포토 커플러란?
포토커플러(영문: Photo Coupler)는 신호를 입력측에서 출력측으로 전달할 때 입력측 회로와 출력측 회로를 전기적으로 절연된 상태로 전달할 수 있는 소자입니다.
옵토 아이솔레이터(영문: Opto Isolator), 광 아이솔레이터 등으로도 불립니다. 포토 커플러는 입력된 전기 신호를 발광 소자를 통해 일단 광 신호로 변환하고, 그 광 신호를 수광 소자로 전기 신호로 다시 변환하여 출력 신호로 만듭니다.
이는 출력측 회로와 입력측 회로가 전기적으로 연결되지 않은 상태에서도 신호를 전달할 수 있다는 것을 의미하며, 이 높은 절연성이 포토커플러를 이용하는 가장 큰 이유입니다. 또한, 신호 전달 수단으로서는 비교적 수명이 긴 것도 특징 중 하나입니다.
포토커플러의 사용 용도
포토커플러는 절연성과 긴 수명이라는 특성으로 인해 높은 신뢰성이 요구되는 기기에 사용되고 있습니다. 구체적으로 의료용 전자기기 등이 있습니다.
저소음이 요구되는 음향기기나 통신기기에서는 디지털 회로에서 아날로그 회로로 신호를 전송할 때 포토커플러를 통해 아날로그 회로로 노이즈가 유입되는 것을 방지할 수 있습니다.
또한, 모터를 구동하는 기기에도 사용되고 있습니다. 최근에는 인버터 제어의 모터가 널리 사용되고 있지만, 회전 속도 제어에서 노이즈 발생을 피할 수 없습니다. 이 노이즈가 기기에 유입되어 오작동을 일으킬 수 있기 때문에 포토 커플러를 통해 신호를 전달함으로써 모터의 노이즈를 차단합니다.
또한, 서로 독립된 전원으로 동작하는 기기 간의 신호 전달에도 활용됩니다. 특히 플로팅 상태의 기기와 연결할 경우 감전 위험이 있지만, 포토커플러를 통해 연결하면 플로팅 상태의 기기로부터 절연되어 안전성을 확보할 수 있습니다.
포토커플러의 원리
포토 커플러는 앞서 설명한 바와 같이 발광 다이오드 등의 발광 소자와 포토 트랜지스터 등의 수광 소자를 조합한 유닛으로, 외부로부터의 빛을 차단하는 패키지에 이들 소자를 봉쇄한 구조로 되어 있습니다. 발광 소자와 수광 소자는 근접하게 설치되어 발광 소자를 점등하면 수광 소자는 OFF 상태에서 ON 상태로 변화하는데, 이것이 포토커플러에 의한 신호 전달의 원리입니다.
신호를 출력하는 기기는 포토커플러의 입력 단자에 연결하여 발광소자를 점등/소등합니다. 신호를 수신하는 기기는 포토커플러의 출력 단자에 수 Ω의 풀업 저항을 통해 전원과 연결합니다. 이 구성으로 포토커플러의 출력단자는 발광소자가 소등 시에는 전원전압과 같고, 발광소자가 점등되어 있는 동안에는 0.1V~0.3 정도가 됩니다.
즉, 신호를 출력하는 기기에 의한 발광소자의 점등/소등에 따른 펄스가 나타나기 때문에 수신측 기기는 이 펄스를 받아 신호처리를 진행하게 됩니다. 이처럼 포토커플러는 입력측과 출력측의 회로 사이를 빛을 통해 결합하지만, 양측 사이에는 전기적 연결이 없어 절연된 상태입니다.
포토커플러의 종류
포토커플러도 용도에 따라 다양한 소자가 있습니다. 대표적인 소자는 다음과 같습니다.
1. 트랜지스터 출력 포토커플러
포토커플러의 기본적인 구성입니다. 현재도 저렴한 가격, 높은 범용성 등으로 시장에서 가장 많이 사용되고 있습니다. 고변환 효율, 고내압, 저입력 구동 등 다양한 특징을 가진 제품이 있습니다. 기능적으로도 다양하며, 주요 용도로는 신호 절연, 피드백 감지, 절연 스위치 등이 있습니다.
2. IC 출력 포토 커플러
고속성이나 특정 기능을 구현하기 위해 수광 소자를 집적회로로 만든 것입니다. 트랜지스터 출력 타입이 기껏해야 수kHz~수십kHz의 신호 전송이 가능한 반면, 1~50MHz 정도의 고속 신호 전송이 가능하며, IC 출력 포토커플러는 크게 세 가지로 분류할 수 있습니다.
- 로직 신호의 고속 전송을 목적으로 하는 제품군
- 외부 파워 소자의 드라이버 기능을 가진 제품군
- 전류/전압의 피드백 기능을 가진 제품군
3. 트라이액 출력 포토 커플러
가정, 사무실, 공장 등에서 사용되는 100V 또는 200V 상용전원에 직접 연결되는 모터, 솔레노이드 등의 AC 부하를 직접 제어하는 절연 스위치로 사용됩니다. 소자 내압이 큰 트라이액(Triac)을 이용하여 전기적으로 절연하면서 수십mA 정도의 미세한 전류로 AC 부하를 ON/OFF 제어할 수 있습니다.
소자 단독으로는 100mA 정도의 AC 전류만 제어할 수 있지만, 외부 트라이액 드라이버로 사용하면 수A 정도까지 AC 전류를 제어할 수 있습니다.
4. MOSFET 출력 포토 커플러
출력단에 소스 커먼으로 연결된 2개의 MOSFET을 탑재하여 기계식 릴레이와 동등한 기능을 가진 소자로, MOSFET이 전압-전류 특성에서 선형적인 출력 특성을 가지고 있기 때문에 단순한 스위치로서의 기능뿐만 아니라 아날로그 신호의 스위칭 스위치로 동작할 수 있는 것이 특징입니다.
포토커플러의 기타 정보
포토커플러의 출력 변동과 수명
포토커플러의 특성 파라미터로 전류 전달률(CRT)이 있습니다. 전류 전달률은 트랜지스터의 직류 전류 증폭율(hFE)에 해당하는 것으로, 입력 순방향 전류(IF)에 대한 출력 전류(IC)의 비율인데, 다음과 같은 특징이 있습니다.
- IF에 따라 값이 변한다.
- 주변 온도의 영향을 받는다.
- 시간이 지남에 따라 점차 작아진다.
회로 설계 시 이러한 점을 고려해야 합니다. 즉, 환경 변화나 시간 경과에 따라 전류 전달률이 변동하면 출력 전류가 변화하여 회로가 오작동할 수 있습니다. 따라서 신호 레벨의 변동이 영향을 미치지 않도록 IF의 값이나 풀업 저항의 저항값 등을 잘 살펴보는 것이 중요합니다.
또한, 장기간 사용하면 전류 전달률이 점차 낮아져 충분한 신호 출력을 얻을 수 없게 됩니다. 이때가 포토커플러의 수명이 되는데, 전류 전달률이 저하되는 주된 원인은 LED의 열화가 진행되어 발광 효율이 저하되는 것이 주요 원인입니다.
포토커플러의 수명은 소자 제조사의 자료에 명시되어 있으므로 이를 참고하여 기종과 사용조건을 결정해야 합니다.