광신호를 매개로 회로를 연결하는 옵토커플러는 내구성, 절연성 등 높은 범용성과 신뢰성으로 인해 음향, 의료, 산업 등 고정밀도가 필수인 분야에서 활약하는 소자이다.
그러면 광커플러는 언제, 어떤 상황에서 작동하며, 그 뒤에 숨은 원리는 무엇입니까?혹은 실제로 자신의 전자제품 작업에 포토커플러를 사용하게 되면 어떻게 선택하고 사용해야 할지 모를 수도 있습니다.왜냐하면 광커플러는 종종 "포토트랜지스터" 및 "포토다이오드"와 혼동되기 때문입니다.따라서 이번 글에서는 포토커플러란 무엇인지 소개하겠습니다.
포토커플러란 무엇입니까?
광커플러는 어원이 광학인 전자 부품입니다.
커플러(coupler)는 '빛과의 결합'을 뜻한다.광커플러, 광절연체, 광절연체 등으로도 알려져 있습니다. 발광소자와 수광소자로 구성되어 있으며 입력측 회로와 출력측 회로를 광신호를 통해 연결합니다.이들 회로 사이에는 전기적 연결이 없습니다. 즉, 절연 상태입니다.따라서 입력과 출력의 회로 연결이 분리되어 신호만 전송됩니다.입력과 출력 사이의 고전압 절연으로 입력 및 출력 전압 레벨이 크게 다른 회로를 안전하게 연결합니다.
또한, 이 빛 신호를 전송하거나 차단하여 스위치 역할을 합니다.자세한 원리와 메커니즘은 뒤에서 설명하겠지만, 포토커플러의 발광소자는 LED(발광다이오드)이다.
LED가 발명되고 기술적인 발전이 있었던 1960년대부터 1970년대까지,광전자공학붐이 되었습니다.당시 다양한광학 장치발명되었고, 광전 커플러가 그 중 하나였습니다.그 후, 광전자 공학은 우리 삶에 빠르게 침투했습니다.
① 원리/메커니즘
광커플러의 원리는 발광소자가 입력된 전기신호를 빛으로 변환하고, 수광소자가 그 광백 전기신호를 출력측 회로로 전달하는 것이다.발광소자와 수광소자는 외부광 차단부의 안쪽에 위치하며, 빛을 투과시키기 위해 두 개가 서로 마주보게 배치된다.
발광소자에 사용되는 반도체는 LED(발광다이오드)이다.한편, 수광소자에 사용되는 반도체는 사용환경, 외형크기, 가격 등에 따라 여러 종류가 있으나 일반적으로 가장 일반적으로 사용되는 것은 포토트랜지스터이다.
작동하지 않을 때 광트랜지스터는 일반 반도체에 비해 전류를 거의 전달하지 않습니다.거기에 빛이 입사하면 포토트랜지스터가 P형 반도체와 N형 반도체의 표면에 광기전력을 일으키고, N형 반도체의 정공이 p영역으로 흐르고, p영역의 자유전자 반도체가 흐른다. n 영역으로 전류가 흐르게 됩니다.
포토트랜지스터는 포토다이오드만큼 반응성이 떨어지지만, (내부 전기장으로 인해) 입력 신호의 수백~1,000배까지 출력을 증폭시키는 효과도 있습니다.따라서 약한 신호도 포착할 수 있을 만큼 민감하다는 점이 장점입니다.
사실 우리가 보는 '빛 차단기'도 동일한 원리와 메커니즘을 가진 전자장치다.
그러나 광 차단기는 일반적으로 센서로 사용되며 발광 소자와 수광 소자 사이에 차광 물체를 통과시켜 역할을 수행합니다.예를 들어 자동판매기나 ATM에서 동전과 지폐를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.
② 특징
옵토커플러는 빛을 통해 신호를 전달하기 때문에 입력측과 출력측 사이의 절연이 주요 특징입니다.절연성이 높으면 노이즈의 영향을 잘 받지 않을 뿐만 아니라, 인접한 회로 사이에 우발적인 전류 흐름을 방지해 안전성 측면에서도 매우 효과적입니다.그리고 구조 자체도 비교적 간단하고 합리적이다.
오랜 역사로 인해 다양한 제조사의 풍부한 제품 라인업도 옵토커플러만의 장점입니다.물리적인 접촉이 없기 때문에 부품간의 마모가 적고 수명이 길어집니다.한편, LED는 시간의 경과 및 온도 변화에 따라 서서히 열화되기 때문에 발광 효율이 변동하기 쉬운 특징도 있습니다.
