フォトカプラとは？PC817と4N35を使ったArduinoの絶縁

フォトカプラ（オプトアイソレーター、光結合素子とも呼ばれます）は、2つの回路を電気的につなぐことなく、光だけで信号を伝える小さなICです。内部には赤外線LEDと、それに向き合うフォトトランジスタがあります。片側の回路がLEDを光らせると、反対側のトランジスタがオンになります。両側の間には1本の配線もないため、24 Vの産業用センサーや車の12 Vライン、モータードライバをArduinoにつないでも、電圧サージやノイズがマイコンまで届きません。

この記事では、フォトカプラの内部構造、ガルバニック絶縁が重要な理由、もっともよく使われる2つのモデルPC817と4N35のピンと定格、CTRの考え方と抵抗の計算をステップごとに学びます。続いて、Arduinoの出力を絶縁する方法、12/24 V信号を安全に読み取る方法、ESP32とRaspberry Pi Picoでの使い方、商用電源の検知（H11AA1）の安全ルール、リレーモジュールのフォトカプラ、MOC3021によるトライアックの駆動を紹介します。

フォトカプラとは？どのように動作する？

フォトカプラのパッケージの中には、向かい合った2つのチップがあります。入力側には、ふつうのLEDと同じように電流で光る赤外線LEDがあります。出力側には、ベースが光に反応するフォトトランジスタがあり、ベースに電流を流す代わりに光を当てます。2つのチップの間には、透明でありながら電気を通さないプラスチックの層があります。この層は数千ボルトに耐えるように設計されています。

1. 入力側の回路が、抵抗を通してLEDに数mAの電流を流します。
2. LEDが赤外線を出し、その光が絶縁層を通り抜けてフォトトランジスタに当たります。
3. 光がフォトトランジスタのベース電流のように働き、コレクタとエミッタの間に電流が流れます。トランジスタがスイッチのように閉じます。
4. LEDが消えると光が止まり、トランジスタは再び電流を遮断して出力回路が開きます。こうして信号は配線なしで、光だけで反対側に伝わります。

出力側に何があるかによって、フォトカプラにはいくつかの種類があります。ホビー用途ではフォトトランジスタ出力のモデルが主に使われますが、AC信号の検知、トライアックの点弧、高速なデータラインの絶縁には専用の種類が必要です。

なぜガルバニック絶縁が必要？

ガルバニック絶縁とは、2つの回路の間に直接の導電経路がないことを意味します。共通のGNDも共通の配線もなく、エネルギーと情報は別の方法（光、磁界）で伝わります。Arduinoのピンが耐えられるのは最大5 V（ESP32とPicoでは3.3 V）です。産業用センサーの24 V、モーターのスイッチング時に出る数百ボルトの短いサージ、長いケーブルに誘導されるノイズは、共通のGNDを通ってマイコンに直接届くことがあります。フォトカプラはこの経路を物理的に断ち切ります。

• 保護：高電圧側で故障が起きても、被害はフォトカプラで止まり、Arduinoもパソコンのusbポートも、そして自分自身も安全です。
• ノイズとグラウンドループ：モーター、リレー、長いケーブルはGNDラインにノイズを生みます。グラウンドが分かれていれば、そのノイズは信号ラインに入りません。共通グラウンドについては「GNDと共通グラウンド」の記事でくわしく解説しています。
• 異なる電圧レベル：出力トランジスタは外部から電源を受けるので、24 Vの信号を3.3 Vに、5 Vの信号を12 Vに簡単に変換できます。フォトカプラは、低速ですが丈夫なレベル変換素子でもあります。
• 安全規格：商用電源につながる機器では、ユーザー側を商用電源から絶縁することが義務づけられています。PC817のような部品は5000 V rmsの絶縁試験に合格しています。

PC817と4N35のピン配置と定格

PC817では1番ピンに丸印が付いています。パッケージの「PC817」の後ろにあるA、B、C、Dの文字はCTRのランクを示します。EL817、LTV817、KP1010などはPC817とピン互換の互換品です。4N35は6本足なのでベースピンが外に出ています。通常は未接続のままにしますが、ノイズの多い環境では、ベースとエミッタの間に高抵抗（例：1 MΩ）を入れるとターンオフを速くできます。

