EL111X-Gシリーズ フォトトランジスタ フォトカプラ データシート - 5ピンSOPパッケージ - 8mm沿面距離 - 絶縁耐圧5000Vrms - 日本語技術文書

1. 製品概要

EL111X-Gシリーズは、異なる電位を持つ回路間での堅牢な電気的絶縁と信号伝送を必要とするアプリケーション向けに設計された、フォトトランジスタベースのフォトカプラ（光カプラ）のファミリーです。このデバイスのコア機能は、光を用いて電気信号を伝送し、入力側（赤外線発光ダイオード）と出力側（フォトトランジスタ検出器）の間のガルバニック絶縁を提供することです。この絶縁は、高電圧、ノイズ、およびグランドループから敏感な回路を保護するために極めて重要です。

本シリーズは、高さ2.0mmのコンパクトな5ピン小型外形パッケージ（SOP）を特徴とし、スペースに制約のあるPCB設計に適しています。重要な特徴は、8mmの長い沿面距離です。これは、パッケージ本体に沿った導電部間の表面距離を増加させることで、高電圧環境での信頼性と安全性を向上させます。デバイスは、ハロゲン（臭素<900 ppm、塩素<900 ppm、Br+Cl<1500 ppm）および三酸化アンチモン（Sb2O3）を含まない複合材料を使用して構築されており、環境および安全規制に準拠しています。

2. 技術仕様詳細

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がある限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 入力順方向電流（IF）：60 mA（連続）。1µsパルスのピーク順方向電流は1.5 Aと大幅に高く、スイッチング時の短時間の過電流状態を許容します。
• 入力逆電圧（VR）：6 V。逆バイアスでこの電圧を超えると、入力LEDが損傷する可能性があります。
• 出力コレクタ-エミッタ電圧（VCEO）：80 V。これは、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。
• 出力コレクタ電流（IC）：50 mA。
• 総消費電力（PTOT）：250 mW。これは、入力側と出力側を合わせた最大消費電力です。
• 絶縁耐圧（VISO）：5000 V_rms（相対湿度40-60%、1分間）。これは重要な安全パラメータであり、入力ピン（1,2）を短絡し、出力ピン（3,4,5）を短絡した状態でテストされます。
• 動作温度（TOPR）：-55°C ～ +110°C。
• はんだ付け温度（TSOL）：260°C、10秒間（標準的なリフローはんだ付けプロファイルに準拠）。

2.2 電気光学特性

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

2.2.1 入力特性（赤外線LED）

• 順方向電圧（VF）：IF = 50 mA時、最大1.5 V。典型的な値は約1.1-1.3Vとこれより低くなります。
• 逆電流（IR）：VR = 6 V時、最大10 µA。
• 入力容量（C_in）：1 kHz時、典型的50 pF。これは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）

• コレクタ-エミッタ暗電流（I_CEO）：V_CE= 20V、I_F= 0mA時、最大100 nA。これはLEDがオフの時のリーク電流です。
• コレクタ-エミッタ降伏電圧（BV_CEO）：I_C= 0.1mA時、最小80 V。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(sat)）：I_F= 10mA、I_C= 1mA時、最大0.4 V。ロジックレベル入力を駆動する出力段には、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記述します。

• 電流伝達率（CTR）：これは出力コレクタ電流（I_C）と入力順方向電流（I_F）の比率で、パーセンテージで表されます。EL111X-Gシリーズは複数のCTRグレード（ランク）で提供され、それぞれが定義されたテスト条件下で指定された最小/最大範囲を持ちます。これにより、設計者はアプリケーションに適した一貫した利得を持つデバイスを選択できます。
  • EL1110, EL1116, EL1117, EL1118, EL1119：I_F= 5mA、V_CE= 5Vでテスト。範囲は50-600%（EL1110）から200-400%（EL1119）まで様々です。
  • EL1112, EL1113, EL1114：I_F= 10mA、V_CE= 5Vでテスト。範囲はそれぞれ63-125%、100-200%、160-320%です。これらの部品は、I_F= 1mA時にも指定された最小CTR値を持ちます。
• 絶縁抵抗（R_IO）：500V DC時、最小5 x 10¹⁰Ω。これは絶縁された両側間の極めて高いDC抵抗を示します。
• 浮遊容量（C_IO）：1 MHz時、最大1.0 pF。この低容量は、ノイズの容量性結合を最小限に抑えることで、高い同相過渡耐性（CMTI）を維持するのに役立ちます。
• スイッチング時間：V_CE= 5V、I_C= 5mA、R_L= 100Ωで測定。
  • ターンオン時間（t_on）：典型的4 µs。
  • ターンオフ時間（t_off）：典型的3 µs。
  • 立上り時間（t_r）：典型的2 µs、最大18 µs。
  • 立下り時間（t_f）：典型的3 µs、最大18 µs。
  これらの時間は、デバイスがデジタル信号に追従する能力を定義します。最大限界は、全温度範囲および生産範囲にわたる機能性を保証します。

