SMPS 출력이 높게 뜨거나 껌뻑일 때 포토커플러(PC817) CTR까지 확인하기

어댑터나 가전제품의 스위칭 전원(SMPS)을 수리하다 보면 퓨즈도 멀쩡하고 1차측 스위칭 소자도 살아 있는데 출력 전압이 비정상인 경우를 만납니다. 출력이 규정보다 높게 뜨거나, 켜졌다 꺼지기를 반복하거나, 아예 출력이 나오지 않는 증상입니다. 이럴 때 1차측과 2차측 사이에서 출력 전압 정보를 전달하는 포토커플러(옵토커플러)가 점검 대상에 들어갑니다. 이 글에서는 흔히 쓰이는 PC817 계열을 예로 들어 포토커플러의 구조와 데이터시트 규격을 짚고, 멀티미터와 간단한 회로로 불량을 가려내는 순서를 정리합니다. 중간에는 CTR이 떨어질 때 SMPS 출력 전압이 얼마나 올라가는지, 그리고 간이 지그에서 CTR이 어떻게 읽히는지를 ngspice로 직접 시뮬레이션한 그래프와 계산표를 함께 넣었습니다.

포토커플러의 구조와 SMPS에서 하는 일

포토커플러는 전기적으로 분리된 두 회로 사이에서 적외선 빛으로 신호를 전달하는 부품입니다. 입력 쪽에는 적외선 LED가, 출력 쪽에는 포토트랜지스터가 한 패키지 안에 들어 있습니다. LED에 전류(IF)를 흘리면 빛이 나오고, 그 빛이 포토트랜지스터의 베이스 전류 역할을 해서 컬렉터 전류(IC)가 흐릅니다. 입력과 출력은 전기적으로 연결되어 있지 않기 때문에 고전압 쪽 회로가 저전압 쪽 회로에 영향을 주지 않도록 막아 줍니다.

이 부품을 점검할 때 핵심이 되는 값이 CTR(Current Transfer Ratio, 전류 전달비)입니다. CTR은 포토트랜지스터의 출력 전류를 LED 순방향 전류로 나눈 뒤 백분율로 나타낸 값입니다. 예를 들어 LED에 5mA를 흘렸을 때 컬렉터 전류가 4mA 흐르면 CTR은 80%입니다.

절연형 SMPS에서는 2차측 출력 전압을 분압 저항과 TL431 같은 션트 레귤레이터로 감시하고, 그 결과를 포토커플러를 거쳐 1차측 PWM 컨트롤러의 피드백(FB) 단자로 보냅니다. TI 애플리케이션 노트(SLVAF37)의 표에 따르면, TL431의 REF 전압이 VREF보다 높아지는 과도 상태(Transient)에서는 캐소드 전류(Ika)와 포토커플러 전류(I_opto)가 증가(Increased)하고 PWM 듀티(duty)는 줄어듭니다(Reduced). 반대로 REF가 VREF보다 낮아지면 포토커플러 전류가 감소하고 듀티가 넓어집니다. 즉 포토커플러는 출력 전압을 일정하게 유지하는 제어 루프의 한가운데에 있습니다.

데이터시트에서 확인할 규격 (PC817 기준)

판정 기준을 세우려면 먼저 데이터시트 값을 알아야 합니다. 아래 표는 Sharp PC817X 시리즈 데이터시트의 주요 항목을 정리한 것입니다. 조건은 모두 주위 온도 25℃ 기준입니다.

항목	조건	값
LED 순방향 전압(VF)	IF=20mA	typ 1.2V, max 1.4V
LED 역방향 전압 최대(VR)	절대 최대 정격	6V
LED 순방향 전류 최대(IF)	절대 최대 정격	50mA
CTR	IF=5mA, VCE=5V	최소 50%, 최대 600%
컬렉터-이미터 포화 전압	IF=20mA, IC=1mA	typ 0.1V, max 0.2V
컬렉터 암전류(ICEO)	VCE=50V, IF=0	max 100nA
컬렉터-이미터 항복 전압	IC=0.1mA, IF=0	min 80V
이미터-컬렉터 항복 전압	IE=10µA, IF=0	min 6V
절연 저항(RISO)	DC 500V	min 5×10¹⁰Ω
절연 전압(Viso)	AC 1분	5.0kV(rms)

핀 배치는 1번 애노드, 2번 캐소드, 3번 이미터, 4번 컬렉터입니다. CTR은 제품마다 편차가 커서 제조사는 CTR 범위별로 등급(랭크)을 나눠 판매하며, 부품 윗면에 랭크 기호가 인쇄됩니다. PC817의 경우 IF=5mA에서 컬렉터 전류가 2.5mA 이상이어야 규격을 만족하는데, 이것이 CTR 최소 50%에 해당합니다.

