옵토아이솔레이터

class=skin-invert-image|thumb|right|왼쪽의 광원(LED), 중앙의 유전체 장벽, 오른쪽의 센서(포토트랜지스터)를 보여주는 옵토아이솔레이터의 회로도

옵토아이솔레이터(opto-isolator) 또는 광절연기, 광커플러(optocoupler), 포토커플러(photocoupler)는 빛을 사용하여 분리된 두 회로 사이에서 전기 신호를 전달하는 전자 부품이다. 옵토아이솔레이터는 고전압이 신호를 받는 시스템에 영향을 미치는 것을 방지한다. 시판되는 옵토아이솔레이터는 최대 10 kV의 입출력 전압과 최대 25 kV/μs 속도의 과도 전압을 견딜 수 있다.

일반적인 유형의 옵토아이솔레이터는 동일한 불투명 패키지 안에 LED와 포토트랜지스터로 구성된다. 다른 유형의 광원-센서 조합에는 LED-광다이오드, LED-LASCR, 램프-포토레지스터 쌍이 포함된다. 일반적으로 옵토아이솔레이터는 디지털(온-오프) 신호를 전달하며 전자 스위치 역할을 할 수 있지만, 일부 기술을 통해 아날로그 신호에도 사용할 수 있다.

 역사 
전기적 절연을 목적으로 고체 상태 광방출기를 반도체 검출기에 광학적으로 결합하는 것의 가치는 1963년 아크멘칼른스(Akmenkalns) 등에 의해 인식되었다(미국 특허 3,417,249). 포토레지스터 기반 옵토아이솔레이터는 1968년에 도입되었다. 이들은 가장 느리지만 가장 선형적인 절연기이며 오디오 및 음악 산업에서 여전히 틈새 시장을 유지하고 있다. 1968~1970년 LED 기술의 상용화는 광전자 공학의 붐을 일으켰고, 1970년대 말까지 업계는 모든 주요 유형의 옵토아이솔레이터를 개발했다. 시장에 출시된 대부분의 옵토아이솔레이터는 바이폴라 실리콘 포토트랜지스터 센서를 사용한다. 이들은 뇌전도와 같은 응용 분야에 충분한 중간 정도의 데이터 전송 속도를 달성한다. 가장 빠른 옵토아이솔레이터는 광전도 모드에서 PIN 다이오드를 사용한다.

 작동 
옵토아이솔레이터는 전기 입력 신호를 빛으로 변환하는 광원(방출기, 거의 항상 근적외선 발광 다이오드), 폐쇄된 광 채널(유전체 채널이라고도 함), 들어오는 빛을 감지하고 직접 전기 에너지를 생성하거나 외부 전원에서 흐르는 전류를 변조하는 광검출기(광센서)를 포함한다. 센서는 포토레지스터, 광다이오드, 포토트랜지스터, 실리콘 제어 정류기(SCR) 또는 트라이액일 수 있다. LED는 빛을 내는 것 외에도 빛을 감지할 수 있기 때문에 대칭형 양방향 옵토아이솔레이터 제작이 가능하다. 광결합 반도체 릴레이는 일반적으로 상보형 MOSFET 쌍인 전원 스위치를 구동하는 광다이오드 옵토아이솔레이터를 포함한다. 슬롯형 광학 스위치는 광원과 센서를 포함하지만 광 채널이 열려 있어 빛의 경로를 차단하거나 센서로 빛을 반사하는 외부 물체에 의해 빛을 변조할 수 있다.

 전기적 절연 
class=skin-invert-image|thumb|right|평면(위) 및 실리콘 돔(아래) 레이아웃표준 이중 직렬 패키지를 통과하는 단면. LED(빨간색)와 센서(녹색)의 상대적 크기는 과장되어 있다.

thumb|인쇄 회로 기판 위의 광커플러. 한 쌍의 Y1 클래스 안전 축전기를 확인하라.

전자 장비와 신호 및 전력 전송 라인은 번개, 방전, 무선 주파수 전송, 스위칭 펄스 및 전원 공급 장치의 섭동에 의해 유도된 전압 서지에 노출될 수 있다. 원격 낙뢰는 많은 전자 부품의 전압 제한보다 천 배나 높은 최대 10 kV의 서지를 유도할 수 있다. 회로 설계상 고전압을 포함할 수도 있는데, 이 경우 고전압 부품과 저전압 부품을 인터페이스하는 안전하고 신뢰할 수 있는 수단이 필요하다.

