빛을 사이에 둔 두 회로입니다
광커플러(optocoupler)는 한쪽의 발광다이오드(LED, Light-Emitting Diode)가 켜질 때 빛을 받아 다른 쪽의 출력 소자가 반응하는 부품입니다. 아래 예시는 출력 소자가 포토트랜지스터(phototransistor)인 경우입니다. 두 소자의 핀이 내부에서 도선으로 이어지지 않는다는 점과, 완성한 장치의 전원·접지가 실제로 분리되어 있다는 점은 구별해야 합니다.
그림의 입력 저항(input resistor) R_IN은 현장 전압이 LED에 그대로 걸리지 않도록 전류를 제한합니다. MCU 쪽의 풀업 저항(pull-up resistor) R_PU는 포토트랜지스터가 꺼졌을 때 입력 핀을 5 V 쪽으로 끌어올립니다. 이 예시에서는 현장 신호가 활성화되어 LED에 전류가 흐르면 출력 트랜지스터가 입력 핀을 낮은 전압으로 당깁니다. 즉, 활성 신호가 MCU에서는 Low로 읽힐 수 있습니다. 센서가 전류를 공급하는 출력인지, 접지 쪽으로 끌어내리는 출력인지에 따라 현장 측 배선과 논리 극성이 달라지므로 그림을 모든 센서에 그대로 적용하지 않습니다.
24 V는 이름표일 뿐, 입력 전류는 범위로 계산합니다
먼저 센서 출력의 꺼짐·켜짐 전압과 허용되는 최소·최대 현장 전압을 확인합니다. ‘24 V’라는 표기만으로 전압의 최대값, 케이블의 역극성이나 서지(surge, 짧은 과전압) 조건이 정해지지는 않습니다. 광커플러 LED의 순방향 전압과 필요한 전류도 선택한 부품의 데이터시트에서 확인합니다.
단순히 R_IN과 LED만 직렬로 둔 설명용 회로라면 입력 전류는 대략 I_F ≈ (V_IN − V_F) / R_IN입니다. I_F는 LED 전류(A), V_IN은 현장 COM을 기준으로 잰 입력 전압(V), V_F는 해당 전류에서 LED에 걸리는 순방향 전압(V), R_IN은 직렬 저항(Ω)입니다. 보호 다이오드나 브리지 등이 추가되면 그 소자에 걸리는 전압도 계산에 넣어야 합니다.
실제 저항을 고를 때에는 최소 입력 전압·저항의 높은 쪽 공차·LED 순방향 전압의 높은 쪽 조건에서 켜질 만큼 전류가 남는지, 반대로 최대 입력 전압·저항의 낮은 쪽 공차에서 LED 허용 전류를 넘지 않는지 따로 계산합니다. 저항의 발열도 최대 전류에서 P_R = I_F² R_IN으로 확인합니다. P_R은 저항에서 소비되는 전력(W)입니다. 이 식의 계산값을 곧바로 저항 정격과 같게 잡지 않고 실제 주위 온도와 부품의 허용 조건을 적용합니다. 이 글은 특정 기판의 저항값을 제시하지 않습니다.
출력이 Low와 High를 확실히 넘는지 확인합니다
광커플러의 전류 전달비(CTR, Current Transfer Ratio)는 지정한 시험 조건에서 입력 LED 전류에 비해 출력 전류가 어느 정도인지 나타냅니다. 데이터시트의 전형값이나 한 시험점의 CTR을 다른 온도·LED 전류·출력 전압에 그대로 대입하면 안 됩니다. 특히 출력 트랜지스터를 낮은 전압으로 완전히 끌어내릴 수 있는지는 해당 부품의 포화 전압·허용 출력 전류 조건으로 확인합니다.
MCU 입력의 Low 임계값 V_IL,max와 High 임계값 V_IH,min은 실제 MCU 데이터시트에서 찾습니다. 현장 신호가 켜진 상태에서는 광커플러가 R_PU를 통해 흐르는 전류를 끌어내려 V_OUT ≤ V_IL,max를 만족해야 합니다. 꺼진 상태에서는 포토트랜지스터의 누설 전류가 있어도 V_OUT ≥ V_IH,min이어야 합니다. V_OUT은 MCU 입력 핀을 MCU 접지 기준으로 잰 전압입니다. 두 상태 모두 핀의 허용 전압 범위에 들어가야 합니다.
R_PU를 너무 작게 하면 출력 트랜지스터가 끌어내려야 할 전류가 늘어 Low가 높아질 수 있고, 너무 크게 하면 누설·잡음과 입력 정전용량 때문에 High 복귀가 느려질 수 있습니다. 따라서 LED 전류가 충분하다고 해서 MCU 논리 판정을 끝내지 않습니다. 입력이 개방되거나 선이 끊긴 상태가 이 예시에서 High로 읽힐 수 있다는 점도 기록합니다. ‘꺼짐’과 ‘단선’을 구분해야 하는 장치라면 별도 진단 구조가 필요합니다.