CTR은 시간이 지나면서 떨어집니다. Würth Elektronik의 수명 애플리케이션 노트에 따르면 LED 접합부의 열 스트레스가 발광량을 줄여 CTR을 직접 낮추며, 포토트랜지스터보다 LED 쪽이 열화에 더 취약합니다. Vishay의 FAQ 문서도 포토커플러 수명이 LED 순방향 전류, 장기간의 동작 온도, LED의 자연적인 열화에 따라 달라진다고 설명합니다. 발열이 심한 전원부 근처에서 오래 쓴 포토커플러라면 CTR 저하를 먼저 의심해 볼 만합니다.

고장 형태별로 나타나는 증상

포토커플러 불량은 크게 LED 쪽 불량, 포토트랜지스터 쪽 불량, 절연 파괴로 나눌 수 있습니다. 앞서 본 피드백 동작 방향을 기준으로 생각하면 증상을 예상할 수 있습니다.

• LED 단선 또는 CTR 심한 저하: 1차측으로 전달되는 피드백 전류가 줄어듭니다. 컨트롤러는 출력이 낮다고 판단하고 듀티를 넓히므로 출력 전압이 규정보다 올라가려 합니다. 과전압 보호 기능이 있는 컨트롤러라면 보호 동작으로 출력이 끊기거나 켜졌다 꺼지기를 반복할 수 있습니다.
• 포토트랜지스터 C-E 단락 또는 누설: LED가 꺼져 있어도 피드백 전류가 흐르는 것과 같은 상태가 됩니다. 컨트롤러는 출력이 충분하다고 판단해 듀티를 줄이므로 출력이 낮게 나오거나 거의 나오지 않을 수 있습니다.
• 절연 파괴: 1차측과 2차측이 부품 내부에서 연결됩니다. 2차측 저전압 회로와 사용자가 만지는 출력 단자 쪽으로 위험한 전압이 넘어올 수 있으므로 특히 위험한 고장입니다.

다만 FB 단자가 전류를 끌어내리는 방식인지 밀어 넣는 방식인지는 컨트롤러마다 다르기 때문에, 실제 증상 방향은 해당 컨트롤러 데이터시트로 확인해야 합니다. 또 같은 증상이 TL431이나 분압 저항 불량에서도 나타나므로 포토커플러만 바꾸기 전에 주변 부품도 함께 점검합니다. 위키백과의 SMPS 문서에서도 SMPS가 고장 나면 출력 전압이 매우 높아지는 방향으로 고장 날 수 있다고 설명합니다.

직접 시뮬레이션: CTR이 얼마나 떨어지면 출력이 올라가나

위에서 말한 ‘CTR이 떨어지면 출력이 올라간다’는 흐름이 어느 정도의 CTR에서 시작되는지 보려고, TL431과 PC817로 이루어진 피드백 루프를 단순한 동작 모델로 만들어 ngspice로 직접 시뮬레이션했습니다. 다른 조건은 그대로 두고 포토커플러의 CTR만 200%에서 2%까지 낮추면서 출력 전압이 어디에 자리 잡는지 계산한 것입니다.

가정은 5V 1A급 플라이백 어댑터입니다. 2차측은 출력을 10kΩ/10kΩ으로 나눠 TL431의 REF에 넣어 목표 전압이 4.99V(2 × 2.495V)가 되게 했고, 포토커플러 LED에는 470Ω 직렬 저항을, LED 양단에는 TL431의 최소 캐소드 전류를 확보하기 위한 1kΩ 바이어스 저항을 달았습니다. TL431은 캐소드 전압이 2.5V 아래로 내려가지 않는 전류 싱크로 단순화했습니다. 1차측은 FB 단자가 컨트롤러 내부에서 5V에 10kΩ으로 풀업되어 있고, 포토트랜지스터가 FB를 끌어내릴수록 스위칭 전류가 줄어드는 전류 모드 컨트롤러로 보았습니다. 전력단은 피크 전류 = (FB 전압 − 1.2V) ÷ 3 ÷ 2Ω(최대 0.5A), 전달 전력 = ½ × 1mH × 피크 전류² × 65kHz × 효율 0.8로 두었습니다. 이 값들은 특정 컨트롤러의 데이터시트 값이 아니라 동작 원리를 보기 위해 정한 가정입니다. 포토커플러는 IF=20mA에서 VF가 약 1.2V(Sharp PC817X 데이터시트의 typ 값)가 되도록 맞춘 LED와, IC = CTR × IF를 흘리는 트랜지스터로 모델링했습니다.

