ELQ3H4 フォトカプラ データシート - 16ピンSSOPパッケージ - AC入力 - CTR 20-300% - 絶縁耐圧 3750Vrms - 技術文書

1. 製品概要

ELQ3H4シリーズは、信頼性の高い信号絶縁を必要とする高密度アプリケーション向けに設計された光結合絶縁デバイスのファミリーです。コアコンポーネントは、ガリウムヒ素（GaAs）発光ダイオード（LED）と光結合されたシリコンNPNフォトトランジスタで構成され、コンパクトな16ピンシュリンク小型アウトライン・パッケージ（SSOP）内に収められています。このパッケージの主な特徴は、内蔵の遮光シールドであり、周囲光がフォトトランジスタの性能に与える影響を効果的に最小化し、ノイズの多い電気環境での信号の完全性を高めます。

このデバイスはAC入力信号を直接受け入れるように設計されており、多くのアプリケーションで外部整流回路が不要です。その主な価値提案は、非常に小型のフォームファクタ（高さ2.0mm）と堅牢な絶縁性能（3750 V_rms）、主要な国際安全・環境規格への準拠を組み合わせている点にあります。

1.1 中核的利点とターゲット市場

ELQ3H4フォトカプラは、いくつかの明確な利点を提供します。そのハロゲンフリー構造とRoHSおよび鉛フリー指令への準拠により、環境配慮型設計に適しています。本デバイスは、UL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQCなどの主要安全機関の認証を取得しており、厳格な規制要件のある世界市場向け製品への使用を容易にします。

主なターゲットアプリケーションは、ノイズ耐性と安全性が最も重要視される産業オートメーションおよび計測分野です。これには以下が含まれます：

• プログラマブルロジックコントローラ（PLC）：デジタルI/O信号、通信バス、またはアナログセンサー入力を中央処理装置から絶縁するため。
• 計測器：データ収集システム、マルチメータ、またはオシロスコープにおいて、高電圧テストポイントから敏感な回路を保護するための絶縁を提供。
• ハイブリッドICおよび電源：絶縁型スイッチング電源のフィードバック素子として、またはゲート駆動や信号調整のためのカスタムハイブリッドモジュール内で使用。

2. 詳細な技術パラメータ分析

電気的および光学的パラメータを十分に理解することは、信頼性の高い回路設計に不可欠です。以下のセクションでは、主要な仕様について詳細な分析を提供します。

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。これらの条件下での動作は想定されていません。ELQ3H4の主要な限界値は以下の通りです：

• 入力（LED側）：連続順方向電流（I_F）は±60mA、1μsパルス電流（I_FP）は1Aです。チャネルあたりの電力損失は70mWで、0.7mW/°Cで減額されます。
• 出力（フォトトランジスタ側）：コレクタ電流（I_C）は50mAです。コレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）は80Vですが、エミッタ-コレクタ間電圧（V_ECO）は低い7Vであり、フォトトランジスタの降伏特性の非対称性を示しています。出力電力損失はチャネルあたり150mWで、1.4mW/°Cで減額されます。
• 絶縁および環境：デバイスは1分間、絶縁電圧（V_ISO）3750 V_rmsに耐えます。動作温度範囲は-55°Cから+110°Cです。

2.2 電気的・光学的特性

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。

入力特性：GaAs LEDの順方向電圧（V_F）は、I_F= 20mAで典型的に1.2V、最大1.4Vです。入力容量（C_in）は最大250pFで、これは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。

出力特性：コレクタ-エミッタ暗電流（I_CEO）は、LEDオフ時にV_CE=20Vで最大100nAであり、フォトトランジスタのリーク電流を表します。降伏電圧（BV_CEO=80V、BV_ECO=7V）は非対称構造を確認しています。

