포토인터럽트를 이용한 전기설비의 경보회로 예비 보고서

목차

전기 공학 설계 실험

* 실험 목적
* 내용요약
1. 포토다이오드
1) 동작원리
2) 포토다이오드의 구조
3) 포토다이오드의 종류
2. 포토 트랜지스터
3. 포토 인터럽터
1) 포토 인터럽터의 종류
4. 포토 커플러
1) 정의
2) 특징

* 실험 예상 및 분석
1. 부품의 도통 시험
1) 1차측 LED의 도통시험
2) 2차측 포토 TR의 도통시험
※ 원리
※ 포토 인터럽터
2. 포토 인터럽터 응용회로 조립하기

※ PCB(printed circuit board)
※ 프리휠 다이오드(DF)
3. 동작 시험하기
4. 전압레벨 측정하기
5. 생산 현장에의 활용
6. 빛 차단 경보회로
7. 출력회로를 SSR 방식으로 변경

* 연구과제
1) 광전효과에 대하여 설명하시오.
■ 광전 효과
★ 흡수체 및 방출된 전자의 상태에 의한 분류
2. 포토다이오드와 포토트랜지스터의 동작원리를 설명하고, 각각의 구동 회로를 설계하시오.
1) 포토다이오드의 동작원리
2) 포토 트랜지스터 동작원리
3. 포토인터럽트를 이용하면 모터의 회전 수를 측정할 수 있다. 측정 원리를 설명하시오.