직접 시뮬레이션 결과 CTR 100%에서는 세 부하 모두 출력이 4.99V로 유지됐고, 이때 LED에 흐르는 전류는 부하 1A에서 0.12mA, 0.1A에서 0.30mA, 무부하에서 0.37mA에 그쳤습니다. 데이터시트의 CTR 측정 조건(IF=5mA)보다 훨씬 작은 전류로 루프가 돌아간다는 뜻입니다. CTR을 낮춰 가면 출력이 1%(5.04V) 오르기 시작하는 지점이 무부하 18.4%, 0.1A 14.8%, 1A 5.8%였고, CTR 5%에서는 출력이 무부하 7.53V, 0.1A 6.70V, 1A 5.14V까지 올라갔습니다.

부하가 가벼울수록 먼저 오르는 이유는 이렇습니다. 부하가 적으면 컨트롤러가 스위칭 전류를 거의 내지 않아야 하므로 FB 전압을 더 낮게 끌어내려야 하고, 그만큼 포토트랜지스터가 많은 전류를 흘려야 합니다. CTR이 약해진 포토커플러는 이 전류를 만들지 못해 출력이 목표보다 높은 곳에서 균형을 잡습니다. 그래서 CTR 저하가 의심되면 출력 전압을 부하를 연결한 상태와 무부하 상태에서 모두 재 봅니다. 부하를 걸었을 때 정상이고 무부하에서만 높게 뜬다면 이 경우에 해당할 수 있습니다. 실제 컨트롤러에 과전압 보호가 있다면 출력이 이렇게 오르는 도중에 보호가 동작해 출력이 끊기거나 껌뻑이는 증상으로 나타날 수 있는데, 이 모델에는 과전압 보호를 넣지 않았습니다.

필요한 최소 CTR은 FB 단자의 풀업 저항에 따라 달라집니다. 풀업 저항이 작으면 같은 FB 전압을 만들기 위해 더 많은 전류를 끌어내려야 하기 때문입니다. 위와 같은 가정에서 출력 4.99V를 유지하는 데 필요한 최소 CTR을 직접 계산하면 아래와 같습니다. 출력 4.99V에서 LED에 흘릴 수 있는 최대 전류는 1.92mA로 계산됐고, 최소 CTR = 필요한 컬렉터 전류 ÷ 이 최대 전류입니다.

FB 풀업 저항(가정)	부하 1A	부하 0.1A	무부하
4.7kΩ	13.0%	32.8%	40.5%
10kΩ (시뮬레이션과 같음)	6.1%	15.4%	19.0%
20kΩ	3.0%	7.7%	9.5%

10kΩ에서 계산한 19.0%, 15.4%, 6.1%는 시뮬레이션에서 출력이 오르기 시작한 CTR과 가깝습니다(시뮬레이션은 1% 오른 지점이라 조금 낮게 나옵니다). 풀업이 4.7kΩ인 회로라면 무부하에서 40.5%가 필요하므로, 데이터시트의 최소 규격(50%)을 만족하는 부품이라도 여유가 크지 않습니다. 또 이 모델은 CTR을 상수로 두었지만, 데이터시트의 CTR–IF 특성 그래프에서는 IF가 작아질수록 CTR이 낮아지는 경향이 있어서, 위처럼 1mA 아래에서 동작하는 루프의 실제 여유는 계산보다 작을 수 있습니다. 반대로 회로마다 풀업 저항과 LED 쪽 저항이 달라서, 지그에서 잰 CTR이 규격 하한을 조금 밑돈다고 해서 그 보드에서 반드시 출력 이상이 생기는 것도 아닙니다. 그래서 CTR 값 하나로 판정하기보다 아래 지그에서 새 부품과 나란히 비교하는 방법을 함께 씁니다.

이 모델은 직류 동작점만 계산한 것으로 스위칭 리플, 루프 보상, 과도 응답, 과전압 보호, 온도에 따른 CTR 변화는 반영하지 않았습니다. 곡선 모양과 수치는 원리를 확인하는 용도로 보시기 바랍니다. 시뮬레이션에 쓴 넷리스트입니다.

