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オプトアイソレータ（オプトカプラ、フォトカプラ、または光アイソレータとも呼ばれる）は、光を使用して2つの絶縁された回路間で電気信号を伝送する電子部品です。 [ 1 ]オプトアイソレータは、高電圧が信号を受信するシステムに影響を与えるのを防ぎます。[ 2 ]市販のオプトアイソレータは、最大10 kVの入力-出力電圧[ 3 ]と、最大25 kV/ μsの速度の電圧過渡に耐えます。[ 4 ]
一般的なオプトアイソレータは、LEDとフォトトランジスタを同一の不透明パッケージに収めたものです。その他の光源・センサの組み合わせとしては、LED-フォトダイオード、LED- LASCR、ランプ-フォトレジスタなどがあります。通常、オプトアイソレータはデジタル（オン/オフ）信号を伝送し、電子スイッチとして機能しますが、アナログ信号にも使用できる技術も存在します。
固体発光体を半導体検出器に光学的に結合して電気的絶縁を実現することの価値は、1963 年に Akmenkalns らによって認識されました (米国特許 3,417,249)。フォトレジスタベースのオプトアイソレータは 1968 年に導入されました。これらは最も遅いですが、最も線形なアイソレータでもあり、オーディオおよび音楽業界では今でもニッチな市場を維持しています。1968 ～ 1970 年の LED 技術の商業化により、オプトエレクトロニクスがブームとなり、1970 年代末までに業界はすべての主要なタイプのオプトアイソレータを開発しました。市場に出回っているオプトアイソレータの大部分は、バイポーラシリコンフォトトランジスタセンサーを使用しています。[ 5 ]これらは中程度のデータ転送速度を達成し、脳波検査などのアプリケーションに十分です。[ 6 ]最速のオプトアイソレータは、光伝導モードのPIN ダイオードを使用しています。
オプトアイソレータは、電気入力信号を光に変換する光源（エミッタ）、ほぼ常に近赤外発光ダイオード（LED）、閉じた光チャネル（誘電体チャネルとも呼ばれる[ 7 ]）、および入射光を検出して直接電気エネルギーを生成するか、外部電源から流れる電流を変調するフォトセンサを備えています。センサは、フォトレジスタ、フォトダイオード、フォトトランジスタ、シリコン制御整流器（SCR） 、またはトライアックです。LEDは発光に加えて光を検出できるため、対称で双方向の光アイソレータを構築できます。光結合型ソリッドステートリレーは、パワースイッチ（通常は相補型MOSFETペア）を駆動するフォトダイオード光アイソレータを備えています。スロット付き光スイッチは光源とセンサを備えていますが、その光チャネルは開いているため、外部の物体が光路を遮ったり、センサに光を反射したりすることで光が変調されます。
電子機器や信号・電力伝送線は、落雷、静電放電、無線周波数伝送、スイッチングパルス（スパイク）、電源の変動によって誘発される電圧サージの影響を受ける可能性があります。[ 8 ]遠隔地からの落雷は、多くの電子部品の耐電圧の1000倍にもなる最大10kVのサージを誘発する可能性があります。 [ 9 ]回路は設計上高電圧を組み込むこともあり、その場合は高電圧部品と低電圧部品を安全かつ確実に接続する手段が必要です。[ 10 ]
オプトアイソレータの主な機能は、このような高電圧や電圧過渡現象を遮断し、システムの一部で発生したサージが他の部分を妨害したり破壊したりしないようにすることです。[ 2 ] [ 11 ]従来、この機能は絶縁トランスに委ねられており、絶縁トランスはガルバニック絶縁された入力側と出力側の間に誘導結合を使用しています。トランスとオプトアイソレータは、強化保護を提供する唯一の2種類の電子機器です。これらは機器と、その機器を操作する人間のユーザーの両方を保護します。[ 12 ]これらは単一の物理的絶縁バリアを備えていますが、二重絶縁と同等の保護を提供します。[ 12 ]オプトカプラの安全性、試験、承認は、IEC 60747-5-2、EN (CENELEC) 60747-5-2、UL 1577、CSA Component Acceptance Notice #5 などの国内および国際規格によって規制されています。 [ 13 ]メーカーが公開するオプトアイソレータの仕様は、常にこれらの規制フレームワークの少なくとも 1 つに従います。
