楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

フォトカプラーとフォトリレー

フォトカプラーとフォトリレーは、どちらも、光を使って信号を伝達する素子です。

こちらの記事で、フォトインタラプタとフォトリフレクタを紹介していますが、これらもよく似た仲間で、赤外線LEDとフォトトランジスタを組み合わせて、受光状態で品物があるか無いかや品物までの距離を感知するためなどに使われるものでしたが、フォトカプラーやフォトリレーは、使いみちによっては、汎用性が高く、利用度も大きいと言えます。

このフォトカプラーとフォトリレーも、赤外線LEDの発光側(入力側)を使って、受光側(出力側)に信号を伝える事のできる素子ですが、フォトカプラーは出力側にフォトトランジスタが使われていて、高速に信号を出力側に伝達できますし、フォトリレーはMOS-FETにより、機械式リレーのようにON-OFFスイッチのような使い方ができてサイズも小さいので、機械式リレーよりもスマートにまとめることもできそうですね。

フォトカプラーとフォトリレーと機械式リレーの例

フォトカプラーの出力側のフォトトランジスタは、受光量を感知するので、アナログ信号も伝達できて高速なところは優れていますが、ただ、大きな電流を流せないなどの制限がありますので、使い込むにはいろいろな検討すべきことがでてきそうです。

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これらの特徴から、イメージ的には、フォトカプラーは小電流高速信号用、フォトリレーはDCモーターなどを直接できる電流を扱えるON-OFFスイッチのようなものと考えると、趣味の電子工作で使うのであれば、フォトリレーのほうが使いやすそうな感じです。

フォトリレーで、さらに大電流を扱う「電子リレー SSR」と呼ばれるものがありますが、これは交流用の大電流仕様のものがほとんどですので、これはここで扱うものとは別です。 また、フォトリレーは、東芝さんのTLP592Aのデータシートをみると「フォトカプラー フォトリレー」という名称になっていて紛らわしいので、ここでは、受光側にトランジスタが使われるものを「フォトカプラー」、MOS-FETが使われるものを「フォトリレー」として、使い方をみていくことにします。

そうすると、次のように大まかな区別ができます。 これも参考に、使いみちをイメージするといいでしょう。

フォトリレーとフォトカプラーの特性一覧比較表

なお、この記事の内容は厳密なものではなく、実際に実験して、簡単な電子工作で使える程度の使い方を考えるための基礎的なものであることをご了承ください。

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フォトカプラーとフォトリレーとはどんなものでしょう

ここでは、フォトリレーはTLP621を、フォトリレーはTLP592Aで説明します。

フォトカプラーの外観例 フォトリレーの外観例


フォトカプラー TLP621

TLP621の接続端子図(東芝さんの資料)

端子1・2が発光側(入力側)で、3・4が受光側(出力側)です。 入力側と出力側は、完全に電気的に絶縁されているので、両側回路の電圧が異なっても使えます。

このTP621は、入力側に電流が流れるとLEDが発光して出力側に電流が流れる構造です。(これを「ノーマリーオフ」といい、これと反対に、電流0のときにオンになっているものを「ノーマリーオン」とよばれますが、ノーマリーオンの型番は少ないので、ここではノーマリーオフだけを考えることにします)

フォトカプラーに流す電流に注意

データシート(東芝さんの資料)では以下のようになっており、とくに青印のところに注目します。

TLP621の特性(東芝さんの資料)

ここでは、出力側(受光側)の許容電流量が大きくない(=小さい)というところが重要です。 コレクタ電流10mAが推奨条件となっているので、DCモーターなどの大きな電流を流すのは無理ですので、ここでは、入出力電源を5Vにして、スイッチを押すとLEDが点灯するような簡単な回路を作って動作確認をしましょう。

