5ピンSOP 高速10Mbit/s ロジックゲート フォトカプラ ELM453H-Gシリーズ データシート - パッケージ5ピンSOP - 絶縁耐圧3750Vrms - 技術文書

1. 製品概要

ELM453H-Gシリーズは、要求の厳しい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フォトカプラ（光アイソレータ）のファミリーです。これらのデバイスは、入力回路と出力回路間の高い電気的絶縁を維持しながら、信頼性の高い信号伝送を提供するように設計されています。その中核機能は、赤外LEDを高速フォトダイオードおよびトランジスタ増幅器に光学的に結合させることで、絶縁バリアを越えてデジタル論理信号を伝送することです。

この部品の主な市場は、ノイズ耐性と安全絶縁が重要な産業オートメーション、モータードライブシステム、フィールドバス通信ネットワーク、電源制御などです。その中核的な利点は、従来のフォトトランジスタカプラと比較して強化された速度性能にあり、これはベース・コレクタ間容量を低減する独立したフォトダイオードバイアス接続によって実現されています。

2. 技術パラメータ詳細解説

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客観的な分析を提供します。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、これを超えると永久的な損傷が発生する可能性のある応力限界を定義します。主な限界は以下の通りです：

• 入力順方向電流（I_F)）：最大25 mA。これを超えると入力LEDの劣化または破壊を招きます。
• 絶縁耐圧（V_ISO)）：1分間3750 V_rms。これは内部絶縁バリアの絶縁耐力（耐電圧）を証明する重要な安全定格であり、ピン1と3を一方で短絡、ピン4、5、6をもう一方で短絡させて試験されます。
• 動作温度（T_OPR)）：-40 ～ +125 °C。この広い範囲により、過酷な産業環境での信頼性の高い動作が保証されます。
• はんだ付け温度（T_SOL)）：10秒間260 °C。これは一般的な無鉛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

指定された試験条件下で保証される性能パラメータです。

2.2.1 入力特性

• 順方向電圧（V_F)）：標準1.4V、I_F=16mA時最大1.8V。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。
• 入力容量（C_IN)）：標準70 pF。低い容量は入力側の高周波性能向上に寄与します。

2.2.2 出力・伝達特性

• 低レベル出力電圧（V_OL)）：I_F=16mA、I_O=3mA、V_CC=4.5V時、最大0.4V。これは負荷下での出力論理0レベルを定義します。
• 電流伝達率（CTR））：同じ試験条件下で最小20%。CTRは出力トランジスタ電流と入力LED電流の比率です。最小保証値は十分な出力駆動能力を確保します。
• 高レベル出力電流（I_OH)）：LEDがオフのときの非常に低いリーク電流（25°C時最大5 µA）。これによりクリーンな論理1出力が確保されます。

2.3 スイッチング特性

これらのパラメータは、データ伝送に極めて重要なデバイスの速度とノイズ耐性を定義します。

• 伝搬遅延時間（T_PHL、T_PLH)）：標準0.35 µs（Low）、0.45 µs（High）、最大1.0 µs。これにより最大1Mbit/sまでの信号伝送速度が可能ですが、タイトルではロジックゲート版で10Mbit/sの能力が示唆されています。
• 同相過渡耐性（CM_H、CM_L)）：最小10 kV/µs。これは、絶縁バリアの両側に等しく現れる高速電圧過渡（ノイズ）を除去するデバイスの能力を示す重要なパラメータです。高いCMTIは、モータードライブなどのノイズ環境での誤出力スイッチングを防止します。

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。提供されたテキストには表示されていませんが、これらの曲線は通常、設計に重要な関係を示します：

• 電流伝達率（CTR）対順方向電流（I_F)）：駆動電流による効率の変化を示し、動作点の最適化に役立ちます。
• CTR対周囲温度（T_A)）：温度上昇に伴うCTRの低下を示し、高温動作に不可欠です。
• 伝搬遅延時間対負荷抵抗（R_L)）：スイッチング速度と出力駆動能力のトレードオフを示します。
• 順方向電圧対温度）：入力回路の熱管理に重要です。

