휴대폰 충전기나 스위칭 전원 공급 장치를 분해해보면 SMD 및 스루홀 변형 모두에서 대부분 4개 또는 6개의 핀이 있는 작은 검은색 IC 패키지를 찾을 수 있습니다. 더 특이한 점은 이러한 부품이 일반적으로 절연 슬롯과 틈 위에서 발견되어 목적이 더 모호하다는 것입니다.
이러한 구성 요소는 광 커플러 또는 광절연기 또는 간단히 옵토라고 하며 회로의 격리된 섹션 간에 신호를 전달하는 중요한 기능을 수행하고 빛을 사용하여 회로 사이에 신호를 전달합니다.
1. 광커플러란?
광커플러(광절연체라고도 함)는 두 개의 절연 회로 간에 전기 신호를 전송할 수 있는 반도체 장치입니다. 광 커플러에는 적외선을 방출하는 LED와 LED에서 나오는 빛을 감지하는 감광 장치의 두 부품이 사용됩니다. 두 부품 모두 연결을 위한 핀이 있는 검은색 상자 안에 들어 있습니다. 입력 회로는 신호가 AC 또는 DC인지 여부에 관계없이 들어오는 신호를 받아 신호를 사용하여 LED를 켭니다.
광센서는 빛을 감지하는 출력 회로이며 출력 회로의 유형에 따라 출력은 AC 또는 DC가 됩니다. 전류는 먼저 광 커플러에 적용되어 LED가 장치를 통과하는 전류에 비례하여 적외선을 방출하도록 합니다. 빛이 광센서에 닿으면 전류가 전도되고 전원이 켜집니다. LED를 통해 흐르는 전류가 차단되면 IR 빔이 차단되어 광센서가 전도를 멈춥니다.
광 커플러의 내부 구조는 다음과 같습니다.
왼쪽에는 핀 1과 핀 2가 노출되어 있으며 LED(발광 다이오드)이며 LED는 오른쪽의 감광성 트랜지스터로 적외선을 방출합니다. 광 트랜지스터는 일반적인 BJT 트랜지스터와 마찬가지로 컬렉터와 이미터로 출력 회로를 전환합니다. LED의 강도는 광 트랜지스터를 직접 제어합니다. LED는 다른 회로로 제어할 수 있고 포토 트랜지스터는 다른 회로를 제어할 수 있기 때문에 두 개의 독립적인 회로를 광 커플러로 제어할 수 있습니다.
또한 광 트랜지스터와 적외선 LED 사이의 공간은 투명하고 비전도성 물질입니다. 두 개의 서로 다른 회로를 전기적으로 절연하고 있습니다. LED와 포토 트랜지스터 사이의 빈 공간은 유리, 공기 또는 투명 플라스틱을 사용하여 만들 수 있으며 전기 절연은 일반적으로 10kV 이상으로 훨씬 높습니다.
이상적인 트랜지스터는 베이스 핀이 트리거되지 않으면 전류가 통과하는 것을 허용하지 않습니다. 그러나 일반 개별 트랜지스터의 캡을 조심스럽게 디캡하고 컬렉터와 이미터 리드에 전압을 적용하면 여전히 작은 전류가 흐르고 있습니다. 이것은 노출된 트랜지스터 다이의 바닥에 떨어지는 빛 때문입니다.
이것은 빛의 광자가 실제로 도핑된 반도체 물질의 정공과 전자를 두드릴 수 있음을 의미합니다. 그 중 첫 번째는 기본적으로 베이스 리드가 없는 2단자 트랜지스터인 광 트랜지스터이며 다이오드와 매우 유사하게 보이며 투명 패키지로 제공됩니다. 여기서 빛은 기본 전류 역할을 합니다. 포토다이오드는 매우 유사한 방식으로 작동합하며 떨어지는 빛의 양에 따라 '저항'을 변경합니다.
포토다이오드와 트랜지스터는 근접 센서와 같은 것에 사용되며, 이러한 장치에 떨어지는 빛의 양에 따라 이러한 장치에서 전압 또는 전류의 작은 변화를 감지합니다.
LED와 광 트랜지스터를 닫힌 튜브에 넣을 수 있다면 LED에서 나오는 빛(물론 제대로 구동된다고 가정)이 광 트랜지스터의 '바닥'을 켜서 전도성을 만듭니다. 이를 통해 물리적 접촉 없이 스위칭 소자를 제어할 수 있는 장치를 갖게 되었습니다. 이러한 장치가 광커플러입니다.