오래 쓸 입력이라면 새 부품에서 Low가 나온다는 확인만으로 끝내지 않습니다. 광커플러 LED의 빛 출력이 사용 시간·온도·구동 전류에 따라 줄면 전류 전달비도 낮아질 수 있습니다. 선택한 부품의 수명 자료에서 해당 조건의 최저 전류 전달비 또는 감소 범위를 확인하고, 사용 기간 끝에 예상되는 가장 작은 LED 전류에서도 포토트랜지스터가 풀업 전류를 끌어내릴 수 있는지 검토합니다. 이때 전류 전달비 계산만으로 Low를 보증하지 말고, 해당 출력 전류에서의 포화 전압과 MCU 핀의 V_OUT ≤ V_IL,max를 함께 대조합니다. 제조사 수명 자료가 없다면 임의의 노화율로 합격 판정을 내리지 말고 요구 수명에 맞는 검증 계획을 세웁니다.
앞의 그림과 달리 포토트랜지스터의 컬렉터를 MCU 쪽 전원에, 이미터를 저항을 거쳐 MCU 접지에 연결하고 이미터에서 신호를 읽는 구성도 있습니다. 이 경우 입력 LED가 꺼지면 저항이 출력을 Low로 당기고, 켜졌을 때 충분한 출력 전류가 흐르면 High가 됩니다. 앞의 컬렉터 출력 회로와 논리 극성이 다르므로 같은 펌웨어 입력 설정을 그대로 적용하지 마세요. 이미터 저항이 1 kΩ이고 출력이 3.3 V 가까이 올라가야 한다면 저항에만 약 3.3 mA가 필요하고, 켜진 포토트랜지스터에도 전압이 남습니다. 입력 LED 전류를 계산했다고 해서 MCU가 High를 읽는다고 단정하지 말고 실제 부품의 최저 전류 전달비, 출력 전압·전류 조건, 꺼졌을 때의 누설과 MCU의 High·Low 입력 임계값을 대조하세요. 두 입력 상태의 핀 전압을 MCU 접지 기준으로 재고 원래 의도한 절연 경계가 외부 배선에서도 유지되는지 확인합니다.
광커플러가 있어도 공통선이 경계를 건널 수 있습니다
갈바닉 절연(galvanic isolation)은 현장 측과 MCU 측 사이에 직접 전류가 흐르는 도전 경로를 두지 않는 구성입니다. LED와 포토트랜지스터가 분리되어 있어도 전원 공급기의 공통 접지, 케이블 차폐선, 보호 소자나 계측기의 접지선이 두 쪽을 다시 연결하면 완성 회로의 절연은 성립하지 않습니다. 반대로 두 회로가 의도적으로 같은 접지를 쓰는 설계라면 광커플러의 신호 전달 기능과 ‘두 회로가 절연됐다’는 표현을 구별해야 합니다.
부품 데이터시트의 절연 내전압 시험값은 완성 기판의 절연 성능이나 적용 규격 적합성을 자동으로 보증하지 않습니다. 기판의 거리·오염 환경·전원 구조와 실제 사용 조건을 포함해 별도로 검토해야 합니다. 사진만으로 현장 단자와 MCU 핀 사이의 절연 상태를 판단하지 않습니다.
실제 신호와 배선을 순서대로 대조합니다
- 회로도를 먼저 봅니다. 센서가 신호를 공급하는지 또는 접지로 끌어내리는지, 입력의 공통선은 어디인지, 입력 저항과 보호 소자는 어느 쪽에 있는지 표시합니다. 광커플러 출력 핀과 MCU 입력 핀의 실제 연결도 확인합니다.
- 전원을 넣기 전에 경계를 확인합니다. 현장 접지와 MCU 접지가 의도치 않게 연결된 경로가 없는지 회로도와 배선에서 찾습니다. 무전원 도통 검사는 뜻하지 않은 단락을 찾는 데 도움이 되지만 절연 정격의 증명은 아닙니다.
- 정해진 입력 범위에서 현장 측을 잽니다. 조건에 맞는 전원과 전류 제한을 사용하여 꺼짐, 최소 켜짐, 공칭, 최대 켜짐 입력을 차례로 인가하고 입력 저항 양단 전압과 LED 전류를 확인합니다. 전원·부품 정격을 넘기는 서지나 역극성 시험은 보호 설계를 확인하지 않고 임의로 수행하지 않습니다.
- MCU 핀에서 논리를 잽니다. 같은 각 조건에서
V_OUT을 MCU 접지 기준으로 측정하여 실제 MCU의V_IL,max·V_IH,min과 비교합니다. 입력이 활성화될 때 Low/High 중 어느 쪽으로 바뀌는지 진리표로 남기고 펌웨어의 활성 극성과 맞춥니다. - 배선 오류와 전원 순서를 점검합니다. 입력선 개방, 현장 측 전원 꺼짐, MCU 측 전원 꺼짐과 재투입 때 원치 않는 판정이나 다른 경로의 역급전이 없는지 확인합니다. 필요한 입력 응답 시간과 필터링은 실제 센서 펄스 폭에 맞추어 검증합니다.
검사 기록에는 부품 번호, 입력 전압 범위, R_IN·R_PU, 측정한 LED 전류와 MCU 핀 전압, 접지 관계, 각 상태의 논리 판정을 함께 남깁니다. 그래야 ‘광커플러가 있다’는 부품 목록을 실제로 작동하고 분리되는 입력 경로의 증거와 구분할 수 있습니다.