CTRとは？抵抗はどう計算する？

CTR（Current Transfer Ratio、電流伝達率）は、出力トランジスタが流せるコレクタ電流とLED電流の比です：CTR = IC / IF × 100%。たとえばCTRが100%のフォトカプラなら、LEDに5 mA流すと出力から最大で約5 mAを引き出せます。CTRは温度で変化し、LEDの劣化によって年々下がり、同じモデルの部品の間でも大きくばらつきます。そのため、設計では必ずデータシートの最小値を基準にします。

LEDの抵抗：入力側はLEDとまったく同じように計算します：R = (V電源 − VF) / IF。Arduino Unoの5 Vピンから10 mA流すには(5 − 1.2) / 0.010 = 380 Ωとなります。標準値の330 Ωなら約11.5 mA、390 Ωなら約9.7 mAです。ESP32では(3.3 − 1.2) / 0.010 = 210 Ωなので、220 Ωを使います。Raspberry Pi Picoのピンは初期設定で駆動能力4 mAになっています。ここでは470 Ωで約4.5 mAあれば十分です。手で計算したくなければ、「LED用抵抗」ツールを使ってください。

出力側（プルアップ）の抵抗：トランジスタが完全にオン（飽和）になるには、プルアップ抵抗が引き込む電流がCTRで許される電流より小さくなければなりません。5 Vにつないだ10 kΩのプルアップに必要なのはわずか0.5 mAです。文字なしのPC817では最悪のCTRが50%なので、0.5 mAならLEDに1 mA流せば足ります。5〜10 mA流せば、少なくとも5倍の余裕が生まれます。Arduinoの内部プルアップ（約20〜50 kΩ）もこの用途に最適です。プルアップを小さくすると信号は速くなりますが、必要な電流が増えます。大きくすると電流は減りますが、トランジスタのターンオフが遅くなります。

配線表：Arduino Uno、ESP32、Raspberry Pi Pico

Arduinoの出力を絶縁する

この使い方では、Arduinoがフォトカプラ内のLEDを光らせ、出力側のトランジスタがスイッチのように別の回路の入力を短絡します。たとえば12 V機器の「トリガー」入力、カメラのリモートシャッター入力、PLCの入力、別の電圧で動く別のマイコンなどを、この方法で安全に駆動できます。出力トランジスタは35 V・50 mAまでなので、リレーのコイルやモーター、LEDテープを直接は駆動できません。こうした負荷には、反対側にトランジスタやMOSFETを使います。

1// PC817 ile yalıtılmış çıkış / Isolated output with a PC817
2// D9 -> 330 ohm -> PC817 pin 1 (anot / anode), pin 2 (katot / cathode) -> Arduino GND
3// Pin 4 ve 3 diğer devrenin girişini kısa devre eder (kuru kontak gibi)
4// Pins 4 and 3 short the other circuit's input (like a dry contact)
5const int OPTO_LED_PIN = 9;
6const unsigned long ON_MS = 2000;
7const unsigned long OFF_MS = 3000;
8
9bool isOn = false;
10unsigned long lastSwitch = 0;
11
12void setup() {
13  pinMode(OPTO_LED_PIN, OUTPUT);
14  digitalWrite(OPTO_LED_PIN, LOW);
15}
16
17void loop() {
18  unsigned long waitTime = isOn ? ON_MS : OFF_MS;
19  if (millis() - lastSwitch >= waitTime) {
20    lastSwitch = millis();
21    isOn = !isOn;
22    digitalWrite(OPTO_LED_PIN, isOn ? HIGH : LOW);   // HIGH: optokuplör iletir / HIGH: optocoupler conducts
23  }
24}

出力側では、コレクタ（4番ピン）を相手の回路のプラス側または入力に、エミッタ（3番ピン）をその回路のGNDにつなぎます。極性が逆だとトランジスタは導通しません。PC817はオン・オフに数µsから数十µsかかるため、通したPWM信号は数kHzを超えると波形がくずれ始めます。高速な信号（UART、MIDI、高周波のPWM）には、6N137のような高速フォトカプラやデジタルアイソレーターICが選ばれます。

12/24 V信号を安全に読み取る

産業用の近接センサー（誘導型）、PLCの出力、ドアの接点、車のイグニッションスイッチ、12 Vの玄関チャイムのボタンなどから来る信号は、Arduinoのピンに直接はつなげません。解決策は、信号をフォトカプラのLEDに通すことです。24 VならLEDに直列に4.7 kΩ、12 Vなら2.2 kΩの抵抗を入れ、出力トランジスタはArduinoの内部プルアップで動かします。電圧がかかるとLEDが光り、トランジスタが導通してArduinoのピンはLOWを読みます。つまり論理が反転するので、コードでそれを考慮します。