2. 광커플러의 구성
광커플러에는 4가지 구성이 있으며, 차이점은 사용되는 감광성 장치입니다. 포토 트랜지스터 및 포토 달링턴은 일반적으로 DC 회로에 사용되며 Photo-SCR 및 Photo-TRIAC은 AC 회로를 제어하는 데 사용됩니다. 광 트랜지스터 광 커플러에서 트랜지스터는 PNP 또는 NPN 일 수 있습니다. 달링턴 트랜지스터는 두 개의 트랜지스터 쌍으로, 한 트랜지스터가 다른 트랜지스터의 베이스를 제어합니다. Darlington 트랜지스터는 높은 이득 능력을 제공합니다.
광커플러와 광절연자라는 용어는 종종 같은 의미로 사용되지만 둘 사이에는 약간의 차이가 있습니다. 구별 요인은 입력과 출력 사이에 예상되는 전압 차이입니다. 광 커플러는 최대 5,000V의 전위에서 전기 절연을 유지하면서 회로 간에 아날로그 또는 디지털 정보를 전송하는 데 사용됩니다. 광절연기는 전위차가 5,000볼트 이상인 회로 간에 아날로그 또는 디지털 정보를 전송하는 데 사용됩니다.
* 광커플러는 주요 특징
- 신호에서 전기 노이즈 제거할 수 있습니다.
- 고전압 회로에서 저전압 장치를 분리하십시오. 이 장치는 전압 서지(예: 무선 주파수 전송, 낙뢰 및 전원 공급 장치의 스파이크로 인한)로 인한 중단을 방지할 수 있습니다.
- 작은 디지털 신호를 사용하여 더 큰 AC 전압을 제어할 수 있습니다.
3. 광커플러의 입출력
광커플러는 다양한 모양, 크기 및 속도(나중에 설명)로 제공되지만 대부분은 다이오드 입력과 스위칭 소자 출력과 같은 동일한 기본 기능을 가지고 있습니다.
다이오드는 빛을 볼 수 없다는 사실을 제외하고는 다른 LED와 매우 유사합니다(첫 번째는 밀봉된 플라스틱 패키지에 있고 두 번째는 대부분 적외선이기 때문입니다). 일반 LED가 요구하는 것과 동일한 전류와 전압, 즉 몇 볼트와 수십 밀리암페어로 구동해야 합니다.
아래에 사용된 광커플러는 MCT2E 포토트랜지스터 IC입니다. LED에 주어진 로직 입력은 트랜지스터의 출력을 제어하고 이 IC에서 출력 측은 트랜지스터로 구성되지만 모든 경우에 트랜지스터가 있어야 합니다.
포토 트랜지스터의 출력 측은 일반적으로 위와 같이 NPN 유형의 트랜지스터로 구성되기 때문에 때로는 SCR 또는 TRIAC일 수도 있고 때로는 전체 로직 호환 출력일 수도 있습니다.
그리고 베이스가 기본적으로 빛에 의해 구동되기 때문에 '베이스 전류'가 매우 낮습니다. 이러한 유형의 트랜지스터에서는 완전한 포화를 기대할 수 없으며 기본 전류가 너무 작기 때문에 상승 및 하강 시간이 느립니다. 물론 로직 출력(및 정합 속도) 옵토를 사용할 수 있지만 출력 측에 별도의 전원 공급 장치가 필요합니다.
광 출력의 좋은 점은 입력 측에서 완전히 전기적으로 절연되어 있기 때문에 모든 전압에서 부동할 수 있다는 것입니다. 다른 말로 하면 부동 '스위치'처럼 작동합니다.
예를 들어, 트랜지스터 출력을 낮은 쪽에 배치하고 컬렉터에 풀업을 추가할 수 있으므로 다이오드가 켜지면 트랜지스터가 전도되어 컬렉터를 낮게 끌어당깁니다. 또한 이미터와 출력 접지 사이에 저항을 두고 트랜지스터를 높은 쪽에 배치할 수 있으므로 입력이 하이가 되면 이미터의 출력도 하이가 됩니다.
그러나 가장 일반적인 옵토는 제한된 기본 드라이브로 인해 포화 전압이 높으며 때로는 1V 정도입니다.
속도가 느리기 때문에 일반 optos는 전원 공급 장치 피드백 루프의 일부로 사용되며 완전한 절연이 됩니다.
optos는 변압기가 할 수 있는 일, 즉 전원 공급을 할 수 없습니다. 변압기는 절연 회로에 전력을 공급할 수 있지만 현재 기술로는 빛을 통해 전력을 효율적으로 전달할 수 없습니다.
그러나 옵토는 변압기가 할 수 없는 일, 즉 별도의 드라이버가 필요 없이 회로 간에 신호를 매우 효율적이고 빠르게 전달합니다. 옵토의 입력을 마이크로 컨트롤러 핀에 직접 연결할 수 있지만 신호 변압기에 대해서는 동일한 작업을 수행할 수 없습니다!