옵토아이솔레이터의 주요 기능은 이러한 고전압 및 과도 전압을 차단하여 시스템의 한 부분에서 발생한 서지가 다른 부분을 방해하거나 파괴하지 않도록 하는 것이다. 역사적으로 이 기능은 접지가 분리된 입력측과 출력측 사이의 유도 결합을 사용하는 절연 변압기에 위임되었다. 변압기와 옵토아이솔레이터는 강화된 보호 기능을 제공하는 유일한 두 가지 종류의 전자 장치로, 장비와 해당 장비를 조작하는 인간 사용자 모두를 보호한다. 이들은 단일 물리적 절연 장벽을 포함하지만 이중 절연에 상응하는 보호를 제공한다. 광커플러의 안전, 테스트 및 승인은 IEC 60747-5-2, EN (CENELEC) 60747-5-2, UL 1577, CSA 부품 수락 통지 #5 등 국가 및 국제 표준에 의해 규제된다. 제조업체가 발표하는 옵토아이솔레이터 사양은 항상 이러한 규제 체계 중 적어도 하나를 따른다.

옵토아이솔레이터는 입력 전류에 의해 변조된 광선으로 입력측과 출력측을 연결한다. 유용한 입력 신호를 빛으로 변환하여 유전체 채널을 통해 보내고, 출력측에서 빛을 포착하여 다시 전기 신호로 변환한다. 매우 낮은 손실로 에너지를 양방향으로 전달하는 변압기와 달리, 옵토아이솔레이터는 단방향이며(예외는 양방향 옵토아이솔레이터 참조) 전력을 전송할 수 없다. 일반적인 옵토아이솔레이터는 출력측에 이미 존재하는 에너지의 흐름만 변조할 수 있다. 변압기와 달리 옵토아이솔레이터는 직류나 느리게 움직이는 신호를 통과시킬 수 있으며 입력측과 출력측 사이의 임피던스 매칭을 요구하지 않는다. 변압기와 옵토아이솔레이터 모두 산업 및 무대 장비에서 흔히 발생하는 접지 루프를 끊는 데 효과적이다.

옵토아이솔레이터의 물리적 배치는 주로 원하는 절연 전압에 따라 달라진다. 수 kV 미만의 정격 장치는 평면(또는 샌드위치) 구조를 갖는다. 센서 다이는 패키지의 리드 프레임에 직접 장착된다(보통 6핀 또는 4핀 이중 직렬 패키지). 센서는 유리 또는 투명 플라스틱 시트로 덮여 있고 그 위에 LED 다이가 놓인다. LED 빔은 아래쪽으로 발사된다. 빛의 손실을 최소화하기 위해 센서의 유효 흡수 스펙트럼은 거의 변함없이 근적외선에 있는 LED의 출력 스펙트럼과 일치해야 한다. 광 채널은 원하는 항복 전압을 위해 가능한 한 얇게 만들어진다. 예를 들어, 3.75 kV의 단기 전압과 1 kV/μs의 과도 전압 정격을 갖기 위해 애질런트(현 아바고 테크놀로지스) ASSR-300 시리즈의 투명 폴리이미드 시트 두께는 0.08 mm에 불과하다. 평면 어셈블리의 항복 전압은 투명 시트의 두께와 다이를 외부 핀과 연결하는 본딩 와이어의 구성에 따라 달라진다. 실제 회로 내 절연 전압은 인쇄 회로 기판과 패키지 표면의 연면 거리에 의해 더 감소한다. 안전 설계 규칙은 노출된 금속 도체의 경우 최소 25 mm/kV, 코팅된 도체의 경우 8.3 mm/kV의 이격 거리를 요구한다.

2.5~6 kV 정격의 옵토아이솔레이터는 실리콘 돔이라는 다른 레이아웃을 사용한다. 여기서는 LED와 센서 다이가 패키지의 반대편에 배치되며 LED는 센서를 향해 수평으로 발사된다. LED, 센서 및 그 사이의 틈은 투명 실리콘 돔으로 캡슐화된다. 돔은 반사판 역할을 하여 모든 산란광을 유지하고 센서 표면으로 반사시켜 비교적 긴 광 채널에서의 손실을 최소화한다. 이중 몰드 설계에서 실리콘 돔("내부 몰드")과 외곽 쉘("외부 몰드") 사이의 공간은 일치하는 열팽창 계수를 가진 어두운 유전체 화합물로 채워진다.

