8ピンDIPワイドボディ 高速1Mbit/s トランジスタ出力フォトカプラ ELW135 ELW136 ELW4503 データシート - 技術文書

1. 製品概要

ELW135、ELW136、ELW4503は、高速信号絶縁を必要とするアプリケーション向けに設計された高速トランジスタ出力フォトカプラ（フォトアイソレータ）です。各デバイスは、高速フォト検出トランジスタに光結合された赤外線発光ダイオードを内蔵しています。重要な構造的特徴は、フォトダイオードのバイアスと出力トランジスタのコレクタに対して別々の接続が提供されている点です。この設計により、入力トランジスタのベース-コレクタ容量を低減することでスイッチング速度が大幅に向上し、従来のフォトトランジスタカプラよりも数桁優れた性能を提供します。デバイスは8ピンのデュアル・インライン・パッケージ（DIP）ワイドボディに収められており、スルーホール（広リード間隔）と表面実装デバイス（SMD）の両方のオプションがあります。

1.1 中核的利点とターゲット市場

この製品ファミリーの主な利点は、高速性（1 Mbit/sのデータレート）と堅牢な絶縁性（5000 V_rms）を兼ね備えている点です。これにより、現代のデジタルシステムにおいて、より低速なフォトトランジスタカプラの置き換えに適しています。これらのデバイスは、-55°Cから+100°Cの広い温度範囲で確実に動作するように設計されており、0°Cから70°Cの範囲で性能が保証されています。主なターゲットアプリケーションには、通信インターフェースのラインレシーバ、モータ駆動回路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、高速ロジックのグランド絶縁、通信機器、および各種家電製品が含まれます。デバイスは鉛フリーおよびRoHS指令に準拠しており、UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKOなどの主要な国際安全規格機関の認証を取得しています。

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電気的および性能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

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。これらは動作条件ではありません。

• 入力（LED）：連続順方向電流（I_F）は25 mAで定格されています。パルス動作では、デューティ比50%、パルス幅1msの条件下で、ピーク順方向電流（I_FP）50 mAが許容されます。非常に短いパルス（≤1μs）で低繰り返し率（300 pps）の場合、1Aという非常に高いピーク過渡電流（I_Ftrans）が許容され、サージ耐性試験に有用です。LEDにかかる最大逆電圧（V_R）は5Vです。
• 出力（フォトトランジスタ）：ELW135/136の場合、エミッタ-ベース間逆電圧（V_EBR）は5V、ベース電流（I_B）は5 mAに制限されています（ベースピンを外部で使用する場合に関連）。平均出力電流（I_O(AVG)）は8 mA、ピーク（I_O(PK)）は16 mAです。出力電圧（V_O）は、出力側グランドに対して-0.5Vから+20Vの範囲でスイングできます。
• システム：出力側の電源電圧（V_CC）は-0.5Vから+30Vの範囲です。絶縁電圧（V_ISO）は5000 V_rmsで、入力側と出力側の間（ピン1-4短絡対ピン5-8短絡）に1分間印加されます。デバイスは260°Cで最大10秒間のはんだ付けが可能です。

2.2 電気的特性・伝達特性

これらのパラメータは、特に記載がない限り動作温度範囲（0°C～70°C）で保証され、代表値は25°Cでの値です。

• 入力LED：順方向電圧（V_F）は、I_F=16mA時、代表値1.45V、最大1.8Vです。約-1.9 mV/°Cの負の温度係数を持ちます。
• 出力暗電流：ロジックハイ出力電流（I_OH）、本質的にはフォトトランジスタのリークまたは暗電流は非常に低く（V_CC=15V、25°C時最大1 µA）、良好なオフ状態絶縁を保証します。
• 電源電流：ロジックロー電源電流（I_CCL）は、LEDが点灯時（I_F=16mA）代表値110 µAです。一方、ロジックハイ電源電流（I_CCH）は、LEDが消灯時代表値0.01 µAです。
• 電流伝達率（CTR）：これはフォトカプラの効率を定義する重要なパラメータです。ELW135のCTR範囲は7%から50%（最小～最大）です。一方、ELW136とELW4503の範囲は19%から50%です。試験条件はI_F=16mA、V_O=0.4V、V_CC=4.5V、25°Cです。データシートでは、わずかに異なる条件（V_O=0.5V）下での最小CTR値も規定されており、ELW135は5%、ELW136/ELW4503は15%で、設計マージン上重要です。
• ロジックロー出力電圧（V_OL）：これは出力トランジスタの飽和電圧を規定します。ELW135の場合、I_O=1.1mA時、V_OLは代表値0.18V（最大0.4V）です。ELW136/ELW4503の場合、I_O=3mA時、V_OLは代表値0.25V（最大0.4V）です。これらの低い値は、デジタルロジックインターフェースで良好なノイズマージンを達成するために重要です。

