フォトカプラとは何ですか、フォトカプラの選び方と使い方は？

光信号を媒体として回路間を接続するフォトカプラは、その高い汎用性と耐久性、絶縁性などの信頼性から、音響、医療、産業など高精度が不可欠な分野で活躍する素子です。

しかし、フォトカプラはいつ、どのような状況で動作し、その背後にある原理は何でしょうか?また、実際に電子工作でフォトカプラを使用する場合、どのように選べばよいのか、使い方が分からないこともあると思います。フォトカプラは「フォトトランジスタ」や「フォトダイオード」と混同されることが多いためです。ということで、今回はフォトカプラとは何かについてご紹介していきます。
フォトカプラとは何ですか？

フォトカプラは光を語源とする電子部品です。

カプラーとは「光と結合する」という意味です。フォトカプラ、光アイソレータ、光絶縁器などとも呼ばれ、発光素子と受光素子で構成され、入力側回路と出力側回路を光信号によって接続します。これらの回路間は電気的に接続されていない、つまり絶縁状態にあります。したがって、入力と出力間の回路接続は分離され、信号のみが伝送されます。入力と出力間の高電圧絶縁により、入力と出力の電圧レベルが大きく異なる回路を安全に接続します。

また、この光信号を透過または遮断することでスイッチの役割を果たします。詳しい原理や仕組みは後述しますが、フォトカプラの発光素子はLED（発光ダイオード）です。

LEDが発明され、技術の進歩が著しい1960年代から1970年代にかけて、オプトエレクトロニクスブームになりました。その時は色々と光学デバイスが発明され、光電カプラもその 1 つでした。その後、オプトエレクトロニクスは急速に私たちの生活に浸透しました。

①原理・仕組み

フォトカプラの原理は、入力された電気信号を発光素子が光に変換し、受光素子がその光を返した電気信号を出力側回路に伝えるというものです。外光を遮断する内側に発光素子と受光素子があり、光を透過するために両者は対向している。

発光素子に使われる半導体がLED（発光ダイオード）です。一方、受光素子に使用される半導体は、使用環境や外形寸法、価格などに応じてさまざまな種類がありますが、一般的に最もよく使われているのはフォトトランジスタです。

フォトトランジスタが動作していないとき、通常の半導体が流す電流はほとんどありません。そこに光が入射すると、フォトトランジスタはP型半導体とN型半導体の表面に光起電力を発生させ、N型半導体の正孔がp領域に流れ込み、p領域の自由電子半導体が流れ込みます。 n領域に電流が流れます。

フォトトランジスタはフォトダイオードほど応答性はありませんが、(内部電界により) 出力を入力信号の数百倍から 1,000 倍に増幅する効果もあります。したがって、弱い信号も拾えるほどの感度があり、これが利点です。

実は、私たちが目にしている「光を遮断するもの」も、同じ原理・仕組みを持った電子機器なのです。

しかし、ライトインタラプタは通常センサとして使用され、発光素子と受光素子の間に遮光物を通すことでその役割を果たします。たとえば、自動販売機やATMの硬貨や紙幣の検出に使用できます。

② 特徴

フォトカプラは光によって信号を伝送するため、入力側と出力側が絶縁されていることが大きな特徴です。絶縁性が高いことはノイズの影響を受けにくく、隣接する回路間で予期せぬ電流が流れ込むことを防ぎ、安全性にも優れています。そして構造自体は比較的シンプルで合理的です。

歴史が長いため、各メーカーの製品ラインナップが豊富であることもフォトカプラならではのメリットです。物理的な接触がないため、部品間の磨耗が少なく、長寿命です。一方で、LEDは経年変化や温度変化により徐々に劣化するため、発光効率が変動しやすいという特性もあります。

特に透明プラスチックの内部部品が長時間使用すると曇ってしまい、あまり良い光が得られません。しかし、いずれにしても機械接点の接点に比べて寿命が長すぎます。

フォトトランジスタは一般にフォトダイオードよりも遅いため、高速通信には使用されません。ただし、一部のコンポーネントは速度を上げるために出力側に増幅回路を備えているため、これは欠点ではありません。実際、すべての電子回路の速度を上げる必要があるわけではありません。

③ 利用方法

光電カプラ主にスイッチング動作に使用されます。スイッチをオンすることで回路が通電されますが、上記の特性、特に絶縁性や長寿命の観点から、高い信頼性が要求されるシーンに最適です。例えば、医療用電子機器や音響機器・通信機器にとってノイズは大敵です。

モーター駆動システムにも使用されています。モーターはインバーターで速度を制御して駆動するのですが、出力が高いため騒音が発生します。このノイズはモーター自体の故障の原因となるだけでなく、「アース」を介して周辺機器に影響を与えます。特に配線が長い機器ではこの高出力ノイズを拾いやすく、工場内で発生すると多大な損失をもたらし、場合によっては重大な事故につながることもあります。スイッチングには絶縁が高いフォトカプラを使用することで他の回路や機器への影響を最小限に抑えることができます。

第二に、フォトカプラの選び方と使用方法

製品設計におけるアプリケーションに適切なフォトカプラを使用するにはどうすればよいですか?マイコン開発エンジニアがフォトカプラの選び方と使い方を解説します。

① 常時オープン、常時クローズ

フォトカプラには、電圧が印加されていないときにスイッチがオフ（オフ）になるタイプ、電圧が印加されるとスイッチがオン（オフ）になるタイプ、スイッチがオンになるタイプの2種類があります。電圧がないときにオンになります。電圧を印加すると印加、消灯します。

前者をノーマルオープン、後者をノーマルクローズと呼びます。選択方法は、まずどのような種類の回路が必要かによって決まります。

②出力電流と印加電圧を確認する

フォトカプラは信号を増幅する性質がありますが、常に自由に電圧や電流を流すことができるわけではありません。もちろん定格はありますが、必要な出力電流に応じて入力側から電圧を印加する必要があります。

製品のデータシートを見ると、縦軸に出力電流（コレクタ電流）、横軸に入力電圧（コレクタ・エミッタ間電圧）をとったグラフが表示されます。 LEDの光量に応じてコレクタ電流が変化しますので、必要な出力電流に合わせて電圧を印加してください。

ただし、ここで計算される出力電流は驚くほど小さいと思われるかもしれません。 LEDの経年劣化を考慮した上で確実に出力できる電流値ですので、最大定格よりも小さくなります。

逆に出力電流が大きくない場合もあります。したがって、フォトカプラを選択する際には、必ず「出力電流」をよく確認し、それに適合した製品を選択してください。

③最大電流

最大導通電流は、フォトカプラが導通時に耐えることができる最大電流値です。繰り返しになりますが、購入する前に、プロジェクトに必要な出力と入力電圧を確認する必要があります。最大値および使用電流は制限値ではなく、ある程度の余裕を持ってご使用ください。

④フォトカプラを正しくセットする

適切なフォトカプラを選択したら、実際のプロジェクトで使用してみましょう。設置自体は簡単で、入力側回路と出力側回路のそれぞれに接続されている端子を接続するだけです。ただし、入力側と出力側の向きを間違えないように注意してください。したがって、基板描画後に光電カプラフットの間違いに気づくことがないように、データテーブルの記号も確認する必要があります。