특히 투명한 플라스틱의 내부 부품이 장시간 흐려지면 빛이 별로 좋지 않을 수 있습니다.그러나 어떠한 경우에도 기계적 접점의 접촉접점에 비해 수명이 너무 길다.
포토트랜지스터는 일반적으로 포토다이오드보다 속도가 느리기 때문에 고속 통신에는 사용되지 않습니다.하지만 이는 단점이 되지 않습니다. 일부 부품에는 속도를 높이기 위해 출력측에 증폭 회로가 있기 때문입니다.사실 모든 전자 회로가 속도를 높일 필요는 없습니다.
③ 이용방법
광전 커플러주로 스위칭 동작에 사용됩니다.스위치를 켜면 회로에 전원이 공급되지만 위의 특성, 특히 절연성과 긴 수명의 관점에서 볼 때 높은 신뢰성이 요구되는 시나리오에 매우 적합합니다.예를 들어, 소음은 의료용 전자기기, 오디오 장비/통신 장비의 적입니다.
모터 구동 시스템에도 사용됩니다.모터를 사용하는 이유는 구동 시 인버터에 의해 속도가 제어되지만 출력이 높아 소음이 발생하기 때문이다.이 소음은 모터 자체의 고장을 유발할 뿐만 아니라 "접지"를 통해 주변 장치에 영향을 미치게 됩니다.특히, 배선이 긴 장비는 이러한 높은 출력 노이즈를 포착하기 쉽기 때문에 공장에서 발생하면 큰 손실을 초래하고 때로는 심각한 사고로 이어지기도 합니다.스위칭에 절연성이 높은 광커플러를 사용하면 다른 회로 및 장치에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.
둘째, 광커플러 선택 및 사용 방법
제품 설계에 적합한 광커플러를 사용하는 방법은 무엇입니까?다음 마이크로컨트롤러 개발 엔지니어들은 광커플러를 선택하고 사용하는 방법을 설명합니다.
① 항상 열림, 항상 닫힘
포토커플러에는 전압이 인가되지 않을 때 스위치가 오프(off)되는 타입, 전압이 인가될 때 스위치가 온(off)되는 타입, 스위치가 인가되는 타입의 2가지가 있다. 전압이 없을 때 켜집니다.전압이 인가되면 인가하고 꺼집니다.
전자를 상시 개방형, 후자를 상시 폐쇄형이라고 합니다.선택 방법은 먼저 필요한 회로 종류에 따라 다릅니다.
② 출력전류 및 인가전압을 확인한다.
포토커플러는 신호를 증폭시키는 특성을 갖고 있지만 항상 전압과 전류를 마음대로 통과시키지는 않습니다.물론 정격이 있지만 원하는 출력 전류에 따라 입력측에서 전압을 인가해야 합니다.
제품 데이터시트를 보면 세로축이 출력 전류(콜렉터 전류), 가로축이 입력 전압(콜렉터-이미터 전압)인 차트를 볼 수 있다.LED 광량에 따라 컬렉터 전류가 달라지므로 원하는 출력 전류에 맞춰 전압을 인가해 주세요.
그러나 여기서 계산된 출력 전류는 놀라울 정도로 작다고 생각할 수도 있습니다.이는 시간이 지남에 따라 LED의 열화를 고려한 후에도 안정적으로 출력할 수 있는 전류 값이므로 최대 정격보다 작습니다.
반대로 출력 전류가 크지 않은 경우도 있습니다.따라서 옵토커플러를 선택할 때에는 반드시 '출력 전류'를 잘 확인하고 이에 맞는 제품을 선택하시기 바랍니다.
③ 최대 전류
최대 전도 전류는 전도 시 옵토커플러가 견딜 수 있는 최대 전류 값입니다.다시 말하지만, 구매하기 전에 프로젝트에 필요한 출력량과 입력 전압이 얼마인지 확인해야 합니다.최대값과 사용 전류가 제한되지 않고 약간의 여유가 있는지 확인하십시오.
④ 포토 커플러를 올바르게 설정하십시오
올바른 광커플러를 선택했다면 실제 프로젝트에서 사용해 보겠습니다.설치 자체는 간단하며 각 입력측 회로와 출력측 회로에 연결된 단자를 연결하기만 하면 됩니다.그러나 입력측과 출력측의 방향이 맞지 않도록 주의해야 합니다.따라서 PCB 기판을 드로잉한 후 광전 커플러 풋이 잘못된 것을 발견하지 않도록 데이터 테이블의 기호도 확인해야 합니다.
게시 시간: 2023년 7월 29일