2.3 スイッチング特性

スイッチング性能は、I_F=16mA、V_CC=5Vで測定されます。負荷抵抗（R_L）の値は、各モデルのCTRと出力駆動能力に合わせて異なります。

• 伝搬遅延時間：
  • ELW135：ロジックローへの伝搬遅延時間（t_PHL）は、R_L=4.1 kΩ時、代表値0.36 µs（最大2.0 µs）です。ロジックハイへの伝搬遅延時間（t_PLH）は代表値0.45 µs（最大2.0 µs）です。
  • ELW136 / ELW4503：これらの高速バリアントでは、t_PHLは代表値0.32 µs（最大1.0 µs）、t_PLHは代表値0.25 µs（最大1.0 µs）で、R_L=1.9 kΩです。
• 同相過渡耐性（CMTI）：これは、入力側と出力側のグランド間の高速電圧過渡現象を除去するデバイスの能力を測定します。単位はV/µsで規定されます。
  • ELW135/136：両モデルとも、出力状態がハイおよびローの両方で最小CMTI 1000 V/µsを有し、10V_p-pの同相パルスで試験されています。
  • ELW4503：このモデルは、より優れたノイズ耐性を提供し、最小CMTI 15,000 V/µsを有します。これは、はるかに大きな1500V_p-pパルスで試験されています。このため、モータ駆動などの高ノイズ環境に特に適しています。

3. ピン配置と機能の違い

8ピンDIPパッケージは標準化されたピン配置を持ちますが、デバイスタイプ間で重要なバリエーションがあります。

• ピン1 & 4：すべてのモデルで無接続（NC）です。
• ピン2 & 3：それぞれ入力LEDのアノードとカソードです。
• ピン5：出力側のグランド（GND）です。
• ピン6：出力電圧（V_OUT）、フォトトランジスタのコレクタです。
• ピン7：このピンは異なります。ELW135およびELW136の場合、これはフォトダイオードバイアス電圧（V_B）です。このピンを接続することが高速動作を達成するために不可欠です。ELW4503の場合、ピン7は無接続（NC）です。ELW4503では高速バイアス処理は内部で行われていると考えられます。
• ピン8：出力側の電源電圧（V_CC）です。

回路図は内部接続を示しています：フォトダイオード（トランジスタのベースを駆動）は、ピン7（V_B）とピン6（V_OUT/コレクタ）の間に接続されています。フォトトランジスタのエミッタはピン5（GND）に接続されています。

4. 応用上の提案

4.1 代表的な応用回路

これらのフォトカプラは、デジタル信号絶縁に理想的です。代表的な回路は、入力LEDをマイクロコントローラやロジックゲートの出力と直列に接続し、電流制限抵抗を介して駆動します。出力側では、プルアップ抵抗（R_L）をV_CC（ピン8）とV_OUT（ピン6）の間に接続します。R_Lの値は、所望のスイッチング速度、出力電流、およびデバイスのCTRに基づいて選択する必要があり、データシートの表に規定されています（例：スイッチング試験では、ELW135は4.1 kΩ、ELW136/4503は1.9 kΩ）。ELW135/136の場合、ピン7（V_B）を接続する必要があり、速度と感度のトレードオフに応じて、抵抗を介してまたは直接V_CCに接続することが多いです。