1. 24 V電源のプラスを、4.7 kΩの抵抗を通してPC817の1番ピン（アノード）につなぎます。
2. 信号源のマイナス（24 VのGND）を2番ピン（カソード）につなぎます。このGNDはArduinoにつながないでください。
3. 必要に応じて、1番と2番ピンの間に1N4148ダイオードを逆向きに入れます（カソードを1番ピン側）。逆接続から保護できます。
4. PC817の4番ピン（コレクタ）をArduinoのD2ピンに、3番ピン（エミッタ）をArduinoのGNDにつなぎます。
5. 下のコードを書き込み、シリアルモニタを9600ボーで開きます。24 Vをかけると「24V VAR / present」（VARはトルコ語で「ある」）と表示されるはずです。

1// PC817 ile 12/24 V sinyal okuma / Reading a 12/24 V signal with a PC817
2// PC817 pin 4 (kolektör / collector) -> D2, pin 3 (emetör / emitter) -> Arduino GND
3const int OPTO_PIN = 2;
4const unsigned long DEBOUNCE_MS = 20;    // kontak sıçramasına karşı / against contact bounce
5
6int lastReading = HIGH;
7int stableState = HIGH;
8unsigned long lastChange = 0;
9unsigned long pulseCount = 0;
10
11void setup() {
12  Serial.begin(9600);
13  pinMode(OPTO_PIN, INPUT_PULLUP);       // dahili pull-up yeterli / internal pull-up is enough
14}
15
16void loop() {
17  int reading = digitalRead(OPTO_PIN);
18  if (reading != lastReading) {          // değişim var, zamanı başlat / change seen, start the timer
19    lastChange = millis();
20    lastReading = reading;
21  }
22  if (millis() - lastChange > DEBOUNCE_MS && reading != stableState) {
23    stableState = reading;
24    // Mantık ters: 24 V varsa LED yanar, transistör iletir, pin LOW olur
25    // Inverted logic: with 24 V present the LED is on, the transistor conducts, the pin reads LOW
26    if (stableState == LOW) {
27      pulseCount++;
28      Serial.print("24V VAR / present, sayac / count: ");
29      Serial.println(pulseCount);
30    } else {
31      Serial.println("24V YOK / absent");
32    }
33  }
34}

このコードには、20 msの間変化しなかった読み取り値だけを受け付ける簡単なチャタリング対策が入っています。機械式の接点やリレーからの信号では必須です。delay()ではなくmillis()で読み取っているので、その間にArduinoは別の処理もできます。車の電装系では、エンジン稼働中に12 Vラインが14.4 Vまで上がり、短い高電圧のサージも発生します。ここでは抵抗を3.3 kΩに上げ、入力にTVSダイオードを追加しておくと安心です。

ESP32とRaspberry Pi Picoでのフォトカプラ

ESP32とPicoは3.3 Vで動くので、5 Vの信号でさえ直接つないではいけません。ここでフォトカプラの良さが生きます。出力トランジスタはオープンコレクタなので、出力電圧はプルアップをつないだ電圧だけで決まります。内部プルアップを使えば出力は自動的に3.3 Vにとどまり、入力側が24 VでもESP32に届くのは最大3.3 Vです。下のESP32のコードは、24 Vの近接センサーや流量計からのパルスを割り込みで数えます。

1// ESP32: 24 V endüstriyel sensörden darbe sayma / counting pulses from a 24 V industrial sensor
2// PC817 pin 4 -> GPIO 27, pin 3 -> ESP32 GND
3const int OPTO_PIN = 27;
4
5volatile unsigned long pulseCount = 0;
6volatile unsigned long lastPulseUs = 0;
7
8void IRAM_ATTR onPulse() {
9  unsigned long now = micros();
10  if (now - lastPulseUs > 2000) {        // 2 ms'den kısa parazitleri yok say / ignore glitches shorter than 2 ms
11    pulseCount++;
12    lastPulseUs = now;
13  }
14}
15
16void setup() {
17  Serial.begin(115200);
18  pinMode(OPTO_PIN, INPUT_PULLUP);
19  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(OPTO_PIN), onPulse, FALLING);   // 24 V gelince pin düşer / pin falls when 24 V arrives
20}
21
22void loop() {
23  static unsigned long lastPrint = 0;
24  if (millis() - lastPrint >= 1000) {
25    lastPrint = millis();
26    noInterrupts();
27    unsigned long count = pulseCount;
28    pulseCount = 0;
29    interrupts();
30    Serial.printf("Saniyedeki darbe / Pulses per second: %lu\n", count);
31  }
32}

