EL101XH-G フォトトランジスタ フォトカプラ データシート - 4ピンSOPパッケージ - 8mm沿面距離 - 5000Vrms絶縁耐圧 - ハロゲンフリー - 日本語技術文書

1. 製品概要

EL101XH-Gシリーズは、要求の厳しい電子アプリケーションにおける信頼性の高い信号絶縁のために設計された、高性能フォトトランジスタフォトカプラ（オプトカプラ）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の間に堅牢な電気的バリアを提供し、グランドループ、電圧スパイク、ノイズがシステムの異なるセクション間で伝播するのを防ぐように設計されています。コア機能は、コンパクトな4ピン小型アウトライン・パッケージ（SOP）内に収められた、シリコンフォトトランジスタ検出器に光結合した赤外線発光ダイオードによって実現されます。

このシリーズの主な特徴は、その8mmの長い沿面距離であり、これは高絶縁電圧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大幅に向上させます。この設計は、5000 V_rmsの絶縁耐圧定格と組み合わさり、ユーザーの安全性と機器保護が最優先される産業制御システム、電源、家電製品に適しています。また、これらのデバイスはハロゲンフリーで製造されており、臭素（Br）および塩素（Cl）含有量を制限することで環境規制に準拠しています。

EL101XH-Gシリーズのターゲット市場は広く、産業オートメーション、通信、計測機器、民生家電を含みます。代表的なアプリケーションとしては、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）I/Oモジュールでの絶縁、通信機器での信号伝送、計測機器でのインターフェース絶縁、ファンヒーターなどの家電製品での安全絶縁などが挙げられます。

2. 技術パラメータ詳細

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。これらの限界以下または限界での動作は保証されません。

• 入力順方向電流 (I_F): 50 mA (連続)。これは入力赤外線LEDを流すことができる最大DC電流です。
• ピーク順方向電流 (I_FP): 1 A (1 µsパルス)。この定格は、スイッチング時の短い電流サージに耐えるために重要です。
• 入力逆方向電圧 (V_R): 6 V。逆バイアスでこの電圧を超えるとLEDが損傷する可能性があります。
• 出力コレクタ-エミッタ間電圧 (V_CEO): 80 V。これは、ベース（光によって駆動）がオープンの状態で、フォトトランジスタのコレクタがエミッタに対して耐えられる最大電圧です。
• 総消費電力 (P_TOT): 250 mW。これはデバイス全体が消費できる最大の合計電力であり、入力電流/電圧と出力電流/電圧の積を制限します。
• 絶縁耐圧 (V_ISO): 5000 V_rms (1分間)。この重要な安全パラメータは、ピン1と2を短絡、ピン3と4を短絡し、これら2つのグループ間に高電圧を印加して試験されます。
• 動作温度 (T_OPR): -55°C から +125°C。この広い範囲により、過酷な産業および車載環境での機能性が保証されます。
• はんだ付け温度 (T_SOL): 260°C (10秒間)。これはリフローはんだ付けプロセスをガイドします。

2.2 電気光学特性

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）でのデバイスの性能を定義します。

2.2.1 入力特性 (LED側)

• 順方向電圧 (V_F): 標準 1.2V、最大 1.4V (I_F= 10 mA時)。これは必要な電流制限抵抗を計算するために使用されます。
• 逆方向電流 (I_R): 最大 10 µA (V_R= 6V時)。良好なダイオードリーク特性を示します。
• 入力容量 (C_in): 標準 50 pF。これは入力側の高周波スイッチング性能に影響します。

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 200 nA (V_CE= 48V, I_F= 0mA時)。これはLEDがオフの時のリーク電流であり、オフ状態の信号完全性にとって重要です。
• コレクタ-エミッタ降伏電圧 (BV_CEO): 最小 80V (I_C= 0.1mA時)。高い耐圧能力を確認します。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧 (V_CE(sat)): 最大 0.3V (I_F= 10mA, I_C= 1mA時)。出力がオン状態のスイッチとして使用される場合、低い飽和電圧が望ましいです。

