포토 커플러

3. 작동 원리

광 아이솔레이터는 전기적 입력 신호를 빛으로 변환하는 발광 다이오드(LED)와 같은 빛의 소스(이미터)를 포함하며, 닫힌 광학 채널(유전 채널)과 들어오는 빛을 감지하여 전기 에너지를 생성하거나 전류를 변조하는 광 센서를 포함한다.^[24] 광 센서는 포토 레지스터, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 실리콘 제어 정류기(SCR) 또는 트라이액(TRIAC)일 수 있다. 광 결합 반도체 릴레이는 포토 다이오드 광 아이솔레이터와 MOSFET 전원 스위치를 포함한다. 슬롯형 광학 스위치는 광원과 센서를 포함하지만, 외부 물체에 의해 빛의 변조가 가능하다.

포토 커플러는 발광 소자와 수광 소자가 내장되어 있으며, 외부로부터의 빛을 차단하는 패키지에 봉입된 구조로 되어 있다. 입력된 전기 신호는 발광 소자에 의해 빛으로 변환되고, 그 빛은 수광 소자에 전송되어 신호를 전달한다. 발광 소자에는 주로 발광 다이오드가, 수광 소자에는 포토 트랜지스터가 사용된다. 입력 단자와 출력 단자는 전기적으로 절연되므로, 주로 독립된 전원으로 구동되는 두 회로 간에 절연을 유지하면서 신호 전달에 사용되며, 인체나 출력 측 회로를 고압으로부터 보호한다. 소자의 응답 특성을 이용하여 간단한 필터로 사용하기도 한다.^[62]

입력 회로는 발광 다이오드가 한 방향인 타입과 역병렬로 접속된 타입(교류 입력 대응)이 있다. 출력 회로는 포토 트랜지스터, 포토 다이오드를 직접 접속한 타입이나, 포토 다이오드의 출력으로 MOS-FET나 사이리스터 또는 트라이액을 구동하는 타입, 파형 정형용 IC가 내장되어 있는 것도 있다.

4. 전기적 절연

광 아이솔레이터는 고전압 및 전압 과도 현상을 차단하여 시스템의 한 부분을 보호하는 기능을 수행한다.^[3][12] 이는 절연 변압기와 함께 ''강화된 보호'' 기능을 제공하는 유일한 두 종류의 전자 장치 중 하나로, 장비와 사용자를 모두 보호한다.^[13] 이러한 보호 기능은 이중 절연과 동등한 수준이다.^[13] 옵토커플러는 IEC 60747-5-2, EN (CENELEC) 60747-5-2, UL 1577, CSA 구성 요소 승인 통지 #5 등과 같은 국제 표준에 따라 안전, 테스트 및 승인이 규제된다.^[14]

5. 광 아이솔레이터의 종류

5. 1. 저항형 광 아이솔레이터

5. 2. 포토다이오드 광 아이솔레이터

5. 3. 포토트랜지스터 광 아이솔레이터

5. 4. 양방향 광 아이솔레이터

6. 구성 유형

7. 응용 분야

스위칭 전원의 출력 전압 안정화를 위해 2차측 전압 변화를 1차측 제어 회로에 피드백하여 구동 회로와 제어 회로를 절연하는 데 사용된다. FA 컨트롤러에서는 고출력 모터나 용접기 등에서 발생하는 노이즈의 영향을 받지 않도록 절연하고, 비상 정지 스위치와 제어 회로를 결합하는 데 사용된다.

음향 기기에서는 믹서나 커프 박스의 스위치 전환 시 노이즈를 방지하고, 전기 악기나 전자 악기 및 업무용 음향 기기의 이펙터에서 리미터/컴프레서 레벨 제어, 트레몰로 음량 변화, 페이즈 시프터 저항 제어 소자 등에 사용된다. 진공관을 이용하는 기기에서는 발광 측에 네온관, 전구, EL 발광 소자를 사용하기도 한다.

전자 악기의 MIDI 규격 신호 전송에는 포토 커플러를 이용한 절연이 규정되어 있다. 의료용 전자 기기에서는 뇌파계, 심전계 등에서 감전 방지를 위해 생체 입력 신호를 상용 전원으로부터 절연하는 데 사용된다.

이 외에도 자동판매기의 동전 통과 감지, 메카트로닉스 기기의 축 회전각 감지 등 팩토리 오토메이션 분야에 사용된다.