伝達特性（T_A= -40 から 85°C）：これはフォトカプラ性能の核心です。

• 電流伝達率（CTR）：特定の条件下での（I_C/ I_F）* 100%として定義されます。ELQ3H4は、I_F= 1mA、V_CE= 5Vにおいて、20%から300%という非常に広いCTR範囲を持ちます。この広いばらつきは、精密なアプリケーションでは注意深い回路設計またはビニングを必要とします。
• CTR比（CTR1/CTR2）：0.5から2.0の範囲のこのパラメータは、マルチチャネルデバイスにおけるチャネル間のマッチング、またはAC動作時のCTRの一貫性を示します。1.0の比率は完全なマッチングを表します。
• 飽和電圧： V_CE(sat)は、I_F=20mA、I_C=1mAで典型的に0.1V（最大0.2V）であり、飽和状態に駆動された際の良好なスイッチング特性を示します。
• 絶縁パラメータ：絶縁抵抗（R_IO）は最小5 x 10¹⁰Ω、絶縁容量（C_IO）は典型的に0.3pF（最大1.0pF）です。低容量は高周波同相ノイズの除去に重要です。
• スイッチング速度：立ち上がり時間（t_r）と立ち下がり時間（t_f）は、V_CE=2V、I_C=2mA、R_L=100Ωの試験条件下でそれぞれ最大18μsと規定されています。これは、デバイスが高速データ伝送ではなく、低～中周波デジタル信号伝送に適していることを示しています。

3. 性能曲線分析

データシートには代表的な電気光学特性曲線が参照されています。具体的なグラフは提供されたテキストには再現されていませんが、通常、設計に重要な以下の関係を示しています：

• CTR vs. 順方向電流（I_F）：伝達効率が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は非常に高いI_FではLEDの効率低下により低下することがよくあります。
• CTR vs. 温度：結合効率の温度依存性を示し、通常、温度が上昇すると低下します。
• 順方向電圧（V_F） vs. 温度：LEDの順方向電圧の負の温度係数を示します。
• コレクタ電流（I_C） vs. コレクタ-エミッタ間電圧（V_CE）：異なる入力電流に対するフォトトランジスタの出力特性で、バイポーラトランジスタの曲線に似ています。
• スイッチング時間 vs. 負荷抵抗（R_L）：立ち上がり時間と立ち下がり時間が出力負荷によってどのように影響を受けるかを示します。大きなR_Lは、RC時定数の増加により、一般的に立ち上がり時間を増加させます。

設計者は、速度、消費電力、温度安定性に関する特定の要件に対して動作点を最適化するために、完全なグラフィカルデータを参照する必要があります。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 パッケージ寸法とレイアウト

ELQ3H4は、高さ2.0mmの低プロファイルな16ピンSSOPを使用しており、高密度PCB実装を可能にします。データシートには、パッケージの長さ、幅、高さ、リードピッチ、リード寸法を指定した詳細な寸法図が含まれています。これらの機械的仕様を遵守することは、PCB上および自動組立装置への適切なフィットに不可欠です。

A 表面実装組立のための推奨パッドレイアウトが提供されています。このランドパターンに従うことは、信頼性の高いはんだ接合の形成、適切な機械的強度の確保、リフローはんだ付け時のトゥームストーニングなどの問題を回避するために重要です。このパターンは、はんだフィレットの形成と熱緩和を考慮しています。

4.2 デバイスマーキングと極性

デバイスはパッケージの上面にマーキングされています。マーキングは以下の形式に従います：EL Q3H4 YWW V.

• EL：メーカー識別子。
• Q3H4：デバイス番号。
• Y：1桁の年コード。
• WW：2桁の週コード。
• V：VDE認証を示すオプションマーキング。

正しい向きは非常に重要です。パッケージ上のピン1インジケータ（通常はドット、ノッチ、または面取りエッジ）は、PCBフットプリント上のピン1マーカーと一致させなければなりません。誤った挿入はデバイスの機能を妨げ、損傷を引き起こす可能性があります。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

5.1 リフローはんだ付け条件

このデバイスは表面実装リフローはんだ付けに適しています。データシートは、IPC/JEDEC J-STD-020Dに準拠した重要な最大ボディ温度プロファイルを規定しています。主要なパラメータは以下の通りです：

• プリヒート：60-120秒かけて150°Cから200°C。
• 液相線温度以上時間（T_L=217°C）：60-100秒。
• ピーク温度（T_P）：最大260°C。
• ピーク温度±5°C以内の時間：最大30秒。
• 最大リフローサイクル数：3回。

このプロファイルを厳密に遵守することで、プラスチックパッケージ、内部ワイヤーボンド、半導体ダイへの熱損傷を防ぎます。ピーク温度または温度保持時間を超えると、層間剥離、クラック、またはパラメータシフトを引き起こす可能性があります。

5.2 取り扱いと保管

内部のGaAs LEDとシリコンフォトトランジスタは静電気による損傷を受けやすいため、標準的なESD（静電気放電）対策を遵守する必要があります。接地された作業台とリストストラップを使用してください。デバイスは、湿気吸収（リフロー時のポップコーン現象を引き起こす可能性あり）を防ぐために、乾燥剤入りの元の防湿バッグに保管し、管理された環境（通常<40°C/90% RH）で保管する必要があります。

6. 梱包および発注情報

6.1 型番構成とオプション

品番の構成は以下の通りです：ELQ3H4(Z)-V.

