この記事では『フォトカプラ』について
- フォトカプラとは
- フォトカプラの『特徴』・『回路記号』・『使い方』
などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。
フォトカプラとは
フォトカプラは絶縁した状態で入力から出力に信号を伝達することができる素子です。
フォトカプラは発光素子(LED:発光ダイオード)と受光素子(フォトトランジスタなど)で構成されており、下記の流れで入力から出力に信号を伝達しています。
- 発光素子で入力された電気信号を光信号に変換する
- その光信号を受光素子が受け取る
- 受光素子で光信号を電気信号に変換して出力する
フォトカプラは上図に示したように、挿入実装型と表面実装型があります。
補足
- フォトカプラは、「Photo Coupler(光でカップリングする)」という意味の英語を語源とした素子です。
- フォトカプラは、「オプトアイソレーター(Opto-isolator)」、「オプトカプラー(Optocoupler)」、「オプティカル(光結合)絶縁(Optical Isolator)」、「光アイソレーター」などと呼ばれることもあります。なお、アイソレータ(Isolator)は「isolation(絶縁)」する電子部品のことを指します。
- フォトカプラは入力と出力が絶縁されているので、回路間の相互干渉を無くすことができます。例えば、入力部(受光素子側)が高圧電源でも、出力部(受光素子側)はその高圧から保護することができます。
フォトカプラの回路記号
フォトカプラの回路記号を上図に示しています。
フォトカプラは、発光素子には「LED(発光ダイオード)」、受光素子には「フォトトランジスタ」を用いているものが多いです。
発光素子と受光素子についてもう少し詳しく説明します。
発光素子
受光素子は「LEDが一方向のタイプ」が一般的ですが、「LEDが逆並列に接続されており、交流入力に対応できるタイプ」もあります。
受光素子
発光素子は「フォトトランジスタ」が一般的ですが、「フォトダイオード」や「トライアック」などになっている素子もあります。受光素子が「トライアック」になっている素子は「トライアック出力カプラ」や「フォトトライアックカプラ」などと呼ばれています。
フォトカプラの「ノーマリーオープン」と「ノーマリークローズ」
フォトカプラにはノーマリーオープンとノーマリークローズのタイプがあります。フォトカプラやフォトリレーなどの光結合素子は、基本的にはノーマリーオープンのタイプとなります。
ノーマリーオープン
- 電気信号が入力されていない時(発光素子に電圧を印加していない時)：受光素子がオフ
- 電気信号が入力されている時(発光素子に電圧を印加している時)：受光素子がオン
となるタイプです。通常時(電気信号が入力されていないノーマルな状態)において、受光素子がオフ(オープン状態)なので、「ノーマリーオープン」となります。
ノーマリークローズ
- 電気信号が入力されていない時(発光素子に電圧を印加していない時)：受光素子がオン
- 電気信号が入力されている時(発光素子に電圧を印加している時)：受光素子がオフ
となるタイプです。通常時(電気信号が入力されていないノーマルな状態)において、受光素子がオン(クローズ状態)なので、「ノーマリークローズ」となります。
補足
- ノーマリーオープンは「ノーマリーオフ」とも呼ばれています。
- ノーマリークローズは「ノーマリーオン」とも呼ばれています。
フォトカプラの使い方
フォトカプラは発光素子側と受光素子側で絶縁されているので、次のような用途で使います。
- 基準電位(GND)の異なる回路間で信号を伝達する時
- 異なる電圧間で信号を伝達する時
- 回路間を絶縁して信号を伝達する時
上図に示しているのは、電源が5Vの回路に発生しているパルスを、電源が10Vの回路に信号伝達している回路です。
5V電源に接続されているスイッチSWをオン/オフすることで、パルスを発生させ、フォトカプラに入力しています。なお、フォトカプラの発光素子(LED)の電流制限用に抵抗R1を接続しています。
「ノーマリーオープン」のフォトカプラの場合、スイッチSWがオンの時、発光素子(LED)に電流が流れるため、受光素子(フォトトランジスタ)がオンします。一方、スイッチSWがオフの時、発光素子(LED)に電流が流れないため、受光素子(フォトトランジスタ)がオフします。
出力部では、受光素子(フォトトランジスタ)がオンの時に出力が0Vになり、受光素子がオフの時に出力が10Vになります。なお、抵抗R2はプルアップ抵抗となります。
この回路では、入力部ではGNDA、出力部ではGNDBとなっており、基準電位(GND)の異なる回路間で信号を伝達しています。また、入力部と出力部の電源電圧が異なるので、異なる電圧間で信号を伝達しています。また、フォトカプラを用いているので、入力部と出力部が絶縁されています。
まとめ
この記事では『フォトカプラ』について、以下の内容を説明しました。
- フォトカプラとは
- フォトカプラの『特徴』・『回路記号』・『使い方』
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