設計者は、堅牢な回路設計のためにこれらの非線形関係を理解するために、完全なデータシートのグラフを参照すべきです。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ外形寸法

デバイスは標準的な5ピン小型外形パッケージ（SOP）に収められています。詳細な機械図面には、長さ、幅、高さ、リードピッチ、スタンドオフの正確な寸法が記載されています。この情報はPCBフットプリント設計と適切なクリアランス確保に極めて重要です。

4.2 推奨パッドレイアウト

推奨される表面実装パッドレイアウトが提供されています。データシートでは、これは参考設計であり、個々の製造プロセス（例：はんだペーストの種類、リフロープロファイル）に基づいて修正すべきであると正しく注記されています。最終的なパッド設計にはIPC標準への準拠が推奨されます。

4.3 極性識別・デバイスマーキング

ピン構成：

1. アノード（入力LED +）
2. 未接続／内部接続
3. カソード（入力LED -）
4. GND（出力グランド）
5. V_OUT（出力信号）
6. V_CC（出力電源電圧）

デバイスマーキング：パッケージ上面には、EL（メーカーコード）、M453H（デバイス番号）、1桁の年コード（Y）、2桁の週コード（WW）、およびVDE承認版の場合はオプションのVがマーキングされています。これによりトレーサビリティが確保されます。

5. はんだ付け・実装ガイドライン

リフローはんだ付け：この部品は、10秒間最大260°Cのはんだ付け温度に耐える定格です。これは標準的な無鉛リフロープロファイル（IPC/JEDEC J-STD-020）に適合します。ピーク温度と液相線以上の時間は、パッケージ損傷を防ぐために制御する必要があります。

保管条件：保管温度範囲は-55 ～ +125 °Cです。表面実装デバイスにとって重要な湿気感受性レベル（MSL）情報は、完全なデータシートまたは梱包情報から確認する必要があります。該当する場合は、リフロー前に吸湿した部品をベーキングするための標準的な予防措置に従ってください。

6. 梱包・発注情報

6.1 発注型番

型番は以下の構造に従います：ELM453H(Z)-VG

• Z：テープ＆リールオプション。チューブ（100個）の場合はなし、異なるリール向き（3000個/リール）の場合はTAまたはTB。
• V：VDE認証を含むことを示します。
• G：ハロゲンフリー材料構成を示します。

6.2 テープ＆リール仕様

自動ピック＆プレース実装のための、キャリアテープ寸法（幅、ポケットサイズ、ピッチ）およびリール仕様の詳細が提供されています。オプションTAとTBは、テープ内の部品の向きが異なり、リールからの供給方向に影響します。

7. アプリケーション提案

7.1 代表的なアプリケーション回路

ラインレシーバ／デジタル信号絶縁：本デバイスは、産業ネットワークにおけるRS-485、CAN、その他のシリアルデータラインの絶縁に最適です。高いCMTIがグランド電位差やノイズからの保護を提供します。

モータードライブにおけるゲート駆動絶縁：IGBTやMOSFETのための高電圧・ノイズの多いゲートドライバ回路から、低電圧制御信号を絶縁するために使用されます。ここでは高い絶縁耐圧（3750Vrms）と速度が鍵となります。

論理グランド絶縁：サブシステム間（例：高感度アナログセンサーインターフェースとノイズの多いマイクロコントローラ間）のデジタルグランドを分離し、グランドループやノイズ結合を防止します。

7.2 設計上の考慮点

• 入力電流制限：LED順方向電流（I_F）を設定するために外部抵抗を使用する必要があります。保証パラメータのためには通常16mA前後に設定します。抵抗値はR_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• で計算されます。出力プルアップ抵抗：_L出力（ピン5からV_CCへ）にプルアップ抵抗（R_L）が必要です。その値はスイッチング速度（R
• が小さいほど高速だが電流は増加）と論理ハイレベルに影響します。試験条件では1.9 kΩが使用されています。電源デカップリング：_CC安定動作とスイッチングノイズ低減のため、ピン4（GND）とピン6（V
• ）の近くに0.1 µFのセラミックコンデンサを配置してください。沿面距離・空間距離：