 옵토아이솔레이터의 유형 

 저항성 옵토아이솔레이터 

원래 라이트 셀(light cells)로 마케팅된 초기 옵토아이솔레이터는 1960년대에 등장했다. 이들은 소형 백열등을 광원으로 사용하고 황화 카드뮴(CdS) 또는 셀레늄화 카드뮴(CdSe) 포토레지스터(LDR이라고도 함)를 수신기로 사용했다. 제어 선형성이 중요하지 않거나 백열등을 구동하기에 전류가 너무 낮은 응용 분야(진공관 증폭기의 경우처럼)에서는 백열등 대신 네온등을 사용했다. 이러한 장치(또는 해당 LDR 구성 요소)는 벡텍(Vactec, Inc.)의 상표를 따서 흔히 벡트롤(Vactrol)로 불렸다. 이 상표는 이후 보통명사화되었지만, 원래의 벡트롤은 여전히 PerkinElmer에서 제조되고 있다.

백열등의 켜짐 및 꺼짐 지연은 수백 밀리초 범위에 있으므로 백열등은 효과적인 로우패스 필터이자 정류기 역할을 하지만 실제 변조 주파수 범위는 몇 헤르츠로 제한된다. 1968~1970년에 발광 다이오드(LED)가 도입되면서 제조업체는 백열등과 네온등을 LED로 교체하여 5밀리초의 응답 시간과 최대 250Hz의 변조 주파수를 달성했다. 벡트롤이라는 이름은 LED 기반 장치로 이어졌으며 2010년 현재 여전히 소량 생산되고 있다.

옵토아이솔레이터에 사용되는 포토레지스터는 균일한 반도체 필름의 벌크 효과에 의존하며, p-n 접합이 없다. 광센서 중에서 유일하게 포토레지스터는 AC 또는 DC 회로 모두에 적합한 무극성 장치이다. 이들의 저항은 들어오는 빛의 강도에 반비례하여 사실상 무한대에서 수백 옴 미만의 잔류 바닥까지 떨어진다. 이러한 특성 덕분에 원래의 벡트롤은 전화 네트워크를 위한 편리하고 저렴한 자동 이득 제어 및 컴프레서가 되었다. 포토레지스터는 최대 400볼트의 전압을 쉽게 견뎌냈으며, 이는 진공 형광 디스플레이를 구동하는 데 이상적이었다. 다른 산업 응용 분야로는 복사기, 산업 자동화, 전문 조도 측정 장비 및 자동 노출계가 있다. 이러한 응용 분야 대부분은 현재 구식이 되었지만, 저항성 옵토아이솔레이터는 오디오, 특히 기타 증폭기 시장에서 틈새를 유지하고 있다.

1960년대 미국의 기타 및 오르간 제조업체들은 저항성 옵토아이솔레이터를 편리하고 저렴한 트레몰로 변조기로 채택했다. 펜더의 초기 트레몰로 효과는 두 개의 진공관을 사용했는데, 1964년 이후 이 진공관 중 하나는 LDR과 네온등으로 만들어진 광커플러로 대체되었다. 현재까지 스톰프박스 페달을 밟아 활성화되는 벡트롤은 음악 산업에서 널리 사용되고 있다. 정품 PerkinElmer 벡트롤의 부족으로 인해 DIY 기타 커뮤니티는 자체적으로 저항성 옵토아이솔레이터를 제작하기도 한다. 기타리스트들은 오디오 접지와 제어 접지의 뛰어난 분리가 "본질적으로 높은 품질의 사운드"를 결과한다는 이유로 광절연 효과를 선호한다. 그러나 라인 레벨 신호에서 포토레지스터에 의해 발생하는 디스토션은 전문적인 전기 결합 가변 이득 증폭기보다 높다. 또한 카드뮴 화합물에 고유한 기억 효과인 빛 이력으로 인한 저항의 느린 변동으로 인해 성능이 저하된다. 이러한 변동은 가라앉는 데 수 시간이 걸리며 제어 회로의 피드백으로만 부분적으로 상쇄될 수 있다.

