フォトカプラとは？仕組みと使い方、CTRと寿命の設計を図解｜抵抗値の計算ツール付き

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お悩み

こんなふうに思っていませんか？

回路図にあるフォトカプラが、何のためにあるのかわからない
LED側とトランジスタ側の抵抗を、どう決めればいいかわからない
デジタルアイソレータとどちらを使うべきか迷う

この記事でわかること

フォトカプラとは何か、なぜ絶縁が必要か
仕組みと種類、使われる3つの場面
CTRと寿命を見こんだ抵抗の決め方（計算ツール付き）
デジタルアイソレータ・パルストランスとの使い分け

結論｜まず30秒でわかる答え

フォトカプラとは、入力側のLEDが光り、その光を出力側の受光素子（フォトトランジスタなど）が受けて信号を伝える部品です。入力と出力のあいだは光だけでつながっていて電気的には切り離されている（絶縁されている）ので、感電の防止や、ノイズ・高電圧から回路を守るために使います。設計では、入力電流に対する出力電流の比であるCTRが、ばらつきや寿命で下がることを見こむのが大切です。

フォトカプラとは何かを表すアイキャッチ。LEDの光が絶縁されたすき間を渡り、フォトトランジスタに信号を伝える

フォトカプラとは？「電気を流さずに信号を渡す」部品

フォトカプラ（フォトカップラ、光結合素子）は、入力側と出力側を電気的に切り離したまま、オン・オフの信号を伝える部品です。

壁で仕切られた隣の部屋に、懐中電灯の光で合図を送るところを思いうかべてください。部屋どうしは電線でつながっていないのに、「光ったらスイッチを入れる」という情報だけは伝わります。フォトカプラの中では、LEDが懐中電灯、受光素子が隣の部屋の人です。

なぜ切り離す（絶縁する）のか

理由	中身	例
① 感電を防ぐ	コンセント側の危険な電圧が、人の触れる側に来ないようにする	ACアダプターの1次側と2次側
② 回路を守る	高電圧の回路が壊れても、マイコンなどの弱い回路まで壊れないようにする	インバータの制御回路とパワー回路
③ ノイズを断つ	GNDを分けて、大電流のノイズが信号に乗らないようにする	工場の機械とPLCの入出力

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フォトカプラを懐中電灯の合図にたとえた図。壁で仕切られた部屋どうしは電線でつながっていないが、光で合図を送ってスイッチを入れられる

フォトカプラの仕組みと種類

1つのパッケージの中に、赤外LEDと受光素子が向かい合わせに入っていて、そのあいだは透明な絶縁材で仕切られています。

動作の3ステップ

① 入力側（1次側）のLEDに電流 I_F を流すと、赤外光が出る
② 光が絶縁材を通って、出力側（2次側）の受光素子に届く
③ 受光素子がONになり、出力側に電流 I_C が流れる

出力の種類	特徴	主な用途
フォトトランジスタ出力	いちばん一般的で安い。速さはμs（マイクロ秒）単位	電源のフィードバック、一般の入出力
ダーリントン出力	CTRが大きく、小さなLED電流で動く。遅い	電流を節約したい入力
高速（IC出力）	受光側に増幅回路を内蔵。速い	通信、ゲートドライバ内蔵品
フォトトライアック出力	交流のスイッチ（トライアック）を駆動できる	AC負荷のON/OFF、SSR
フォトMOSリレー	出力がMOSFET。機械式リレーのかわりになる	計測器の切りかえ、信号のON/OFF

フォトカプラの内部構造の図。赤外LEDに電流を流すと光が絶縁材を通り、フォトトランジスタがONして出力に電流が流れる

フォトカプラが使われる3つの場面

① スイッチング電源のフィードバック

ACアダプターでは、2次側の出力電圧を見て、1次側のスイッチの動きを調整します。しかし1次側と2次側は絶縁しなければなりません。そこで、出力電圧が高すぎるとフォトカプラのLEDが強く光り、それを1次側の制御ICに伝える、という形で絶縁したまま電圧の情報を戻します。シャントレギュレータ（TL431など）と組み合わせるのが定番です。

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② マイコンからパワー素子への信号

インバータでは、3.3Vのマイコンが数百Vの回路のMOSFETやIGBTをON/OFFします。マイコンとパワー回路のあいだにフォトカプラ（またはデジタルアイソレータ）を入れ、高電圧側の故障やノイズがマイコンに届かないようにします。ゲートを駆動する部分まで1つにしたフォトカプラ型ゲートドライバもあります。

