EL851シリーズ 4ピンDIP高耐圧フォトトランジスタ・オプトカプラ データシート - パッケージ 6.35x4.57x3.3mm - VCEO 350V - CTR 50-600% - 技術文書

1. 製品概要

EL851シリーズは、過酷なアプリケーションにおける堅牢な電気的絶縁を目的として設計された、高耐圧フォトトランジスタ・オプトカプラのファミリーです。これらのデバイスは、赤外線発光ダイオードとシリコンフォトトランジスタ検出器を光学的に結合し、コンパクトな4ピンデュアル・インライン・パッケージ（DIP）内に収納しています。主な機能は、光を用いて2つの絶縁された回路間で電気信号を伝送し、高電圧やノイズが出力側から入力側へ、またはその逆方向へ伝播するのを防止することです。本シリーズは高いコレクタ-エミッタ電定格を特徴とし、電源回路やその他の高電圧システムとのインターフェースに適しています。

1.1 中核的利点とターゲット市場

EL851シリーズは、市場におけるその地位を定義するいくつかの重要な利点を提供します。最も顕著な特徴は、入力側と出力側の間で大きな電位差に耐えられる高いV_CEO定格350Vです。これは、高絶縁電圧（V_ISO）5000 V_rmsによって補完され、産業機器や通信機器における信頼性の高い安全バリアを保証します。本デバイスは、UL、cUL、VDE、およびその他の様々な地域認証（SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQC）を含む主要な国際安全規格に準拠しており、グローバル市場での使用を容易にします。さらに、本シリーズはハロゲンフリー（銅リードフレーム版）で設計され、RoHSおよびEU REACH規則に準拠しており、現代の環境および規制要件に対応しています。ターゲットアプリケーションには、信号絶縁とノイズ耐性が重要な電話回線インターフェース、電源回路インターフェース、ソリッドステートリレー（SSR）およびDCモーターのコントローラー、プログラマブルコントローラーなどが含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

適切な回路設計と信頼性の高い動作のためには、デバイスの電気的および光学的特性を十分に理解することが不可欠です。

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。これらは通常動作を意図したものではありません。EL851の主要定格は以下の通りです：

• 入力順方向電流（I_F)）： 60 mA（連続）。
• ピーク順方向電流（I_FM)）： 1 A（1µsパルス）。短時間のサージ条件に有用です。
• コレクタ-エミッタ電圧（V_CEO)）： 350 V。ベースがオープンの状態で出力トランジスタに印加できる最大電圧です。
• コレクタ電流（I_C)）： 50 mA。
• 総消費電力（P_TOT)）： 200 mW。入力と出力の電力制限を合計した値です。
• 絶縁耐圧（V_ISO)）： 5000 V_rms（相対湿度40-60%、1分間）。この試験は、ピン1と2を短絡、ピン3と4を短絡した状態で実施されます。
• 動作温度（T_OPR)）： -55°C ～ +100°C。
• はんだ付け温度（T_SOL)）： 260°C（10秒間）。フローはんだ付けまたはリフローはんだ付けプロセスに関連します。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、通常25°Cで規定され、通常動作条件下でのデバイスの性能を記述します。

2.2.1 入力特性（LED側）

• 順方向電圧（V_F)）： 標準値1.2V、最大1.4V（I_F= 10 mA時）。入力側に必要な電流制限抵抗の計算に使用されます。
• 逆方向電流（I_R)）： 最大10 µA（V_R= 5V時）。LEDが逆バイアスされたときの非常に低いリーク電流を示します。
• 入力容量（C_in)）： 標準値30 pF、最大250 pF。入力側の高周波スイッチング性能に影響を与える可能性があります。

2.2.2 出力特性（フォトトランジスタ側）

• コレクタ-エミッタ暗電流（I_CEO)）： 最大100 nA（V_CE= 200V時）。これはLEDがオフ（光なし）のときのリーク電流であり、オフ状態の信号完全性を決定する上で重要です。
• コレクタ-エミッタ降伏電圧（BV_CEO)）： 最小350V（I_C= 0.1mA時）。高耐圧能力を確認します。
• コレクタ-エミッタ容量（C_CE)）： 標準値10 pF（V_CE= 0V時）。

