フォトカプラとは何か、フォトカプラの選択方法と使用方法は？

光信号を媒体として回路を接続するオプトカプラは、耐久性や絶縁性など、高い汎用性と信頼性から、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、フォトカプラはどのような状況で、どのような原理で動作するのでしょうか？また、実際に電子工作でフォトカプラを使う際に、どのように選んで使えばいいのかわからないという方もいるかもしれません。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からです。そこで、この記事ではフォトカプラとは何かを解説します。
フォトカプラとは何ですか？

オプトカプラは光学的意味を持つ電子部品である。

カプラとは、「光で結合する」という意味で、フォトカプラ、光アイソレータ、光絶縁体などとも呼ばれます。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を介して接続します。これらの回路間には電気的な接続はなく、絶縁状態です。そのため、入力と出力間の回路接続は分離されており、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、入力電圧と出力電圧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として機能します。詳しい原理と仕組みは後ほど説明しますが、フォトカプラの発光素子はLED（発光ダイオード）です。

1960年代から1970年代にかけて、LEDが発明され、その技術的進歩が顕著になった頃、オプトエレクトロニクスブームとなった。当時、様々な光学機器光電カプラもその一つでした。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

オプトカプラの原理は、発光素子が入力電気信号を光に変換し、受光素子が光を電気信号として出力側回路に送り返すというものです。発光素子と受光素子は外部光ブロックの内側に配置され、光を伝送するために互いに対向しています。

発光素子に用いられる半導体はLED（発光ダイオード）です。一方、受光素子に用いられる半導体は、使用環境、外形サイズ、価格などに応じて様々な種類がありますが、一般的に最も多く用いられるのはフォトトランジスタです。

フォトトランジスタは動作していないときは、通常の半導体に比べて電流をほとんど流しません。光がフォトトランジスタに入射すると、P型半導体とN型半導体の表面に光起電力が発生し、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n領域に流れ込むことで電流が流れます。

フォトトランジスタはフォトダイオードほど応答性は高くありませんが、内部電界により入力信号の数百倍から1,000倍に出力を増幅する効果も持ちます。そのため、微弱な信号でも検出できる高感度という利点があります。

実は、私たちが目にする「遮光器」も、同じ原理と仕組みを持つ電子機器なのです。

しかし、光遮断器は通常、センサーとして使用され、発光素子と受光素子の間に光を遮る物体を通過させることでその役割を果たします。例えば、自動販売機やATMにおける硬貨や紙幣の検知に使用できます。

② 特徴

フォトカプラは光を介して信号を伝送するため、入力側と出力側の間の絶縁が大きな特徴です。高い絶縁性はノイズの影響を受けにくいだけでなく、隣接する回路間での偶発的な電流の流れを防ぐため、安全性の面でも非常に効果的です。また、構造自体も比較的シンプルで合理的です。

長い歴史を持つため、各メーカーの豊富な製品ラインナップ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、部品間の摩耗が少なく、長寿命です。一方で、LEDは経年変化や温度変化によって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期間使用すると曇ってしまい、良好な光が得られなくなります。しかし、いずれにしても、機械式接点の接点に比べると寿命は非常に長くなります。

フォトトランジスタは一般的にフォトダイオードよりも速度が遅いため、高速通信には使用されません。しかし、一部の部品では出力側に増幅回路を備え、速度を向上させているため、これはデメリットではありません。実際、すべての電子回路で速度向上が必要なわけではありません。

③ 使用方法

光電カプラ主にスイッチング動作に使用されます。スイッチをオンにすることで回路に通電しますが、上記の特性、特に絶縁性と長寿命の観点から、高い信頼性が求められる用途に適しています。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。モーターは駆動時にインバーターによって速度制御されますが、高出力のためノイズが発生します。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、「グランド」を流れて周辺機器にも影響を与えます。特に配線が長い機器はこの高出力ノイズを拾いやすいため、工場内で発生した場合、大きな損失が発生し、場合によっては重大事故につながることもあります。スイッチングに高絶縁の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、オプトカプラの選択と使用方法

製品設計におけるアプリケーションに適したオプトカプラをどのように使用すればよいでしょうか？以下のマイクロコントローラ開発エンジニアがオプトカプラの選択方法と使用方法について説明します。

① 常に開いて、常に閉じる

フォトカプラには、電圧がかかっていない状態でスイッチがオフ（OFF）になるタイプ、電圧がかかっている状態でスイッチがオン（OFF）になるタイプ、電圧がかかっていない状態でスイッチがオン（ON）になるタイプがあります。電圧がかかっている状態ではスイッチがオフ（OFF）になり、電圧がかかっている状態ではスイッチがオフ（OFF）になります。

前者はノーマリーオープン、後者はノーマリークローズと呼ばれます。まず、どのような回路が必要かによって、どちらを選ぶかが変わります。

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を持っていますが、電圧や電流を常に自由に通過させ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、縦軸が出力電流（コレクタ電流）、横軸が入力電圧（コレクタ・エミッタ間電圧）のグラフが描かれています。コレクタ電流はLEDの光量に応じて変化するため、必要な出力電流に合わせて電圧を印加します。

しかし、ここで算出した出力電流は意外と小さいと思われるかもしれません。これはLEDの経年劣化を考慮した上で安定して出力できる電流値なので、最大定格よりも低い値です。

逆に、出力電流が大きくない場合もあります。そのため、フォトカプラを選ぶ際には「出力電流」をよく確認し、それに合った製品を選ぶようにしてください。

③ 最大電流

最大導通電流とは、導通時に耐えられる最大電流値です。繰り返しになりますが、購入前にプロジェクトに必要な出力と入力電圧を必ず確認する必要があります。最大値と使用電流は制限値ではなく、ある程度の余裕があることを確認してください。

④フォトカプラを正しく設定する

適切なフォトカプラを選んだら、実際のプロジェクトで使用してみましょう。取り付け自体は簡単で、入力側回路と出力側回路のそれぞれに接続された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。そのため、PCB基板を描画した後にフォトカプラのフットが間違っていることに気付かないよう、データテーブル内の記号も必ず確認してください。