6N138 6N139 フォトカプラ データシート - 8ピンDIPパッケージ - 高利得スプリットダーリントン - 日本語技術文書

1. 製品概要

6N138および6N139は、スプリットダーリントンフォトトランジスタ出力段を特徴とする高性能・低入力電流フォトカプラです。これらのデバイスは非常に高い電流伝達率（CTR）を提供するように設計されており、最小限の入力駆動電流で信頼性の高い信号伝送を可能にします。標準的な8ピンデュアルインレインパッケージ（DIP）に収められており、広いリード間隔や表面実装タイプのオプションもあります。主な機能は、入力回路と出力回路間の電気的絶縁を提供し、高電圧サージやグランドループから繊細なロジックを保護することです。

1.1 中核的利点とターゲット市場

これらのフォトカプラの主な利点は、典型的に2000%という非常に高いCTRであり、追加の増幅を必要とせずに低電流ロジック信号と直接インターフェースすることが可能です。主要な国際安全規格機関（UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO）の認証を取得しており、5000 Vrmsという高い絶縁耐圧を提供します。これらの特徴から、ノイズ耐性、安全絶縁、信号の完全性が重要な産業、通信、コンピューティング用途に最適です。ターゲット市場には、産業オートメーション、電源フィードバックループ、デジタルインターフェース絶縁、通信ライン受信機などが含まれます。

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・光学的パラメータについて客観的に解説します。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、それを超えると永久的な損傷が発生する可能性のあるストレスの限界を定義します。入力側の赤外線LEDの最大連続順方向電流（IF）は20 mAで、非常に短いパルス（<1 µs）に対して1 Aのピーク過渡電流に耐えることができます。出力トランジスタの最大コレクタ電流（IO）は60 mA、その消費電力（PO）は100 mWに制限されています。デバイスは-40°Cから+85°Cの周囲温度範囲で動作可能です。5000 Vrmsの絶縁耐圧は重要な安全パラメータであり、すべての入力ピンを短絡し、すべての出力ピンを短絡した状態で試験されます。

2.2 電気的特性

電気的特性は、0°Cから70°Cの商用温度範囲で保証されています。入力LEDの典型的な順方向電圧（VF）は、IF = 1.6 mAで1.3Vです。出力側のパラメータは6N138と6N139で若干異なります。6N139は、同じ条件（IF=0mA、VCC=18V）下で、6N138の100 µAと比較して、より低いロジックハイ出力電流（IOH）リーク（典型的0.01 µA）を提供します。ロジックロー状態での供給電流（ICCL）は、LEDが1.6 mAで駆動された場合、両デバイスとも典型的に0.6 mAです。

2.3 伝達特性

電流伝達率（CTR）は最も重要なパラメータであり、（IC / IF） * 100%と定義されます。6N139は、IF=0.5mAで最小CTR 400%、IF=1.6mAで最小CTR 500%です。6N138は、IF=1.6mAで最小CTR 300%です。両者の典型的な値は2000-2500%であり、高い感度を示しています。ロジックロー出力電圧（VOL）は様々な負荷条件下で規定されており、最大0.4Vであり、標準的なTTLおよびCMOSロジックレベルとの互換性を確保しています。

2.4 スイッチング特性

スイッチング速度は、入力駆動電流と負荷抵抗に依存します。伝搬遅延時間（tPLH、tPHL）は特定の試験条件で提供されています。例えば、IF=0.5mA、RL=4.7kΩの6N139では、典型的なtPHLは5 µs、tPLHは16 µsです。IFを12mAに増加し、RL=270Ωにすると、速度はそれぞれ0.2 µsと1.7 µsに劇的に向上します。6N138は、規定の試験条件（IF=1.6mA、RL=2.2kΩ）下では一般的に低速です。同相過渡耐性（CMTI）は、ロジックハイ状態およびローロジック状態の両方で最小1000 V/µsと規定されており、絶縁バリアを横切る高速電圧過渡に対する優れたノイズ除去能力を示しています。