2.2.3 伝達特性

• 電流伝達率（CTR））： 50% ～ 600%（I_F= 5mA、V_CE= 5V時）。CTRは（I_C/ I_F） * 100%で定義されます。CTRが高いほど、所定の出力電流を駆動するための入力電流を低く抑えることができ、効率が向上します。広い範囲はビニングシステムを示しており、設計者は回路が機能することを保証するために、最小CTRを考慮に入れる必要があります。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(sat))）： 最大0.4V（I_F= 20mA、I_C= 1mA時）。この低い飽和電圧は、フォトトランジスタがオン状態のスイッチとして使用される場合に重要であり、電圧降下と電力損失を最小限に抑えます。
• 絶縁抵抗（R_IO)）： 最小10¹¹Ω（V_IO= 500V DC時）。入力と出力間の優れたDC絶縁を示します。
• 入力-出力容量（C_IO)）： 標準値0.6 pF。これは非常に低く、絶縁バリアを介した高周波ノイズの容量性結合を最小限に抑えるのに役立ちます。
• 立上り時間（t_r）および立下り時間（t_f)）： 標準値はそれぞれ4 µsおよび5 µsで、最大値は各18 µsです（試験条件：V_CE=2V、I_C=2mA、R_L=100Ω）。これらのパラメータはオプトカプラのスイッチング速度を定義し、デジタル信号伝送やPWMアプリケーションにとって重要です。

3. 性能曲線分析

具体的なグラフデータはPDF（代表的な電気光学特性曲線、図9）を参照しますが、主要な解釈は提供された表形式データと試験回路に基づいています。

スイッチング時間試験回路は、パルス電流が入力LEDを駆動し、出力フォトトランジスタの応答が負荷抵抗（R_L）を介して測定される標準構成を示しています。立上り時間（t_r）は、LEDがオンになったときに出力電流が最終値の10%から90%に達するまでの時間です。立下り時間（t_f）は、LEDがオフになったときに90%から10%に達するまでの時間です。4-5 µs範囲の標準値は、本デバイスが中速スイッチングアプリケーション、例えばリレー駆動や低周波データライン絶縁に適しているが、非常に高速なデジタル通信には理想的でない可能性があることを示しています。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 パッケージ寸法とオプション

EL851は、主に3つのリード形状オプションで提供され、それぞれに特定の寸法と用途があります。

• 標準DIPタイプ： デフォルトのスルーホールパッケージ。
• オプションMタイプ： 0.4インチ（約10.16mm）の広いリード間隔を持つ広リードベンドを特徴とし、広いピン間隔を必要とする基板に適しています。
• オプションS1タイプ： 低プロファイルの表面実装（SMD）リード形状。これはデバイスのSMDバリアントです。

正確な数値寸法はPDF図面に記載されていますが、標準DIPタイプの全体のパッケージ本体サイズは、長さ約6.35mm、幅約4.57mm、高さ約3.3mmで、コンパクトな部品です。

4.2 極性識別とマーキング

ピン配置は標準化されています：

1. アノード（入力LEDの正極）
2. カソード（入力LEDの負極）
3. エミッタ（フォトトランジスタのエミッタ、通常は出力側のグランド/コモンに接続）
4. コレクタ（フォトトランジスタのコレクタ、出力）

デバイスは上面にEL（メーカーを示す）、851（デバイス番号）、続いて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がマーキングされます。ピン1の正しい識別（通常、パッケージ上のドット、ノッチ、または面取りされたエッジで示される）は、組立時の正しい向きにとって重要です。

4.3 推奨はんだパッドレイアウト

S1（表面実装）オプションについては、推奨パッドレイアウトが提供されています。提案された寸法は参考用であり、設計者は信頼性の高いはんだ接合を確保するために、特定のPCB製造プロセス、はんだペースト塗布、および熱管理要件に基づいて修正することをお勧めします。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

本デバイスは、はんだ付け温度260°Cを最大10秒間耐えることができます。これは、スルーホールパッケージの標準フローはんだ付けおよびSMDオプションの無鉛リフローはんだ付けプロファイルと互換性があります。内部ダイ、ワイヤーボンディング、またはプラスチックパッケージ材料への損傷を防ぐために、この時間-温度制限を遵守することが重要です。取り扱いおよび組立時には、標準的なESD（静電気放電）対策を講じる必要があります。保管温度範囲は-55°Cから+125°Cです。

6. 包装および注文情報

6.1 型番規則

品番は以下の形式に従います：EL851X(Z)-V.