3. グレーディングシステムの説明

EL111X-Gシリーズの主要なグレーディングシステムは、電流伝達率（CTR）に基づいています。異なる部品番号（EL111Xの'X'で示される）は、標準条件（I_F=5mAまたは10mA、V_CE=5V）で測定された特定の保証されたCTR範囲に対応します。これにより、設計者は以下が可能になります：

1. 回路の安定性を確保：狭いCTR範囲（例：EL1117: 80-160%）を選択することで、所定の入力電流に対してより予測可能な出力電流が得られ、広い許容範囲のバイアス回路の必要性を減らします。
2. 消費電力の最適化：必要な出力電流に対して、より高いCTRのデバイス（例：EL1119）を使用すると、より低い入力LED電流で駆動でき、一次側の電力を節約できます。
3. 設計要件への適合：異なるアプリケーションは異なる利得を必要とする場合があります。ロジックインターフェース回路は標準CTRデバイスを使用するかもしれませんが、アナログ信号伝送には、より高く、より線形性の高いCTR部品が有益です。

発注情報は、'X'文字（0, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9）でこのグレーディングを明確に定義しています。

4. 性能曲線分析

データシート（典型的電気光学特性曲線）で特定のグラフ曲線が参照されていますが、その典型的な挙動はフォトトランジスタフォトカプラの原理に基づいて説明できます：

• CTR vs. 順方向電流（I_F）：CTRは一定ではありません。通常、適度な順方向電流（これらのデバイスでは約5-10mA）でピークに達し、LED効率とトランジスタの飽和効果により、非常に低い電流または非常に高い電流では減少する可能性があります。
• CTR vs. 温度：CTRは一般に負の温度係数を持ちます。接合温度が上昇すると減少します。設計者は、動作温度範囲にわたるこのデレーティングを考慮する必要があります。
• 出力電流（I_C） vs. コレクタ-エミッタ電圧（V_CE）：フォトトランジスタは、固定LED電流に対して、飽和するまで電流源のように振る舞います。飽和領域は、指定された低いV_CE(sat)によって特徴付けられます。
• スイッチング時間 vs. 負荷抵抗（R_L）：スイッチング時間（t_r、t_f）は、負荷抵抗と寄生容量に大きく依存します。より小さいR_Lは一般に速い立下り時間を提供しますが、出力振幅を減少させ、消費電力を増加させます。

5. 機械的仕様とパッケージ情報

デバイスは高さ2.0mmの5ピンSOP（小型外形パッケージ）を使用します。ピン配置は標準化されています：

1. アノード（入力LED+）
2. カソード（入力LED-）
3. エミッタ（フォトトランジスタ）
4. コレクタ（フォトトランジスタ）
5. ベース（フォトトランジスタ、通常オープンまたは高速化技術のために接続）

パッケージには、表面実装用の推奨パッドレイアウトが含まれており、信頼性の高いはんだ接合とリフロー中の適切な機械的安定性を達成するために重要です。8mm長沿面距離は、パッケージモールドの物理的設計特徴であり、入力ピンと出力ピン間の表面距離を増加させ、高い5000Vrms絶縁定格と安全規格への適合に直接貢献します。

6. はんだ付けおよび実装ガイドライン

デバイスは、最大はんだ付け温度260°C、10秒間の定格を持ちます。これは標準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。主な考慮点は以下の通りです：

• 推奨PCBランドパターンを使用して、トゥームストーニングや位置ずれを防止します。
• 過剰なはんだペーストは、密接に配置されたピン間のブリッジや沿面ギャップの短絡を引き起こす可能性があるため避けます。
• プラスチックパッケージの標準的な湿気感受性レベル（MSL）取り扱い手順に従います。通常、デバイスが定格フロアライフを超えて環境湿度にさらされた場合はベーキングが必要です。
• 保管温度範囲は-55°C ～ +125°Cです。

7. 梱包および発注情報

製品は、異なる生産規模に合わせて複数の梱包オプションで提供されます：

• チューブ：チューブあたり100個（標準またはVDEオプション付き）。
• テープ＆リール：リールあたり3000個。2つのリールオプション（TA、TB）があり、テープ幅または部品の向きが異なる可能性があります。両方ともVDE安全認証オプションと組み合わせることができます。

部品番号構造は以下の通りです：EL111X(Y)-VGEL111：

• 基本部品番号。X：
• CTRランク（0,2,3,4,6,7,8,9）。Y：
• テープ＆リールオプション（TA、TB、またはチューブの場合は空白）。V：
• オプションのVDE安全認証マーキング。G：
• ハロゲンフリー構造を示します。パッケージ上のデバイスマーキングには、製造年と週を示すコード、デバイス番号、およびオプションのVDEインジケータが含まれます。

