フォトカプラとは何か、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を接続するオプトカプラは、その高い汎用性と耐久性や絶縁性といった信頼性から、音響、医療、産業など、高精度が不可欠な分野で活用されている素子である。

しかし、フォトカプラはどのような状況下で、どのような場合に機能するのでしょうか？また、その原理は何でしょうか？あるいは、実際に電子工作でフォトカプラを使用する際に、どのように選択し、使用すればよいのか分からない場合もあるでしょう。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」と混同されがちだからです。そこで、本稿ではフォトカプラとは何かについて解説します。
フォトカプラとは何ですか？

オプトカプラは、光学的な意味を持つ電子部品である。

カプラとは「光との結合」を意味し、オプトカプラ、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から構成され、光信号を介して入力側回路と出力側回路を接続します。これらの回路間には電気的な接続はなく、つまり絶縁状態にあります。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。入力と出力の電圧レベルが大きく異なる回路を、入力と出力間の高電圧絶縁によって安全に接続します。

さらに、この光信号を透過または遮断することで、スイッチとしても機能します。詳細な原理とメカニズムについては後述しますが、フォトカプラの発光素子はLED（発光ダイオード）です。

1960年代から1970年代にかけて、LEDが発明され、その技術的進歩が著しかった時代には、光電子工学ブームとなった。当時、さまざまな光学デバイス光電結合器が発明され、その後、光エレクトロニクスは急速に私たちの生活に浸透していった。

① 原理／メカニズム

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、受光素子がその光を逆電気信号として出力側回路に伝送するというものである。発光素子と受光素子は外部光源のブロック内部に配置され、光を伝送するために互いに反対側に配置されている。

発光素子に用いられる半導体はLED（発光ダイオード）である。一方、受光素子に用いられる半導体は、使用環境、外形寸法、価格などに応じて多種多様であるが、一般的に最も広く用いられているのはフォトトランジスタである。

フォトトランジスタは、動作していない状態では、通常の半導体ほど電流を流しません。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型領域に流れ込み、P型半導体の自由電子がN型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、内部電界によって入力信号の数百倍から1000倍に増幅する効果があります。そのため、微弱な信号でも検出できるほどの感度を持ち、これは利点となります。

実際、私たちが目にする「遮光器」は、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断する物体を挟むことでその役割を果たします。例えば、自動販売機やATMで硬貨や紙幣を検出するために使用できます。

② 特徴

オプトカプラは光によって信号を伝送するため、入力側と出力側の間の絶縁性が重要な特徴となります。高い絶縁性はノイズの影響を受けにくく、隣接する回路間の偶発的な電流の流れも防止するため、安全性の面で非常に効果的です。また、構造自体も比較的シンプルで合理的です。

長い歴史を持つオプトカプラは、様々なメーカーの豊富な製品ラインナップも大きな利点です。物理的な接触がないため、部品間の摩耗が少なく、寿命が長くなります。一方で、LEDは時間経過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徴もあります。

特に、透明プラスチックの内部部品が長期間使用されて曇ってしまうと、光透過率が低下する可能性があります。しかし、いずれにしても、機械的な接触による接触に比べれば、寿命は非常に長いと言えます。

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応答速度が遅いため、高速通信には使用されません。しかし、出力側に増幅回路を備えて速度を向上させる部品もあるため、これは必ずしも欠点ではありません。実際、すべての電子回路が速度向上を必要とする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電力が供給されますが、上記の特性、特に絶縁性と長寿命性の観点から、高い信頼性が求められる場面に最適です。例えば、ノイズは医療用電子機器やオーディオ機器／通信機器にとって大敵です。

モーター駆動システムにも使用されています。モーター駆動時にインバーターによって速度が制御されるのですが、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」を介して周辺機器にも影響を与えます。特に配線が長い機器は高出力ノイズを拾いやすく、工場内で発生すると大きな損失を招き、場合によっては重大な事故につながることもあります。スイッチングに高絶縁オプ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、オプトカプラの選び方と使い方

製品設計において、適切なオプトカプラをどのように使用すればよいのでしょうか？マイクロコントローラ開発エンジニアが、オプトカプラの選定方法と使用方法について解説します。

① 常に開いていて、常に閉じている

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になるタイプ、電圧が印加されたときにスイッチがオンになるタイプ、電圧が印加されていないときにスイッチがオンになり、電圧が印加されたときにオフになるタイプの3種類があります。

前者はノーマルオープン、後者はノーマルクローズと呼ばれます。どちらを選ぶかは、まず必要な回路の種類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を持っていますが、必ずしも電圧や電流を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）を示すグラフが掲載されています。コレクタ電流はLEDの光強度によって変化するため、必要な出力電流に応じて電圧を調整してください。

しかし、ここで計算された出力電流は驚くほど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であり、最大定格値よりも低い値です。

逆に、出力電流が大きくない場合もあります。したがって、フォトカプラを選定する際には、「出力電流」を注意深く確認し、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、オプトカプラが導通時に耐えられる最大電流値のことです。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。最大値と使用電流が制限値ではなく、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ってみましょう。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が必要です。そのため、データ表の記号も確認し、PCB基板を設計した後にフォトカプラの端子の位置が間違っていることに気づかないようにする必要があります。