オプトアイソレータは、入力電流によって変調された光ビームで入力側と出力側を接続します。有用な入力信号を光に変換し、誘電体チャネルを介して送信し、出力側で光を捕捉して電気信号に変換します。非常に低い損失で双方向にエネルギーを伝送するトランスとは異なり[注3 ] 、オプトアイソレータは一方向性であり（例外を参照）、電力を伝送することはできません。[ 14 ]一般的なオプトアイソレータは、出力側に既に存在するエネルギーの流れのみを変調できます。[ 14 ]トランスとは異なり、オプトアイソレータは直流または低速の信号を伝送でき、入力側と出力側の間でインピーダンス整合を必要としません。[注4 ]トランスとオプトアイソレータはどちらも、接地線内の高電流またはノイズの多い帰還電流によって引き起こされる、産業機器や舞台機器でよく見られるグランドループを遮断するのに効果的です。[ 15 ]
オプトアイソレータの物理的なレイアウトは、主に必要な絶縁電圧に依存します。数 kV 未満の定格のデバイスは、平面 (またはサンドイッチ) 構造になっています。[ 16 ]センサーダイは、パッケージ (通常は 6 ピンまたは 4 ピンのデュアル インライン パッケージ) のリード フレームに直接取り付けられます。[ 7 ]センサーは、ガラスまたは透明なプラスチックのシートで覆われ、その上に LED ダイが配置されます。[ 7 ] LED ビームは下向きに照射されます。光の損失を最小限に抑えるには、センサーの有効吸収スペクトルが、ほぼ例外なく近赤外にある LED の出力スペクトルと一致する必要があります。[ 17 ]光チャネルは、必要なブレークダウン電圧に対して可能な限り薄く作られています。[ 16 ]例えば、3.75 kV の短時間電圧 と 1 kV/μs の過渡電圧の定格にするには、Avago ASSR-300 シリーズの透明なポリイミドシートの厚さはわずか 0.08 mm です。[ 18 ]平面アセンブリの絶縁破壊電圧は、透明シートの厚さ[ 16 ]およびダイを外部ピンに接続するボンディングワイヤの構成に依存します。[ 7 ]実際の回路内絶縁電圧は、PCB およびパッケージ表面上の沿面距離によってさらに低下します。安全設計規則では、裸金属導体の場合は最小 25 mm/kV、被覆導体の場合は 8.3 mm/kVのクリアランスが必要です。[ 19 ]
2.5～6 kV 定格の光アイソレータは、シリコン ドーム と呼ばれる異なるレイアウトを採用しています。[ 20 ]ここでは、LED とセンサー ダイがパッケージの反対側に配置され、LED はセンサーに水平に照射されます。[ 20 ] LED、センサー、およびそれらの間のギャップは、透明なシリコンの塊、つまりドームでカプセル化されています。ドームは反射板として機能し、すべての迷光を保持してセンサーの表面に反射し、比較的長い光路での損失を最小限に抑えます。[ 20 ]ダブル モールド設計では、シリコンの塊 (「インナー モールド」) と外側のシェル (「アウター モールド」) の間のスペースは、熱膨張係数が一致する暗色の誘電体化合物で満たされています。[ 21 ]
初期のオプトアイソレータは、当初はライトセルとして販売され、1960年代に登場しました。光源として小型の白熱電球を使用し、受光器として硫化カドミウム（CdS）またはセレン化カドミウム（CdSe）フォトレジスタ（光依存性抵抗器、LDRとも呼ばれる）を使用していました。制御の直線性が重要でない用途、または利用可能な電流が白熱電球を駆動するには低すぎる用途（真空管アンプの場合など）では、ネオンランプに置き換えられました。これらのデバイス（またはそのLDRコンポーネントのみ）は、Vactec, Inc.の商標にちなんで、一般的にVactrolsと呼ばれていました。この商標はその後一般化されましたが[注8 ] 、オリジナルのVactrolsは現在もPerkinElmerによって製造されています。[ 24 ] [注9 ]
白熱電球の点灯および消灯の遅延は数百ミリ秒の範囲にあり、電球は効果的なローパスフィルタおよび整流器になりますが、実用的な変調周波数範囲は数ヘルツに制限されます。1968年から1970年に発光ダイオード（LED）が導入されると、 [ 25 ]メーカーは白熱電球とネオンランプをLEDに置き換え、5 ミリ秒の応答時間と最大 250Hzの変調周波数を実現しました。[ 26 ] Vactrolという名前はLEDベースのデバイスに引き継がれ、2010年現在でも少量生産されています。[ 27 ]
オプトアイソレータで使用されるフォトレジスタは、半導体の均一な膜におけるバルク効果に依存しており、 pn接合はありません。[ 28 ]フォトセンサーの中で唯一、フォトレジスタは非極性デバイスであり、AC回路とDC回路のどちらにも適しています。[ 28 ]その抵抗は、入射光の強度に反比例して低下し、ほぼ無限大から、100オーム未満まで低下する可能性があります。[ 28 ]これらの特性により、オリジナルのVactrolは、電話ネットワーク用の便利で安価な自動ゲイン制御およびコンプレッサーとなりました。フォトレジスタは、最大400 ボルトの電圧に容易に耐えることができ、[ 28 ]真空蛍光表示管の駆動に最適でした。その他の産業用途には、コピー機、産業オートメーション、プロ用光測定機器、自動露出計などがありました。[ 28 ]これらの用途のほとんどは現在では廃れていますが、抵抗型オプトアイソレータは、オーディオ、特にギターアンプ市場でニッチな地位を維持しています。
