光アイソレータ

オプトアイソレータ（オプトカプラ、フォトカプラ、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転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]市販されているオプトアイソレータは、最大10} kVの入出力電圧 ^[3]と最大25 kV/ μsの速度の電圧過渡に耐えます。^[4]

一般的なタイプの光アイソレータは、同じ不透明パッケージ内のLEDとフォトトランジスタで構成されています。その他のタイプのソース センサーの組み合わせには、LEDフォトダイオード、LED LASCR、ランプフォトレジスタのペアなどがあります。通常、光アイソレータはデジタル (オン/オフ) 信号を転送し、電子スイッチとして機能しますが、一部の技術ではアナログ信号でも使用できます。

電気的絶縁を目的として固体発光素子を半導体検出器に光学的に結合することの価値は、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光アイソレータは 1968 年に導入されました。これらは最も低速ですが、最も線形なアイソレータであり、オーディオおよび音楽業界で現在でもニッチ市場を維持しています。1968 年から 1970 年にかけて LED 技術が商品化されたことでオプトエレクトロニクスが急成長し、1970 年代末までに業界では主要なタイプの光アイソレータがすべて開発されました。市場の光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実現し、}脳波記録などの用途には十分です。^[6]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。

光アイソレータには、電気入力信号を光に変換する光源（エミッタ）（ほとんどの場合、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^[7]とも呼ばれる）、および入射光を検出して電気エネルギーを直接生成するか、外部電源から流れる電流を変調する光センサが含まれます。 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は光を放射するだけでなく感知することもできるため、対称型双方向光アイソレータの構築が可能です。オプトカップルドソリッドステートリレーには、パワースイッチ（通常は相補的な一対のMOSFET）を駆動するフォトダイオード光アイソレータが含まれます。スロット型光スイッチには光源とセンサが含まれますが、その光チャネルは開いているため、外部の物体が光の経路を遮ったり、光をセンサに反射したりすることで光が 変調される可能性があります。

電子機器や信号・電力伝送線は、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導される電圧サージの影響を受ける可能性があります。^[8]遠隔地での落雷は、 多くの電子部品の電圧制限の1000倍にあたる最大10kVのサージを誘導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できますが、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必要があります。^[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て、システムの一部にサージが発生しても他の部分が混乱したり破壊されたりしないようにすることです。^{[2] [11]歴史的に、この機能は}絶縁トランスに委任されていました。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で誘導結合を使用します。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つのクラスの電子機器です。つまり、機器と、その機器を操作するユーザーの両方を保護します。 ^[12]トランスとオプトアイソレータには単一の物理的絶縁バリアが含まれますが、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、テスト、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線で入力側と出力側を接続します。これは、有用な入力信号を光に変換し、それを誘電体チャネルに送り、出力側で光を捕捉して、それを電気信号に戻します。非常に低い損失でエネルギーを両方向に通過させ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、出力側にすでに存在するエネルギーの流れを変調することしかできません。^[14]トランスとは異なり、オプトアイソレータはDCまたは動きの遅い信号を通過させることができ、入力側と出力側の間でインピーダンスを一致させる必要はありません。^{[注 4]トランスとオプトアイソレータはどちらも、産業用機器や舞台装置でよく見られる、}接地線の高電流またはノイズの多い戻り電流によって引き起こされる接地ループを遮断するのに効果的です。^[15]

光アイソレータの物理的なレイアウトは、主に所望の絶縁電圧によって決まります。定格が数 kV 未満のデバイスは、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、パッケージのリード フレーム (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) に直接取り付けられています。^[7]センサーはガラスまたは透明プラスチックのシートで覆われており、その上に LED ダイが配置されています。^[7] LED ビームは下向きに放射されます。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 LED の出力スペクトルと一致する必要があります。LED の出力スペクトルは、ほぼ常に近赤外線にあります。^{[17]光チャネルは、所望の}ブレークダウン電圧を実現するために、可能な限り薄く作られています。^[16]たとえば、3.75 kV の短期電圧と 1 kV/μs の過渡電圧の定格を実現するために、Avago ASSR-300 シリーズの透明ポリイミドシートの厚さはわずか 0.08 mm です。^[18]平面アセンブリの破壊電圧は、透明シートの厚さ^[16]と、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とパッケージの表面上の沿面距離によってさらに低下します。安全設計ルールでは、裸金属導体の場合は25 mm/kV、コーティングされた導体の場合は8.3 mm/kVの最小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 はセンサーに対して水平に発光します。^[20] LED、センサー、およびそれらの間の隙間は、透明なシリコンの塊、つまりドームに封入されています。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、比較的長い光チャネル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 塊 (「内側のモールド」) と外側のシェル (「外側のモールド」) の間の空間が、熱膨張係数が一致する暗い誘電化合物で満たされています。^[21]