* TL431 + PC817 피드백 루프 직류 동작 모델(5V 1A 플라이백 어댑터를 가정, 직접 작성)
*  2차측: 출력 out -> 분압 10k/10k -> TL431 REF(목표 2 × 2.495V = 4.99V)
*         out -> Rled 470Ω -> LED 애노드, LED 캐소드 -> TL431 캐소드, LED 양단에 바이어스 저항 1kΩ
*  TL431: 캐소드 전압이 2.5V 아래로는 내려가지 않는 전류 싱크로 단순화(이득 10A/V)
*  1차측: FB 단자는 컨트롤러 내부에서 5V에 10kΩ으로 풀업(가정), 포토트랜지스터가 FB를 끌어내림
*  전력단(동작 모델): 전류 모드 컨트롤러, 피크 전류 Ipk = (VFB - 1.2V) / 3 / Rcs, Rcs 2Ω, 최대 0.5A
*         DCM 플라이백 전달 전력 P = 0.5 × Lp × Ipk² × fs × 효율, Lp 1mH, fs 65kHz, 효율 0.8
*  부하 세 가지: 1A(5Ω), 0.1A(50Ω), 무부하(분압 저항만)
*  CTR은 VCTR(1V = 100%)로 주고 20%에서 2%까지 내린다. 스위칭 리플과 과도 응답은 다루지 않는다
* 포토커플러 동작 모델(직접 작성, PC817 실제 SPICE 모델 아님)
*  LED: IF=20mA에서 VF 약 1.2V(Sharp PC817X 데이터시트 typ 값)가 되도록 맞춘 다이오드
*  포토트랜지스터: IC = CTR × IF 전류원. VCE가 0.1V 근처로 내려가면 전류가 줄어드는 포화 근사
*  CTR은 노드 g의 전압(1V = 100%)으로 주며, IF·VCE·온도에 따라 변하지 않는 상수로 가정
.model DLED D(IS=1.7p N=2 RS=1)
.subckt OPTO a k c e g
VS a x 0
D1 x k DLED
H1 n 0 VS 1
R0 n 0 1G
BC c e I = max(v(g),0)*max(v(n),0)*(1-exp(-max(v(c,e),0)/0.05))
.ends
VCTR g 0 DC 1
VDD v5 0 DC 5
.subckt LOOP out fb g
R1 out ref 10k
R2 ref 0 10k
RLED out a 470
RB a kk 1k
XO a kk fb 0 g OPTO
BT kk 0 I = max(0, min(10*(v(ref)-2.495), 0.2*(v(kk)-2.5)))
BP 0 out I = 0.8*0.5*1m*65k*(min(0.5, max(0, v(fb)-1.2)/6))^2/max(v(out), 0.5)
.ends
* 1A 부하
RF1 v5 fb1 10k
X1 o1 fb1 g LOOP
RL1 o1 0 5
* 0.1A 부하
RF2 v5 fb2 10k
X2 o2 fb2 g LOOP
RL2 o2 0 50
* 무부하
RF3 v5 fb3 10k
X3 o3 fb3 g LOOP
RL3 o3 0 1G
* 첫 동작점은 소스 스테핑으로 찾는다(gmin 스테핑 생략)
.options gminsteps=0
.dc VCTR 2 0.02 -0.002
* CTR 100%(정상 부품)일 때 동작점
.meas dc vo1_100 FIND v(o1) AT=1
.meas dc vo2_100 FIND v(o2) AT=1
.meas dc vo3_100 FIND v(o3) AT=1
.meas dc vfb1_100 FIND v(fb1) AT=1
.meas dc vfb2_100 FIND v(fb2) AT=1
.meas dc vfb3_100 FIND v(fb3) AT=1
.meas dc if1_100 FIND i(v.x1.xo.vs) AT=1
.meas dc if2_100 FIND i(v.x2.xo.vs) AT=1
.meas dc if3_100 FIND i(v.x3.xo.vs) AT=1
* 출력이 1% 올라가기 시작하는 CTR(5.04V)
.meas dc ctr_rise1 FIND v(g) WHEN v(o1)=5.04 RISE=1
.meas dc ctr_rise2 FIND v(g) WHEN v(o2)=5.04 RISE=1
.meas dc ctr_rise3 FIND v(g) WHEN v(o3)=5.04 RISE=1
* CTR별 출력 전압
.meas dc vo1_20 FIND v(o1) AT=0.2
.meas dc vo2_20 FIND v(o2) AT=0.2
.meas dc vo3_20 FIND v(o3) AT=0.2
.meas dc vo1_10 FIND v(o1) AT=0.1
.meas dc vo2_10 FIND v(o2) AT=0.1
.meas dc vo3_10 FIND v(o3) AT=0.1
.meas dc vo1_5 FIND v(o1) AT=0.05
.meas dc vo2_5 FIND v(o2) AT=0.05
.meas dc vo3_5 FIND v(o3) AT=0.05
.meas dc vo1_3 FIND v(o1) AT=0.03
.meas dc vo2_3 FIND v(o2) AT=0.03
.meas dc vo3_3 FIND v(o3) AT=0.03
.meas dc if3_5 FIND i(v.x3.xo.vs) AT=0.05
.meas dc if3_20 FIND i(v.x3.xo.vs) AT=0.2
.meas dc vfb3_5 FIND v(fb3) AT=0.05