• X： リード形状オプション。
  • なし： 標準DIP-4（100個/チューブ）。
  • M： 広リードベンド、0.4"間隔（100個/チューブ）。
  • S1： 表面実装リード形状（低プロファイル）。
• Z： テープ&リールオプション（S1にのみ適用可能）。
  • TA, TB, TU, TD： 包装数量（1000または1500個/リール）に影響を与える異なるテープ&リール仕様。
• V： VDE安全認証を示すオプションの接尾辞。

6.2 テープ&リール仕様

S1オプションについては、詳細なテープ寸法（A, B, D0, D1, E, F, P0, P1, P2, t, W, K）が提供されています。これらの寸法は、PCB組立機がリールから部品を正しくピック&プレースするために重要です。テープ幅（W）は16.0mm ±0.3mm、ポケットピッチ（P0）は4.0mm ±0.1mmです。

7. アプリケーションノートおよび設計上の考慮事項

7.1 代表的なアプリケーション回路

EL851は、以下のいくつかの主要なアプリケーションに適しています：

• 電話回線インターフェース： モデムや電話システムの敏感な論理回路を、電話回線上の高電圧の呼出信号や潜在的なサージから絶縁します。
• 電源フィードバックループ： スイッチング電源（SMPS）において、出力電圧の絶縁されたフィードバックを提供し、一次側（高電圧）と二次側（低電圧）の間の安全絶縁を維持しながら電圧調整を可能にします。
• SSRおよびDCモーター制御： ソリッドステートリレーのゲートまたは入力を駆動する、またはマイクロコントローラーとモータードライバーHブリッジの間の絶縁インターフェースとして機能し、論理コントローラーをモーター起因のノイズや電圧スパイクから保護します。
• プログラマブルコントローラー（PLC）I/Oモジュール： デジタル入出力チャネルを絶縁し、中央処理装置をフィールド配線の故障、ノイズ、および異なるグランド電位から保護します。

7.2 重要な設計要因

1. CTR劣化： オプトカプラのCTRは、特に高温および高LED電流で動作すると、時間の経過とともに劣化する可能性があります。長期的な信頼性のために、適切な劣化マージン（製品寿命にわたってしばしば50%）を考慮した後の最小規定CTRで回路が機能するように設計してください。
2. 入力電流制限： 入力LEDと直列に外部抵抗を必ず使用し、順方向電流（I_F）を安全な値（通常、絶対最大値60mAを大幅に下回る値）に制限してください。抵抗値は R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
3. 出力負荷抵抗： フォトトランジスタのコレクタに接続される負荷抵抗（R_L）の値は、出力電圧振幅とスイッチング速度の両方に影響を与えます。R_Lが小さいほど高速になりますが、出力電圧ゲインは減少します。R_L=100Ωの試験条件は、規定のスイッチング時間の参考となります。
4. ノイズ耐性： 本デバイスは優れた電気的絶縁を提供しますが、非常に低い入力-出力容量（0.6 pF）は高周波ノイズ結合を最小限に抑えるのに役立ちます。極めてノイズの多い環境では、入力および出力信号に追加のフィルタリングが必要になる場合があります。
5. 放熱： 最大動作周囲温度を考慮して、総消費電力（P_TOT= V_F*I_F+ V_CE*I_C）が200 mWを超えないようにしてください。25°Cを超える温度では、デレーティングが必要になる場合があります。

8. 技術比較と差別化

標準的な低耐圧オプトカプラ（V_CEO定格が30-70Vのもの）と比較して、EL851の350V定格が主な差別化要因です。これにより、オフライン電源フィードバック回路（整流された商用電源電圧が約300V+になる場合）や、出力側に追加の電圧クランプまたは降圧回路を必要としない産業制御インターフェースで直接使用できます。そのCTR範囲は広く、高感度および標準駆動要件の両方に対応するオプションを提供します。スルーホール（DIP、広ベンド）および表面実装（S1）パッケージの両方がテープ&リール形式で利用可能であるため、試作と大量自動組立の両方に汎用性があります。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 設計時に考慮すべき最小CTRは何ですか？

A: 常に、意図した動作I_FおよびV_CEにおける最小CTR 50%で動作するように回路を設計してください。製品寿命にわたる潜在的な劣化を考慮に入れてください。

Q: このオプトカプラを使用して120VAC負荷を直接スイッチングできますか？

A: できません。V_CEO定格は350V DCです。120VACのピーク電圧は約170Vで定格内ですが、オプトカプラのフォトトランジスタはAC負荷の大電流を直接扱うようには設計されていません。トライアック、MOSFET、またはSSRなどの別の大電力スイッチの制御入力を駆動するために使用する必要があります。

Q: V_CEOとV_ISO?