• Z（梱包オプション）：TAはテープ＆リール梱包を表します。省略された場合、デフォルトはチューブ梱包です。
• V（認証オプション）：VDE認証マーキングを表します。

梱包数量：チューブオプションはチューブあたり40個です。テープ＆リール（TA）オプションはリールあたり1000個です。

6.2 テープ＆リール仕様

キャリアテープの詳細な寸法（ポケットサイズA0、B0、D0、D1、ピッチP0、リール寸法）が提供されています。この情報は、自動ピックアンドプレースマシンを正しく設定するために必要です。テープ幅（W）は16.0mm ± 0.3mmで、送り方向が指定されています。

7. アプリケーション設計上の考慮事項

7.1 入力回路設計

ForAC入力動作の場合、LEDはAC信号によって直接駆動できます。所望の順方向電流（I_F）を設定するための電流制限抵抗は必須です。その値は、AC信号のピーク電圧、LEDのV_F、および所望のI_Fに基づいて計算する必要があります。LEDはダイオードであるため、全波動作のためにその前にブリッジ整流器を使用しない限り、半サイクルの間のみ導通します。広いCTR範囲は、固定I_Fを使用した場合、出力電流がデバイス間で大きく変動することを意味します。より一貫した性能を得るには、より高いI_F（CTR変動が低い可能性がある）の使用またはフィードバックの実装を検討してください。

3.2 出力回路設計

フォトトランジスタは、スイッチまたはリニアモードのいずれかで使用できます。デジタルスイッチングの場合、デバイスは飽和状態（I_Fが十分に高く、V_CE≈ V_CE(sat)となる状態）に駆動されます。コレクタに接続された負荷抵抗（R_L）は、出力電圧スイングを決定し、スイッチング速度（大きなR_Lは立ち上がり時間を増加させる）に影響を与えます。アナログまたはリニアアプリケーションの場合、フォトトランジスタは能動領域で動作します。ただし、CTR対I_F曲線の非線形性とその強い温度依存性により、補償なしでは精密なリニア動作は困難です。

7.3 ノイズ耐性とレイアウト

高い絶縁能力（3750V_rms、低C_IO）を最大限に活用するには、注意深いPCBレイアウトが不可欠です。安全規格に従って、回路の入力側と出力側の間に十分な沿面距離および空間距離を確保してください。グランドプレーンを使用しますが、フォトカプラの下のプレーンを分割して、絶縁バリアを越える容量性結合を最小限に抑えることを検討してください。デバイスピンの近くの両側に配置されたバイパスコンデンサは、高周波ノイズの抑制に役立ちます。

8. 技術比較と選択ガイダンス

ELQ3H4の主な差別化要因は、そのAC入力機能, 超小型SSOPパッケージ、および包括的な安全認証です。フォトカプラを選択する際は、以下の点をプロジェクト要件と比較してください：

• DC入力フォトカプラとの比較：ELQ3H4は、AC信号用の外部整流器を不要にすることで回路を簡素化し、基板スペースとコストを削減します。
• 大型パッケージ（DIPなど）との比較：SSOPは大幅なスペース節約を提供しますが、熱特性が若干異なる可能性があり、より精密な組立が必要です。
• 高速フォトカプラとの比較：より高速なロジックゲートまたはデジタルアイソレータを備えたデバイスは、はるかに高いデータレート（>1 Mbps）を提供しますが、異なる絶縁定格、電力要件、またはコスト構造を持つ可能性があります。
• ダーリントン出力フォトカプラとの比較：ダーリントン構成ははるかに高いCTR（500-1000%）を提供しますが、スイッチング速度が遅く、飽和電圧が高くなります。
• CTRビン選択：回路性能がゲインに非常に敏感な場合は、より狭いCTR範囲（例：100-200%）にビニングされたデバイスの入手可能性について問い合わせてください。