측정 전 안전 수칙

포토커플러의 입력 쪽은 2차측이지만 출력 쪽은 1차측, 즉 상용 전원과 연결된 고전압 회로에 붙어 있습니다. 위키백과 SMPS 문서에 따르면 메인 평활 커패시터는 입력 전원을 뽑은 뒤에도 오랫동안 최대 325V를 저장하고 있을 수 있습니다. 플러그를 뽑은 뒤 이 전압이 방전 경로 저항에 따라 얼마나 천천히 떨어지는지는 브리지 정류기 점검 글에서 직접 계산해 두었습니다.

• 전원 플러그를 뽑은 뒤 1차측 평활 커패시터 양단 전압을 멀티미터 DC 전압 레인지로 직접 재고, 충분히 방전된 것을 확인한 뒤에 부품을 만집니다.
• 방전은 드라이버로 단자를 단락시키지 말고 저항을 통해 천천히 합니다.
• 통전 상태 측정이 꼭 필요하다면 1차측과 2차측의 접지가 서로 다르다는 점을 기억하고, 측정 장비 접지를 어느 쪽에 물리는지 확인합니다.
• 절연 파괴가 의심되는 부품은 2차측 출력에 고전압이 걸려 있을 수 있으므로 출력 단자도 전압부터 확인합니다.

멀티미터로 단품 판별하는 순서

기판에 실장된 상태에서는 주변 저항과 커패시터가 병렬로 걸려 측정값이 흔들리므로, 정확히 판별하려면 부품을 떼어 내고 단품으로 측정합니다. PC817 기준으로 다음 순서를 따릅니다.

• 1단계, LED 확인(1-2번): 멀티미터 다이오드 테스트(Diode Test) 모드에서 빨간 리드를 애노드(anode, 1번), 검은 리드를 캐소드(cathode, 2번)에 대면 순방향 바이어스(forward-biased) 상태가 되어 전압 강하(voltage drop)가 표시됩니다. 리드를 반대로 대는 역방향 바이어스(reverse-biased)에서는 정상 다이오드라면 OL이 표시됩니다. 단선된(opened) 다이오드는 양방향(both directions) 모두 OL로 표시되고, 단락된(shorted) 다이오드는 양방향에서 같은 전압 강하 값(same voltage drop reading)이 나옵니다. 참고로 LED의 VF는 흐르는 전류와 온도에 따라 달라지므로, 데이터시트의 1.2V는 IF=20mA 조건의 값이라는 점을 감안해 읽습니다. 다이오드 모드의 시험 전류에서 부품별로 어떤 값이 표시되는지는 다이오드 모드 표시값 시뮬레이션에 정리했습니다.
• 2단계, 포토트랜지스터 확인(4-3번): LED에 전류가 흐르지 않을 때 컬렉터 암전류는 VCE=50V 조건에서도 최대 100nA로 규정되어 있습니다. 따라서 저항 레인지에서 뚜렷한 저항값이 읽힌다면 누설이나 단락을 의심합니다.
• 3단계, 절연 확인: 입력 핀(1·2번)과 출력 핀(3·4번) 사이를 가장 높은 저항 레인지로 잽니다. 데이터시트의 절연 저항 최소값이 5×10¹⁰Ω이므로 일반 멀티미터에서는 OL이 나와야 정상입니다.

이 세 단계를 통과해도 CTR이 낮아진 부품은 걸러지지 않습니다. 다이오드 모드는 LED가 켜지는지만 알려 줄 뿐 빛이 얼마나 약해졌는지는 알려 주지 않기 때문입니다. 그래서 CTR을 직접 재는 단계가 필요합니다.