最も初期の光アイソレータは、もともと光セルとして販売され、1960年代に登場しました。光源として小型白熱電球を使用し、受信機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 (光依存抵抗器、LDR とも呼ばれる) を使用しました。制御の直線性が重要でないアプリケーションや、利用可能な電流が白熱電球を駆動するには低すぎるアプリケーション (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 LDR コンポーネントのみ) は、Vactec, Inc. の商標にちなんで、一般にVactrol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 Vactrol は今でもPerkinElmerによって製造されています^{[24] [注 9]}。

白熱電球の点灯と消灯の遅れは数百ミリ秒の範囲にあり、このため電球は効果的なローパスフィルタと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]メーカーは白熱灯とネオンランプをLEDに置き換え、5ミリ秒の応答時間と最大250 Hzの変調周波数を実現しました。^[26] Vactrolという名前は、2010年現在も少量生産されているLEDベースのデバイスにも引き継がれました。^[27]

光アイソレータに使用されるフォトレジスタは、半導体の均一なフィルムのバルク効果に依存しており、 pn接合はありません。^[28]フォトセンサの中では珍しく、フォトレジスタはAC回路にもDC回路にも適した無極性デバイスです。^{[28]抵抗は入射光の強度に反比例して低下し、実質的に無限大から100}オーム未満の残留フロアまで低下します。^[28]これらの特性により、オリジナルのVactrolは電話網用の便利で安価な自動ゲイン制御およびコンプレッサとなりました。フォトレジスタは400ボルトまでの電圧に容易に耐えたため、^[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す。^[28]これらの用途のほとんどは現在では廃れていますが、抵抗型光アイソレータはオーディオ、特にギターアンプの市場でニッチな市場を保っています。

1960年代のアメリカのギターやオルガンの製造業者は、便利で安価なトレモロ変調器として抵抗性光絶縁器を採用した。フェンダーの初期のトレモロ効果器は2本の真空管を使用していたが、1964年以降、これらの真空管の1本がLDRとネオンランプで作られた光結合器に置き換えられた。^[29]現在まで、ストンプボックスペダルを踏むことで作動するVactrolは、音楽業界ではいたるところで使用されている。^[30]純正のPerkinElmer Vactrolが不足したため、 DIYギターコミュニティは「独自の」抵抗性光絶縁器を作らざるを得なくなった。^[31]現在まで、ギタリストは、オーディオと制御グランドの優れた分離により「本質的に高品質のサウンド」が得られるため、光絶縁効果器を好んでいる。^[31]ただし、ラインレベル信号でフォトレジスターによって生じる歪みは、プロ仕様の電気的に結合された電圧制御アンプよりも大きい。^[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メモリ効果によって、性能はさらに低下します。このような変動は安定するのに数時間かかり、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]

ダイオード光アイソレータは、光源として LED を使用し、センサーとしてシリコンフォトダイオードを使用します。フォトダイオードが外部電圧源で逆バイアスされると、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調整します。この動作モードは光伝導モードと呼ばれます。また、外部バイアスがない場合、ダイオードは端子を最大 0.7 V の電圧に充電することにより、光エネルギーを電気エネルギーに変換します。充電率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介して電荷を排出することによって収集されます。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ダイオードを採用しています。PINダイオードの応答時間はナノ秒未満の範囲であり、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には、速度が最適化された独自のLEDドライバと出力アンプが含まれています。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とセンサー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ヒューレットパッカード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50MBdのアジレントテクノロジー^[注10] 7723/0723ファミリーが導入されるまで、これは業界標準のままでした。 ^[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]

