광신호를 매개로 회로를 연결하는 광커플러는 내구성, 절연성 등의 높은 다용성과 신뢰성으로 인해 음향, 의학, 산업 등 고정밀성이 필수적인 분야에서 활약하는 소자입니다.
하지만 광커플러는 언제, 어떤 상황에서 작동하며, 그 원리는 무엇일까요? 실제로 전자 작업에서 광커플러를 사용할 때 어떻게 선택하고 사용해야 하는지 모를 수도 있습니다. 광커플러는 종종 "포토트랜지스터"나 "포토다이오드"와 혼동되기 때문입니다. 따라서 이 글에서는 광커플러가 무엇인지 소개합니다.
포토커플러란 무엇인가요?
광커플러는 어원이 광학인 전자 부품입니다.
커플러는 "빛과 결합"하는 것을 의미합니다. 광커플러, 광절연체, 광절연체 등으로도 불립니다. 발광 소자와 수광 소자로 구성되며, 입력측 회로와 출력측 회로를 광신호로 연결합니다. 이 회로들 사이에는 전기적인 연결이 없습니다. 즉, 절연된 상태입니다. 따라서 입력과 출력 사이의 회로 연결은 분리되어 신호만 전송됩니다. 입력과 출력 사이의 전압 레벨이 크게 다른 회로는 입력과 출력 사이에 고전압 절연을 사용하여 안전하게 연결하십시오.
또한, 이 광 신호를 전달하거나 차단함으로써 스위치 역할을 합니다. 자세한 원리와 메커니즘은 나중에 설명하겠지만, 포토커플러의 발광 소자는 LED(발광 다이오드)입니다.
1960년대부터 1970년대까지 LED가 발명되고 그 기술적 진보가 상당했을 때,광전자공학붐을 일으켰습니다. 그 당시 다양한광학 장치광전 결합기가 발명되었고, 그 중 하나가 바로 광전자 공학이었습니다. 이후 광전자 공학은 우리 삶에 빠르게 침투했습니다.
① 원리/메커니즘
광결합기의 원리는 발광 소자가 입력된 전기 신호를 빛으로 변환하고, 수광 소자가 그 빛을 출력 회로로 되돌려 보내는 것입니다. 발광 소자와 수광 소자는 외부 빛 블록의 안쪽에 위치하며, 빛을 전달하기 위해 서로 마주 보고 있습니다.
발광 소자에 사용되는 반도체는 LED(발광 다이오드)입니다. 한편, 수광 소자에 사용되는 반도체는 사용 환경, 외부 크기, 가격 등에 따라 다양한 종류가 있지만, 일반적으로 가장 많이 사용되는 것은 포토트랜지스터입니다.
작동하지 않을 때 광전 트랜지스터는 일반 반도체처럼 전류를 거의 흐르지 않습니다. 빛이 광전 트랜지스터에 입사하면 광전 트랜지스터는 P형 반도체와 N형 반도체 표면에 광기전력을 발생시키고, N형 반도체의 정공은 p 영역으로, p 영역의 자유 전자 반도체는 n 영역으로 흐르면서 전류가 흐릅니다.
포토트랜지스터는 포토다이오드만큼 반응성이 뛰어나지는 않지만, 내부 전기장을 통해 출력을 입력 신호의 수백 배에서 1,000배까지 증폭시키는 효과가 있습니다. 따라서 약한 신호도 감지할 수 있을 만큼 민감하다는 장점이 있습니다.
사실, 우리가 보는 '빛 차단기'는 동일한 원리와 메커니즘을 가진 전자 장치입니다.
그러나 광 차단기는 일반적으로 센서로 사용되며, 발광 소자와 수광 소자 사이에 빛을 차단하는 물체를 통과시켜 그 역할을 수행합니다. 예를 들어, 자판기나 ATM에서 동전과 지폐를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.
② 특징
광커플러는 빛을 통해 신호를 전달하기 때문에 입력단과 출력단 사이의 절연이 중요한 특징입니다. 높은 절연성은 노이즈의 영향을 잘 받지 않을 뿐만 아니라, 인접 회로 간의 우발적인 전류 흐름을 방지하여 안전 측면에서 매우 효과적입니다. 또한 구조 자체도 비교적 간단하고 합리적입니다.
오랜 역사와 다양한 제조사의 풍부한 제품 라인업 또한 광커플러의 독보적인 장점입니다. 물리적 접촉이 없어 부품 간 마모가 적고 수명이 깁니다. 반면, LED는 시간과 온도 변화에 따라 서서히 열화되기 때문에 발광 효율이 변동하기 쉽다는 특징도 있습니다.