4.2 設計上の考慮点と注意事項

• 速度とCTRのトレードオフ：別々のベース接続（ピン7）により、フォトダイオードのバイアスを調整することで、ある程度のCTRを犠牲にしてより高い速度を得ることができます。データシートのスイッチング仕様は特定の条件で与えられています。
• モデル選択：汎用でコストに敏感な1Mbit/sアプリケーションにはELW135を選択します。ELW136はより高い最小CTRを提供し、より多くの出力電流駆動を必要とする設計でより良いマージンを確保します。ELW4503は、非常に高い電気ノイズ環境（例：産業用モータ制御、パワーインバータ）におけるプレミアムな選択肢であり、卓越した15,000+ V/µsのCMTIを備えています。
• 電力損失：入力電力（I_F* V_F）が45 mWを超えず、出力電力が100 mWを超えないようにし、周囲温度を考慮してください。
• 絶縁のためのレイアウト：高い絶縁定格を維持するために、PCB上で入力側トレース（ピン1-4）と出力側トレース（ピン5-8）の間に十分な沿面距離と空間距離を確保してください。デバイス下のPCBにスロットやバリアを設けることが推奨されることが多いです。

5. パッケージと発注情報

デバイスは、型番のサフィックスで示される異なるパッケージオプションで提供されています。

型番フォーマット：ELW13XY(Z)-Vまたは ELW4503Y(Z)-V

• X= 型番識別子（ELW135は5、ELW136は6）。
• Y= リード形状オプション：表面実装リード形状は'S'、標準DIPは空白。
• Z= テープ&リールオプション：'TA'または'TB'、チューブ包装は空白。
• V= オプションのVDE認証マーキング。

梱包数量：標準DIP-8パッケージは、40個入りのチューブで供給されます。テープ&リール付きの表面実装オプション（'S(TA)'）は、500個入りのリールで供給されます。

6. 技術比較とFAQ

6.1 モデル間の違い

主な違いは、電流伝達率（CTR）と同相過渡耐性（CMTI）です。ELW135は保証されるCTRが最も低く（7-50%）、ELW136はより高い最小CTR（19-50%）を持ち、ELW4503はELW136と同じCTRを持ちますが、はるかに優れたCMTI定格（>15 kV/µs 対 1 kV/µs）を追加しています。ELW4503はまた、ピン7がNCであるため、ピン7への接続を必要とするELW135/136と比較して外部回路が簡素化されます。

6.2 パラメータに基づくよくある質問

• Q: 達成可能な最大データレートは？A: デバイスは伝搬遅延仕様に基づき1 Mbit/s動作で特性評価されています。実際の最大レートは、R_Lや入力駆動条件を含む特定の回路設計に依存します。
• Q: 3.3VのV_CC?A: 電気的特性はV_CC=4.5Vおよび5Vで試験されています。絶対最大定格は-0.5Vまで許容していますが、3.3Vでの動作は可能かもしれません。ただし、提供されたデータシートで完全に特性評価されていないため、実際のより低いV_OL条件下での性能（V_CCやスイッチング時間など）を確認する必要があります。
• Q: ELW135/136でピン7（V_B）が重要なのはなぜ？A: ピン7を接続することで、フォトダイオード/ベース接合からの電荷を掃き出す低インピーダンス経路が提供され、ミラー容量効果を劇的に低減して高速スイッチングを可能にします。これを未接続にすると、低速の従来型フォトトランジスタカプラと同様の性能になります。
• Q: 設計で5000V_rmsの絶縁を確保するには？A: 部品自体がこの定格を持っています。システム設計者は、コンポーネント本体下を含むすべての入力回路と出力回路の間で、PCBレイアウトが十分な沿面距離/空間距離（例：この電圧レベルでの強化絶縁のため安全規格に基づき>8mm）を維持することを保証する必要があります。

7. 動作原理

基本原理は光電絶縁です。入力LEDに印加される電気信号により、赤外線が発光します。この光は、パッケージ内の光学的に透明で電気的に絶縁されたバリア（通常はモールド樹脂またはエアギャップ）を通過します。光は出力側のフォトダイオードによって検出され、光電流を生成します。これらの高速デバイスでは、この光電流が集積されたバイポーラトランジスタのベースを直接変調します。高速化の鍵は、フォトダイオード（ELW135/136のピン7）への別々のアクセスであり、これによりフォトダイオード容量を迅速に充放電し、トランジスタ内の蓄積時間を最小限に抑え、伝搬遅延と立ち上がり/立ち下がり時間を短縮します。