8. 오동작

포토 커플러는 직류적으로는 완전히 절연되어 있고 비교적 EMI에 강하다고 알려져 있지만, 발광 소자와 수광 소자가 절연되어 있기 때문에 부품 내에 기생 용량이 존재한다. 기생 용량은 코일이나 콘덴서로부터의 잔류 전하 방출, 혹은 고주파에 의한 전자기·정전 유도로 결합^[63]하여 대전, 방전될 수 있다. 방전 시의 전압은 dV/dt로 나타나며, 작은 에너지로도 오동작을 일으키는 스파이크 전압이 될 수 있다. 유도성 부하, 유전성 부하에 의해 역률이 낮은 경우 스너버 회로에서의 개선이 권장된다. 또한 오동작 방지를 위해 내부에 패러데이 실드를 설치한 포토 커플러도 존재한다^[64]. 그 때문에 포토 커플러는 IEC 62368-1^[65], IEC60950-1의 안전 규격에서 규정되어 있다.

9. 포토 인터럽터

포토 인터럽터는 발광 소자와 수광 소자를 내부에 봉지하지 않고 노출시켜 봉지 패키지 외부에서 대향시켜 놓은 소자이다. 소자 간 차광물 감지를 목적으로 하며, 포토 커플러와 구성은 유사하지만 사용 목적은 다르다. 자동판매기 등에서 동전의 통과 감지, 메카트로닉스 기기에서 축의 회전각 감지, 팩토리 오토메이션 분야에서 많이 사용된다. 수광 소자가 외부 광(가시광)에 노출되어 있어, 그 영향에 의한 오동작을 방지하기 위해 감지광으로 적외선이 사용되며, 또한 변조를 걸기도 한다.