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③ PLC・産業機器の入出力

工場のセンサーやスイッチは24Vで動き、配線も長いのでノイズや雷サージを受けやすい環境です。PLCの入力回路の多くはフォトカプラで絶縁されていて、外の配線で何かあっても、内部の回路まで被害が及ばないようになっています。

フォトカプラが使われる3つの場面の図。スイッチング電源のフィードバック、マイコンとパワー回路の間、PLCの入出力

CTR（電流伝達率）と寿命を見こんだ設計

フォトカプラの設計でいちばん大事なのが、CTRです。ばらつきと寿命で小さくなっても、確実にONするように抵抗を決めます。

公式

CTR［%］＝出力電流 I_C ÷ LED電流 I_F × 100

LED電流10mAで出力に5mA流れればCTR＝50%。汎用品（例：PC817）は50〜600%と幅が広く、ランクで分けて売られています。

CTRは、同じ型番でも個体差が大きく、温度でも変わり、さらにLEDの光が年々弱くなることで下がっていきます。どれくらい下がるかは、データシートの劣化特性（通電時間とCTRの変化のグラフ）で確かめます。設計の目安としては、寿命の終わりにはCTRが初期の半分くらいまで下がると見て、それでもONする回路にしておくのが一般的です。

例題：3.3Vのマイコンから5Vの回路へ信号を渡す

手順	計算
① LED側の抵抗	(3.3V − 順電圧1.2V) ÷ 5mA ＝ 420Ω → 430Ω（I_F≒4.9mA）
② 寿命の終わりに流せる出力電流	4.9mA × CTR最小50% × 寿命0.5 ≒ 1.22mA
③ 出力側の負荷抵抗の下限	(5V − 0.4V) ÷ 1.22mA ≒ 3.77kΩ → 3.9kΩ以上（温度の影響も見こむなら4.7kΩ）

負荷抵抗が小さすぎると、寿命の終わりにトランジスタが十分ONせず、出力が中途半端な電圧になります。逆に大きすぎると、OFFに切りかわるのが遅くなります（電圧の立ち上がりがなまる）。下限の少し上を選ぶのがコツです。

入力側の電圧（V） LEDの順電圧（V） LED電流のねらい（mA） CTRの最小値（%）寿命の係数（0〜1）出力側の電源（V）

入力すると、その場で計算し直します。入力した数字は画面の中で計算するだけで、どこにも送信されません。

フォトカプラのCTRと寿命の図。CTRは出力電流÷LED電流で、使った時間とともに下がる。LED4.9mA×CTR最小50%×寿命0.5で出力1.22mA、負荷抵抗は3.9kΩ以上

フォトカプラ・デジタルアイソレータ・パルストランスの違い

「絶縁したまま信号を渡す」部品は、フォトカプラのほかにもあります。光・電界や磁界・磁気のどれで渡すかがちがいます。

項目	フォトカプラ	デジタルアイソレータ	パルストランス
渡し方	光	小さなコンデンサ（電界）か小さなコイル（磁界）	トランス（磁気）
速さ	遅め（μs単位。高速品もある）	速い（ns単位）	速い（パルスのみ）
寿命による劣化	LEDが弱りCTRが下がる	LEDがないので小さい	ほぼない
直流（ずっとON）	伝えられる	伝えられる	伝えられない
アナログ量	伝えられる（電源のフィードバック）	基本はデジタル	向かない
値段・手軽さ	安く、回路がかんたん	やや高い。両側に電源が要る	大きく、回路の工夫が要る

選び方の目安は、①安くて遅くてよい・電源のフィードバックならフォトカプラ、②速い通信やゲート信号、長く使う機器ならデジタルアイソレータ、③パルスだけでよく、2次側に電源を作りたくないならパルストランス、です。最近のインバータやモーター制御では、デジタルアイソレータに置きかえる例が増えています。

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フォトカプラでよくある間違い

よくある間違い	正しい考え方
CTRの標準値（代表値）で設計する	最小値に、温度と寿命による低下を見こむ
LEDに抵抗なしでつなぐ	LEDは電流で動く。電流を決める抵抗が必ず要る
負荷抵抗は小さいほど確実	小さいとONしきれない。大きいと遅い。計算で下限を出して少し上に
1次側と2次側のGNDを基板でつないでしまう	つなぐと絶縁の意味がなくなる。パターンも沿面距離をとって分ける
LED電流を大きくするほど安心	電流が大きいほどLEDの劣化は早い。必要な分だけ流す