포토 커플러란? 동작 원리 및 사용 방법, 선정 방법

절연 상태에서 신호를 전달할 때에 이용되는 포토 커플러는 예전부터 다양한 분야에서 이용되어온 중요한 소자이지만, 세밀한 동작 원리 및 사용 방법, 선정 방법 등에 대해 충분히 이해하지 못한채 사용하는 경우도 있을 것입니다.

본 테마에서는 포토 커플러의 개요에서 동작 원리, 종류, 특성, 용도, 선정 방법까지 기본적인 내용에 대해 설명하겠습니다. 본 기사를 통해 포토 커플러에 대한 이해도를 높이면, 포토 커플러를 완벽하게 사용할 수 있을 것입니다.

포토 커플러란?

포토 커플러란 광 신호를 사용하여 입력에서 출력으로 신호를 전달할 수 있는 소자로, 구조 상 2개의 절연된 회로 사이에서 전기 신호의 전송을 가능하게 하는 반도체 디바이스입니다.

옵토 커플러나 포토 아이솔레이터, 또는 옵티컬 (광 결합) 절연 등의 명칭도 사용됩니다. 영어로는 「optocoupler」라는 명칭이 일반적으로 사용되고 있습니다.

포토 커플러는 광 신호를 사용하여 신호를 전달하기 때문에, 회로가 절연 상태인 경우에도 신호를 전달할 수 있다는 점이 특징입니다. 포토 커플러는 발광 다이오드 (LED, IR-LED)와 같은 발광 소자와 포토 트랜지스터, 포토 다이오드와 같은 수광 소자로 구성되어 있으며, 외부로부터의 빛이 유입되지 않도록 패키징되어 있습니다.

기타 광 반도체 디바이스

포토 커플러는 광 반도체 디바이스의 일종입니다. 광 반도체 디바이스는 크게 분류하여 발광 디바이스, 수광 디바이스, 광 복합 디바이스, 광 통신용 디바이스의 4종류가 있습니다. 발광 디바이스는 LED와 같이 빛을 출력하는 디바이스, 수광 디바이스는 포토 다이오드 및 포토 트랜지스터와 같이 빛을 받아들이는 디바이스입니다. 광 복합 디바이스는 발광 디바이스와 수광 디바이스를 조합하여 신호를 전달하는 디바이스로, 포토 커플러가 이러한 광 복합 디바이스에 해당됩니다.

• ・발광 디바이스 : 빛을 출력하는 디바이스 (LED, IR-LED, 레이저 다이오드 등)
• ・수광 디바이스 : 빛을 받아들이는 디바이스 (포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 사이리스터, 포토 트라이액, 촬상 소자 등)
• ・광 복합 디바이스 : 발광 및 수광 디바이스를 사용하여 신호를 전달하는 디바이스 (포토 커플러, 포토 릴레이, 포토 인터럽터 등)
• ・광 통신용 디바이스 : 광 신호를 사용하여 데이터를 전송하는 디바이스 (광 파이버용 레이저 다이오드 칩 등)

포토 커플러의 동작 원리

포토 커플러는, 하기의 흐름에 따라 신호를 전달합니다.

• 1. 입력된 전기신호를 발광 소자를 통해 광 신호로 변환
• 2. 발광 소자와 수광 소자를 통해 광 신호 전달
• 3. 수광 소자를 통해 광 신호를 전기 신호로 피드백하여 출력

포토 커플러는 입력측과 출력측이 모두 전기적으로 분리되어 있어, 절연 상태에서 신호를 전달할 수 있습니다. 포토 커플러에서 사용되는 발광 소자는 LED나 IR-LED이지만, 수광 소자는 포토 트랜지스터, 포토 다이오드, 포토 트라이액 등으로 다양합니다. 모두 포토 커플러로 일괄하여 취급하는 경우도 있지만, 각각의 특성을 충분히 이해해 두는 것이 좋습니다.

또한, 포토 커플러와 동일한 원리의 광 복합 디바이스로 포토 인터럽터가 있습니다. 포토 인터럽터는 발광 소자와 수광 소자 사이를 통과하는 차광 물체를 검출하는 센서로서 사용되어, 자동판매기나 ATM 등에서 동전 및 지폐를 검출하는 용도로 사용됩니다.