割り込み関数の前にあるIRAM_ATTRは、コードを高速なメモリに配置します。ESP32の割り込み関数ではこれを付けることが推奨されています。2 msのフィルタは、フォトカプラのゆっくりしたターンオフやケーブルのノイズによる偽のパルスを取り除きます。割り込みについては「Arduinoの割り込み」の記事も見てください。Raspberry Pi PicoではMicroPythonで同じことを次のように行います。この例は入力を読みながら、2個目のPC817で反対側に絶縁された信号も送ります。

1# Raspberry Pi Pico: PC817 ile yalıtılmış giriş / isolated input with a PC817
2# PC817 pin 4 -> GP14, pin 3 -> Pico GND, LED sürme / LED drive: GP15 -> 470 ohm -> pin 1
3from machine import Pin
4import time
5
6opto_in = Pin(14, Pin.IN, Pin.PULL_UP)     # dahili pull-up / internal pull-up
7opto_out = Pin(15, Pin.OUT)                # ikinci PC817'nin LED'i / LED of a second PC817
8
9last_state = opto_in.value()
10while True:
11    state = opto_in.value()
12    if state != last_state:
13        time.sleep_ms(20)                  # sıçramayı bekle / wait out the bounce
14        state = opto_in.value()
15        if state != last_state:
16            last_state = state
17            if state == 0:                 # ters mantık: 0 = gerilim var / inverted: 0 = voltage present
18                print("24V VAR / present")
19                opto_out.value(1)          # karşı tarafa yalıtılmış sinyal / isolated signal to the other side
20            else:
21                print("24V YOK / absent")
22                opto_out.value(0)
23    time.sleep_ms(5)

商用電源の検知：H11AA1と安全

コンセントや照明のラインに電圧が来ているか、または商用電源のゼロクロスのタイミングを検出するには、H11AA1のようなAC入力のフォトカプラを使います。内部には逆並列につながった2個のLEDがあるので、交流の両方の半波で光り、逆電圧の問題もありません。230 V rmsの場合、入力に47 kΩの抵抗を2本直列に入れます。合計94 kΩに約2.4 mA rms（ピークで3.5 mA）流れ、抵抗1本あたり約0.28 Wを消費します。そのため最低でも0.5 W、できれば1 Wの抵抗を選びます。抵抗を2本にすると、1本あたりにかかる電圧も半分になります。出力側は5 Vにつないだ10 kΩのプルアップで、電圧がある間トランジスタはほとんど導通しています。ゼロクロス付近でLEDが消えたときだけ、短いHIGHパルスが現れます。50 Hzの商用電源では、1秒に約100個のパルスが見えます（西日本の60 Hzなら約120個です）。

1// H11AA1 ile şebeke gerilimi var mı? / Is mains voltage present? (H11AA1)
2// H11AA1 pin 5 (kolektör / collector) -> D2, pin 4 (emetör / emitter) -> GND, 10k pull-up -> 5V
3const int AC_PIN = 2;
4const unsigned long TIMEOUT_MS = 40;     // 50 Hz'de 2 tam periyot / 2 full cycles at 50 Hz
5
6volatile unsigned long pulses = 0;
7unsigned long lastLowSeen = 0;
8unsigned long lastReport = 0;
9
10void onZeroCross() {
11  pulses++;                              // her sıfır geçişinde bir darbe / one pulse per zero crossing
12}
13
14void setup() {
15  Serial.begin(9600);
16  pinMode(AC_PIN, INPUT);                // harici 10k pull-up kullanılıyor / external 10k pull-up in use
17  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(AC_PIN), onZeroCross, RISING);
18}
19
20void loop() {
21  if (digitalRead(AC_PIN) == LOW) {
22    lastLowSeen = millis();              // gerilim varken çıkış çoğunlukla LOW / output is mostly LOW while voltage is present
23  }
24  bool mainsOn = (millis() - lastLowSeen) < TIMEOUT_MS;
25
26  if (millis() - lastReport >= 1000) {   // saniyede bir rapor / report once per second
27    lastReport = millis();
28    noInterrupts();
29    unsigned long count = pulses;
30    pulses = 0;
31    interrupts();
32    Serial.print(mainsOn ? "Sebeke VAR / Mains ON" : "Sebeke YOK / Mains OFF");
33    Serial.print("  sifir gecisi / zero crossings: ");
34    Serial.print(count);                 // 50 Hz'de yaklaşık 100 / about 100 at 50 Hz
35    Serial.print("  frekans / frequency: ");
36    Serial.print(count / 2);
37    Serial.println(" Hz");
38  }
39}