3. 機械的仕様とパッケージ情報

デバイスは標準的な8ピンDIPパッケージで提供されます。ピン配置は以下の通りです：ピン1：未接続、ピン2：アノード、ピン3：カソード、ピン4：未接続、ピン5：グランド（Gnd）、ピン6：出力（Vout）、ピン7：ベース（VB）、ピン8：電源電圧（VCC）。ベースピン（7）はフォトトランジスタのベースにアクセスするためのものであり、スピードアップ用の抵抗やコンデンサを接続して帯域幅と安定性をトレードオフするために使用できます。パッケージオプションには、標準DIP、広リードベンド（0.4インチ間隔）、および表面実装リード形状（SおよびロープロファイルS1）が含まれます。

4. はんだ付けおよび組立ガイドライン

はんだ付け温度の絶対最大定格は、10秒間260°Cです。これは、波はんだ付けやリフローはんだ付けプロセスに典型的な値です。静電気放電（ESD）に敏感なデバイスを扱う際の標準的な注意事項を遵守する必要があります。デバイスは、規定の保存温度範囲である-55°Cから+125°Cの条件で保管してください。

5. 梱包および発注情報

品番は以下の形式に従います：6N13XY(Z)-V。'X'は品番（6N138の場合は8、6N139の場合は9）。'Y'はリード形状オプションを示します：標準DIP（45個/チューブ）の場合は無し、広リードベンド（45個/チューブ）の場合は'M'、表面実装の場合は'S'、ロープロファイル表面実装の場合は'S1'。'Z'はSMD部品のテープ＆リールオプションを指定します：'TA'または'TB'（1000個/リール）。'V'はVDE承認のオプション接尾辞です。ユーザーは組立要件に基づいて正しい組み合わせを選択する必要があります。

6. 応用提案

6.1 典型的な応用シナリオ

データシートには、いくつかの主要な応用例が記載されています：デジタルロジックのグランド絶縁、RS-232Cライン受信機、低入力電流ライン受信機、マイクロプロセッサバス絶縁、電流ループ受信機。高いCTRにより、マイクロコントローラのGPIOピンと直接インターフェースしたり、ノイズの多い環境でのセンサ信号を絶縁したり、RS-232やRS-485などのシリアル通信ラインで電気的絶縁を提供したりするのに優れています。

6.2 設計上の考慮事項

1. 入力電流制限：LED順方向電流（IF）を絶対最大定格および所望の動作範囲内の値に制限するために、外部の直列抵抗を使用する必要があります。必要な抵抗値は（Vdrive - VF） / IFです。出力負荷：出力トランジスタは電流シンクとして動作します。負荷抵抗（VCCとピン6の間に接続）は、所望の出力電圧振幅とスイッチング速度を設定するために選択する必要があります。抵抗値を小さくすると速度は向上しますが、消費電力も増加します。速度対安定性：ベースピン（7）からグランドへ抵抗（典型的には10kΩから1MΩ）を接続すると、安定性とノイズ耐性が向上しますが、CTRが低下し、スイッチング速度が遅くなります。さらにフィルタリングするために、並列にコンデンサを追加することもできます。電源デカップリング：良好な設計慣行として、VCCピン（8）の近くに0.1 µFのセラミックコンデンサをグランドに接続してノイズを抑制することが推奨されます。

7. 技術比較と差別化

6N138/6N139ファミリの主な差別化点は、そのスプリットダーリントン構成と非常に高いCTRにあります。標準的な単一トランジスタフォトカプラ（例：4N25シリーズ）と比較して、これらのデバイスは大幅に高い感度を提供し、低電流CMOSロジックで直接駆動することが可能です。新しいデジタルアイソレータと比較すると、超高速や複雑なプロトコルを必要としない基本的な絶縁を必要とする用途に対して、非常にコスト効率の高い、よりシンプルなアナログソリューションを提供します。ベースピンの利用可能性は、周波数応答とノイズ耐性を調整するための独自の自由度を設計者に提供します。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q1: 6N138と6N139の主な違いは何ですか？

