フォトカプラとは簡単にいうと？

LEDの光で信号を伝え、入力側と出力側を電気的に切り離す部品です。感電やノイズから回路を守ります。

CTRとは何ですか？

LEDに流す電流に対して、出力側に流せる電流の割合です。ばらつきや寿命で下がるので、最小値で設計します。

フォトカプラに寿命はある？

LEDの光が年々弱くなり、CTRが下がります。データシートの劣化特性を確かめ、余裕をもった設計にします。

デジタルアイソレータとの違いは？

デジタルアイソレータは電界や磁界で信号を渡すので、速く、LEDの劣化がありません。フォトカプラは安くて手軽です。

LED側の抵抗はどう決める？

（入力電圧−LEDの順電圧）÷ねらいのLED電流で求めます。3.3V・1.2V・5mAなら約420Ωで、430Ωを選びます。

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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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

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。

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。

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。

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。

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。

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・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。

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