アイソレータとは？役割や仕組み、種類を解説！

1.アイソレータとは？どんな役割がある？

アイソレータとは、isolation「隔離」「絶縁」する電子部品のことです。
日本語で言い換えると、信号絶縁器となります。計測機器利用を中心に発展した部品で、機器の直流回路間を絶縁します。
また、近年では、入力信号と電源間、および出力信号と電源間が絶縁されているスタイルも主流になってきました。そのため3ポート(方向)絶縁器と呼ぶこともあります。

絶縁は多くの産業で大切な問題です。
とりわけ大電圧下で使用されることの多い計測機器は、しっかりと絶縁しないと隣接した回路間で予期しない電流が流れ込んでしまい、劣化や破損、あるいはショートして発火してしまう可能性があります。
また、機器の破損もさることながら、電流が建物や床などに流れ込み、周囲の人間の感電に繋がる、といったリスクも考えられます。そのため、電気を扱うあらゆる産業において、絶縁性を重視することは義務と言えるでしょう。

加えて、絶縁はノイズ除去・低減という観点からも大切となってきます。
電源が唐突に変動したり、隣接する回路内でノイズが発生したり。
そんな時、絶縁がしっかり行われていれば他回路への影響を最小限におさえることができますね。

また、信号の回り込み防止という観点も欠かせません。
一つの信号を二つの機器に入力する時、しばしば直列接続されることがあります。
通常、直列回路内では実装された全ての部品を電位が高いほうから低いほうにかけて流れるはずです。
しかしながらこの二つの機器がともにグランド接続(一般的には0V)されていると、電位差がなくなり等価回路を形成します。
すると、回路内ではわずかに電位差が生じ、信号が下流にあたるグランド側に回り込んでしまい、計器に届かなくなってしまう、という現象が起こります。

ここでアイソレータを入れることによって、この回り込みを防ぎ、正常な動作を促します。

とは言え絶縁を行って、必要な信号も遮断してしまっては本末転倒です。そこで、それぞれの信号(入力・出力)が絶縁され個別の電位となった場合にも、直流信号を正確に伝送することができるアイソレータを使います。

アイソレータとして使われる絶縁素子は様々ですが、従来で最も普及しているのはフォトカプラ式です。
オプティカル(光結合)絶縁とも呼ばれます。LEDなどの発光素子とフォトダイオードなどの受光素子を用いたもので、光アイソレータといった通称で親しまれてきました。
この仕組みの詳細は後述します。

現在、アイソレータの機能が既に搭載された信号変換器などもラインナップされています。
自分自身で実装する場合は、必要な回路が既に内蔵されたモジュールなどを使用することがポピュラーです。

2.光アイソレータとは？

アイソレータの中でも、歴史がありよく流通しているフォトカプラ式光アイソレータとはどういったものか？原理・仕組みやメリット・デメリットなどを解説します。

① まずサーキュレータを知ろう

アイソレータの原理・仕組みをお話する前に、サーキュレータを知っておくと理解がスムーズでしょう。
と言うのも、しばしばアイソレータとサーキュレータは混同されているためです。

サーキュレータとは、三ポート(端子)あるいはそれ以上のポートを持った受動部品(供給された電力を整流・増幅などせず、そのままの形で使ったり貯めたりする素子)です。
サーキュレータは特定の方向にのみ信号を通過する、という特性を持ちます。
あるポートに入力した信号は次のポートに向けて出力され、その二番目のポートもまた次のポートへと出力し、これが逆流することはありません。
最後のポートに入力された信号は、再び最初のポートへと出力されます。

例えば一つのアンテナで送受信を共有した時、サーキュレータによって受信信号が送信信号に回り込んでしまった、といった事態を回避します。
そして、このサーキュレータの一つのポートに抵抗などの負荷を接続すると、残ったポート間で信号を一方向にのみ伝えるようになります。
これがアイソレータです。
つまり、アイソレータとは、サーキュレータに抵抗などの負荷をつけたもの、ということになります。

② 光アイソレータの原理・仕組み

サーキュレータおよびアイソレータの、「一定方向にのみ信号を伝送する」という仕組みを実現する素子はいくつかありますが、アイソレータでは「光」を使うことが幅広く行われてきました。
光は遮るものがないと一定方向に進みます。その光を電気信号に変換させるための半導体デバイスの一つがフォトカプラです。

フォトカプラとは、LEDなどの発光素子とフォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子をパッケージングしたものです。それぞれの素子は電気を通さない抵抗体に接続されています。