A1: 主な違いは電気的特性にあります。6N139は一般的により優れた性能を提供します：より高い最小CTR（IF=1.6mAで500%対300%）、オフ状態でのより低い出力リーク電流、および試験条件下での若干異なるスイッチング特性です。6N138は仕様が低いバリアントです。

Q2: 入力電流制限抵抗の値をどのように選択すればよいですか？

A2: アプリケーションから必要な順方向電流（IF）を決定します（例：速度とCTRの良いバランスのために1.6 mA）。データシートから典型的なVF（1.3V）を使用または測定します。駆動電圧が5Vの場合、抵抗R = (5V - 1.3V) / 0.0016A = 2312.5Ωです。標準的な2.2kΩ抵抗が適切な選択となります。

Q3: フォトカプラのスイッチングが遅いのはなぜですか？

A3: スイッチング速度はIFと負荷抵抗RLに大きく影響されます。速度を向上させるには、以下の方法があります：a) LED駆動電流（IF）を増加させる。b) 出力コレクタの負荷抵抗（RL）の値を小さくする。c) オプションとして、ベースピン（7）を小さな抵抗でグランドに接続して蓄積電荷を除去する（ただし、これによりCTRは低下します）。

Q4: "同相過渡耐性"とは何を意味しますか？

A4: これは、絶縁バリアの入力側と出力側の両方に等しく現れる高速電圧スパイクを無視するデバイスの能力を測定するものです。高いCMTI（1000 V/µsなど）は、そのようなノイズによって出力が誤って切り替わらないことを意味し、ノイズの多い電源環境では重要です。

9. 実践的設計事例

事例：RS-232通信のためのマイクロコントローラUART信号絶縁

マイクロコントローラの3.3V UART TXラインを、異なるグランドプレーン上のRS-232トランシーバチップに接続する前に絶縁する必要があります。6N139を使用できます。マイクロコントローラのピンは、1kΩ抵抗を介してLEDを駆動します（IF ~ (3.3V-1.3V)/1k = 2mA）。出力コレクタ（ピン6）は、4.7kΩのプルアップ抵抗を介してRS-232チップの入力ピンに接続され、RS-232チップのVCC（5V）に接続されます。ベースピン（7）は、安定性のためにオープンにするか、大きな抵抗（例：1MΩ）を介してグランドに接続します。このシンプルな回路は、堅牢な絶縁を提供し、RS-232ライン上のグランドシフトやサージからマイクロコントローラを保護し、信号の完全性を維持します。

10. 動作原理

このデバイスは、光電結合の原理に基づいて動作します。入力ピン（アノードとカソード）に電流を流すと、赤外線発光ダイオード（LED）が光を発します。この光は透明な絶縁ギャップを横切り、スプリットダーリントン対を構成するシリコンフォトトランジスタの光感受性ベース領域に当たります。入射光はベース電流を生成し、これは2つのトランジスタ段によって増幅され、出力側でより大きなコレクタ電流となります。"スプリット"構成は、通常、最初のトランジスタのベース（ピン7）に外部からアクセスできることを意味し、外部バイアスを可能にします。入力LEDと出力トランジスタ間の完全な電気的絶縁は、高い絶縁耐力を持つ成形プラスチックパッケージによって提供されます。

11. 業界動向と背景

6N138/139のようなフォトカプラは、成熟した信頼性の高い絶縁技術を代表しています。信号絶縁における現在のトレンドには、CMOS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の成長があり、優れた速度、電力効率、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、フォトカプラは特定の分野で強い利点を維持しています：非常に高い動作絶縁電圧（数kV）、優れた同相過渡耐性、シンプルさ、および高電圧dv/dtストレスに対する堅牢性です。高ノイズの産業環境、電源フィードバックループ、実績のある信頼性と安全認証が最も重要である用途では、フォトカプラが好まれることが多いです。新しいLEDおよび検出器材料の開発は、フォトカプラの速度とCTRを継続的に改善しており、新しい技術と並んでその関連性を確保しています。