 광다이오드 옵토아이솔레이터 

class=skin-invert-image|thumb|right|출력측 증폭 회로가 있는 고속 광다이오드 옵토아이솔레이터

다이오드 옵토아이솔레이터는 LED를 광원으로, 실리콘 광다이오드를 센서로 사용한다. 광다이오드가 외부 전압원에 의해 역바이어스되면, 들어오는 빛은 다이오드를 통해 흐르는 역전류를 증가시킨다. 다이오드 자체는 에너지를 생성하지 않고 외부 소스의 에너지 흐름을 변조한다. 이 작동 모드를 광전도 모드라고 한다. 대안적으로 외부 바이어스가 없는 경우 다이오드는 단자를 최대 0.7V의 전압으로 충전하여 빛의 에너지를 전기적 위치 에너지로 변환한다. 충전 속도는 들어오는 빛의 강도에 비례한다. 이 에너지는 외부 고임피던스 경로를 통해 전하를 배출함으로써 수확되며, 전류 전달비는 0.2%에 달할 수 있다. 이 작동 모드를 광기전 모드라고 한다.

가장 빠른 옵토아이솔레이터는 광전도 모드에서 PIN 다이오드를 사용한다. PIN 다이오드의 응답 시간은 나노초 미만 범위에 있으며, 전체 시스템 속도는 LED 출력 및 바이어스 회로의 지연에 의해 제한된다. 이러한 지연을 최소화하기 위해 고속 디지털 옵토아이솔레이터는 속도에 최적화된 자체 LED 드라이버와 출력 증폭기를 포함한다. 이러한 장치를 풀 로직 옵토아이솔레이터라고 한다. 즉, LED와 센서가 디지털 로직 회로 내에 완전히 캡슐화되어 있다. 내부 출력 증폭기를 갖춘 휴렛 팩커드 6N137/HPCL2601 장치 제품군은 1970년대 후반에 도입되어 10 MBd 데이터 전송 속도를 달성했다. 이는 2002년 50 MBd 애질런트 테크놀로지스 7723/0723 제품군이 출시될 때까지 산업 표준으로 유지되었다. 7723/0723 시리즈 옵토아이솔레이터는 CMOS LED 드라이버와 CMOS 버퍼 증폭기를 포함하며, 각각 5V의 독립적인 외부 전원 공급 장치 두 개가 필요하다.

광다이오드 옵토아이솔레이터는 아날로그 신호를 인터페이싱하는 데 사용될 수 있지만, 비선형성으로 인해 신호가 왜곡될 수 있다. 버브라운이 도입한 특별한 종류의 아날로그 옵토아이솔레이터는 두 개의 광다이오드와 입력측 연산 증폭기를 사용하여 다이오드 비선형성을 보상한다. 동일한 두 개의 다이오드 중 하나는 증폭기의 피드백 루프에 연결되어 두 번째(출력) 다이오드의 비선형성에 관계없이 전체 전류 전달비를 일정한 수준으로 유지한다.

특정 광학 아날로그 신호 절연기에 대한 새로운 아이디어가 2011년 6월 3일에 제출되었다. 제안된 구성은 두 개의 다른 부분으로 구성된다. 하나는 신호를 전달하고 다른 하나는 출력 신호가 입력 신호와 동일한 특징을 갖도록 하는 부귀환(negative feedback)을 형성한다. 이 제안된 아날로그 절연기는 넓은 범위의 입력 전압과 주파수에서 선형적이다. 그러나 이 원리를 사용하는 선형 광커플러는 이미 수년 동안 사용 가능했다(예: IL300).

MOSFET 스위치를 기반으로 구축된 반도체 릴레이는 일반적으로 스위치를 구동하기 위해 광다이오드 옵토아이솔레이터를 사용한다. MOSFET의 게이트는 켜는 데 상대적으로 적은 총 전하가 필요하며 정상 상태에서의 누설 전류는 매우 낮다. 광기전 모드의 광다이오드는 상당히 짧은 시간 내에 턴온 전하를 생성할 수 있지만 출력 전압은 MOSFET의 문턱 전압보다 여러 배 낮다. 필요한 임계값에 도달하기 위해 반도체 릴레이는 직렬로 연결된 최대 30개의 광다이오드 스택을 포함한다.

 포토트랜지스터 옵토아이솔레이터 

포토트랜지스터는 본질적으로 광다이오드보다 느리다. 예를 들어 가장 초기이면서 가장 느리지만 여전히 흔히 쓰이는 4N35 옵토아이솔레이터는 100옴 부하에서 상승 및 하강 시간이 5 μs이며 대역폭은 약 10kHz로 제한된다. 이는 뇌전도 또는 펄스 폭 모터 제어와 같은 응용 분야에 충분하다. 원래 1983년 악기 디지털 인터페이스 사양에서 권장된 PC-900 또는 6N138과 같은 장치는 수십 킬로보(kiloBaud)의 디지털 데이터 전송 속도를 허용한다. 포토트랜지스터가 최대 속도를 달성하려면 적절하게 바이어스되고 부하가 걸려야 한다. 예를 들어 4N28은 최적의 바이어스에서 최대 50kHz, 바이어스가 없으면 4kHz 미만에서 작동한다.

