PCB 설계자, 엔지니어, 또는 취미 제작자로서 여러분은 PCB를 커스터마이징하기 위해 다양한 스위치, 릴레이, 커플러를 활용할 수 있습니다. 시장에 수많은 PCB 부품과 옵션이 존재하는 만큼, 어떤 부품이 프로젝트에 가장 적합한지 결정하기란 쉽지 않습니다.
예를 들어, 옵토커플러가 어떤 역할을 하며 일반 릴레이와 어떻게 다른지 궁금할 수 있습니다. 이 가이드는 그런 의문을 해소해 드리기 위해 작성되었습니다. 여기서는 옵토커플러의 정의, 다양한 종류, 그리고 여러분의 프로젝트에 어떤 이점을 줄 수 있는지 살펴보겠습니다.
옵토커플러는 여러 이름으로 불립니다. 옵토아이솔레이터, 포토커플러, 옵티컬 커플러, 옵티컬 아이솔레이터, 또는 단순히 옵토커플러라고도 합니다. 어떤 이들은 '옵션'이라고 부르기도 합니다. 하지만 옵토커플러는 집적 전자 부품입니다. 가장 기본적인 유형은 일반적으로 4개의 핀이 있는 직사각형 몸체를 가집니다. 각 핀은 서브 구성 요소입니다. 첫 번째 핀은 애노드(anode), 두 번째는 캐소드(cathode), 세 번째는 컬렉터(collector), 네 번째는 이미터(emitter)입니다.
LTV-816 1채널 옵토아이솔레이터
출처: 위키미디어 커먼즈
또한, 1번 핀 근처의 모서리에 원형 들여쓰기가 있어 각 핀을 식별할 수 있습니다. 본체에는 옵토커플러의 부품 번호가 적혀 있어 종류를 파악하고 제조사의 데이터시트를 찾는 데 활용됩니다.
본질적으로 옵토커플러는 두 개의 개별 전자 회로를 상호 연결하는 솔리드 스테이트 릴레이입니다. 첫 번째 회로는 처음 두 핀(핀 1, 2)에 연결되고, 두 번째 회로는 마지막 두 핀(핀 3, 4)에 연결됩니다. 이로써 첫 번째 회로가 두 번째 회로를 제어할 수 있게 됩니다.
외관상 집적 회로(IC) 또는 마이크로칩과 혼동하기 쉽습니다. 특히 트라이액(TRIAC) 옵토커플러의 경우 더욱 그렇습니다.
흰 배경의 전자 마이크로칩
옵토커플러를 사용하면 두 개의 절연된 회로 사이에 전자 신호를 전달할 수 있습니다. 이는 가장 중요한 특성 중 하나입니다. 한 회로에서 전압 스파이크나 노이즈가 발생할 수 있습니다. 옵토커플러가 회로를 절연하지 않으면 이러한 교란이 두 번째 회로로 퍼져 손상을 일으킬 수 있습니다. 옵토커플러는 양쪽 회로 모두에서 이런 손상을 방지합니다.
또한, 옵토커플러는 반도체 소재 특성상 전자가 한 방향으로만 흐르도록 합니다. 따라서 서로 다른 전압과 전류를 사용하는 두 회로를 상호 연결할 수 있습니다.
더 나아가, 두 개별 회로 간의 갈바닉 절연을 구현함으로써 기기의 기능을 확장할 수 있습니다. 예를 들어, 2회로 구성에서 첫 번째 회로에 영향을 주지 않고 두 번째 회로에 트랜지스터를 추가할 수 있습니다. 이를 통해 더 높은 전압과 전류를 제어할 수 있으며, 전자 부품을 추가해 회로 제어를 자동화할 수도 있습니다.
옵토커플러는 다양한 종류와 구성이 있지만, 이해를 돕기 위해 포토트랜지스터 유형에 집중하겠습니다.
포토트랜지스터 옵토커플러 회로도
출처: 위키미디어 커먼즈
위 다이어그램은 두 회로를 연결하는 포토트랜지스터를 보여줍니다. 포토트랜지스터 부분을 자세히 보면 왼쪽에 LED 심볼이 있습니다:
LED 심볼 이미지
출처: 위키미디어 커먼즈
반면 오른쪽에는 트랜지스터 심볼이 있습니다:
트랜지스터 심볼 이미지
출처: 위키미디어 커먼즈
포토트랜지스터가 일반 트랜지스터의 변형된 버전임을 쉽게 알 수 있습니다. 또한 트랜지스터 측의 세 번째, 네 번째 단자가 컬렉터와 이미터라 불리는 이유, 첫 번째와 두 번째 단자가 애노드와 캐소드라 불리는 이유도 이해할 수 있습니다.