1960年代のアメリカのギターおよびオルガンメーカーは、抵抗型オプトアイソレーターを便利で安価なトレモロモジュレーターとして採用しました。フェンダーの初期のトレモロエフェクトは2本の真空管を使用していましたが、1964年以降、これらの真空管の1つがLDRとネオンランプで作られたオプトカプラに置き換えられました。[ 29 ]現在でも、ストンプボックスのペダルを踏むことで作動するバクトロールは音楽業界で広く普及しています。[ 30 ]純正のパーキンエルマー製バクトロールの不足により、 DIYギターコミュニティは抵抗型オプトアイソレーターを自作せざるを得ませんでした。[ 31 ]現在でもギタリストは、オーディオとコントロールのグランドの分離が優れているため、「本質的に音質が高い」という理由で、オプトアイソレートエフェクトを好んでいます。[ 31 ]しかし、ラインレベル信号でフォトレジスタによって発生する歪みは、プロ仕様の電気的に結合された電圧制御アンプの歪みよりも大きくなります。[ 32 ]光履歴による抵抗の緩やかな変動、つまりカドミウム化合物に固有の記憶効果によって、性能はさらに低下します。このような変動は安定するまでに数時間かかり、制御回路のフィードバックによって部分的にしか相殺できません。 [ 33 ]
ダイオードオプトアイソレータは、光源としてLED、センサとしてシリコンフォトダイオードを使用します。フォトダイオードに外部電圧源で逆バイアスをかけると、入射光によってダイオードを流れる逆電流が増加します。ダイオード自体はエネルギーを生成しません。外部ソースからのエネルギーの流れを変調します。この動作モードは光伝導モードと呼ばれます。一方、外部バイアスがない場合、ダイオードは端子を最大0.7Vの電圧まで充電することで、光のエネルギーを電気エネルギー に変換します。充電速度は入射光の強度に比例します。エネルギーは、外部の高インピーダンス経路を通して電荷を排出することによって回収されます。電流転送率は0.2%に達することがあります。[ 22 ]この動作モードは光起電力モードと呼ばれます。
最速の光アイソレータは、光伝導モードのPINダイオードを使用します。PINダイオードの応答時間はサブナノ秒の範囲にあり、システム全体の速度はLED出力とバイアス回路の遅延によって制限されます。これらの遅延を最小限に抑えるために、高速デジタル光アイソレータは、速度に最適化された独自のLEDドライバと出力アンプを備えています。これらのデバイスはフルロジック光アイソレータと呼ばれ、LEDとセンサはデジタルロジック回路内に完全にカプセル化されています。[ 34 ]内部出力アンプを備えたHewlett -Packard 6N137/HPCL2601ファミリのデバイスは1970年代後半に導入され、10 MBdのデータ転送速度を達成しました。[ 35 ] 2002年に50 MBdのAgilent Technologies [注10 ] 7723/0723ファミリが導入されるまで、業界標準であり続けました。 [ 36 ] 7723/0723シリーズのオプトアイソレータには、CMOS LEDドライバとCMOSバッファ付きアンプが含まれており、それぞれ5Vの独立した外部電源が2つ必要です。[ 37 ]
フォトダイオードオプトアイソレータはアナログ信号のインターフェースに使用できますが、その非線形性により信号が必ず歪みます。Burr -Brownが導入した特殊なアナログオプトアイソレータは、2 つのフォトダイオードと入力側演算増幅器を使用してダイオードの非線形性を補償します。2 つの同一のダイオードのうちの 1 つは増幅器のフィードバック ループに接続され、2 番目の (出力) ダイオードの非線形性に関係なく、全体の電流伝達比を一定レベルに維持します。[ 38 ]
2011年6月3日に、特定の光アナログ信号アイソレータの斬新なアイデアが提出されました。提案された構成は2つの異なる部分から構成されています。1つは信号を伝送し、もう1つは出力信号が入力信号と同じ特性を持つように負帰還を確立します。この提案されたアナログアイソレータは、広い範囲の入力電圧と周波数で線形です。[ 39 ]ただし、この原理を使用した線形オプトカプラは、たとえばIL300のように、長年にわたって利用可能です。[ 40 ]