・포토 커플러의 신호 전달 이미지

・포토 커플러의 회로도

포토 커플러의 종류

포토 커플러는, 수광 소자의 차이에 따라 하기와 같은 4종류로 분류됩니다. 각 포토 커플러의 특징에 대해 설명하겠습니다.

트랜지스터 출력

수광 소자에 포토 트랜지스터를 사용한 가장 일반적인 포토 커플러입니다. 최초로 개발된 포토 커플러로서 역사가 길고, 저렴한 가격과 높은 범용성이 특징입니다. 기존에는 변환 효율이 나쁘고, 내압 성능이 낮다는 과제가 있었지만, 높은 변화율과 고내압을 실현한 제품도 개발되었습니다.

IC 출력

수광 소자를 집적화한 포토 커플러입니다. 수광 소자를 집적화함으로써 일반적인 포토 커플러보다 지연이 적다는 특징이 있습니다. 또한, 통상적으로는 수kHz~십수kHz의 신호 전송만 가능한 반면, 수십MHz의 고주파 신호에도 대응한다는 점이 특징입니다.

트라이액 출력

출력에 트라이액 (사이리스터)을 이용한 포토 커플러로, 트라이액 커플러라고도 합니다. 내압 성능이 높은 트라이액을 이용하여, 가정용 및 오피스, 공장 등에서 이용되는 상용 전원에 접속하는 스위치 소자로서 사용됩니다. 트라이액 커플러 자체로는 100mA 정도의 전류가 한계이지만, 포토 커플러의 외부에 트라이액을 추가함으로써 수A 정도의 전류를 제어할 수 있습니다.

MOSFET 출력 (포토 릴레이 출력)

출력에 MOSFET를 사용한 포토 커플러로, 포토 릴레이라고 합니다. 포토 릴레이는 AC-DC 모든 부하에 대응하여, 메커니컬 릴레이에 비해 수명이 길고 고속 · Low Noise · 정음 (저소음)과 같은 특징이 있습니다. 단순한 스위치 기능뿐만 아니라, 아날로그 신호의 전환에도 이용 가능합니다.

포토 커플러의 특성 및 메리트

포토 커플러의 특성 및 포토 커플러 사용의 메리트에 대해 설명하겠습니다.

절연 상태에서 신호 전달이 가능하다.

포토 커플러는 빛을 사용하여 신호를 전달하기 때문에, 회로를 절연 상태로 할 수 있습니다. 따라서, GND나 전원전압이 다른 회로에서도 간단히 신호 전달이 가능합니다. 또한, 회로를 절연 상태로 함으로써 인접한 회로간에 예기치못한 전류의 유입으로 인한 고장 방지, 감전 방지 등 안전 대책에 있어서도 메리트가 있습니다.

노이즈의 영향을 잘 받지 않는다.

포토 커플러는 GND를 포함하여 전기 신호를 절연할 수 있어, 노이즈의 영향을 저감할 수 있습니다. 노이즈의 영향을 잘 받지 않게 됨에 따라 안정적인 동작이 가능해지고, 오동작이나 고장 방지로 이어집니다. 예를 들어 공장 등에서 이용되는 모터는 인버터로 회전 속도를 제어하면서 구동하지만, 고출력이기 때문에 큰 노이즈가 발생합니다. 이러한 노이즈가 모터 자체나 주변 기기에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 모터의 구동 시스템에 포토 커플러가 이용되는 케이스도 많습니다.

가격이 저렴하고, 종류도 다양하다.

포토 커플러는 구조가 심플하고 가격이 저렴하다는 메리트도 있습니다. 오래전부터 사용되어 왔기 때문에 각 메이커의 제품 라인업도 풍부하여, 회로나 기기에 따라 적합한 제품을 선정할 수 있습니다.

수명이 길다.

포토 커플러는 물리적인 접점이나 기계적인 구동이 없기 때문에, 부품의 마모로 인한 파손이 발생되지 않아 수명이 길다는 점도 특징입니다. 물리적인 접점이나 기계적인 구동을 하는 부품에 비해, 수명이 길고 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다. 단, LED의 에이징 등 경년열화에는 주의가 필요합니다. LED의 경년열화로 인해 발광 효율이 떨어지면, 그만큼 출력도 약해지게 됩니다.

포토 커플러의 용도와 제품 예

지금까지 설명한 포토 커플러가 실제로 어떤 용도나 제품에서 이용되는지를 소개하겠습니다.