4. 광커플러의 응용
DC 회로에 사용되는 광 커플러는 거의 없으며 AC 관련 작동에 사용되는 광 커플러는 거의 없습니다. 광커플러는 양측 사이에 직접적인 전기 연결을 허용하지 않기 때문에 광커플러의 주요 응용 분야는 두 회로를 절연하는 것입니다.
다른 응용 프로그램을 전환하는 것에서 트랜지스터를 사용하여 응용 프로그램을 전환할 수 있는 곳과 마찬가지로 광 커플러를 사용할 수 있습니다. 고전압 회로에서 디지털 펄스 또는 아날로그 정보가 필요한 다양한 마이크로 컨트롤러 관련 작업에 사용할 수 있으며, 광 커플러는 이 둘 사이의 우수한 절연을 위해 사용할 수 있습니다.
광 커플러는 AC 감지, DC 제어 관련 작업에 사용할 수 있습니다. 광 트랜지스터의 몇 가지 응용 분야를 살펴 보겠습니다.
1) 스위칭 DC 회로용 광커플러
상부 회로에는 광 트랜지스터 기반 광 커플러 회로가 사용됩니다. 일반적인 트랜지스터 스위치처럼 작동합니다. 회로도에는 저가형 광 트랜지스터 기반 광 커플러 PC817이 사용됩니다. 적외선 LED는 S1 스위치에 의해 제어됩니다. 스위치가 켜지면 9V 배터리 소스는 전류 제한 저항 10k를 통해 LED에 전류를 공급합니다. 강도는 R1 저항에 의해 제어됩니다. 값을 변경하고 저항을 낮추면 LED의 강도가 높아져 트랜지스터 이득이 높아집니다.
다른 쪽에서 트랜지스터는 내부 적외선 LED에 의해 제어되는 포토 트랜지스터이며, LED가 적외선을 방출하면 포토 트랜지스터가 접촉하고 VOUT은 0이되어 그 위에 연결된 부하를 끕니다. 데이터시트에 따라 트랜지스터의 컬렉터 전류는 50mA임을 기억해야 합니다. R2는 VOUT 5v를 제공합니다. R2는 풀업 저항기입니다.
2) AC 전압 감지를 위한 광커플러
여기에 AC 전압을 감지하는 다른 회로가 표시됩니다. 적외선 LED는 2개의 100k 저항을 사용하여 제어됩니다. 하나의 200k 저항기 대신 사용되는 두 개의 100k 저항기는 단락 관련 조건에 대한 추가 안전을 위한 것입니다. LED는 벽면 콘센트 라인(L) 및 중성선(N)을 통해 연결됩니다. S1을 누르면 LED가 적외선을 방출하기 시작합니다. 광 트랜지스터는 응답을 하고 VOUT을 5V에서 0V로 변환합니다.
이 구성에서 광 커플러는 AC 전압 감지가 필요한 마이크로 컨트롤러 장치와 같은 저전압 회로를 통해 연결할 수 있습니다. 출력은 정사각형 High에서 Low 펄스를 생성합니다.
현재 첫 번째 회로는 DC 회로를 제어하거나 스위칭하는 데 사용되며 두 번째 회로는 AC 회로를 감지하고 DC 회로를 제어하거나 전환하는 것입니다. 다음으로 DC 회로를 사용하여 AC 회로를 제어하는 방법을 살펴보겠습니다.
3) DC 전압을 사용하여 AC 회로를 제어하기 위한 광커플러
상부 회로에서 LED는 9k 저항과 스위치 상태를 통해 10V 배터리로 다시 제어됩니다. 다른 쪽에는 220V AC 콘센트에서 AC 램프를 제어하는 포토 트라이악 기반 광 커플러가 사용됩니다. 68R 저항은 광 커플러 장치 내부의 포토 트라이악에 의해 제어되는 BT136 TRIAC을 제어하는 데 사용됩니다.
이러한 유형의 구성은 저전압 회로를 사용하여 전기 제품을 제어하는 데 사용됩니다. IL420은 광 TRIAC 기반 광 커플러인 상부 회로도에 사용됩니다.
이러한 유형의 회로 외에도 광 커플러를 SMPS에 사용하여 2차측 단락 또는 과전류 상태 정보를 1차측으로 보낼 수 있습니다.
'데이터계측분석 > 전기전자 기술자료' 카테고리의 다른 글
| TTL과 CMOS IC의 차이점 (0) | 2024.09.08 |
|---|---|
| 전자부품의 기호 (0) | 2024.09.08 |
| AC커플링과 DC커플링의 이해 (0) | 2024.09.07 |
| ESD보호장치의 이해 (0) | 2024.09.07 |
| 전자장치의 고역통과필터의 종류와 회로 (1) | 2024.09.07 |