MOSFETスイッチを中心としたソリッドステートリレーは、通常、スイッチを駆動するためにフォトダイオードオプトアイソレータを使用します。MOSFETのゲートは、オンにするために必要な総電荷量が比較的少なく、定常状態でのリーク電流は非常に低いです。光起電力モードのフォトダイオードは、比較的短い時間でオン電荷を生成できますが、その出力電圧はMOSFETのしきい値電圧より何倍も低くなります。必要なしきい値に達するために、ソリッドステートリレーには、最大30個のフォトダイオードを直列に接続したスタックが含まれています。[ 21 ]
フォトトランジスタは、フォトダイオードよりも本質的に低速です。[ 41 ]例えば、最も初期で低速ですが、現在でも一般的な4N35オプトアイソレータは、100Ω負荷に対して立ち上がり時間と立ち下がり時間が5μsです[ 42 ]。また、帯域幅は約10キロヘルツに制限されています。これは、脳波測定[ 6 ]やパルス幅モータ制御[ 43 ]などのアプリケーションには十分です。1983年のオリジナルの楽器デジタルインターフェース仕様[ 44 ]で推奨されているPC-900や6N138などのデバイスは、数十キロボーのデジタルデータ転送速度を可能にします。[ 45 ]フォトトランジスタは、最大速度を達成するために適切にバイアスおよび負荷をかける必要があります。例えば、4N28は、 最適なバイアスでは最大50kHzで動作しますが、バイアスがない場合は4kHz未満でしか動作しませ ん。[ 46 ]
トランジスタオプトアイソレータを用いた設計では、市販のデバイスに見られるパラメータの大きな変動に対して十分な余裕を持たせる必要があります。[ 46 ]このような変動は、例えば、DC-DCコンバータのフィードバックループ内のオプトアイソレータが伝達関数を変化させて不要な発振を引き起こしたり、[ 20 ]オプトアイソレータの予期しない遅延によってHブリッジの一方の側が短絡したりする場合など、破壊的になる可能性があります。[ 47 ]メーカーのデータシートには通常、重要なパラメータの最悪ケースの値のみが記載されており、実際のデバイスはこれらの最悪ケースの推定値を予測不可能な形で超えます。[ 46 ] Bob Peaseは、4N28のバッチ内の電流伝達比が15%から100%以上まで変動する可能性があることに気づきました。データシートには最小値10%しか指定されていませんでした。同じバッチ内のトランジスタのベータ値は300から3000まで変動し、帯域幅に10:1のばらつきが生じます。[ 46 ]
電界効果トランジスタ（FET）をセンサとして使用するオプトアイソレータはまれであり、バクトロールと同様に、FETの出力端子間の電圧が数百mVを超えない限り、リモート制御のアナログポテンショメータとして使用できます。[ 38 ]オプトFETは出力回路にスイッチング電荷を注入せずにオンになるため、サンプルホールド回路で特に便利です。[ 11 ]
これまで説明した光アイソレータはすべて単方向です。光チャネルは常に光源（LED）からセンサへの一方向で動作します。センサは、フォトレジスタ、フォトダイオード、フォトトランジスタのいずれであっても、光を発することはできません。[注11 ]しかし、LEDは、すべての半導体ダイオードと同様に[注12 ]、入射光を検出できるため、一対のLEDから双方向光アイソレータを構築できます。最も単純な双方向光アイソレータは、単に一対のLEDを向かい合わせに配置し、熱収縮チューブで固定したものです。必要に応じて、2つのLED間のギャップをガラスファイバーインサートで拡張できます。[ 48 ]
可視光スペクトルLEDは伝送効率が比較的低いため、双方向デバイスには近赤外スペクトルGaAs、GaAs:Si、およびAlGaAs:Si LEDが好ましい選択肢となります。GaAs:Si LEDのペアを中心に構築された双方向オプトアイソレータは、光起電力モードまたは光伝導モードのいずれにおいても約0.06%の電流伝送比を持ち、フォトダイオードベースのアイソレータより低いものの[ 49 ]、実際のアプリケーションには十分実用的です[ 48 ] 。
通常、オプトカプラは閉回路構成になっています。この構成は、光源とセンサが互いに向き合うように、オプトカプラが暗色の容器に収められている状態を指します。
一部のオプトカプラは、スロット付きカプラ／インターラプタ構成を採用しています。この構成は、ソースとセンサの間に開口部のあるスロットを備え、入力信号に影響を与えることができるオプトカプラを指します。スロット付きカプラ／インターラプタ構成は、物体検出、振動検出、およびバウンスフリースイッチングに適しています。
一部のオプトカプラは反射型ペア構成を採用しています。この構成は、光を発する光源と、物体から反射した光のみを検出するセンサを備えたオプトカプラを指します。反射型ペア構成は、タコメータ、動作検出器、反射率モニタの開発に適しています。
後者の2つの構成は、しばしばオプトセンサーまたは光電センサーと呼ばれます。
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