入力側には赤外線発光ダイオード（LED）が、出力側にはCMOS検出器集積回路が光学的に結合されており、この光結合方式により電気的接続が排除され、異なる接地電位を持つシステムやノイズの多い電気環境において重要な高電圧絶縁とノイズ耐性を実現します。

本デバイスは、コンパクトな表面実装型5ピン小型アウトライン・パッケージ（SOP）に収められており、自動組立プロセスやスペース制約のあるPCB設計に適しています。その主な設計目標は、絶縁バリアを越えた信頼性の高い高速データ伝送を容易にすることであり、多くのアプリケーションにおいてパルストランスの直接代替として、サイズ、コスト、集積度の面で優位性を提供します。

1.1 コアアドバンテージとターゲット市場

ELM8XL-Gシリーズは、市場におけるその位置を定義するいくつかの主要な利点を提供します。第一に、高速伝送能力であり、最大15メガビット毎秒（MBit/s）のデータレートをサポートします。これは、現代の通信インターフェースや高速制御信号に適しています。第二に、デュアル電源電圧互換性であり、3.3Vと5Vの両方のCMOSロジックレベルで正しく機能し、混合電圧システムに設計の柔軟性をもたらします。第三に、高絶縁耐圧（3750 V_rms）であり、高電圧サージや接地電位差からの保護を必要とするアプリケーションにおける安全性と信頼性を確保します。

また、本デバイスは厳格な環境および安全基準を満たすように製造されています。ハロゲンフリー（臭素<900ppm、塩素<900ppm、Br+Cl<1500ppm）であり、EU REACH規則に準拠し、鉛フリーかつRoHS準拠です。UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKOなどの主要な国際安全機関の認証を取得しており、特に産業用、通信、コンピューティング機器など、グローバル市場をターゲットとする製品にとって必須の要件です。

ターゲットアプリケーションは多岐にわたり、信号絶縁の必要性を中心としています：

• ライン・レシーバおよびデータ伝送：グランドループやノイズを防止するためのシリアル通信ライン（RS-232、RS-485など）の絶縁。
• データ・マルチプレクシング：マルチプレクスされたデータバスシステムにおける絶縁の提供。
• スイッチング電源：フライバックまたはその他の絶縁型コンバータ・トポロジにおけるフィードバック信号の絶縁。
• パルストランスの代替：従来トランスで行われていた信号絶縁に対して、より小型で集積度の高いソリューションを提供。
• コンピュータ周辺機器インターフェース：プリンタ、産業用I/O、その他の周辺機器との間の信号絶縁。
• 高速ロジック・グランド絶縁：マイクロコントローラとモータドライバなどのサブシステム間のデジタルグランドを分離し、ノイズ結合を防止。

2. 詳細技術パラメータ分析

ELM8XL-Gフォトカプラを回路設計に成功裏に実装するためには、電気的特性およびスイッチング特性を徹底的に理解することが重要です。

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ず、避けるべきです。

• 入力順方向電流（I_F）：最大15 mA。内部LEDを駆動する電流はこの値を超えてはなりません。
• 入力逆電圧（V_R）：最大5 V。LEDにかかる逆電圧は制限する必要があります。
• 入力電力損失（P_D）：入力側で最大35 mW。
• 出力電力損失（P_O）：出力側CMOS ICで最大85 mW。
• 出力電流（I_O）：出力ピンからの最大シンク/ソース電流20 mA。
• 電源電圧（V_CC）：最大5.5 V。これは出力側の電源ピンに印加できる絶対最大電圧です。
• 総電力損失（P_T）：デバイス全体で最大100 mW。
• 絶縁電圧（V_ISO）：1分間3750 V_rms。これは、相対湿度40-60%の特定条件下（ピン1 & 3短絡、ピン4, 5 & 6短絡）で試験された安全定格です。
• 動作温度（T_OPR）：-40°C ～ +85°C。デバイスはこの範囲内で公表された仕様を満たすことが保証されています。
• 保存温度（T_STG）：-55°C ～ +125°C。
• 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・プロファイルに準拠。

設計上の注意：データシートでは、V_CC電源は、デバイスのV_CCピンとGNDピンにできるだけ近接して配置された0.1µF以上のコンデンサ（高周波特性の良いセラミックまたは固体タンタル）でバイパスする必要があると規定されています。これは、高速CMOS出力段の安定動作とノイズ耐性にとって極めて重要です。