본문내용

수의 비율을 양자효율, 입사광 에너지에 대한 광전류의 비를 비광전능(比光電能)이라 한다. 단색광에 대한 양자효율, 또는 비광전능을 파장에 대해서 그린 곡선을 분광감도곡선이라고 한다. 외부광전효과는 광전관에 응용되며, 빛의 검출·측정에 널리 이용되고 있다.
③ 내부광전효과(광전도): 절연체·반도체에 빛을 조사하면 충만띠 또는 불순물준위에 있는 전자가 광에너지를 흡수하여 전도대에 올라가 자유로이 움직일 수 있는 전자 또는 양공(陽孔)이 생겨 전도도가 증가하는 현상이다. 직접 빛을 흡수하여 생긴 전자 또는 양공만이 전도에 관여하는 1차광전류와, 그 결과 결정 내부의 전기적 상태가 변화하여 흐르는 2차광전류가 있다. 후자는 보통 시간적으로 늦게 일어나며, 온도 의존성이 강하고, 높은 양자효율을 나타내는 경우가 있다. 내부광전효과는 비금속고체원소·산화물·황화물·셀레늄화물·텔루륨화물·할로젠화물, 어떤 종류의 유기물 등 많은 물질에서 볼 수 있다. 이 중 감도가 좋은 것으로서 CdS, CdSe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, Sb2S3, Tl2S, Se, Si, Ge 등이 있으며, 촬상관·복사측정장치 등에 이용하고 있다.
④ 광기전력효과: 어떤 종류의 반도체에 빛을 조사하면, 조사된 부분과 조사되지 않은 부분 사이에 전위차(광기전력)를 낳는 현상이다. 셀레늄의 엷은 층을 철판에 씌우고 그 위에 반투명의 금속막을 씌운 것(셀레늄 광전지), 아산화구리를 동판 위에 씌워서 똑같이 처리한 것(아산화구리 광전지) 등, 이른바 언층광전지(堰層光電池)는 이들 반도체와 금속과의 접촉층의 내부에서의 광흡수에 의해서 생기는 이 효과를 이용한 것으로 양자효율은 50% 정도에 이르며, 사진기의 노출계 등 측광에 쓰인다. 이런 종류의 구조를 가진 광전지에서 빛이 조사하는 면이 마이너스로 대전할 경우를 전면광기전력효과, 플러스로 대전하는 경우를 후면광기전력효과라고도 한다.
2. 포토다이오드와 포토트랜지스터의 동작원리를 설명하고, 각각의 구동 회로를 설계하시오.
1) 포토다이오드의 동작원리
< 포토 다이오드의 단면도와 에너지 밴드 >
PN접합에서 P층과 N층의 접합부에는 전위장벽이 생긴다. 여기에 Eg보다 더 큰 에너지를 갖는 빛(E=hv)이 조사되면 전자는 전도대에 끌어올려지고 전자와 후에 남는 정공이 쌍이 되어 형성된다. 이렇게 형성된 전자와 정공쌍이 공핍층에서 형성 되었을 경우는 바로 전계에의해 가속되고 전자는 N층으로 정공은 P층으로 이동하게 한다. 또 전자와 정공쌍이 P층과 N층에서 발생한 경우에는 P층의 전자와 N층의 정공은 확산하게 되는데, 공핍층에 이르게 되면 전계에 의해 더욱 가속되고 각각 P층, N층에 들어와 전하가 축적되게 된다. 이 때 외부의 부하를 단자에 접속하면 빛에너지를 전기 에너지의 형태로 얻을 수 있다.
< 개방 전압 > < 단락전류 >
2) 포토 트랜지스터 동작원리
트랜지스터의 베이스와 컬렉터 사이의 p-n접합에 빛을 조사하면 전자와 양공이 발생하고, 전기장을 따라서 이동하여 광전류를 발생시킨다. 이 광전류를 직접 트랜지스터 작용으로 증폭시킨 것이 포토트랜지스터인데, 특히 수광면이 넓게 만들어져 있다. 포토트랜지스터는 보통의 트랜지스터와 마찬가지로 3단자로 쓰는 것과 베이스 전극을 제거한 외견상 2단자인 것이 있는데, 양자 모두 동작은 거의 비슷하다. 포토트랜지스터의 빛의 파장특성은 반도체의 금지대폭에 의해 결정되므로, 상한은 게르마늄에서는 0.7eV에 상응하는 1.5㎛, 실리콘에서는 1.1eV에 상응하는 0.97㎛가 된다. 이 부근에서 최고감도가 얻어지는데, 이 이상이 되면 감도는 급속히 저하된다. 이보다 짧은 파장에서는 빛의 에너지는 충분히 커지지만 반도체 표면에서의 빛의 흡수가 커져서 감도가 내려간다. 광전류는 조명도에 비례하여 증대하는데, 입사광이 너무 크면 발열의 영향으로 증가율은 내려간다. 포토트랜지스터는 감도는 좋으나, 입출력 사이의 직선성이 떨어지므로 광스위칭소자로 이용된다. 외광(外光)의 검출 외에 발광 다이오드와 짝지어 포토커플러, 포토인터럽터로 이용되기도 한다.
3. 포토인터럽트를 이용하면 모터의 회전 수를 측정할 수 있다. 측정 원리를 설명하시오.
슬롯이 있는 원판을 모터의 축에 연결하여 모터의 회전을 측정합니다. 포토 인터럽트는 발광소자(LED)와 그 빛을 받는 포토 트랜지스터가 아래의 그림과 같이 하나의 패키지로 되어있습니다.
발광소자와 포토 트랜지스터는 얼마간의 간격을 두고 있으며, 그 사이를 통과하는 물체의 유무를 판단합니다. 모터의 회전수를 측정하기 위해 모터의 축에 슬롯(slot)이 있는 원판을 장착하고 그 밑에 포토 인터럽트를 사용합니다.
① 원판이 회전할 때 슬롯이 발광소자 앞에 오면 빛이 슬롯을 통과하여 포토 트랜지스터를 구동시키게 되고 출력은 0이 됩니다.
② 슬롯을 통과하지 않을 경우에는 포토 트랜지스터는 동작하지 않기 때문에 출력은 1이 됩니다.
③ 원판의 슬롯 수를 지정하면 펄스 수를 카운터하여 모터의 속도를 측정할 수 있습니다.
④ 원판에 속도 측정용 슬롯 외에 반경이 다른 슬롯을 만들어 기준 위치를 설정하면 또 다른 1개의 포토 인터럽트를 이용하여 전원 인가시 모터를 기준 위치로 복귀할 수도 있습니다.
더 자세히 동작을 설명하자면...
적외선 센서 회로와 같이 적외선 발광 다이오드 및 적외선 수광 트랜지스터로 이루어져 있으며, 수광 트랜지스터와 발광 다이오드사이를 물체가 가리면 인터럽트의 4번 단자의 전압이 5V가 되고 물체가 없으면 0V 가 됩니다. 로봇의 바퀴에 홈이 파여져 있는 이유는 바로 포토 인터럽트로 바퀴의 회전수를 감지하기 위해서입니다. 작은 구멍이 포토 인터럽트 안으로 들어가게 되면 인터럽트의 4번 단자는 0V가 되며, 바퀴의 막힌 부분이 포토 인터럽트 안으로 들어가면 적외선을 가리게 되므로 4번 단자는 5V가 됩니다. 포토인터럽트 내부에 있는 수광 트랜지스터는 트랜지스터의 베이스 부분을 넓게 만들어 그 부분에 광이 입사되면 수십 배에서 수백배의 전류가 이미터로 흐르게 합니다. 따라서, LM324와 같은 별도의 신호 처리 회로가 필요없이 게이트나 프로세서에 직접 연결해도 된다는 장점이 있습니다.

키워드

포토인터럽트,   전기설비,   온도,   측정,   경보회로,   예비,   포토,   인터럽트