간이 회로로 CTR 측정하기

데이터시트의 CTR 조건은 IF=5mA, VCE=5V입니다. 5V 전원과 저항 몇 개로 비슷한 조건을 만들 수 있습니다.

• 입력 쪽: 5V → 750Ω → 1번(애노드), 2번(캐소드) → GND로 연결하면 IF는 (5V − VF) ÷ 750Ω으로 약 5mA가 됩니다. 실제 IF는 전류계로 확인하는 것이 정확합니다.
• 출력 쪽: 5V → 100Ω 보호 저항 → 전류계 → 4번(컬렉터), 3번(이미터) → GND로 연결하고 컬렉터 전류를 읽습니다.
• CTR(%) = IC ÷ IF × 100으로 계산합니다. PC817이라면 50% 이상이어야 하고, 부품에 인쇄된 랭크 범위와도 비교합니다.

이 간이 회로는 정밀 측정용이 아니므로 새 부품과 의심 부품을 같은 회로에서 비교하는 용도로 쓰면 판단이 쉬워집니다. 새 부품보다 컬렉터 전류가 뚜렷하게 적게 나오면 LED 열화로 CTR이 떨어진 것으로 봅니다. 다만 아래 시뮬레이션처럼 트랜지스터 쪽 부하 저항이 크면 그 차이가 가려질 수 있습니다.

직접 시뮬레이션: 지그에서 읽히는 컬렉터 전류와 부하 저항

위 지그로 CTR을 읽을 때 컬렉터 전류가 어떻게 나오는지 ngspice로 직접 시뮬레이션했습니다. 피드백 시뮬레이션과 같은 포토커플러 모델에 CTR을 50%·100%·200%·400%로 주고, LED 쪽 전원을 0V에서 22V까지 올려 IF를 바꿨습니다. 트랜지스터 쪽 부하 저항은 본문의 100Ω과, 비교를 위해 1kΩ을 넣은 경우 두 가지입니다. 직렬 저항으로 전류를 정해 놓고 재는 방식은 제너 전압을 직렬 저항 회로로 실측하는 방법과 같습니다.

본문대로 전원 5V에 750Ω을 쓰면 시뮬레이션의 IF는 5.15mA(LED 양단 1.13V)입니다. 이때 100Ω 지그의 컬렉터 전류는 CTR 50%에서 2.58mA, CTR 100%에서 5.15mA, 200%에서 10.31mA, 400%에서 20.62mA로 CTR에 그대로 비례했고, 컬렉터-이미터 전압은 4.74V에서 2.94V 사이로 포화와는 거리가 멀었습니다. 이 조건에서는 IC ÷ IF가 곧 CTR이라는 뜻입니다. 데이터시트의 측정 조건은 VCE=5V이고 지그의 VCE는 그보다 낮지만, 이 모델은 VCE에 따른 CTR 변화를 넣지 않았으므로 그 차이는 반영되지 않았습니다.

부하를 1kΩ으로 바꾸면 결과가 달라집니다. 5V ÷ 1kΩ 근처에서 전류가 막혀, CTR 100%·200%·400%가 각각 4.86mA, 4.97mA, 4.99mA로 거의 같게 읽혔고, 컬렉터-이미터 전압은 0.14V 이하로 포화 상태였습니다. 이렇게 되면 CTR 400%인 부품과 CTR 100%로 떨어진 부품을 구분할 수 없습니다. VCE 0.3V까지를 포화 전 범위로 보고 직접 계산하면, 같은 IF에서 부하 1kΩ은 CTR 91%, 470Ω은 194%까지만 읽을 수 있고, 데이터시트 최대값인 600%까지 읽으려면 부하 저항이 152Ω 이하여야 합니다. 그래서 지그로 잴 때는 컬렉터-이미터 전압도 함께 확인하고, 0.3V 근처까지 내려가 있다면 그 전류값은 CTR이 아니라 부하 저항이 정한 상한이므로 부하 저항을 줄이거나 IF를 낮춰 다시 잽니다.

읽은 전류는 부품 윗면의 랭크와 비교합니다. Sharp PC817X 데이터시트의 랭크별 CTR 범위(IF=5mA, VCE=5V)를 이 지그의 IF 5.15mA에 곱해 예상 컬렉터 전류를 직접 계산하면 다음과 같습니다.