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LEDを点灯する回路で動作を確認しましょう

フォトカプラーの動作確認用回路図例

この図のように、入力側(発光側)と出力側(受光側)は電気的に絶縁されているので、電圧の異なる回路を簡単につなげますし、デジタル信号はもちろん、アナログ信号でも、それを直流化して入力すれば、赤外LEDの発光強度差で電圧変化を出力させることができます。

本来は、入力側と出力側を切り離して考えるのがいいのですが、ここでは、動作確認用なので、下のように、電源を共用しました。

実験したフォトカプラーの回路例

順電圧2VのLEDをつけているので、トランジスタが導通すれば、I=E/R から (5V-2V)/220Ω≒13.6mA の電流が流れます。(推奨条件範囲は超えていますが、最大定格内なのでOKですね)

Riについても、内蔵の赤外LEDの順電圧はデータシートでは 1.15V・10mA となっているので、Ri=(5V-1.15V)/0.01A=385Ω となりるので、手持ちの抵抗器でそれに近い、470Ωがあったので、Ri=475Ωとしてブレッドボードに配線しました。

フォトカプラーの実験回路

スイッチを押すとフォトカプラーが作動して、LEDが点灯します。 しかし、もっと早い動作を見てみるために、方形波の発生機を使ってその様子を確認しました。

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方形波でON-OFFの状態を見る

フォトカプラーは、受光側にフォトトランジスタが使われているので、非常に応答が早いはずですから、ここでは、機械式のリレーの代替で使うイメージで、100Hz(1秒間に100回ON-OFFさせるイメージ)でそのときの状態を見てみました。

方形波を入力する例

方形波のオリジナル波形

発振器からは、このようなデュ-ティ比がほぼ50%、Vpp5Vの電圧がでています。ここでは、約10Hzと約96Hzの方形波をつかって受光側の波形を見ると、9.7Hzの時には、LEDが点滅しているのがわかりますが、96.3Hzになると、早すぎて点滅しているかどうかがわからず、点灯したままのように見えます。

いずれもうまく入力に追従しているようなのですが、その時の波形を見ると、下のように、かなりノイズが多く、変な波形になっています。 また、周波数もデュ-ティ比も変化しているようです。

LEDをつないだときの波形例

そこで、LEDを使わずに波形を見ようとしたのですが、一般的に、トランジスタのコレクタ側とエミッタ側では、波形(電圧)が変わることに注意しておく必要があります。 

下図の上側の2つをエミッタ出力(エミッタ負荷)、下側をコレクタ出力(コレクタ負荷)として区別していますが、下2つの図のように、コレクタ負荷にすると、入出力のプラスマイナスが反転する点に注意しておきましょう。

ここではアナログ波形の例を書いていますが、音声波形などのような交流波形であれば、バイアス電圧を加えてマイナス側のないように直流化する方法でフォトカプラーが利用できます。 例えば、音声を入力して、「あるレベルの入力になれば出力側が作動する」などの使い方などもできそうですね。

エミッタ負荷とカソード負荷のイメージ

2つの周波数を入力した結果では、オシロスコープに表示された値は次のようになっています。

カソード負荷とエミッタ負荷の測定結果

カソード負荷とエミッタ負荷時の波形

デュ-ティ比はかなり変わっていますし、周波数も若干低下していますが、驚くことに、波形の崩れもなく、非常に追従性が高いと言えるのでしょう。(このような入力の仕方が特殊でしょう)

周波数で97Hzが66Hzなっているのですが、1波長でみると、1/97≒0.010秒→1/66≒0.015秒と、0.005秒遅延しているだけ・・・と考えると、反応は非常に早いと言えます。すごい性能です。

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【参考とお断り】 この記事は、簡単な電子工作で応用して使うことを対象としていますので、専門的ではありません。もっと詳しいことを知るには、東芝さんのデータシートTLP621_application_note_ja_20180201.pdfなどを参考にしていただくのがいいですし、また、このTLP621は50mA程度までの電流しか流せませんが、TLP222Aを使えば、max500mAまで使用できるので、小さなDCモーターを直接作動させることができます。