일반 트랜지스터는 3개의 단자를 가지지만, 여기에는 작은 차이가 있습니다. 일반 트랜지스터 회로의 베이스 핀이 포토트랜지스터 회로에는 없습니다. 옵토커플러 내의 트랜지스터는 베이스 핀의 전기 신호 대신 LED의 빛을 사용해 작동하기 때문입니다.
LED에서 나온 빛이 트랜지스터에 닿아 이를 켜고, 메인 전기 회로에 전류가 흐르도록 합니다. 이들은 단순한 전기 입력 전류가 아닌 광학 입력에 반응합니다. 옵토커플러는 내부 부품이 위아래로 쌓인 형태 또는 나란히 배치된 형태, 두 가지 일반적인 토폴로지로 제공됩니다.
옵토커플러 토폴로지
출처: 위키미디어 커먼즈
포토트랜지스터 내부를 볼 수는 없지만(투명한 경우가 아니면), 간단한 회로로 직접 만들어 볼 수 있습니다. 이에 대해서는 뒤에서 다루겠습니다. 먼저 다른 옵토커플러 종류를 살펴보겠습니다.
핀셋으로 잡은 옵토커플러
가장 일반적인 6가지 트랜지스터 유형은 다음과 같습니다:
PCB 앞에서 핀셋으로 잡은 옵토커플러
적색 LED와 옵토커플러
이 간단한 옵토커플러는 조도 의존 저항(LDR)과 백색 LED를 사용합니다. LDR은 빛 노출에 따라 저항값이 변합니다. 어둠 속에서는 매우 높은 저항을, 밝은 빛에서는 매우 낮은 저항을 가집니다. 여기서는 포토다이오드 역할을 합니다.
1차 회로(제어 회로)에는 순방향 전압 3V, 전류 0.02A의 백색 LED가 필요합니다. 9V 배터리를 전원으로 쓰고 스위치로 제어합니다. 백색 LED에 3V가 필요하므로 6V를 낮춰주는 저항이 필요합니다. 계산: (9V - 3V) ÷ 0.02A = 300Ω.
따라서 1차 회로는 배터리 +극 → 스위치 → 저항 → 백색 LED 순으로 연결합니다. 브레드보드나 배선으로 연결하면 됩니다.
이 LED는 회로 작동 여부를 표시하는 인디케이터 역할을 합니다. LDR도 이 회로에 연결하며, 백색 LED 바로 옆에 위치시켜야 합니다.
LED 빛을 받을 때 LDR 저항은 약 70Ω 정도 됩니다. LDR을 적색 LED에 연결합니다. 2차 회로 전원도 9V 배터리를 쓰며, 역시 전압 강하용 저항이 필요합니다. 150Ω 저항 2개(직렬) 또는 300Ω 저항 1개를 추천합니다.
회로 조립 후에는 LDR과 백색 LED를 검은 테이프로 감싸 외부 빛을 차단해야 합니다. 또는 완전히 어두운 방에서 테스트하세요.
1차 회로(입력 회로) 버튼을 누르면 백색 LED가 켜지고, 그 빛이 LDR에 닿아 2차 회로(출력 회로)의 적색 LED를 켭니다. 백색 LED의 빛이 스위치의 전기 신호 역할을 하는 것입니다. 이 프로젝트는 옵토커플러 내부 동작을 이해하기에 충분하지만, 가시광선 대신 적외선 이미터와 수신기를 쓰면 더 개선된 버전이 됩니다.
IC, 커패시터, 옵토커플러 및 기타 반도체가 실린 소형 PCB 어셈블리
이제 옵토커플러의 작동 원리를 알았으니 어디에 적용할 수 있는지 살펴보겠습니다. 옵토커플러는 간단한 빛 작동 스위치로 쓸 수 있지만, 어떤 전자 장비와 기기에 가장 적합할까요? 다음은 옵토커플러 활용 예시입니다:
옵토커플러 세트
전자기 릴레이나 스위치 대신 옵토커플러를 써야 하는 이유는 무엇일까요? 주요 장점은 다음과 같습니다:
이 글에서는 옵토커플러에 대한 이해하기 쉽고 심층적인 가이드를 제공했습니다. 여기까지 읽으셨다면 옵토커플러에 대한 깊은 이해를 얻으셨을 것입니다. 이 가이드가 도움이 되었기를 바랍니다. 읽어주셔서 감사합니다.
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