2.2 電気的特性

これらのパラメータは、通常動作条件下（特に記載がない限りT_A=25°C）でのデバイスの保証性能を定義します。

2.2.1 入力特性（LED側）

• 順方向電圧（V_F）：順方向電流（I_F）8mA時、標準1.4V、最大1.8V。これは入力側に必要な電流制限抵抗値を計算するために使用されます：R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
• 逆電圧（V_R）：最小5.0V。LEDは逆バイアスで最大5Vまで耐えることができます。
• V_Fの温度係数（ΔV_F/ΔT_A）：約-1.7 mV/°C。順方向電圧は温度が上昇するとわずかに低下します。
• 入力容量（C_IN）：標準60 pF。これは入力駆動回路の高周波応答に影響します。

2.2.2 出力特性（CMOS IC側）

• 電源電流（I_CCH, I_CCL）：出力がハイ（I_F=0mA）またはロー（I_F=8mA）状態のいずれの場合でも、標準1.3mA、最大6mA。これは出力ICがV_CC.
• から消費する静止電流です。_OHハイレベル出力電圧（V）：_OH3.3V電源の場合、V_CCは少なくともV_CC- 1V（すなわち2.3V）であることが保証され、4mAをシンクするときは標準V_CC- 0.3V（3.0V）です。5V電源の場合、最小V_CC- 1V（4.0V）、標準V
• - 0.2V（4.8V）です。これにより確実なロジック・ハイレベルが確保されます。_OLローレベル出力電圧（V）：_OL3.3V電源の場合、4mAをソースするとき（I_F=8mA）、V
• は標準0.21V、最大0.6Vです。5V電源の場合、標準0.17V、最大0.6Vです。これにより確実なロジック・ローレベルが確保されます。_FT入力閾値電流（I）：_CCロジック・ロー出力を保証するために必要なLED電流です。V_OL=3.3V、非常に軽い負荷（I_F=20µA）時、標準2.5mA（最大5mA）です。設計では、信頼性の高いスイッチングとノイズマージンのために、この値を十分に上回るI

（例えば試験条件に示す8mA）を使用すべきです。

2.3 スイッチング特性

• これらのパラメータは、高速データ伝送にとって重要なタイミング性能を定義します。_PHL出力ハイへの伝搬遅延（t）：_F入力LEDがOFF（I_CCが8mAから0mAへ変化）してから、出力が有効なロジックHIGHに達するまでの時間。V_CC=3.3V時、標準30ns（最大65ns）、V
• =5V時、標準33ns。_PLH出力ローへの伝搬遅延（t）：_F入力LEDがON（I_CCが0mAから8mAへ変化）してから、出力が有効なロジックLOWに達するまでの時間。V_CC=3.3V時、標準48ns（最大65ns）、V
• =5V時、標準52ns。_PHLパルス幅歪み（|t_PLH– t|）：
• 二つの伝搬遅延間の絶対差。パルス幅の完全性を維持するために重要です。3.3V時、標準20ns（最大50ns）、5V時、標準22nsです。値が低いほど優れています。_r出力立上り/立下り時間（t_f, t）：
• それぞれ標準7ns。これは出力信号のエッジ速度を定義します。同相過渡耐性（CMTI）：_CMこれは重要な絶縁パラメータです。入力と出力のグランド間の高速電圧過渡を無視するデバイスの能力を測定します。M80L（最小5,000 V/µs）とM81L（最小10,000 V/µs）の2グレードが規定されています。これは1000Vピークtoピークの同相電圧（V

）で試験され、ノイズによる誤った出力状態の切り替わりがないことを保証します。

3. 機械的およびパッケージ情報

本デバイスは5ピンSOPパッケージを使用しますが、6つのピン番号が参照されています（1-6、ピン2はおそらく未接続または内部接続）。機能ピンは以下の通りです：

• ピン1：入力LEDのアノード。
• ピン3：入力LEDのカソード。
• ピン4：出力CMOS ICのGND。
• ピン5：_OUTデジタル出力信号V
• ピン6：_CC出力CMOS ICの電源電圧（3.3Vまたは5V）V

