素子：フォトカプラ（オプトカプラ）

フォトカプラを使うための最も単純な回路。通常、ＬＥＤを光らせる電源と、出力側の電源は別になるのだが面倒なので同じ５Ｖ電源を使用している。

実験回路の波形。Ｒ２＝１ｋΩ。立ち上がり（フォトカプラ　ターンＯＦＦ）が遅すぎる。信号の周波数は９．１５ｋＨｚ。やや高めだがＰＷＭでモーター駆動するならよくある周波数。これだけ入力と出力が違っているとモーター駆動に使ったら間違いなくＦＥＴを燃やしてしまう。

Ｒ２を小さくしてみる。だいぶ改善されているが入力＝出力とは言えない遅れがある。

これがほぼ素子の限界速度。上の波形の物は　入力電流×増幅率＝出力電流　が成り立っていない。
実際の電流はＲ２＝１ｋΩの時
　・Ｒ１に流れる電流＝ＬＥＤに流れる電流＝１１．５ｍＡ
　　Ｒ１の入力が５Ｖの時、つまりＬＥＤが点灯しているときのＬＥＤ端子間電圧は約１．２Ｖ
　・Ｒ２に流れる電流はＬＥＤが点灯しているときフォトカプラのコレクタ（Ｒ２が付いている端子）はほぼ０Ｖ。
　　Ｒ２には電源電圧５Ｖがかかるのでフォトカプラのコレクタ－エミッタ間に流れる電流は５ｍＡ
　・実測では増幅率（ＣＴＲ）は２．０（＝２００％）
　　実験に使ったフォトカプラはＴＬＰ５２１でＣＴＲは１～６（１００％～６００％）にばらつく
式に当てはめてみると
　　１１．５[mA]×２．０[倍]＝５[mA]
となり式が成り立っていない　　

一方、Ｒ２＝２００Ωの時は
　・Ｒ１に流れる電流＝ＬＥＤに流れる電流＝１１．５ｍＡ　これは変わらず
　・ＬＥＤが点灯しているときＲ２にかかっている電圧は３．３Ｖ
　　オームの法則から電流は１６．５ｍＡ。フォトカプラのコレクタ－エミッタ間に流れる電流もこれと同じ
式に当てはめてみると
　　１１．５[mA]×２．０[倍]＝１６．５[mA]
成り立っているとは言いがたいが１ｋΩの時よりはだいぶマシになっている。式が完全に成り立つにはもう少し抵抗を小さくして電流を流さないといけない。

入力側のＬＥＤに流れる電流と出力側のフォトトランジスタに流れる電流の関係。素子はＴＬＰ５２１。回路は一番上のもの。電源電圧は５Ｖ。このグラフの直線部分で使用すると良好な応答速度を得られる。入力電流を大きくしてはいけないことが解る。直線部分があると言うことはデジタル信号だけでなくアナログ信号も伝達可能だ。もちろん高い周波数の信号は遅れが大きいので不可。
出力側の抵抗Ｒ２を小さくすれば高速動作できるようになるが副作用として
　・出力波形の振幅が小さくなる
　・より多く電流が流れるようになり、素子の絶対最大定格（コレクタ電流　Ｉｃ）を気にした設計が必要になる
　・さらにコレクタ－エミッタ間の電圧も大きくなり、絶対最大定格（コレクタ損失　Ｐｃ）を気にした設計が必要になる

手持ちのフォトカプラのＣＴＲを全部調べてみた。メーカーも種類も異なるが、ほとんどばらつきは無く全部２００％程度であった。

非飽和領域で使うと電源電圧いっぱいに出力波形が振れない。改善するためにはこんな回路にする必要がある。
この回路はさらにトランジスター（T11）を追加しカスコード回路にしてミラー効果の影響を小さくしている。
　・Ｃ点の電圧を一定にするとミラー効果が小さくなる
　・Ａ点は電源を抵抗で分圧しただけなので一定
　・Ａ－Ｃ間は約０．６Ｖで一定なので、Ｃ点の電圧が常に一定になる
　・Ｂ点は電源電圧いっぱいに振れないのでＴ１２の出力Ｄで電源電圧いっぱいに振れるようにしている
モーターの電源電圧は５Ｖ。電圧が変われば抵抗値を変更する必要がある。