포토 커플러의 용도

포토 커플러는 주로 스위칭 소자로서 사용되고, 하기와 같은 경우에 사용됩니다.

• ・회로 사이를 절연한 상태에서 신호를 전달하는 경우
• ・기준전위 (GND)가 다른 회로 사이에서 신호를 전달하는 경우
• ・다른 전압에서 신호를 전달하는 경우

예를 들어 DC-DC 컨버터의 제어 회로에서 입력과 출력을 절연하여 출력전압의 오차를 증폭시키기 위해 포토 커플러와 션트 레귤레이터를 사용한 방식이 자주 채용되고 있습니다.

포토 커플러와 저항

포토 커플러를 사용할 때, 입력측에 저항이 이용되는 경우가 있습니다. 저항을 이용하는 의미는 2패턴이 있으며, 입력에 대해 저항을 어떻게 접속 (직렬 또는 병렬) 하는지에 따라 달라집니다. 직렬로 접속하는 경우는 전류 제한 저항이라고도 하며, 정격 이상으로 입력전류가 흐르는 것을 억제하기 위해 사용됩니다. 반면에 병렬로 접속하는 경우는 다른 소자로부터 유입되는 미약한 전류로 인해 포토 커플러가 동작하지 않도록 하기 위해 사용됩니다.

포토 커플러가 이용되는 제품 예

포토 커플러가 이용되는 제품에는 의료용 전자기기나 PLC, 음향기기, 정보 통신 기기 등이 있습니다.

・의료용 전자기기

의료용 전자기기 중, 환자의 신체에 접촉되는 기기에는 접촉 부위가 감전되지 않도록 절연하기 위해서 포토 커플러가 사용됩니다. 포토 커플러에는 국제규격을 비롯하여 각 국가에서 안전규격이 규정되어 있으며, 이러한 안전규격을 만족하는 포토 커플러가 사용되고 있습니다.

・PLC

제조업에서 이용되는 PLC 시퀀서의 입력 배선에는 포토 커플러가 사용되고 있습니다. PLC는 공장 내에서 다양한 기계의 동작을 제어하는 장치입니다. 따라서, PLC는 공장 내의 다양한 부하와 접속하여 사용하게 됩니다. 부하가 동작할 때에는 많은 노이즈가 발생하는데, 이러한 노이즈가 PLC에 도달하게 되면 불량이나 고장의 원인이 되어, 최악의 경우 공장 내의 기계를 제어할 수 없게 됩니다. 이러한 문제를 방지하기 위해, PLC의 입력 배선에 포토 커플러를 사용하여 노이즈를 차단하는 방법이 사용됩니다.

・음향기기

노이즈의 영향을 받기 쉬운 앰프 등의 음향기기나 정보 통신기기에도 포토 커플러가 사용되고 있습니다. 포토 커플러를 사용하면 절연 상태에서 신호를 전송할 수 있어, 노이즈의 영향을 경감할 수 있기 때문입니다. 음향기기나 통신기기는 특히 노이즈의 영향을 받기 쉽기 때문에 포토 커플러를 사용하여 노이즈 대책을 실시하는 경우가 많습니다.

포토 커플러의 선정 방법

포토 커플러 선정 시 확인해야 하는 주요 포인트에 대해 설명하겠습니다.

Normally Open (NO)과 Normally Closed (NC)의 차이점

포토 커플러의 경우 전압을 인가하지 않는 상태에는 스위치 OFF, 인가하면 ON이 되는 Normally ON (Normally Open)과 전압을 인가하지 않는 상태에는 스위치 ON, 인가하면 OFF가 되는 Normally OFF (Normally Close)가 있습니다. Normally ON과 Normally OFF는 동작이 반대가 되므로 주의가 필요합니다. 회로에 따라 Normally ON과 Normally OFF 중 어느 쪽이 필요한지 확인하여 구입해야 합니다.