本デバイスは非反転ロジックゲート機能（正論理）を実装しています：

• 入力HIGH（LED ON, I_F> I_FT）：出力 = LOW
• 入力LOW（LED OFF, I_F= 0）：出力 = HIGH

これは電流シンク入力です。ロー出力を生成するには、LEDに電流を流す必要があります。

3.2 パッケージ寸法とPCBレイアウト

データシートには、5ピンSOPパッケージの詳細な機械図が記載されています。主要寸法には、ボディサイズ、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います。このレイアウトは、リフローはんだ付け時に信頼性の高いはんだ接合部を形成するように設計されています。データシートでは、これらのパッド寸法は提案であり、特定のPCB製造プロセスや熱要件に基づいて変更が必要な場合があると注記されていますが、設計の優れた出発点となります。

3.3 デバイスマーキング

パッケージ上面には、識別のためのレーザーまたはインクコードが印字されています。マーキングは以下の形式に従います：EL M81L YWW V.

• EL：メーカーコード。
• M81L：デバイス番号（CMTIグレードおよびバリアント固有）。
• Y：1桁の年コード。
• WW：2桁の週コード。
• V：VDE認証を示すオプションのマーキング。

4. アプリケーションガイドラインと設計上の考慮事項

4.1 入力回路設計

入力回路は、LEDに制御された電流を供給する必要があります。単純な直列抵抗で十分です。抵抗値は駆動電圧と所望のI_Fに基づいて計算されます。例えば、典型的なV_F1.4V、5Vロジック信号からI_F= 8mAを駆動する場合：R_limit= (5V - 1.4V) / 0.008A = 450Ω。標準470Ω抵抗が適しています。駆動源が必要な電流を供給できることを確認してください。マイクロコントローラのGPIOピンから駆動する場合は、ピンの電流供給能力を確認してください。不十分な場合は、単純なトランジスタ・バッファ（例：NPNまたはNチャネルMOSFET）が必要になる場合があります。

4.2 出力回路設計

出力は標準的なCMOSデジタル出力です。CMOS、TTL、またはLVCMOS入力に直接駆動できます。主な要件は以下の通りです：

1. 電源バイパス：データシートで強調されているように、0.1µFセラミックコンデンサをピン6（V_CC）とピン4（GND）の間に直接配置する必要があります。これは安定した高速動作と出力のノイズ防止のために必須です。
2. 負荷の考慮事項：出力は最大20mAまでシンク/ソースできますが、最適な速度と信号品質のためには、負荷は主に容量性（例：別のゲートの入力容量）であるべきです。重い抵抗負荷や長いトレースを駆動すると、立上り/立下り時間が増加し、タイミングマージンに影響を与える可能性があります。
3. プルアップ抵抗：不要です。出力はハイおよびローの両状態を能動的に駆動するためです。

4.3 速度とタイミングの考慮事項

15 MBit/sのデータレートの場合、ビット周期は約66.7nsです。フォトカプラを通過する総信号遅延は、t_PLHまたはt_PHLに立上り/立下り時間の一部を加えたものです。典型的な遅延が約30-50nsであるため、このデータレートには十分なマージンがあります。しかし、パルス幅歪みが重要です。20nsの歪みは、パルスが絶縁器を通過した後にその量だけ狭くなったり広くなったりすることを意味します。非常に狭いパルスの場合、歪みがパルス幅より大きいと、パルスが消失する可能性があります。タイミングが重要な設計では、常に標準値ではなく最大値を考慮してください。

4.4 絶縁と安全設計

3750V_rmsの絶縁耐圧は安全要件です。最終製品でこの定格を維持するには、PCBレイアウトが重要です。すべての入力側トレース/部品と出力側トレース/部品の間のPCB上の沿面距離と空間距離が、システムの動作絶縁電圧（3750V_rms試験電圧より低い）の要件を満たすか超えることを確認してください。これは多くの場合、フォトカプラパッケージの下のPCBに広いスロットまたはバリアを組み込むことを意味します。電圧、汚染度、材料グループに基づく具体的な距離要件については、関連する安全規格（例：IEC 60950、IEC 61010）を参照してください。

5. 注文情報とパッケージング

型番は以下の構造に従います：ELM8XL(Z)-V.

