光アイソレータとは何ですか?またどのように機能しますか?

光アイソレータ(光カプラ、フォトカプラ、オプトカプラとも呼ばれる)は、光を利用して絶縁された回路間で電気信号を伝送する半導体デバイスです。

これらの電子部品は、電気絶縁を使用して高電圧エミッターが信号を受信する低電力回路に影響を与えるのを防ぐ、さまざまな通信および監視システムで使用されています。

光アイソレータの回路図は、入力信号送信用のエミッター、この場合は赤外線発光ダイオード (IRED) またはレーザー ダイオード、および信号受信用の光センサー (またはフォトトランジスタ) で構成されます。 このようにして、入力信号は電気エネルギーを生成したり、電子デバイスやその他の電源からの電流を変調したりすることができます。

入力電流が LED フォトダイオード (一般的なタイプの光センサー) に印加されると、赤外光が生成され、光アイソレーター内の材料を通過します。 ビームは透明なギャップを通過し、コンバーターとして機能する受信機によって受信されます。 信号絶縁を使用すると、センサーは変調された光を出力信号に変換できます。

光アイソレータの入力側には、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、またはトライアックなどが考えられます。 光結合ソリッドステートリレーには、出力側の電源スイッチ (通常は相補的な MOSFET ペア) を駆動するフォトダイオード光アイソレータが含まれています。

マイクロコントローラー、プリント基板、変圧器などの電子機器は、無線周波数伝送、落雷、電源電圧のスパイクによる電圧サージの影響を受けます。

フォトレジスタベースの光アイソレータは、ギターアンプなどの機器の中断を避けるために、1968 年にオーディオおよび音楽業界で初めて使用されました。 光アイソレータは、高電圧コンポーネントと低電圧デバイスを比例した方法で連携させる安全な方法を提供します。

光アイソレータは単一のデバイスに封入されており (画像を参照)、余分なリード線を備えた集積回路またはトランジスタのような外観を持っています。 自動化により、組織はフォトカプラを使用して低電力回路を高電力出力回路から分離し、信号から電気ノイズを除去できます。

光アイソレータはデジタル信号から電圧を分離するのに最も適していますが、アナログ信号の転送にも使用できます。

1 メガビット/秒 (Mbps) を超えるデータ レートの分離は高速とみなされます。 デジタルおよびアナログ光アイソレータで利用できる最も一般的な速度は 1 Mbps ですが、10 Mbps および 15 Mbps のデジタル速度も利用できます。

光アイソレータは現代のデジタル用途の多くには遅すぎると考えられていますが、研究者は 1990 年代から代替品を開発してきました。

通信では、高速光アイソレータがサーバーや通信アプリケーションの電源、たとえば有線イーサネット LAN 用のパワー オーバー イーサネット (PoE) テクノロジに使用されます。 光アイソレータ コンポーネントは、イーサネットおよび光ファイバー ケーブルを電気サージから保護することもできます。 VoIP 電話では、トランジスタ出力フォトカプラを使用して電気信号を分離できます。

モデムを使用して電話回線に接続することはもはや一般的ではありませんが、光アイソレータを使用すると、電気サージやスパイクによる損傷の危険を冒さずにコンピュータを電話回線に接続できます。 この場合、デバイスのアナログ セクションに 2 つの光アイソレータが使用されます。1 つはアップストリーム信号用、もう 1 つはダウンストリーム信号用です。 電話回線にサージが発生しても、光ギャップには電流が流れないため、コンピュータは影響を受けません。