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シナリオ

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：

• フィールドセンサー/アクチュエータからのデジタル信号を中央処理装置から絶縁します。スイッチング電源：
• フライバックまたは他の絶縁型コンバータトポロジーでフィードバック絶縁を提供します。産業用通信インターフェース：
• RS-485、CAN、または他のシリアルバスラインを絶縁して、グランドループを防止し、ノイズ耐性を向上させます。医療機器：
• 患者接続回路を商用電源駆動セクションから絶縁します。安全絶縁が最も重要です。家電制御：
• ファンヒーターなどの家電製品において、低電圧マイクロコントローラ信号をトライアック駆動のACモーターまたはヒーター回路から絶縁します。計測機器：
• アナログ信号調整段をデータ収集システムから絶縁します。8.2 設計上の考慮点

入力電流制限：

• 常に直列抵抗を使用して、LED順方向電流（I）を所望の値に制限します。計算式は（電源電圧 - V_F）/ I_Fです。絶対最大定格を超えないようにしてください。_FCTR劣化：
• CTRはデバイスの寿命期間中に劣化する可能性があることに注意してください。特に高温または高LED電流で動作する場合に顕著です。重要な設計では、初期CTR値をデレートしてください。速度と電流のトレードオフ：
• 高いIは一般にスイッチング速度を向上させますが、消費電力を増加させ、CTR劣化を加速させる可能性があります。負荷抵抗R_Fもスイッチング速度と出力電圧振幅に重大な影響を与えます。_Lノイズ耐性：
• 高い絶縁抵抗と低い結合容量は、良好な同相除去比を提供します。非常にノイズの多い環境では、適切なグランディングによるクリーンなレイアウトを確保し、デバイスピン近くにバイパスコンデンサを追加することを検討してください。ベースピン（ピン5）の使用：
• ベースをオープンにするのが標準です。ベースとエミッタの間に抵抗を接続すると、フォトトランジスタの利得は減少しますが、蓄積された電荷を除去する経路を提供することで、スイッチング速度（特にターンオフ時間）を大幅に改善できます。9. 技術比較と利点

EL111X-Gシリーズは、いくつかの主要な特徴によりフォトカプラ市場で差別化されています：

長沿面距離SOPパッケージ：

• 標準SOPフットプリントでの8mm沿面距離は、多くの標準SOPフォトカプラ（通常2500Vrmsまたは3750Vrms定格）と比較して優れた絶縁定格（5000Vrms）を提供します。これにより、より大きなパッケージに移行することなく、安全マージンを提供し、より厳しい絶縁要件を満たします。包括的な安全認証：
• 本シリーズは主要な国際安全機関（UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQC）の認証を取得しており、グローバル製品の適合性を簡素化します。環境適合性：
• ハロゲンフリーおよびRoHS準拠の構造は、環境規制とサプライチェーン要件に対応します。幅広いCTR選択肢：
• 複数の明確に定義されたCTRグレードは、設計者が利得、電力、またはコストを最適化するための柔軟性を提供します。10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 長い沿面距離の目的は何ですか？

1. A: 沿面距離は、絶縁パッケージの表面に沿った2つの導電部間の最短距離です。8mmの沿面距離は、表面汚染（ほこり、湿気）に対する絶縁破壊経路を大幅に増加させ、特に湿気や汚染のある環境で、高い5000Vrms絶縁耐圧定格を達成し維持するために不可欠です。
   Q: 適切なCTRグレードをどのように選択すればよいですか？
2. A: 回路の必要な出力電流と入力駆動能力に基づいて選択してください。マイクロコントローラのGPIOピンが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いCTRグレード（例：EL1119）を選択します。アナログ検出のために一貫した予測可能な利得が必要な場合は、狭い範囲のグレード（例：EL1117）を選択します。常に特定の動作点での最小/最大値を参照してください。
   Q: アナログ信号伝送に使用できますか？
3. A: はい、ただし注意点があります。フォトトランジスタの応答は完全に線形ではなく、CTRは温度と電流によって変化します。低周波またはデジタル表現されたアナログ信号（PWMなど）に最適です。高精度のアナログ絶縁には、専用のリニアフォトカプラまたは絶縁アンプがより適しています。
   Q: TAとTBのテープ＆リールオプションの違いは何ですか？
4. A: データシートには2つの異なるテープ寸法図が示されています。主な違いは、テープポケット内の部品の向き（リールからの供給方向）とおそらくテープ幅です。TBオプションはKo寸法が2.25mmです。ピックアンドプレースマシンの互換性については、メーカーまたは詳細なテープ仕様書を参照してください。
   Q: 温度は性能にどのように影響しますか？
5. A: 温度は主にCTR（温度上昇とともに減少）と入力LEDの順方向電圧V
   （これも減少）に影響します。スイッチング速度も変化する可能性があります。全温度範囲-55°C ～ +110°Cを対象とした設計では、特にCTRデレーティングを考慮して、これらの変動を考慮する必要があります。_F11. 実践的設計例