フォトダイオード光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んでしまいます。バーブラウンが開発した特殊なアナログ光アイソレータは、2つのフォトダイオードと入力側オペアンプを使用してダイオードの非線形性を補正します。2つの同一ダイオードのうちの1つがアンプ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、全体の電流伝達比が一定レベルに維持されます。^[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 つの異なる部分で構成されています。1 つは信号を転送し、もう 1 つは負帰還を確立して出力信号が入力信号と同じ特性を持つようにします。この提案されたアナログ アイソレータは、入力電圧と周波数の広い範囲にわたって線形です。^[39]ただし、この原理を使用する線形オプトカプラは、IL300 など、長年にわたって利用されてきました。^[40]

MOSFETスイッチを中心に構築され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が比較的少なく、定常状態での漏れ電流は非常に低いです。光起電モードのフォトダイオードは、かなり短い時間でターンオン電荷を生成できますが、その出力電圧はMOSFETのしきい値電圧の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、直列に接続された最大30個のフォトダイオードの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]たとえば、最も初期で最も低速ですが、現在でも一般的な 4N35 オプトアイソレータは、100 オームの負荷に対して5 μsの立ち上がり時間と立ち下がり時間を持ち^[42]、その帯域幅は約 10 キロヘルツに制限されていますが、これは脳波記録^[6]やパルス幅モーター制御などの用途には十分です。^{[43] 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 などのデバイスでは、数十キロボーのデジタルデータ転送速度が可能です。^{[45]フォトトランジスタは、最大速度を達成するには適切な}バイアスと負荷をかける必要があり、たとえば、4N28 は最適なバイアスで最大 50 kHz で動作し、バイアスなしでは 4 kHz 未満で動作します。^[46]

トランジスタ光アイソレータを使用した設計では、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が必要です。^[46]このような変動は、たとえば、DC-DC コンバータのフィードバック ループ内の光アイソレータが伝達関数を変えてスプリアス発振を引き起こした場合や、^[20]光アイソレータの予期しない遅延によってH ブリッジの片側で短絡が発生した場合に、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のケースの値のみが記載されています。実際のデバイスは、予測できない形でこれらの最悪のケースの推定値を超えます。^[46] Bob Pease は、4N28 のバッチ内の電流伝達率が 15% から 100% を超える可能性があることを観察しました。データシートでは、最小値は 10% のみ指定されていました。同じバッチ内のトランジスタベータは 300 から 3000 まで変化する可能性があり、帯域幅に 10:1 の変動が生じます。^[46]

電界効果トランジスタ（FET）をセンサー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、サンプルアンドホールド回路で特に便利です。^[11]

これまで説明したすべての光アイソレータは一方向性です。光チャネルは常に光源（LED）からセンサーへの一方向に機能します。センサーは、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、光を放射することはできません。^{[注 11]}しかし、すべての半導体ダイオードと同様に、LEDは^{[注 12]}入射光を検出することができるため、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、単に向かい合って配置され、熱収縮チューブで固定された一対のLEDです。必要に応じて、2つのLED間のギャップをガラス繊維インサートで拡張できます。^[48]

可視スペクトルLEDは転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の GaAs、GaAs:Si、AlGaAs:Si LEDが好まれます。GaAs:Si LEDのペアで構築された双方向光アイソレータは、光起電モードまたは光伝導モードのいずれでも約0.06％の電流転送率を持ちます。これはフォトダイオードベースのアイソレータよりも低いですが、^[49]実際のアプリケーションでは十分に実用的です。^[48]

通常、オプトカプラはクローズドペア構成になっています。この構成は、光源とセンサーが互いに向かい合う暗い容器に収められたオプトカプラを指します。

一部のオプトカプラには、スロット付きカプラ/インタラプタ構成があります。この構成は、ソースとセンサーの間に、入力信号に影響を与える機能を持つオープン スロットがあるオプトカプラを指します。スロット付きカプラ/インタラプタ構成は、物体検出、振動検出、バウンスのない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ペア構成になっています。この構成は、光を発する光源と、物体から反射された光のみを検出するセンサーを含むオプトカプラを指します。反射ペア構成は、タコメータ、移動検出器、反射率モニターの開発に適しています。

後者の 2 つの構成は、オプトセンサーまたは光電センサーと呼ばれることがよくあります。

• ガルバニック絶縁

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• ウィキメディア・コモンズにおける光アイソレータ関連のメディア