랭크 표시	CTR 범위(Sharp PC817X 데이터시트)	지그에서 예상 IC(직접 계산)
A	80%~160%	4.12mA ~ 8.25mA
B	130%~260%	6.70mA ~ 13.40mA
C	200%~400%	10.31mA ~ 20.62mA
D	300%~600%	15.46mA ~ 30.92mA
표시 없음	50%~600%	2.58mA ~ 30.92mA

예를 들어 랭크가 C로 인쇄된 부품인데 컬렉터 전류가 10.31mA보다 적다면 출고 당시 랭크 하한(200%)보다 CTR이 낮아진 것이고, 랭크와 상관없이 2.58mA(50%)에 못 미치면 데이터시트 최소 규격을 벗어난 것입니다. 다만 위 피드백 시뮬레이션에서 본 것처럼 회로가 실제로 필요로 하는 CTR은 회로마다 다르므로, 같은 랭크의 새 부품을 같은 지그에 꽂아 나란히 비교하면 판단이 훨씬 분명해집니다.

이 모델은 CTR을 IF, VCE, 온도와 무관한 상수로 둔 단순 모델입니다. 실제 PC817의 CTR은 IF와 주위 온도에 따라 달라지므로, 새 부품과 의심 부품은 같은 지그, 같은 전원, 비슷한 온도에서 비교합니다. 시뮬레이션에 쓴 넷리스트입니다.

* PC817 CTR 간이 측정 지그(본문 회로)
*  LED 쪽: 전원 VA -> 750Ω -> 1번(애노드), 2번(캐소드) -> GND. 본문 지그는 VA = 5V
*  트랜지스터 쪽: 5V -> 부하 저항 -> 4번(컬렉터), 3번(이미터) -> GND
*  부하 저항은 본문의 100Ω과, 비교용으로 1kΩ을 넣은 경우. CTR 50%, 100%, 200%, 400% 네 가지
* 포토커플러 동작 모델(직접 작성, PC817 실제 SPICE 모델 아님)
*  LED: IF=20mA에서 VF 약 1.2V(Sharp PC817X 데이터시트 typ 값)가 되도록 맞춘 다이오드
*  포토트랜지스터: IC = CTR × IF 전류원. VCE가 0.1V 근처로 내려가면 전류가 줄어드는 포화 근사
*  CTR은 노드 g의 전압(1V = 100%)으로 주며, IF·VCE·온도에 따라 변하지 않는 상수로 가정
.model DLED D(IS=1.7p N=2 RS=1)
.subckt OPTO a k c e g
VS a x 0
D1 x k DLED
H1 n 0 VS 1
R0 n 0 1G
BC c e I = max(v(g),0)*max(v(n),0)*(1-exp(-max(v(c,e),0)/0.05))
.ends
VA va 0 DC 5
VI va a0 0
RA a0 an 750
VCC vcc 0 DC 5
VG1 g1 0 0.5
VG2 g2 0 1
VG3 g3 0 2
VG4 g4 0 4
* LED 쪽은 8개가 같은 회로라서 각각 750Ω을 따로 둔다(전류는 i(VI)와 같음)
X1 an 0 c1 0 g1 OPTO
RA2 va an2 750
X2 an2 0 c2 0 g2 OPTO
RA3 va an3 750
X3 an3 0 c3 0 g3 OPTO
RA4 va an4 750
X4 an4 0 c4 0 g4 OPTO
RA5 va an5 750
X5 an5 0 c5 0 g1 OPTO
RA6 va an6 750
X6 an6 0 c6 0 g2 OPTO
RA7 va an7 750
X7 an7 0 c7 0 g3 OPTO
RA8 va an8 750
X8 an8 0 c8 0 g4 OPTO
* 부하 100Ω(본문 지그)
VM1 vcc m1 0
RL1 m1 c1 100
VM2 vcc m2 0
RL2 m2 c2 100
VM3 vcc m3 0
RL3 m3 c3 100
VM4 vcc m4 0
RL4 m4 c4 100
* 부하 1kΩ(비교용)
VM5 vcc m5 0
RL5 m5 c5 1k
VM6 vcc m6 0
RL6 m6 c6 1k
VM7 vcc m7 0
RL7 m7 c7 1k
VM8 vcc m8 0
RL8 m8 c8 1k
.dc VA 0 22 0.01
* 본문 지그 그대로(VA = 5V)일 때
.meas dc if_5v FIND i(VI) AT=5
.meas dc vf_5v FIND v(an) AT=5
.meas dc ic50_5v FIND i(VM1) AT=5
.meas dc ic100_5v FIND i(VM2) AT=5
.meas dc ic200_5v FIND i(VM3) AT=5
.meas dc ic400_5v FIND i(VM4) AT=5
.meas dc vce50_5v FIND v(c1) AT=5
.meas dc vce100_5v FIND v(c2) AT=5
.meas dc vce200_5v FIND v(c3) AT=5
.meas dc vce400_5v FIND v(c4) AT=5
.meas dc ic50_1k_5v FIND i(VM5) AT=5
.meas dc ic100_1k_5v FIND i(VM6) AT=5
.meas dc ic200_1k_5v FIND i(VM7) AT=5
.meas dc ic400_1k_5v FIND i(VM8) AT=5
.meas dc vce50_1k_5v FIND v(c5) AT=5
.meas dc vce100_1k_5v FIND v(c6) AT=5
.meas dc vce200_1k_5v FIND v(c7) AT=5
.meas dc vce400_1k_5v FIND v(c8) AT=5
* 모델 확인: IF 20mA일 때 VF
.meas dc va_20m WHEN i(VI)=20m RISE=1
.meas dc vf_20m FIND v(an) WHEN i(VI)=20m RISE=1
* 부하 100Ω에서 CTR 400%가 포화에 들어가는 IF(VCE 0.3V)
.meas dc if_sat400 FIND i(VI) WHEN v(c4)=0.3 FALL=1
.meas dc if_sat200 FIND i(VI) WHEN v(c3)=0.3 FALL=1