• ELM8XL：基本型番。
• (Z)：テープ&リールオプション。チューブ包装の場合はTA、TB、または省略。
• -V：VDE認証を含むことを示すオプションのサフィックス。

パッケージングオプション：

• チューブ：チューブあたり100個。手作業または少量組立用の標準。
• テープ&リール（TAまたはTB）：リールあたり3000個。TAとTBは、おそらく異なるリールサイズまたはテープ幅（例：8mm対12mm）を指します。このオプションは自動ピック&プレース組立用です。

データシートには、ポケット寸法（A, B, D0, D1）、ピッチ（P0, P1, P2）、テープ厚さ（t）、リール幅（W）を含む詳細なテープ&リール仕様が記載されています。これらの寸法は、自動組立機のフィーダーをプログラミングするために不可欠です。

6. 性能曲線と典型的特性

PDF抜粋では典型的な電気光学特性曲線に言及されていますが、具体的なグラフは提供されたテキストには含まれていません。通常、このようなデータシートには以下の曲線が含まれます：

• 順方向電流（I_F）対順方向電圧（V_F）：異なる温度における入力LEDのダイオード特性を示します。
• 電流伝達率（CTR）対順方向電流：これはデジタルデバイスですが、I_Fと結果の出力状態の関係としてのCTRの一種が存在します。閾値電流I_FTが重要なパラメータです。
• 伝搬遅延対電源電圧（V_CC）：タイミングパラメータがV_CC.
• 伝搬遅延対温度：動作温度範囲にわたるタイミングパラメータの変化。
• 電源電流（I_CC）対温度：静止電流の温度による変化。

設計者は、堅牢な設計のために表の最小値と最大値を使用し、典型的な曲線は傾向と動作を理解するためにのみ使用すべきです。

7. 比較と技術的背景

ELM8XL-Gは、高速デジタルフォトカプラのカテゴリーに位置します。トランジスタまたはダーリントン出力を持つ古いフォトカプラと比較して、そのCMOSロジックゲート出力は、はるかに高速なスイッチング速度、鋭いエッジ、明確なロジックレベルを提供します。パルストランスと比較して、より小さな占有面積、DC結合能力（トランスはDC信号を通過できない）、そして多くの場合より低いコストを提供します。容量性（デジタルアイソレータ）や巨大磁気抵抗（GMR）アイソレータなどの新しい絶縁技術と比較して、ELM8XL-Gのようなフォトカプラは、実績のある信頼性、非常に高い本質的な絶縁強度、磁場に対する耐性という利点を提供します。トレードオフは、最新の半導体ベースのアイソレータと比較して、一般的に速度が遅く、消費電力が高い（LED駆動電流による）ことです。選択は、速度、電力、コスト、ノイズ耐性に関する特定のアプリケーション要件に依存します。

8. よくある質問（FAQ）

Q: 3.3V入力信号でLEDを駆動するためにこれを使用できますか？

A: はい、ただし電流制限抵抗を再計算する必要があります。3.3V駆動、V_F~1.4V、I_F=8mAを得るには、R = (3.3V - 1.4V) / 0.008A = 237.5Ω。240Ω抵抗を使用してください。3.3V電源が8mAを供給できることを確認してください。

Q: M80LとM81Lバージョンの違いは何ですか？

A: 主な違いは同相過渡耐性（CMTI）です。M81Lバージョンは最小10,000 V/µsを保証し、M80Lは5,000 V/µsを保証します。モータドライブや産業用電源システムなどのノイズの多い環境ではM81Lを選択してください。

Q: 出力に外部プルアップ抵抗は必要ですか？

A: いいえ。出力はハイおよびローレベルを両方駆動する能動的なプッシュプルCMOS段です。外部プルアップは不要であり、消費電力が増加するだけです。

Q: PCB設計で高い絶縁耐圧を維持するにはどうすればよいですか？

A: 入力側のすべての導体と出力側のすべての導体の間に、十分な沿面距離（表面に沿った距離）と空間距離（空気ギャップ）を維持する必要があります。これは通常、フォトカプラボディの下のPCBに物理的なギャップまたはスロットを設けることを必要とします。具体的な距離は、アプリケーションの動作電圧と満たすべき安全規格によって異なります。

Q: 出力ピン（5）は他のデバイスの入力に直接接続できますか、それとも直列抵抗が必要ですか？

A: 直接接続できます。出力は標準的なデジタル入力を駆動するように設計されています。直列抵抗は一般的に不要であり、信号エッジを遅くするだけです。