9. よくある質問（FAQ）

Q1: LEDを電圧源で直接駆動できますか？

A1: できません。LEDは電流駆動デバイスです。常に直列の電流制限抵抗を使用してI_Fを制御し、過電流による損傷を防いでください。

Q2: 仕様では出力の立ち上がり時間が立ち下がり時間よりも遅いのはなぜですか？

A2: これはフォトトランジスタでは典型的です。立ち上がり時間は、光電流を通じてフォトトランジスタの接合容量を充電するのに必要な時間によって制限されます。立ち下がり時間は、この容量が外部負荷抵抗とデバイスの内部再結合プロセスを通じて放電されることで決まります。

Q3: 温度は性能にどのように影響しますか？

A3: CTRは一般的に温度が上昇すると低下します。LEDの順方向電圧（V_F）も低下します。これらの影響は、広い温度範囲で動作する設計において、信頼性の高いスイッチング閾値または直線性を確保するために考慮する必要があります。

Q4: 言及されているシールド効果の目的は何ですか？

A4: 不透明なプラスチックパッケージは遮光シールドとして機能し、周囲光がフォトトランジスタに到達するのを遮断します。これにより、室内照明や太陽光などの外部光源による誤動作トリガーまたはオフセット電流を防止します。

10. 実用的なアプリケーション例

シナリオ: PLC入力モジュール用の絶縁AC電源検出。

一般的なユースケースは、スイッチまたはセンサーからの120V AC信号の存在を検出することです。ELQ3H4はこれに理想的です。

1. 入力回路：120V AC信号は、電流を制限するために高抵抗・高電圧の抵抗ネットワークを介して降圧されます。デバイスはAC動作に対して定格されていますが、負の半サイクル中の逆電圧をクランプするために、LEDの両端に逆並列保護ダイオードを配置してもよいです。抵抗値は、定格内でI_Fを公称5-10mAに設定するように選択されます。
2. 出力回路：フォトトランジスタのコレクタは、プルアップ抵抗（R_L）を介してPLCのロジック電源電圧（例：3.3Vまたは5V）に接続されます。エミッタは接地されます。ACが存在する場合、フォトトランジスタは導通半サイクル中にオンになり、コレクタ出力をローにプルダウンします。PLCのデジタル入力はこの脈動するロー信号を読み取ります。ソフトウェアはその後、チャタリング除去またはゼロクロス検出を行い、ACの存在を確認できます。
3. 利点：この設計は堅牢なガルバニック絶縁を提供し、敏感なPLC回路を商用電源の過渡現象や故障から保護します。コンパクトなSSOPパッケージにより、多くのチャネルを単一モジュール上に配置できます。

11. 動作原理

フォトカプラは、電気的絶縁を達成するために光結合の原理に基づいて動作します。電気入力信号が発光ダイオード（LED）を駆動し、電流に比例した赤外線を発光させます。この光はパッケージ内の短い透明なギャップを横切り、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。入射光子はベース内で電子-正孔対を生成し、実質的にベース電流として機能します。この光生成電流は、その後、トランジスタのゲインによって増幅され、入力信号の電気的レプリカであるコレクタ電流を生成します。重要な点は、信号伝達が光を介して行われ、入力と出力の間に電気的接続がないため、絶縁バリアが形成されることです。

12. 技術トレンド

信号絶縁の分野は進化を続けています。ELQ3H4のような従来のフォトトランジスタベースのカプラは、コスト効率が良く、中速、高絶縁のアプリケーションで依然として主流ですが、いくつかの注目すべきトレンドがあります：

• 統合度の向上：単一パッケージ内のマルチチャネルフォトカプラが一般的であり、基板スペースとチャネルあたりのコストを削減します。
• 高速代替技術：データ通信では、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、はるかに高いデータレート（数百Mbpsまで）、低消費電力、およびより優れたタイミング一貫性を提供しますが、多くの場合、異なる絶縁電圧定格を持ちます。
• 信頼性と認証の強化：より高い信頼性指標（FIT率）、より広い動作温度範囲、特に自動車（AEC-Q100）および医療アプリケーションにおける新興規格の認証取得に向けた継続的な推進があります。
• パッケージの小型化：より小型で薄いパッケージへの要望は続いており、ELQ3H4で使用されている高さ2.0mmのSSOPに見られるように、よりコンパクトな最終製品を可能にしています。