10. 한국의 포토커플러 산업

참조

_[1] 문서 Real-world schematic diagrams omit the barrier symbol, and use a single set of directional arrows.
_[2] 문서 Graf, p. 522.
_[3] 문서 Lee et al., p. 2.
_[4] 문서 Hasse, p. 145.
_[5] 문서 Joffe and Kai-Sang Lock, p. 279.
_[6] 문서 Graf, p. 522; PerkinElmer, p. 28.
_[7] 문서 See Ananthi, pp. 56, 62 for a practical example of an opto-coupled EEG application.
_[8] 문서 Based on conceptual drawings published by Basso and by Mims, p. 100. Real-world LEDs and sensors are much smaller; see the photograph in Avago, p. 3 for an example.
_[9] 문서 Hasse, p. 43.
_[10] 문서 Hasse, p. 60.
_[11] 문서 See Basso for a discussion of such interfacing in Switched-mode power supplies.
_[12] 문서 Horowitz and Hill, p. 595.
_[13] 문서 Jaus, p. 48.
_[14] 문서 Jaus, pp. 50–51.
_[15] 문서 A transformer can have as many coils as necessary. Each coil can act as a primary, pumping energy into a common magnetic core, or as a secondary – picking up energy stored in the core.
_[16] 문서 Joffe and Kai-Sang Lock, p. 277.
_[17] 문서 The input side circuitry and the LED must be matched, the output side and the sensor must be matched, but there is, usually, no need to match input and output sides.
_[18] 문서 Joffe and Kai-Sang Lock, pp. 268, 276.
_[19] 문서 Mataré, p. 174
_[20] 문서 Ball, p. 69.
_[21] 웹사이트 ASSR-301C and ASSR-302C (datasheet) http://www.avagotech[...] Avago Technologies 2010-11-03
_[22] 문서 Bottrill et al., p. 175.
_[23] 문서 See Horowitz and Hill, p. 597, for an expanded list of opto-isolator types with their schematic symbols and typical specifications.
_[24] 문서 Mims, p. 100.
_[25] 문서 Current through the photoresistor (output current) is proportional to the voltage applied across it. In theory it can exceed 100% of input current, but in practice dissipation of heat according to Joule's first law limits current transfer ratio at below 100%.
_[26] 문서 Mataré, p. 177, table 5.1.
_[27] 문서 Mataré, p. 177
_[28] 문서 Low-cost solid-state relays have switching times of tens of milliseconds. Modern high-speed solid-state relays like Avago ASSR-300 series (see datasheet) attain switching times of less than 70 nanoseconds. http://www.avagotech[...]
_[29] 문서 According to the United States Patent and Trademark Office, trademark registered in 1969 for "photocell combined with a light source" is now dead (USPTO database record serial number 72318344). Retrieved November 5, 2010. The same trademark, registered in 1993 for "medico-surgical tubing connector sold as a component of suction catheters" is now live and owned by Mallinckrodt Inc. (USPTO database record serial number 74381130). Retrieved November 5, 2010. http://tess2.uspto.g[...]
_[30] 문서 Weber, p. 190; PerkinElmer, p. 28; Collins, p. 181.
_[31] 문서 Vactec was purchased by EG&G (Edgerton, Germeshausen, and Grier, Inc.), a defense contractor, in 1983. In 1999 EG&G purchased formerly independent PerkinElmer, and changed own name PerkinElmer (see reverse takeover). An unrelated company, Silonex (a division of Carlyle Group) brands its photoresistive opto-isolators Audiohm Optocouplers.
_[32] 문서 Schubert, pp. 8–9.
_[33] 문서 'PerkinElmer, pp. 6–7: "at 1 of illumination the response times are typically in the range of 5 ms to 100 ms."'
_[34] 문서 Weber, p. 190; PerkinElmer, pp. 2,7,28; Collins, p. 181.
_[35] 문서 PerkinElmer, p. 3
_[36] 서적 Fliegler and Eiche, p. 28; Teagle and Sprung, p. 225
_[37] 서적 Weber, p. 190
_[38] 서적 Collins, p. 181
_[39] 서적 PerkinElmer, pp. 35–36; Silonex, p. 1 (see also distortion charts on subsequent pages)
_[40] 서적 PerkinElmer, pp. 7, 29, 38; Silonex, p. 8
_[41] 서적 Horowitz and Hill, pp. 596–597
_[42] 웹사이트 Porat and Barna, p. 464 http://www.avagotech[...] Avago Technologies 2010-11-02
_[43] 문서 The former semiconductor division of Agilent Technologies operates as an independent company, [[Avago Technologies]], since 2005
_[44] 뉴스 Agilent Technologies Introduces Industry's Fastest Optocouplers http://www.thefreeli[...] Business Wire 2002-12-02
_[45] 웹사이트 Agilent HCPL-7723 & HCPL-0723 50 MBd 2 ns PWD High Speed CMOS Optocoupler (Datasheet) http://www.datasheet[...] Agilent Technologies 2010-11-02
_[46] 논문 A Novel Approach to Analog Signal Isolation through Digital Opto-coupler (YOUTAB) http://www.ccsenet.o[...] Modern Applied Science Vol 5, No 3 (2011)
_[47] 웹인용 Vishay website, IL300 data http://www.vishay.co[...] 2016-12-27
_[48] 문서 Vishay Semiconductor
_[49] 서적 Ball, p. 61
_[50] 서적 Horowitz and Hill, p. 596
_[51] 서적 Ball, p. 68
_[52] 웹사이트 MIDI Electrical Specification Diagram & Proper Design of Joystick/MIDI Adapter http://www.midi.org/[...] MIDI Manufacturers Association 1985-11-02
_[53] 서적 Ball, p. 67
_[54] 서적 Pease, p. 73
_[55] 문서 Basso
_[56] 서적 Ball, pp. 181–182
_[57] 서적 Horowitz and Hill, p. 598
_[58] 서적 Exception: Ternary and quaternary [[gallium arsenide phosphide|GaAsP]] photodiodes can generate light
_[59] 서적 Even the garden variety signal diodes you use in circuits have a small photovoltaic effect. There are amusing stories of bizarre circuit behavior finally traced to this.
_[60] 서적 Mims vol. 2, p. 102
_[61] 서적 Photodiode opto-isolators have current transfer ratios of up to 0.2%
_[62] 웹사이트 フォトカプラは発光素子の[[ヒステリシス]]性や、トランジスタの寄生容量により[[ローパスフィルタ]]に似た振る舞いをするほか、発光素子を駆動できない微細な[[ノイズ]]を遮断するため、誤動作を防ぐためのノイズフィルタとして用いられる
_[63] 웹사이트 typical-problems-relating-electromechanical-relays-and-optocouplers https://delcon.fi/ty[...]
_[64] 웹사이트 appnot83 https://www.vishay.c[...]
_[65] 웹사이트 C62368-1-2018-01 https://www.kikakuru[...]
_[66] 웹사이트 technical-information https://tohan-denshi[...]