結果の波形。ＬＥＤの点灯遅延など回路全部の遅延を見なければいけないのでこの回路の入力信号と出力信号の波形を観測。４本足の汎用フォトカプラだと大体この程度の速度が限界。非飽和領域でフォトカプラを使うことを推奨している文献などは見かけない。回路数が多く出費を抑えたいときや一品物の実験回路にとどめておくのが無難。
ＬＥＤを点灯させている１．２ｋΩ（Ｒ１１）の抵抗値を小さくすると出力波形の立ち上がりが遅くなる。Ｒ２２を小さくすると波形の立ち下がりが速くなる。抵抗値を調整すれば立ち上がりと立ち下がりの遅れを等しく出来る。モーターのＰＷＭ駆動においては立ち上がりと立ち下がりの速度が同じであれば遅れ時間の長さはデューティーに影響を与えない。

高速動作可能なフォトカプラ。東芝ＴＬＰ５５９。８ピンだが１回路しか入っていない。高速なフォトカプラは電源ピンが余計にある。フォトトランジスターのベースが出ている物もある。メーカーが製造している品種はとても多いが１個単位で入手可能な物は限られる。ＴＬＰ５５９は高速型の定番。

データシート上ではとても高速であるように見えるが、ｔｐＬＨは出力電圧が１．５Ｖになるまでの時間を意味する。電源電圧いっぱいまで立ち上がるまでの時間では無い。

回路は一番上の物と同じ。Ｒ１＝２３０Ω、Ｒ２＝１．８ｋ?。このフォトカプラはＬＥＤに流す電流をやや大きめにして使うのが特徴。ＣＴＲが汎用フォトカプラに比べて小さい。ターンＯＮが遅いのは高速型も同じ。

１μ秒は速いのか遅いのか？エミッタ接地回路を２段にして実測してみた。フォトカプラの出力が電源電圧いっぱいに振れないときはエミッタ接地回路を追加すれば良いが追加した回路のためにどれだけ遅くなるのかを知っておくと便利。スピードアップコンデンサを入れないとまともな速度で動かない。

計測結果、上側がＯＵＴ、下側がＩＮの波形。

高耐圧のフォトカプラTLP627のテスト。耐圧は300V。普通のフォトカプラは50～70V程度

R1=330Ω、R2=10kΩ、Vin=5VでVoutを変更してみる。黄色が入力。水色が出力。ターンオンは高速。ターンオフは出力電圧が大きくなるほど長くなる。立ち上がり波形の曲率は同じまま波形が上方に伸びていく感じ。
Vinはファンクションジェネレーターの出力をそのまま使っているのでR1が小さいと出力電圧が若干落ちる

Vout=10V、R2=10kの時のターンオフ時間は赤矢印の部分で上記の結果とほぼ一致する

上のグラフからLEDの輝度を下げると若干ターンOFFが改善するようなのでテストしてみる
R2=10kΩ、Vin=5V、Vout=18V。黄色が入力。水色が出力。ターンOFFは余り変わらずターンONが遅くなる副作用の方が大きい。これもデータシートのグラフの通り

耐圧の高いフォトカプラなのでVoutを100Vにしてみる
R1=1k、Vin=5V。スライダックを使った絶縁されていない電源なので入力側は安全のため表示しない（入力側が絶縁されているので理論上は問題ない）。デューティー50%なのでカーソルのある位置でLEDをOFFしている。周波数は500Hz。22kΩに100Vの電圧がかかると発熱は0.45W。常時ONだとこれだけ発熱するので1/4W抵抗では持たない。電圧が高いと完全にOFFするまで約0.75msecと非常に低速になる