광 신호를 매개로 회로를 연결하는 옵토커플러는 높은 다용성과 내구성 및 절연성 등의 신뢰성 덕분에 음향, 의학, 산업 등 높은 정밀도가 필수적인 분야에서 활발하게 사용되는 소자입니다.
하지만 광커플러는 언제, 어떤 상황에서 작동하며, 그 원리는 무엇일까요? 또는 실제로 전자 회로 제작에 광커플러를 사용할 때, 어떤 것을 선택하고 어떻게 사용해야 할지 모를 수도 있습니다. 광커플러는 종종 "포토트랜지스터"나 "포토다이오드"와 혼동되기 때문입니다. 따라서 이 글에서는 광커플러가 무엇인지 소개하고자 합니다.
포토커플러란 무엇인가요?
옵토커플러는 어원이 '광학'인 전자 부품입니다.
커플러는 "빛으로 연결하는 것"을 의미합니다. 옵토커플러, 광 아이솔레이터, 광 절연체 등으로도 불립니다. 발광 소자와 수신 소자로 구성되며, 광 신호를 통해 입력 측 회로와 출력 측 회로를 연결합니다. 이 두 회로 사이에는 전기적 연결이 없으므로 절연 상태입니다. 따라서 입력과 출력 회로의 연결은 분리되어 있으며, 신호만 전송됩니다. 입력과 출력 전압 레벨이 크게 다른 회로를 안전하게 연결할 수 있으며, 입력과 출력 사이에 고전압 절연이 적용됩니다.
또한, 이 광 신호를 전달하거나 차단함으로써 스위치 역할을 합니다. 자세한 원리와 메커니즘은 나중에 설명하겠지만, 포토커플러의 발광 소자는 LED(발광 다이오드)입니다.
LED가 발명되고 기술 발전이 크게 이루어졌던 1960년대부터 1970년대까지,광전자공학호황을 누렸다. 당시에는 여러 가지가 있었다.광학 장치광전 커플러를 비롯한 여러 장치가 발명되면서 광전자공학은 빠르게 우리 삶에 스며들게 되었습니다.
① 원리/메커니즘
옵토커플러의 원리는 발광 소자가 입력 전기 신호를 빛으로 변환하고, 수신 소자가 이 빛을 다시 전기 신호로 변환하여 출력 회로로 전달하는 것입니다. 발광 소자와 수신 소자는 외부 광 블록 내부에 서로 마주보도록 배치되어 빛을 전달합니다.
발광 소자에 사용되는 반도체는 LED(발광 다이오드)입니다. 반면에 수광 소자에 사용되는 반도체는 사용 환경, 외형 크기, 가격 등에 따라 여러 종류가 있지만, 일반적으로 가장 흔하게 사용되는 것은 포토트랜지스터입니다.
포토트랜지스터는 작동하지 않을 때는 일반 반도체에 비해 전류가 거의 흐르지 않습니다. 빛이 입사되면 포토트랜지스터는 P형 반도체와 N형 반도체 표면에 광기전력을 발생시키고, N형 반도체의 정공은 p형 영역으로, p형 반도체의 자유 전자는 n형 영역으로 이동하여 전류가 흐르게 됩니다.
포토트랜지스터는 포토다이오드만큼 반응 속도가 빠르지는 않지만, 내부 전기장으로 인해 출력 신호를 입력 신호의 수백 배에서 최대 1,000배까지 증폭시키는 효과가 있습니다. 따라서 약한 신호까지도 감지할 수 있을 만큼 감도가 뛰어나다는 장점이 있습니다.
사실 우리가 보는 "빛 차단기"는 동일한 원리와 메커니즘을 가진 전자 장치입니다.
하지만 광 차단기는 일반적으로 센서로 사용되며, 발광 소자와 수신 소자 사이에 빛을 차단하는 물체를 통과시켜 그 역할을 수행합니다. 예를 들어, 자판기나 ATM에서 동전과 지폐를 감지하는 데 사용될 수 있습니다.
② 특징
광커플러는 빛을 통해 신호를 전송하므로 입력측과 출력측 사이의 절연이 매우 중요합니다. 높은 절연성은 노이즈의 영향을 덜 받을 뿐만 아니라 인접 회로 간의 우발적인 전류 흐름을 방지하여 안전성 측면에서 매우 효과적입니다. 또한 구조 자체도 비교적 간단하고 합리적입니다.
옵토커플러는 오랜 역사 덕분에 다양한 제조업체에서 풍부한 제품 라인업을 제공한다는 점에서 독특한 장점을 가지고 있습니다. 물리적 접촉이 없기 때문에 부품 간 마모가 적고 수명이 길다는 장점도 있습니다. 하지만 LED가 시간 경과 및 온도 변화에 따라 서서히 열화되기 때문에 발광 효율이 쉽게 변동한다는 특징도 있습니다.