2.2.3 伝達特性

これらのパラメータは、入力と出力間の結合効率と速度を定義します。

• 電流伝達率 (CTR): これはコア性能指標であり、指定条件 (V_C=5V, I_F=5mA) における (I_CE/ I_F) * 100% として定義されます。EL101XH-Gシリーズは複数のCTRグレードで提供されます:
  • EL1010H: 50% から 600% (広範囲)
  • EL1011H: 100% から 200%
  • EL1017H: 80% から 160%
  • EL1018H: 130% から 260%
  • EL1019H: 200% から 400%
  より高いCTRグレードを選択すると、同じ出力電流を得るために必要な入力LED電流を低減でき、電力効率が向上します。
• 絶縁抵抗 (R_IO): 最小 5 x 10¹⁰Ω (500V DC時)。この非常に高い抵抗値は、内部絶縁材料の品質を確認します。
• 浮遊容量 (C_IO): 最大 1.0 pF。この低いパッケージ間容量は、ノイズの多い環境で高い同相過渡耐性（CMTI）を達成するための鍵です。
• スイッチング時間: 試験条件 V_CE=5V, I_C=5mA, R_L=100Ω。
  • ターンオン時間 (t_on): 標準 12 µs。
  • ターンオフ時間 (t_off): 標準 10 µs。
  • 立ち上がり時間 (t_r) および立ち下がり時間 (t_f): 最大 各 18 µs。
  これらの速度は、中程度の周波数（数十kHz）でのデジタル信号絶縁に適しています。

3. グレーディングシステムの説明

EL101XH-GシリーズはCTRベースのグレーディングシステムを採用しており、これは型番間の主な違いです。型番EL101XH-GのXはCTRランク（0, 1, 7, 8, 9）を示します。各ランクは、セクション2.2.3で詳述されているように、特定の最小および標準CTR範囲に対応します。これにより、設計者はアプリケーションに必要な正確な利得を持つデバイスを選択できます。より高いCTRグレード（例：EL1019H）を選択すると、入力LEDに必要な駆動電流を低減でき、消費電力と発熱を抑えることができます。逆に、十分な駆動電流が利用可能なアプリケーションでは、より低いCTRグレードで十分な場合があります。

4. 性能曲線分析

PDFには代表的な電気光学特性曲線の存在が示されていますが、具体的なグラフはテキスト内容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関係を示す曲線が含まれます:

• CTR vs. 順方向電流 (I_F): この曲線は、電流伝達率がLED駆動電流とともにどのように変化するかを示します。CTRは、発熱と効率低下により、非常に高いI_Fで低下することがよくあります。
• CTR vs. 周囲温度 (T_a): これは熱設計にとって重要な曲線です。フォトトランジスタカプラのCTRは通常、負の温度係数を持ち、温度が上昇すると減少することを意味します。設計者は、全動作温度範囲にわたるこのデレーティングを考慮に入れる必要があります。
• コレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ間電圧 (I_C-V_CE): 異なる入力電流 (I_F) に対してプロットされたこれらの出力特性曲線は、フォトトランジスタの動作領域（飽和、能動）を示します。
• 順方向電圧 vs. 順方向電流 (V_F-I_F): 標準的なLEDのI-V曲線であり、入力側の熱管理に有用です。

設計者は、非標準条件下でのデバイス動作を正確にモデル化するために、グラフ付きの公式データシートを参照する必要があります。

5. 機械的・パッケージ情報

5.1 ピン配置

4ピンSOPパッケージのピン配置は以下の通りです:

1. 入力赤外線LEDのアノード
2. 入力赤外線LEDのカソード
3. 出力フォトトランジスタのエミッタ
4. 出力フォトトランジスタのコレクタ

これはフォトトランジスタフォトカプラの標準的な構成です。

5.2 パッケージ外形寸法とフットプリント

デバイスは高さ2.2mmのコンパクト4ピンSOPと説明されています。PDFにはパッケージ外形寸法図と表面実装用推奨パッドレイアウトが含まれています。パッドレイアウトの提案は参考として提供されており、データシートでは設計者が特定のPCB製造プロセスと熱要件に基づいてパッド寸法を変更することを明示的に推奨しています。適切なパッド設計は、信頼性の高いはんだ付けと機械的強度にとって不可欠です。

6. はんだ付けおよび実装ガイドライン

提供されている主要なパラメータははんだ付け温度: 260°C (10秒間) です。これは一般的な無鉛リフローはんだ付けプロファイル（IPC/JEDEC J-STD-020）に適合します。設計者と製造者は、内部のエポキシ成形材とワイヤーボンドへの損傷を防ぐために、リフローオーブンのプロファイルがこの温度時間を超えないことを確認する必要があります。湿気敏感デバイス（MSL定格、提供されたテキストでは指定されていませんが、完全なデータシートで確認する必要があります）の標準的な取り扱い手順に従う必要があり、梱包が定格レベルを超える環境湿度にさらされた場合はベーキングを含みます。

7. 梱包および発注情報

7.1 型番規則

型番は以下の形式に従います:EL101X H(Y)- VG

• EL101: 基本型番。
• X: CTRランク (0, 1, 7, 8, 9)。
• H: 高温動作能力を示します。
• (Y): テープ&リールオプション。TA、TB、またはなし（チューブ梱包用）の場合があります。
• V: VDE安全認証を示すオプションの接尾辞。
• G: ハロゲンフリー構造を示します。

例: EL1018H-VG は、CTRランク8のハロゲンフリー、VDE認証バージョンです。

7.2 梱包仕様

デバイスは主に2つの梱包形態で提供されます:

• チューブ: 1チューブあたり100個。標準またはVDE認証付きのオプションがあります。
• テープ&リール: 1リールあたり3000個。2つの供給方向オプション（TAおよびTB）が利用可能で、自動ピックアンドプレースマシンのプログラミング用に詳細なテープ寸法（Ao, Bo, Po, Pなど）がデータシートに提供されています。

7.3 デバイスマーキング

SOPパッケージの上面には以下のコードがマーキングされています:EL 101X H Y WW V

• EL: メーカーコード。
• 101X: デバイス番号（XはCTRランクを示す）。
• H: 高温動作指定。
• Y: 1桁の年コード。
• WW: 2桁の週コード。
• V: VDE承認バージョンのオプションマーキング。

8. アプリケーション推奨事項

8.1 代表的なアプリケーション回路

フォトカプラは主に2つのモードで使用できます:

1. デジタルスイッチング / 絶縁: 入力LEDはデジタル信号（例：マイクロコントローラGPIO）によって駆動されます。フォトトランジスタ出力はスイッチとして動作し、プルアップ抵抗を介してラインをグランドまたはV_CCにプルダウンします。スイッチング時間仕様が最大データレートを決定します。
2. リニア信号絶縁: フォトトランジスタを能動領域（飽和しない）で動作させることで、アナログ信号を伝送するために使用できます。ただし、非線形のCTRとその温度変化により、追加の補償回路なしではこれは困難です。このような用途には専用のリニアオプトカプラを使用するのがより一般的です。