PCB上では、入力回路（ピン1,2,3）と出力回路（ピン4,5,6）に関連するすべての導電性要素（トレース、パッド、部品）の間に十分な沿面距離と空間距離を維持し、高電圧絶縁定格を保持してください。関連する安全規格（例：IEC 61010-1）に従ってください。

8. 技術比較・差別化ELM453H-Gの標準的なフォトトランジスタカプラとの主な差別化点は、その速度

にあります。出力トランジスタをバイアスするための独立したベース接続（内蔵フォトダイオード経由）を提供することで、従来のフォトトランジスタを遅くするミラー容量効果を大幅に低減します。これにより、1Mbit/sから10Mbit/sの範囲のデジタルデータ伝送に適しており、標準デバイスはしばしば100 kbit/s以下に制限されます。

さらに、包括的な国際安全認証（UL、cUL、VDE、SEMKOなど）の取得、およびハロゲンフリー、RoHS、REACH規制への準拠により、厳しい環境・安全要件を持つグローバル市場での優先選択肢となっています。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: このフォトカプラがサポートできる最大データレートは？_LA: 最大伝搬遅延時間1.0 µsに基づくと、デバイスは少なくとも1 Mbit/sのデータレートを確実にサポートできます。タイトルの10 Mbit/sの記述は、最適化された性能または特定のバージョンを示唆しています。実際の最大レートは回路設計（R_F、I

）に依存し、重要なアプリケーションではオシロスコープ測定で確認すべきです。

Q: 設計で高い絶縁定格を維持するにはどうすればよいですか？

A: デバイスの内部構造が絶縁を提供します。PCB上でこれを維持するには、入力側（ピン1,2,3）と出力側（ピン4,5,6）に関連するすべての導電性要素（トレース、パッド、部品）の間に十分な物理的距離（沿面距離／空間距離）を確保する必要があります。動作電圧に基づく強化絶縁のためのPCBレイアウトガイドラインに従ってください。

Q: アナログ信号の絶縁にこれを使用できますか？

A: アナログ信号グランド絶縁として記載されていますが、本質的には非線形CTRを持つデジタル（ロジックゲート）デバイスです。線形アナログ信号の絶縁には理想的ではありません。その目的には、専用のリニアフォトカプラまたは絶縁アンプがより適切です。

10. 実用例

シナリオ：モーター制御ユニットにおける絶縁SPI通信。

3.3V制御基板上のマイクロコントローラが、高電力モーター相の近くにあるADCにSPI経由で設定データを送信する必要があります。グランド電位はノイズが多く異なります。ELM453H-Gを使用して、SPIクロック（SCK）とチップセレクト（CS）ラインを絶縁できます。マイクロコントローラのGPIOが電流制限抵抗を介してLEDを駆動します。出力ピン（5）は2.2kΩ抵抗を介してADCの5V電源にプルアップされ、クリーンで絶縁された論理信号を提供します。高いCMTIにより、SPI信号がモーターのスイッチングノイズによって破損しないことが保証されます。

11. 動作原理

本デバイスは光結合の原理で動作します。入力側の赤外発光ダイオード（IRED）に電流を流すと、光を発します。この光は透明な絶縁バリア（通常は成形されたシリコーンまたはポリマー）を通過し、内蔵検出器チップ内のフォトダイオードに照射されます。フォトダイオード電流はトランジスタ段で増幅・処理され、対応するデジタル出力信号（アクティブ時はグランドへシンク電流）を生成します。信号が光によって伝送され、バリアを横断する導電経路がないため、完全な電気的絶縁が実現されます。

12. 業界動向