シナリオ：

3.3VマイクロコントローラのGPIO信号を絶縁し、絶縁側の12Vリレーを制御します。リレーコイルの動作には30mAが必要です。設計手順：

CTRグレードの選択：

1. 必要なIは30mAです。マイクロコントローラは約10mAを供給できます。必要なCTR = (30mA / 10mA) * 100% = 300%。I_C=10mA時、EL1114のCTR範囲は160-320%です。EL1114を選択しますが、最小CTR（160%）ではI_Fが16mAとなり、十分でない可能性があることを認識します。LEDをより強く駆動するか、異なるグレード/デバイスを選択する必要があるかもしれません。_CEL1119での再計算：
2. EL1119はI=5mAで定格されています。CTR範囲は200-400%です。I_F=7.5mA（定格内）で駆動し、典型的なCTRを使用すると、I_Fは約22.5-30mAと予想されます。これは限界です。より良い解決策は、出力側にトランジスタを使用してリレーを駆動し、フォトカプラはロジックレベル絶縁器としてのみ使用することです。_C入力抵抗計算（I
3. =10mAでEL1114を使用）：_FV～ 1.2Vと仮定。マイクロコントローラ電圧は3.3V。R_Flimit_{= (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω。標準の200 Ω抵抗を使用します。}出力側：
4. フォトトランジスタのコレクタをリレーコイルを介して12V電源に接続します。エミッタはグランドに接続します。リレーコイルに逆方向のフライバックダイオードを配置します。フォトトランジスタはオン時に飽和し、VCE(sat)_{< 0.4Vで、ほぼ全12Vがリレーに印加されます。}速度の考慮：
5. リレーは遅いため、フォトカプラの約4µsのターンオン時間は無関係です。高速化のためのベース抵抗は必要ありません。この例は、デバイスパラメータをアプリケーション要件に適合させる反復プロセスを強調しています。

フォトカプラ（光カプラ）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。EL111X-Gシリーズでは：

入力ピン（1-アノード、2-カソード）に電流が印加され、内部の

1. 赤外線発光ダイオード（IRED）が順方向バイアスされます。.
2. IREDは順方向電流に比例した赤外線を発光します。
3. この光は透明な絶縁ギャップ（通常は成形プラスチック）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。
4. 入射光はベースで電子-正孔対を生成し、実質的にベース電流として作用します。これにより、フォトトランジスタはコレクタ（ピン4）とエミッタ（ピン3）間で導通します。
5. 結果として生じる出力コレクタ電流（I_C）は、入力LED電流（I_F）にほぼ比例し、比例定数が電流伝達率（CTR）です。
6. 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ることです。電気的導電経路はありません。これにより、高電圧、グランド電位差、およびノイズを遮断するガルバニック絶縁が提供されます。

13. 技術トレンド

フォトカプラ技術は、システム要求とともに進化し続けています：

• 高速化：モータードライブ、通信、ADCにおける高速デジタル絶縁の需要が、より速いスイッチング時間（ナノ秒範囲）とより高い同相過渡耐性（CMTI）を持つフォトカプラの開発を推進しています。
• 統合化：IGBT/MOSFET用のゲートドライバ、電源用のエラーアンプ、または1つのパッケージに複数チャネルを持つデジタル絶縁器など、追加機能を統合する傾向があります。
• 信頼性と寿命の向上：特に高温の自動車および産業アプリケーション向けに、長期的なCTR劣化を低減するための材料と設計に焦点が当てられています。
• 小型化：絶縁定格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縮小し続けています（例：超小型SOP、ウェハレベルパッケージング）。
• 代替技術：フォトカプラは、容量性絶縁器（SiO2バリア使用）や磁気（トランスベース）絶縁器などの他の絶縁技術と競合しています。これらはより高速、低電力、およびより良い統合を提供できます。しかし、フォトカプラは、そのシンプルさ、高電圧能力、よく理解された信頼性、および標準速度要件に対するコスト効率の良さにより、多くのアプリケーションで依然として支配的です。

EL111X-Gシリーズは、コンパクトで環境適合性のあるパッケージでの高絶縁耐圧に焦点を当てることで、幅広い産業および民生アプリケーションにおける信頼性の高い、安全認証済みの信号絶縁に対する持続的なニーズに対応しています。