교체 부품 고를 때 주의할 점

• 같은 품번을 우선으로 하고, 대체품이라면 핀 배치(애노드·캐소드·컬렉터·이미터 순서)를 반드시 데이터시트로 대조합니다.
• CTR 랭크를 맞춥니다. TI 노트는 피드백 회로에서 포토트랜지스터가 선형 영역에서 동작해야 하며, CTR 편차가 좁은 부품이 중요하고 온도와 수명에 따른 변화도 고려해야 한다고 설명합니다.
• 절연 전압 규격이 원래 부품 이상인지 확인합니다. 안전 인증이 필요한 부위이므로 규격이 낮은 부품으로 바꾸면 안 됩니다.
• 납땜 시 PC817 데이터시트의 납땜 온도 정격은 260℃, 10초입니다. 인두를 핀에 오래 대고 있지 않도록 합니다.

자주 묻는 질문

Q. 다이오드 모드에서 LED가 정상으로 나오면 포토커플러는 정상인가요?

그렇지 않습니다. 다이오드 모드는 LED의 단선·단락만 확인할 수 있고 발광량 저하는 알 수 없습니다. 출력 전압 이상이 계속된다면 CTR을 측정하거나 새 부품과 비교해 봐야 합니다.

Q. PC817 대신 CTR이 더 높은 랭크를 달아도 되나요?

CTR이 바뀌면 피드백 루프의 이득이 바뀌어 동작이 달라질 수 있습니다. 가능하면 원래 부품과 같은 랭크를 쓰고, 다른 랭크를 쓴다면 교체 후 무부하와 부하 상태에서 출력 전압이 안정적인지 반드시 확인합니다.

Q. 베이스 단자가 따로 있는 포토커플러는 어떻게 다루나요?

Vishay FAQ에 따르면 베이스 단자는 CTR과 스위칭 속도에 영향을 주는 민감한 단자이며, 쓰지 않을 때는 높은 값의 저항으로 접지하는 편이 잡음 유입을 줄이는 데 좋습니다. 교체할 때는 핀 기능이 같은 부품인지 데이터시트로 확인합니다.

정리

포토커플러는 SMPS 출력 전압을 일정하게 유지하는 피드백 루프의 연결 고리입니다. LED가 끊기거나 약해지면 출력이 올라가는 방향으로, 포토트랜지스터가 새면 출력이 낮아지는 방향으로 증상이 나타나기 쉽습니다. 판별은 방전 확인 → 부품 탈거 → LED 다이오드 모드 → C-E 개방 확인 → 입출력 절연 확인 → CTR 비교 순서로 진행하면 됩니다. 직접 시뮬레이션한 모델에서는 CTR 저하가 무부하·경부하에서 먼저 출력 상승으로 나타났으므로, 출력 전압은 부하를 건 상태와 무부하 상태에서 모두 재 봅니다. 교체할 때는 핀 배치, CTR 랭크, 절연 규격을 원래 부품과 맞추고, 같은 증상을 만드는 TL431과 분압 저항도 함께 점검하는 것이 좋습니다.