の違いは何ですか？_CEOA: V_ISO（350V）は、出力トランジスタのコレクタとエミッタピンの間に印加できる最大DC電圧です。V_{（5000 V}rms

Q: DIPパッケージとSMDパッケージのどちらを選ぶべきですか？

A: 試作、手動組立、または基板スペースがそれほど重要ではなく、ピンスルーボードはんだ付けによる機械的堅牢性が求められるアプリケーションには、スルーホールDIPパッケージを使用してください。自動組立、高密度PCB設計、および基板厚さの低減には、SMD（S1）パッケージを選択してください。

10. 実践的な設計例

シナリオ： 24V産業用センサーの絶縁デジタル入力。

目標：24V近接センサーを3.3Vマイクロコントローラーにインターフェースし、24Vライン上の電圧過渡現象からMCUを保護する絶縁を提供します。

回路設計：

1. 入力側：センサー出力（シンクタイプ）は+24VとEL851のアノード（ピン1）の間に接続されます。電流制限抵抗（R_in）はカソード（ピン2）とグランドの間に配置されます。センサーがアクティブなときにI_inを定格5-10 mAに設定するようにR_Fを選択します。例えば、V_F~1.2Vの場合、R_in= (24V - 1.2V) / 0.005A ≈ 4.56kΩ（標準値4.7kΩを使用）。
2. 出力側：フォトトランジスタのコレクタ（ピン4）は、プルアップ抵抗（R_pullup）を介して3.3V MCU電源に接続されます。エミッタ（ピン3）はMCUグランドに接続されます。センサーがアクティブになると、LEDが点灯し、フォトトランジスタが飽和してコレクタ（出力信号）をロー（約0.4V）に引き下げます。センサーがオフのとき、フォトトランジスタはオフになり、R_pullupが出力をハイ（3.3V）に引き上げます。R_pullupは、必要な速度と電力に基づいて選択します。1kΩから10kΩが一般的です。
3. 絶縁：24Vセンサーグランドと3.3V MCUグランドは完全に分離されています。EL851の5000V_rms絶縁バリアが、24Vライン上の故障からMCUを保護します。

11. 動作原理

EL851は、光電変換と絶縁の原理に基づいて動作します。入力側に印加された電流が赤外線発光ダイオード（LED）を流れ、発光させます。この光は、プラスチックパッケージ内の透明な絶縁ギャップを横断し、出力側のシリコンフォトトランジスタのベース領域に到達します。入射光はベース内で電子-正孔対を生成し、実質的にベース電流として作用します。この光生成ベース電流は、トランジスタの電流増幅率（h_FE）によって増幅され、はるかに大きなコレクタ電流（I_C）となります。この出力コレクタ電流と入力LED電流の比が電流伝達率（CTR）です。入力回路と出力回路の間に電気的接続は存在せず、光のみがそれらを結合し、電気的絶縁を提供します。

12. 技術トレンド

オプトカプラ技術は進化を続けています。EL851のような従来のフォトトランジスタベースのデバイスは、コスト効率の高い汎用絶縁用として依然として人気がありますが、特定のニーズに対応する新しい技術も登場しています。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（数百Mbps）、低消費電力、および高い集積度（1パッケージ内の複数チャネル）を提供します。しかし、高動作電圧（EL851の350Vなど）、高コモンモード過渡耐性（CMTI）、および過酷な産業環境での実証済みの信頼性を必要とするアプリケーションでは、フォトトランジスタおよびフォトICベースのオプトカプラが強い地位を維持しています。このようなデバイスのトレンドには、パッケージのさらなる小型化、CTR安定性と寿命の向上、およびより特殊なバージョンでのアンダーボルテージロックアウト（UVLO）やゲート駆動機能などの追加機能の統合が含まれます。