CTR (Current Transfer Ratio) 랭크

포토 커플러의 중요한 파라미터에는 전류 전달률 (CTR)이 있습니다. CTR이란 LED의 입력전류에 대한 콜렉터의 출력전류 비율입니다. CTR은 포토 트랜지스터 구조에 따라 크게 달라지며, 동일한 포토 트랜지스터라고 하더라도 소자에 따라 차이가 있습니다. 또한, 연속 가동 시간이나 주위온도, 경년열화 등에 따라서도 CTR의 값은 변동합니다. 이와 같이 CTR에는 편차가 있으며, 포토 커플러에는 CTR의 편차에 따라 랭크가 존재합니다. 포토 커플러 선정 시에는 데이터시트의 CTR 랭크를 확인한 후에 적절한 제품을 선정해야 합니다. 또한, CTR이 부족한 경우에는 증폭 회로를 추가하거나, 달링턴 접속 포토 커플러를 사용하는 등의 방법을 사용하여 설계하는 것이 좋습니다.

필요한 출력전류와 정격의 확인

CTR 랭크 및 최대 ON 전류의 범위 내에서도 실제로 입력 / 출력 가능한 전류에는 정격이 있습니다. 포토 커플러 사용 시에는 먼저 필요한 출력전류를 확인하고, 그에 적합한 제품을 선정해야 합니다. 필요한 출력전류에 대응하는 전압을 인가할 필요가 있다는 점에도 유의하여, 데이터시트를 바탕으로 정격에 여유가 있는 제품을 선정하는 것이 중요합니다.

포토 커플러가 필요없는 제품도 검토

포토 커플러는 저렴한 비용으로 범용성이 높은 제품이지만, LED나 IR-LED의 경년열화, 비교적 큰 소비전력, 그리고 신호 응답 속도가 그다지 빠르지 않다는 점에 주의해야 합니다. 소비전력이나 응답 속도를 개선한 소자가 개발되었을 뿐만 아니라, 반드시 모든 회로에 고속 응답이 요구되는 것은 아니기 때문에 소비전력과 응답 속도가 단점이라고 할 수 없지만, 경년열화의 경우에는 큰 단점이라고 할 수 있습니다. 특히 산업기기와 같이 내용연수가 긴 기기의 경우, 포토 커플러가 수명이 먼저 끝나게 되어 사용하고 있는 전원 모듈이나 유닛을 교환해야 하는 경우도 있을 것입니다.

이러한 부담을 줄이기 위해 용도에 따라 포토 커플러가 필요없는 제품을 검토하는 것도 하나의 방법입니다. 포토 커플러가 필요하지 않아 전원의 수명이 연장되면, 기기의 유지에 소요되는 비용을 줄일 수 있고, 부품수가 줄어 설계도 간단해집니다.

▼소비전력의 크기나 온도에 따른 검출 정밀도의 변화, 경년열화 등을 개선한 절연형 DC-DC 컨버터에 대해서는 하기 링크를 참조하여 주십시오.
https://www.rohm.co.kr/news-detail?news-title=2022-11-17_news_dcdc&defaultGroupId=false

▼포토 커플러 없이 제로 크로스 검출이 가능한 IC에 대해서는 하기 링크를 참조하여 주십시오.
https://www.rohm.co.kr/news-detail?news-title=2020-07-14_news_ac-zero-cross&defaultGroupId=false

포토 커플러에 대한 이해도 향상의 중요성

포토 커플러란, 광 신호를 통해 절연 상태에서도 신호를 전달할 수 있는 소자입니다. 포토 커플러는 절연 상태에서 신호 전달이 가능하므로 전압이 다른 회로 사이에서의 신호 전달이 용이하여, 기기의 고장이나 감전 리스크를 저감할 수 있습니다. 또한, 노이즈에 강하고, 가격이 저렴할 뿐만 아니라 다양한 제품이 존재한다는 점도 포토 커플러의 큰 특징입니다. 포토 커플러에는 수광 소자에 따라 다양한 종류가 있으므로, 각 수광 소자의 차이점을 충분히 이해해 두어야 합니다.

그리고, 최근에는 기존의 포토 커플러가 지닌 과제를 해결할 수 있는 기술이 개발됨에 따라 소형화 · 소비전력의 개선 · 경년열화로 인한 영향의 개선 등이 이루어지고 있습니다. 뿐만 아니라, 포토 커플러 자체가 필요없는 제품도 개발되고 있습니다. 포토 커플러를 사용하지 않으면, 그만큼 경년열화로 인한 유지 보수 및 회로 설계의 번거로움도 줄일 수 있습니다. 앞으로는, 회로의 용도에 따라 포토 커플러의 필요 여부를 구분하여 사용하는 것이 중요해질 것입니다.