この「受光素子」というのがミソ。
入力側にLED、出力側に受光素子を配置するのですが、信号が入力されてLEDが発光すると、その光を受光素子がキャッチします。
そしてその光を電気信号に変換し、出力する、という特性を持ちます。

このやり取りは光でのみ行われます。つまり、電気的に高い絶縁が可能となり、アイソレータで一役買うこととなりました。
ちなみに電気的に入出力それぞれが独立している、ということは、当然ながらノイズの影響をもシャットダウンすることができ、結果として相互の回路がスムーズな動作を行うようになるのです。

③ 光アイソレータのメリット・デメリット

光アイソレータのメリットは、シンプルで比較的リーズナブルであること。にもかかわらず、高い電気絶縁性を獲得できることです。
古くから用いられていたため各メーカーでラインナップが豊富で、用途に合ったアイソレータはもちろん、モジュールになった便利な製品を選びやすいでしょう。

一方のデメリットは、寿命です。LEDやフォトトランジスタ自体は長持ちしますが、それでも寿命があり、経年や温度変化などによって発光効率が落ちることがあります。
すると、入出力効率も併せて低下し、信号伝送に支障を与えます。また、素子のプラスチックが劣化して曇ったりすると、同様の現象が起きてしまいます。
加えて、LEDが光っている間は電力が使われているので、消費電力は高くなります。

3.デジタルアイソレータとは？

前項でご紹介したように、光アイソレータはメリットもあればデメリットも存在します。
ただ、アイソレータは安全面の観点から重要視されることの多い電子部品で、「経年などによる劣化」はこれを脅かす危険性があります。

そこで、光アイソレータのデメリット克服への一つのソリューションとして現在急速に普及しているのがデジタルアイソレータです。
名前の通り、デジタル信号の送受信間の高絶縁が目的となったものです。
ちなみにフォトカプラもデジタル信号送信が可能ですが、昔から使われていたこともあり「アナログ信号を渡す」ことが主流になっていました。

デジタルアイソレータは、2001年にアメリカの電子部品・半導体メーカーによって開発された比較的新しいアイソレータです。
光アイソレータがフォトカプラなどの光を利用しているのに対し、デジタルアイソレータではコイルやコンデンサといった半導体素子を使用します。
抵抗体などの絶縁素子で入出力を独立させているのは変わりませんが、必要な信号を磁気・容量などで結合したものとなります。

例えばコイルを使った時。これをインダクティブ絶縁と呼びますが、コイルは電流が流れるとコイルに沿って磁界が発生します。
ここで発生した磁界は右ネジの方向に、電流を止めても磁界が消えるまでずっと電流を流し続けようとします。 この性質を利用し、一方のコイルに電流を入力し磁界を発生させ、それによってもう一方のコイルにも電流を流す、というのがインダクティブ絶縁です。
ここでは電流が繋がっているわけではなく(抵抗体で守られているので)、出力側のコイルに新たに電流が発生した形となるので、絶縁性は保たれます。
インダクティブ絶縁はフォトカプラ式より長寿命ですが、一方で消費電流が増加していくと磁気干渉を受けやすくなる、というデメリットもあります。
なお、基本的にはアナログ信号には対応していません。

インダクティブ絶縁の後、もう一つ出てきたアイソレータの絶縁手法がコンデンサ使用です。キャパシティブ(容量性)絶縁とも呼ばれます。
コンデンサは直流信号を通しませんが、交流信号は伝送することができます。これは、コンデンサがプラスマイナスの極性が交互に変化する交流を受けると、その極性に合わせて充放電を繰り返し、あたかも交流電流を通過させているような動きをする特性を利用したものです。フォトカプラやコイルと同様、当然実際には電気は流れていないので、それぞれ独立した回路として絶縁を守ることとなります。 長寿命で、磁気ノイズによる影響をうけません。また、基本的にはデジタル信号にのみ対応します。

その他にも、CMOS(シーモス)などといったこれまで採用されてこなかった絶縁素子によって、近年では様々なデジタルアイソレータがラインナップされるようになってきました。
デジタルアイソレータはフォトカプラ式などに比べて長寿命であることはもちろん、消費電力が低い、あるいは小型化が容易といったメリットからも、ますますの注目度が高まってきています。

とは言えフォトカプラ式が廃れたかというと全くそのようなことはありません。
前述のようにフォトカプラ式はラインナップが豊富でリーズナブル。扱いやすいといったメリットもあります。
また、アナログ信号の伝送には欠かせませんね。

絶縁性は今や多くの産業において義務です。
上手にアイソレータを選んで、人や機器の安全を守っていく試みはますます広がっています。

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