특히 투명 플라스틱의 내부 구성 요소가 장시간 흐려지면 빛이 잘 들어오지 않습니다. 그러나 어떤 경우든 기계적 접촉의 수명은 접촉하는 부품의 수명보다 훨씬 깁니다.
포토트랜지스터는 일반적으로 포토다이오드보다 속도가 느리기 때문에 고속 통신에는 사용되지 않습니다. 하지만 일부 부품은 출력 측에 증폭 회로를 탑재하여 속도를 높이기 때문에 이것이 단점은 아닙니다. 실제로 모든 전자 회로가 속도를 높일 필요는 없습니다.
③ 사용방법
광전 커플러주로 스위칭 동작에 사용됩니다. 스위치를 켜면 회로에 전원이 공급되지만, 절연 및 긴 수명과 같은 상기 특성의 관점에서 볼 때 높은 신뢰성이 요구되는 상황에 매우 적합합니다. 예를 들어, 노이즈는 의료용 전자 장비 및 오디오 장비/통신 장비의 적입니다.
모터 구동 시스템에도 사용됩니다. 모터는 구동 시 인버터에 의해 속도가 제어되지만, 높은 출력으로 인해 소음이 발생합니다. 이 소음은 모터 자체의 고장을 유발할 뿐만 아니라 "접지"를 통해 주변 장치에 영향을 미칩니다. 특히 배선이 긴 장비는 이러한 고출력 소음을 쉽게 수신하기 때문에 공장에서 발생할 경우 큰 손실을 초래하고 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 스위칭에 고절연 광커플러를 사용하면 다른 회로 및 장치에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.
둘째, 광커플러의 선택 및 사용 방법
제품 설계에 적합한 광커플러를 사용하는 방법은 무엇일까요? 다음 마이크로컨트롤러 개발 엔지니어들이 광커플러를 선택하고 사용하는 방법을 설명해 드리겠습니다.
① 항상 열려 있고 항상 닫혀 있음
포토커플러에는 두 가지 종류가 있습니다. 전압이 인가되지 않을 때 스위치가 꺼지는(OFF) 방식, 전압이 인가될 때 스위치가 켜지는(OFF) 방식, 그리고 전압이 없을 때 스위치가 켜지는 방식입니다. 전압을 인가하고, 전압이 인가되면 스위치가 꺼집니다.
전자는 정상 개방(normally open)이라고 하고, 후자는 정상 폐쇄(normally closed)라고 합니다. 어떤 회로를 선택해야 할지는 먼저 필요한 회로의 종류에 따라 달라집니다.
② 출력전류 및 인가전압 확인
포토커플러는 신호를 증폭하는 특성을 가지고 있지만, 전압과 전류를 항상 원하는 대로 통과시키는 것은 아닙니다. 물론 정격 전압은 있지만, 원하는 출력 전류에 따라 입력 측에서 전압을 인가해야 합니다.
제품 데이터시트를 보면 세로축이 출력 전류(컬렉터 전류)이고 가로축이 입력 전압(컬렉터-이미터 전압)인 차트를 볼 수 있습니다. 컬렉터 전류는 LED 광량에 따라 달라지므로, 원하는 출력 전류에 맞춰 전압을 인가해야 합니다.
하지만 여기서 계산된 출력 전류가 놀라울 정도로 작다고 생각하실 수도 있습니다. 이는 LED의 시간 경과에 따른 성능 저하를 고려하더라도 안정적으로 출력할 수 있는 전류값이므로 최대 정격보다 낮습니다.
반대로 출력 전류가 크지 않은 경우도 있습니다. 따라서 광커플러를 선택할 때는 "출력 전류"를 꼼꼼히 확인하고 그에 맞는 제품을 선택해야 합니다.
③ 최대 전류
최대 전도 전류는 광커플러가 전도 시 견딜 수 있는 최대 전류 값입니다. 다시 한번 말씀드리지만, 구매하기 전에 프로젝트에 필요한 출력과 입력 전압을 정확히 파악해야 합니다. 최대값과 사용 전류가 한계가 아니라 어느 정도의 여유를 두어야 합니다.
④ 포토커플러를 정확하게 설정하세요
적합한 광커플러를 선택했으니, 실제 프로젝트에 적용해 보겠습니다. 설치 자체는 간단합니다. 각 입력측 회로와 출력측 회로에 연결된 단자를 연결하기만 하면 됩니다. 단, 입력측과 출력측의 방향을 잘못 설정하지 않도록 주의해야 합니다. 따라서 PCB 기판을 설계한 후 광커플러 풋(foot)의 위치를 잘못 설정하지 않도록 데이터 표의 기호도 반드시 확인해야 합니다.
게시 시간: 2023년 7월 29일