このコードは2つの情報を返します。直近40 msの間に出力が一度でもLOWになれば、商用電源は通電しています。また、割り込みで数えたパルス数の半分が商用電源の周波数になります。市販のモジュールでも自作の基板でも注意すべき点は次のとおりです。商用電源側のパターンと低電圧側の間に少なくとも6〜8 mmの距離（沿面距離）を取ること、商用電源の入力にヒューズを入れること、フォトカプラの両側の間には一切パターンを通さないこと、回路は閉じたケースの中で使うことです。

リレーモジュールのフォトカプラとJD-VCCジャンパー

市販の1、2、4、8チャンネルのリレーモジュールの多くは、各チャンネルの入力にPC817を備えています。VCCピンからの電流は抵抗と表示用LEDを通ってフォトカプラのLEDへ流れ、INピンをLOWにすると回路が完成してリレーがオンになります。そのため、こうしたモジュールはたいていアクティブLOWで動作します。ただし出荷時はJD-VCCジャンパーが付いていて、リレーのコイルも同じVCCとGNDから給電されます。フォトカプラはあっても、絶縁はされていません。リレーモジュールの基本は「リレーモジュールとは？」の記事で紹介しています。

MOC3021でトライアックを駆動するときの注意

リレーの代わりに、静かで火花の出ないACスイッチがほしい場合は、トライアック（例：BT136）と、それを駆動するトライアック出力のフォトカプラを使います。MOC3021はランダム位相型で、LEDが光った瞬間にトライアックを点弧します。そのため、ゼロクロス検出回路と組み合わせて調光器（明るさ調整）を作るのに向いています。MOC3041とMOC3063はゼロクロス回路内蔵のモデルで、電圧がゼロを通過するときだけ点弧します。オン・オフ用途ではノイズが少なくなりますが、調光には使えません。MOC3021のLEDは点弧に最大15 mAを必要とする場合があります。5 Vなら220 Ω（約17 mA）が適した値で、330 Ωでは部品によって足りないことがあります。データシートのとおり、トライアックのゲートとMOC3021の間には約360 Ωの抵抗を入れ、モーターのような誘導性負荷ではトライアックの両端にRCスナバを追加します。市販のSSR（ソリッドステートリレー）モジュールの中身も、まさにこの構成です。

フォトカプラを使ったプロジェクトのアイデア

• 産業用センサーの読み取り：24 Vの誘導型近接センサーでコンベア上の製品を数え、LCDに表示します。
• 車のイグニッション検出：イグニッションがオンになったらESP32を起こし、車載カメラやロガーを起動します。
• 停電アラーム：市販のAC検知モジュールを使い、商用電源が切れたらブザーを鳴らしたり、スマホに通知を送ったりします。
• 玄関チャイムのキャッチャー：既存の12 Vのチャイムのラインを絶縁して読み取り、鳴ったら通知を送ります。
• 絶縁されたリレーボード：JD-VCCジャンパーを外し、別の電源で給電したリレーモジュールで230 Vのランプを制御します。
• MIDI入力：6N138を使い、電子楽器からのMIDIノートをArduinoで読み取ります。

よくある間違いと対処法

フォトカプラは、Arduinoのプロジェクトを机の上から実世界へ持ち出し、12 V、24 V、230 Vの信号と安全にやり取りさせるための、もっとも安い方法です。数十円の部品が、ボードとパソコンを高電圧から切り離してくれます。BlueGraysアプリでは、リレーで230 Vの電球を制御するプロジェクト、スマート照明、水やりのプロジェクトを、回路図とコード付きでステップごとに紹介しています。