8.2 設計上の考慮点

• 入力電流制限: 入力LEDと直列に外部抵抗を常に挿入して順方向電流 (I_F) を設定する必要があります。R_limit= (V_drive- V_F) / I_Fを計算します。I_Fが50 mA DCを超えないようにしてください。
• 温度によるCTRデレーティング: 高温でのCTRの低下を考慮してください。選択したグレードの最小CTRで、最大動作温度でも正しく機能するように回路を設計します。
• 出力負荷抵抗 (R_L): コレクタのプルアップ抵抗の値は、スイッチング速度、消費電力、ノイズ耐性に影響します。R_Lが小さいほどスイッチングは速くなりますが、電流消費は高くなります。R_L= 100Ωの試験条件は特性評価用です。実際の値は1kΩから10kΩの範囲であることが多いです。
• ノイズ耐性: 低い結合容量（<1pF）により、良好な同相除去比が得られます。非常にノイズの多い環境では、適切なグラウンディングによるクリーンなレイアウトを確保し、出力側電源ライン間に小さなバイパスコンデンサ（例：0.1µF）を追加することを検討してください。

9. 技術比較と利点

EL101XH-Gシリーズは、いくつかの主要な特徴によって市場で差別化されています:

• 長い沿面距離 (8mm): 標準SOPオプトカプラと比較して、この延長された沿面距離は、強化絶縁を必要とする、または汚染環境で動作するアプリケーションにおいて、表面沿面放電のリスクを低減するという大きな利点です。
• 高絶縁耐圧 (5000V_rms): これは産業用電源接続機器（例：240V/480Vシステム）に適した堅牢な絶縁定格です。
• ハロゲンフリー準拠: ハロゲン含有量を低減する環境および規制要件を満たしており、グリーンエレクトロニクスにおいてますます重要になっています。
• 広い動作温度範囲 (-55°C から +125°C): 一般的な民生品範囲（0°C から 70°C）を超えており、産業、車載、軍用グレードのアプリケーションに適合します。
• 取得予定の安全認証: データシートには、UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQCからの認証が取得予定としてリストされています。これは、デバイスがこれらの厳格な国際安全基準を満たすように設計されていることを示しています。

10. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

Q1: 長い沿面距離の目的は何ですか？

A1: 沿面距離は、2つの導電部（入力および出力ピン）間の絶縁パッケージ表面に沿った最短経路です。8mmの距離は、特に湿気や汚染のある環境で、パッケージ表面を横切る高電圧アークまたは沿面放電に対する保護を高め、長期の信頼性と安全性を向上させます。

Q2: 適切なCTRグレードをどのように選択しますか？

A2: 利用可能な駆動電流と必要な出力電流に基づいて選択します。マイクロコントローラが5mAしか供給できない場合は、十分な出力電流を得るために高CTRグレード（例：EL1019H）を選択します。十分な駆動電流がある場合は、より低いグレードの方がコスト効果が高い場合があります。常に最悪ケース（最高温度での最小CTR）で設計してください。

Q3: これはAC信号絶縁に使用できますか？

A3: フォトトランジスタ出力は単方向です（電流はコレクタからエミッタに流れます）。AC信号を絶縁するには、通常、2つのデバイスを逆並列構成で使用するか、専用のAC入力オプトカプラを使用します。デジタルACゼロクロス検出の場合は、入力側にブリッジ整流器と組み合わせて使用できます。

Q4: 絶縁耐圧とコレクタ-エミッタ電圧定格の違いは何ですか？

A4: 絶縁耐圧 (5000V_rms) は、パッケージの入力側と出力側間の絶縁破壊電圧です。コレクタ-エミッタ電圧 (80V) は、通常動作中に出力トランジスタ自体に印加できる最大電圧です。これらは完全に異なるパラメータです。

11. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ:産業用PLCモジュール内で、別の電源ドメイン上の24Vリレーコイルを制御するために、3.3VマイクロコントローラGPIO信号を絶縁する。



設計手順:

1. 入力側:MCU GPIOは3.3Vです。所望のI_Fを5mA、標準V_Fを1.2Vと仮定し、R_limit= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ωを計算します。標準の430Ω抵抗を使用します。
2. CTR選択:リレーコイル駆動トランジスタのベースには約5mAが必要です。I_F=5mAの場合、必要な最小CTR = (5mA / 5mA)*100% = 100%。125°C（CTRが低下する）での動作を保証するために、十分なマージンを持つグレードを選択します。EL1018H（最小CTR 130%）が良い選択です。
3. 出力側:フォトトランジスタのコレクタを、プルアップ抵抗 (R_L) を介して24V電源に接続します。エミッタはリレー駆動トランジスタ（NPN BJTまたはNチャネルMOSFETゲート）のベースに接続します。MCU出力がHighのとき、LEDが点灯し、フォトトランジスタが飽和してベースをほぼグランドにプルダウンし、ドライバをオフにします。MCU出力がLowのとき、LEDは消灯し、フォトトランジスタはオフになり、別のバイアス抵抗がドライバベースをHighにプルアップしてリレーを動作させます。リレーコイルにはスナバダイオードが必要です。
4. レイアウト:PCB上で入力と出力のトレースを物理的に分離してください。バイパスコンデンサはデバイスピンの近くに配置してください。信頼性の高いはんだ付けのために推奨パッドレイアウトに従ってください。

この設計は堅牢な絶縁を提供し、誘導性リレーコイルによって生成される過渡現象から敏感なマイクロコントローラを保護します。

12. 動作原理

フォトカプラ（またはオプトカプラ）は、光を使用して2つの絶縁された回路間で電気信号を伝送するデバイスです。EL101XH-Gシリーズでは:

1. 入力ピン（アノードおよびカソード）に電流を流すと、内蔵の赤外線発光ダイオード（LED）が光子を放出します。これらの光子は、パッケージ内の透明な絶縁材料（通常は成形エポキシ）を通過します。
2. 光子は、出力側の
3. シリコンフォトトランジスタのベース領域に衝突します。この光エネルギーはベースで電子-正孔対を生成し、実質的にベース電流として作用して、トランジスタがそのコレクタとエミッタ.
4. 間で導通するようにします。出力コレクタ電流 (I pins.
5. ) の量は、入力LED電流 (I_C) に比例し、比例定数が電流伝達率 (CTR) です。_F重要な点は、入力と出力の間の唯一の接続が光ビームであり、絶縁バリアの特性とLEDとフォトトランジスタチップ間の内部距離によって決定される優れた電気的絶縁を提供することです。

13. 業界動向

フォトカプラのような絶縁部品の市場は、いくつかの主要なトレンドによって進化しています:

高速化と広帯域化:

• 絶縁ネットワークでUSB、CAN FD、イーサネットなどの通信プロトコルをサポートできるデジタルアイソレータおよび高速オプトカプラへの需要が高まっており、データレートは数十および数百Mbpsに達しています。集積化:
• 複数の絶縁チャネルを単一パッケージに統合する、またはパワーMOSFET/IGBT用ゲートドライバなどの他の機能と絶縁を組み合わせる傾向があります。強化された安全性と信頼性基準:
• 産業、自動車（ISO 26262）、医療機器の規制は引き続き厳しくなっており、より高い認定絶縁定格、より長い沿面距離/空間距離、実証された信頼性データを持つ部品が求められています。小型化:
• 絶縁性能を維持または向上させながら、基板スペースを節約するためにパッケージはより小型化されています（例：ワイドボディSOIC、DSOP）。代替技術:
• フォトカプラは、容量性および磁気（トランスベース）絶縁技術との競争に直面しており、これらは速度、消費電力、集積化において利点を提供できます。しかし、オプトカプラは、シンプルさ、高い同相過渡耐性（CMTI）、確立された安全認証において強力な利点を保持しています。EL101XH-Gシリーズのようなデバイスは、高絶縁、長い沿面距離、環境準拠に焦点を当てており、堅牢性と認証が最も重要である従来の安全クリティカルな産業および電源アプリケーションの持続的なニーズを満たすように位置付けられています。

Devices like the EL101XH-G series, with its focus on high isolation, long creepage, and environmental compliance, are positioned to meet the enduring needs of traditional, safety-critical industrial and power applications where robustness and certifications are paramount.