특히 투명 플라스틱 내부 부품이 오랜 시간 동안 사용되면 흐려져서 빛을 잘 투과하지 못할 수 있습니다. 하지만 어쨌든 기계적 접촉 방식의 접촉에 비하면 수명은 훨씬 깁니다.
포토트랜지스터는 일반적으로 포토다이오드보다 속도가 느리기 때문에 고속 통신에는 사용되지 않습니다. 하지만 일부 포토트랜지스터는 출력단에 증폭 회로를 내장하여 속도를 향상시키기도 하므로, 이는 단점이 아닙니다. 사실 모든 전자 회로가 속도 향상을 필요로 하는 것은 아닙니다.
③ 사용법
광전 커플러주로 스위칭 동작에 사용됩니다. 스위치를 켜면 회로에 전원이 공급되지만, 특히 절연성과 긴 수명과 같은 특성 덕분에 높은 신뢰성이 요구되는 환경에 매우 적합합니다. 예를 들어, 노이즈는 의료 전자 기기 및 오디오 장비/통신 장비의 적입니다.
모터 구동 시스템에도 사용됩니다. 모터 구동 시 인버터가 속도를 제어하지만, 높은 출력으로 인해 노이즈가 발생합니다. 이 노이즈는 모터 자체의 고장을 일으킬 뿐만 아니라 접지를 통해 주변 장치에도 영향을 미칩니다. 특히 배선이 긴 장비는 이러한 고출력 노이즈에 쉽게 영향을 받기 때문에 공장에서 발생할 경우 막대한 손실을 초래하고 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 스위칭에 고절연 옵토커플러를 사용하면 다른 회로 및 장치에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.
둘째, 광커플러를 선택하고 사용하는 방법
제품 설계에 적합한 옵토커플러를 사용하는 방법은 무엇일까요? 다음 마이크로컨트롤러 개발 엔지니어들이 옵토커플러 선택 및 사용 방법에 대해 설명합니다.
① 항상 열려있고 항상 닫혀있습니다
포토커플러에는 두 가지 유형이 있습니다. 전압이 인가되지 않을 때 스위치가 꺼지는 유형, 전압이 인가될 때 스위치가 켜지는 유형, 그리고 전압이 없을 때 스위치가 켜지는 유형이 있습니다. 전압이 인가되면 스위치가 켜지고, 전압이 인가되면 스위치가 꺼집니다.
전자는 상시 개방형, 후자는 상시 폐쇄형이라고 합니다. 어떤 것을 선택해야 하는지는 우선 필요한 회로의 종류에 따라 달라집니다.
② 출력 전류와 인가 전압을 확인하십시오.
포토커플러는 신호를 증폭하는 특성을 가지고 있지만, 전압과 전류를 항상 마음대로 통과시키는 것은 아닙니다. 물론 정격 용량은 있지만, 원하는 출력 전류에 따라 입력 측에서 전압을 인가해야 합니다.
제품 데이터시트를 살펴보면 세로축은 출력 전류(컬렉터 전류), 가로축은 입력 전압(컬렉터-이미터 전압)을 나타내는 차트를 볼 수 있습니다. 컬렉터 전류는 LED 광량에 따라 달라지므로 원하는 출력 전류에 맞춰 전압을 인가해야 합니다.
하지만 여기서 계산된 출력 전류가 예상보다 작다고 생각할 수도 있습니다. 이는 LED의 시간 경과에 따른 열화를 고려한 후에도 안정적으로 출력될 수 있는 전류 값이므로 최대 정격보다 작습니다.
반대로 출력 전류가 크지 않은 경우도 있습니다. 따라서 옵토커플러를 선택할 때는 "출력 전류"를 꼼꼼히 확인하고 그에 맞는 제품을 선택해야 합니다.
③ 최대 전류
최대 전도 전류는 광커플러가 도통될 때 견딜 수 있는 최대 전류 값입니다. 마찬가지로, 구매하기 전에 프로젝트에 필요한 출력과 입력 전압을 정확히 알아야 합니다. 최대값과 사용 전류가 제한 요소가 아니라 어느 정도 여유가 있는지 확인하십시오.
④ 포토커플러를 올바르게 설치하십시오
적합한 광 커플러를 선택했으니 이제 실제 프로젝트에 사용해 보겠습니다. 설치 자체는 간단합니다. 각 입력 측 회로와 출력 측 회로에 연결된 단자를 연결하기만 하면 됩니다. 하지만 입력 측과 출력 측의 방향을 잘못 연결하지 않도록 주의해야 합니다. 따라서 데이터 표에서 기호를 확인하여 PCB 기판을 그린 후 광 커플러 단자가 잘못 연결되는 것을 방지해야 합니다.
게시 시간: 2023년 7월 29일