트랜지스터 옵토아이솔레이터를 사용한 설계는 시판되는 장치에서 발견되는 파라미터의 넓은 변동에 대해 넉넉한 허용 오차를 요구한다. 이러한 변동은 파괴적일 수 있다. 예를 들어 디시디시컨버터의 피드백 루프에 있는 옵토아이솔레이터가 전달 함수를 변경하여 가짜 진동을 일으키거나, 옵토아이솔레이터의 예기치 않은 지연으로 인해 H 브리지의 한쪽을 통해 합선이 발생하는 경우이다. 제조업체의 데이터시트에는 일반적으로 임계 파라미터에 대한 최악의 경우의 값만 나열되며, 실제 장치는 예측할 수 없는 방식으로 이러한 최악의 추정치를 능가한다. 밥 피즈는 4N28 한 배치의 전류 전달비가 15%에서 100% 이상까지 변할 수 있음을 관찰했다(데이터시트에는 최소 10%만 명시됨). 동일한 배치의 트랜지스터 베타는 300에서 3000까지 변할 수 있어 대역폭에서 10:1의 편차가 발생한다.

센서로 장효과 트랜지스터(FET)를 사용하는 옵토아이솔레이터는 드물며, 벡트롤과 마찬가지로 FET의 출력 단자 전압이 수백 mV를 넘지 않는 경우 원격 제어 아날로그 전위차계로 사용할 수 있다. 옵토-FET는 출력 회로에 스위칭 전하를 주입하지 않고 켜지므로 샘플 앤 홀드 회로에서 특히 유용하다.

 양방향 옵토아이솔레이터 

지금까지 설명한 모든 옵토아이솔레이터는 단방향이다. 광 채널은 항상 광원(LED)에서 센서로 한 방향으로만 작동한다. 포토레지스터, 광다이오드, 포토트랜지스터 중 어느 것이든 센서는 빛을 방출할 수 없다. 그러나 모든 반도체 다이오드와 마찬가지로 LED는 들어오는 빛을 감지할 수 있으므로, 한 쌍의 LED로 양방향 옵토아이솔레이터를 구성하는 것이 가능하다. 가장 단순한 양방향 옵토아이솔레이터는 단순히 두 개의 LED를 서로 마주 보게 놓고 열수축 튜브로 고정한 것이다. 필요한 경우 광섬유 삽입물을 사용하여 두 LED 사이의 간격을 확장할 수 있다.

가시광선 LED는 전달 효율이 상대적으로 낮기 때문에 양방향 장치에는 근적외선 스펙트럼의 GaAs, GaAs:Si 및 AlGaAs:Si LED가 선호된다. GaAs:Si LED 쌍을 기반으로 구축된 양방향 옵토아이솔레이터는 광기전 또는 광전도 모드에서 약 0.06%의 전류 전달비를 갖는다. 이는 광다이오드 기반 절연기보다 작지만 실무 응용에 충분히 실용적이다.

 구성 유형 

thumb|반사형 쌍(왼쪽)과 보라색 광 경로가 있는 두 개의 슬롯형 커플러

일반적으로 광커플러는 폐쇄형 쌍 구성을 갖는다. 이 구성은 광원과 센서가 서로 마주 보고 있는 어두운 용기에 밀폐된 광커플러를 말한다.

일부 광커플러는 슬롯형 커플러/인터럽터 구성을 갖는다. 이 구성은 광원과 센서 사이에 열린 슬롯이 있어 들어오는 신호에 영향을 줄 수 있는 광커플러를 말한다. 슬롯형 커플러/인터럽터 구성은 물체 감지, 진동 감지 및 바운스 없는 스위칭에 적합하다.

일부 광커플러는 반사형 쌍 구성을 갖는다. 이 구성은 빛을 방출하는 광원과 물체에 반사된 빛만 감지하는 센서를 포함하는 광커플러를 말한다. 반사형 쌍 구성은 타코미터, 이동 감지기 및 반사율 모니터 개발에 적합하다.

후자의 두 구성은 종종 광센서 또는 광전 센서라고 불린다.

 같이 보기 
 전기적 절연

 내용주 

 각주 

 출처 

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 외부 링크 
 

분류:전자 부품
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분류:반도체 소자
분류:광전자공학