Q&A

free_board_view
제 목 전자전기기초-포토카플러
작성자 관리자 등록일 2016-08-17 조회수 1738
* Photo Coupler란 무엇인가?
 
발광부(發光部)와 수광부(受光部)가 서로 전기적으로 절연되는 장점을 이용한 것으로서, 1955년 미국의 E.E. 로브너가 고안한 것에 바탕을 두고 있다.
 
발광부에는 발광다이오드 텅스텐램프 네온램프 수광부에는 실리콘 아발란세 포토다이오드 pin다이오드 황화카드뮴 카드뮴 셀렌 등이 쓰인다. 현재, 많이 쓰이는 것은 갈륨아세니드 적외발광 다이오드와 실리콘 포토다이오드를 조합한 것이다.
 
발광부와 수광부는 투명수지를 매개하여 광학적으로 결합하는데, 외광을 차단하고 기계적인 강도를 더하기 위해 그 둘레를 검정색 수지로 두껍게 덮었다. 이 때문에, 입력과 출력 간의 내압이 수kv나 크다. 또, 발광부에 갈륨아세니드알루미, 수광부에 pin다이오드의 고속소자를 사용하면 100MHz까지 사용할 수 있고, 직류에서 고주파까지 평탄한 주파수응답을 받을 수 있다.
 
포토커플러는 빛을 이용하기 때문에 잡음에 강하고, 시스템을 구성하는 장치 간의 전류를 절연할 수 있으며, 각 장치마다 접지(接地)가 가능하다. 또, 장치 간의 결합용량이 작기 때문에 출력 쪽의 신호가 입력 쪽으로 되돌아가는 일이 없는 등의 장점이 있다. 이 때문에, 전기회로와 단말기 등을 포토커플러를 매개해서 결합하면, 전원전압의 차이나 기계부에서 발생하는 잡음에 신경을 쓸 필요가 없어 회로설계가 쉬워진다.
 
컴퓨터의 주변기기, 자동판매기, 고체릴레이, 전원제어용 등에 쓰이고 있다. 수광부와 집적회로를 조합한 것과 직접 전력계통을 제어하기 위해서 포토사이리스터와 조합한 것도 있다.
 
네이버 백과사전
 

photo coupler은 입력의 전기신호를 출력측으로 전송하는 역활을 한다. 이러한 점에서 도선으로 바로 이은것과 동일한 것이다.

일반적으로 도선을 통하여 신호를 전송할때에도 입력측과 출력측은 GND를 공유하고 있어야 한다. <-- 당연한 얘기다.

이것은 매우 당연한 얘기로서 GND를 공유하지 않는다면, 신호를 전달할 방법이 없기 때문이다.

TR을 이용하여 신호를 증폭하는 경우에도 "입력측 소신호 파트의 회로"와 "출력측 대전력 파트의 회로"의 GND를 어찌되었건 공유해야만 한다.

 

* Photo Coupler의 원리

포토커플러는 이와 완전히 다르다.

즉, 입력 신호측과 수신 신호측이 물리적으로 완전히 분리되어있다. <-- 얼래? 공유하고 있어야 한다며?

GND가 완전히 분리되어 있다면, 어떻게 신호를 전달할 것인가? 바로 "광"신호를 이용하여 전송한다.

포토 커플러의 원리는 다음과 같다.

편의상 맨위의 그림을 <그림1>, 그 아래의 그림을 <그림2>라 칭한다.

아울러 좌측의 LED를 D1, 우측의 TR을 Q1이라 부른다.

 

<그림1>의 경우를 살펴보자.

<그림1>의 좌측의 D1와 우측의 Q1은 보다시피 LED와 TR이다.

(내부적인 동작원리가 그렇다는 것이지 안에 모가 들었는지는 까보지 않아서 모른다. 설사 까본다고 해도 볼수나 있을까 모르겠다. ^^)

우측의 Q1을 보면 신기한것을 볼수 있는데, 바로 "Base가 없다"는 것을 알수 있다. <- 이점이 매우 중요하다.

 

보통의 TR은 베이스에 적당한 전류를 흘려줌으로서, Vce를 도통시켜 스위칭 기능을 한다.

그런데, Base가 연결되어 있지 않다면 어떻게 신호를 전달한다는 말인가?

 

D1을 점등함으로서 이 "빛"이 Q1에 전달되어 Q1의 BASE에 전류가 흐르고, 이 전류가 스위칭 동작을 하여 OUTPUT 측에 신호가

전달되는 것이다. 이것이 포토 커플러의 핵심이다.

 

<그림2>에서 GND1과 GND2는 물리적으로 완전히 절연되어 있다.

(회로상으로는 GND가 완전히 똑같게 보여서 일부러 글씨를 GND1, GND2라고 적었다.)

좌측을 5V라 하고, 우측을 24V라고 하자. (같아도 되고 틀려도 되고 아무튼 상관없다.)

 

중요한 점은 우측의 24V는 죽었다 깨어나도 좌측으로 넘어올수가 없다.

일반 TR은 과전류가 흐른다거나 순간적으로 높은 전압이 흐를경우, TR이 고장나면서 BASE에 많은 전류가 흐를 우려가 있지만,

포토 커플러는 그러한 우려가 전혀 없다. 왜냐하면 애초에 물리적으로 절연되어있기 때문이다.

 

포토 커플러는 Photo Coupler, Photo Isolator, Opto Coupler, Opto Isolator라고 부른다. 모두 같은 말이다.

 

* Photo Coupler의 중요한 특징

포토 커플러의 중요한 특징은 다음과 같다.

1. 입출력간 신호가 완전히 절연되어 있으며, 전위차가 다른 회로 간의 신호 전달을 위해서 사용한다.

2. 신호 전달이 단방향이므로 출력측 신호가 수신측으로 절대 전송될수가 없다.

3. 응답속도가 매우 매우 빠르다.

  이러한 이유는 빛으로 전달하기 때문임을 알수 있다. 일반적으로 수us이며, 고속의 포토커플러는 수 ns를 가진다.

4. 소형,경량이다.

5. 수명이 반영구적이며, 높은 신뢰성을 갖는다.

6. 빛을 이용하기 때문에 잡음에 매우 강하다. (빛이 잡음 타는거 보셨나요? ^^)

 

 

* 그럼 Photo Coupler를 모에다 쓰는데?

위의 경우와 같이 입력측의 신호는 5V이며, 출력측 신호는 24V가 필요하다. 그렇다면, 5V로 24V를 제어하는 적당한 TR을 찾으면

될것이다. 문제는 출력측 신호에 물려있는 회로가 릴레이, 모터 등 많은 전류와 전압이 필요한 회로의 경우, 문제가 발생할 우려가 있다는 것이다.

 

예를 들어 출력측의 모터 오작동으로 TR에 많은 전압이 걸려 파괴된다면, 출력측의 24V 신호가 그대로 입력측으로 타고 넘어올수가 있다는 말이다.

이러한 경우 입력측 회로를 출력측 회로와 포토커플러를 이용해서 결합하면, 최소한 입력측 회로는 출력측 회로가 고장 나건 말건

말짱하다는 얘기가 되겠다.

 

포토 커플러 이용시 한가지 주의할점은 "포토커플러의 속도가 아무리 빠르다고 해도 TTL 보다 늦어지는 경우, 불안하게 입력되는 경우가 생기므로, 슈미트트리거 혹은 단안정 멀티 바이브레이터를 이용한다"는 것도 알아두자.

[출처] 포토커플러|작성자 라이더


이전글/다음글
이전글 전자전기기초-기판(PCB)
다음글 전자전기기초-LED