用途や応用については後日別の機会にするとして、もう一つの、フォトリレーについて簡単に見ていきます。

フォトリレー TLP952A

フォトリレーTLP952Aの端子接続図TLP952A

入力側の扱いはフォトカプラーと同じように考えればいいでしょう。

出力側(受光側)はMOS-FETが使われているので、スイッチの機能があることが推測できます。 ここでは、東芝さんのデータシートを参考にして紹介します。

出力側が3本足になっていて、A・B・C接続ができるようになっています。

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A・B・C接続とは

この「A接続」は、交流の接続する場合の接続で、「B接続」は普通の直流負荷の場合の接続をいい、「C接続」は、直流でB接続にくらべて、2倍の電流で用いることができる接続方法をいいます。

リレーやスイッチなどでの、A接点・B接点・C接点とは違うので注意します。

A接続、B接続、C接続の回路例

ここでは直流(DC)を使っているので、B接続の出力側(受光側)の5・6端子を使いますが、図にあるように、A接続の4・6端子を使っても同様に動作しますし、小電流であっても、C接続をしてもいいということですね。

このように、入力側(発光側)と出力側(受光側)が完全に絶縁されていて、交流でも使用でき、(後で見ますが)500mA以上も電流を流すことができるフォトリレーを用いると、小さなDCモーターなども直接つなぐことができる上に、無接点で長寿命で、安価・・・と良いことずくめなので、これは、電子工作でうまく使っていきたいアイテムです。


電子工作では十分すぎる大電流で使えるのはメリット

TLP952Aの特性表(東芝さんのデータシートより)

青丸のところに注目します。 出力側で大きな電流が流せるので、非常に手軽に使いやすいですし、電圧的にも余裕があり、無接点でノイズ対策もいらないしコンパクトなので、使い方を覚えて慣れてしまえば、機械式のリレー以上にラフな感じで使いやすいでしょう。

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ここでは紹介していませんが、データシート上の遅延時間は最大2.5ms(0.025秒)程度になっています。 これに対して、上で使ったフォトカプラーは、47μs(0.00047秒)なので、フォトカプラーに比べると動作は遅いようですが、これはトランジスタとFETの特性の違いといえますが、趣味の電子工作のON-OFF動作では、その他の使い勝手を考えても、全く気にするものでもないでしょう。

上で確認したように、B接続でLEDの点灯での動作確認だけをしてみたのですが、入出力側が絶縁されていて独立していてスイッチのように動作するので、電圧が異なってもOKですし、ON-OFFするA接点のスイッチ(スイッチを押すと通電するのがA接点のスイッチです) と考えれば、関係する回路内の極性(電流の向き)の向きだけを考えればいいですし、もちろん、電源を共有することもできます。

TLP952Aの確認用回路例

下の回路をブレッドボードに配線しました。

TLP952Aの確認実験例

スイッチを押すと、LEDが点灯する簡単な回路ですが、以上ですが、フォトカプラーでも、フォトリレーでも、入力側(発光側)に赤外LEDがあるので、その電流電圧に気をつければ、簡単に使える部品ですので、ともかく、使い方に慣れると結構使いやすい部品と言えるでしょう。

*****

(最後に・・・)この記事は東芝さんのデータシートを参考に、フォトカプラーやフォトリレーの使い方を考えるための最低限の内容しか書いていませんが、東芝さんのWEBで見ることができるカタログ TLP621_catalog_ja_20200401.pdf には、いろいろな商品が掲載されており、色々発展的に使うとおもしろそうなものがたくさん掲載されていますので、ぜひご覧ください。私は、この部品を「秋月電子さんの通販」で購入したのですが、フォトカプラーは@40円、フォトリレーは@100円でした。安価ですので、ぜひ、いくつかを購入いただいて電子工作を楽しんでください。


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