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OPTOACOPLADORES MG. ING. MARIO O. MUOZ
ELECTRNICA DE POTENCIA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN JUAN
FACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO DE ELECTRNICA Y AUTOMTICA
INGENIERA ELECTRNICA
2011
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Optoacopladores Mg. Ing Mario O. Muoz C. 2011
OPTOACOPLADORES DEFINICIN
Un optoacoplador, tambin denominado opto-aislador, es un componente electrnico que transfiere una seal elctrica entre dos circuitos elctricamente aislados.
Est formado por un diodo LED infrarrojo que est pticamente alineado con un dispositivo semiconductor sensible a la luz, todo dentro de un mismo encapsulado. El dispositivo receptor puede ser un foto-diodo, un foto-transistor, un foto-tiristor, etc.
Funciones de los optoacopladores
Aislar galvnicamente una seccin de circuito de otra, cada una con diferentes referencias de tensin y posibilitar la transmisin de informacin de una parte hacia la otra.
Prevenir que el ruido elctrico u otro transitorio de tensin que pudiera existir en una seccin del circuito, pueda interferir con otra seccin, cuando ambas secciones tienen una referencia de tensin comn.
Respuesta espectral del silicio
Se utilizan diodos LED infrarrojos debido a que los foto-detectores de silicio tienen una respuesta espectral con un pico de sensibilidad en la longitud de onda del infrarrojo (entre 800 y 950 nm), como se muestra en la Figura 1. Para conseguir la mxima transferencia de seal, deben aparearse los diodos LED con los fotoreceptores utilizados.
Existen diferentes clases de optoacopladores con caractersticas especficas que condicionan la conveniencia de su utilizacin en cada aplicacin particular. El tipo ms simple de optoacoplador es el optoacoplador con salida del tipo fotodiodo. Generalmente la salida de este tipo de optoacoplador es conectada a un amplificador (o serie de amplificadores), para aumentar el bajo nivel de salida de los fotodiodos a un nivel de seal ms alto.
Res
pues
ta re
lativ
a [%
]
Longitud de onda [nm]
Figura 1: Curva de respuesta espectral del silicio
Caractersticas constructivas
Como ya se dijo, la seccin de entrada de un optoacoplador es un diodo LED infrarrojo. Este LED est separado del fotodiodo de salida por una pelcula aislante transparente muy fina (mylar o mica) impregnada en silicona. Este conjunto se coloca dentro de un encapsulado hermtico de resina epoxy opaca. El encapsulado ms utilizado es el tipo DIP (Dual-In-line Package), aunque en la actualidad se estn imponiendo los encapsulados de montaje superficial. En la Figura 2 se muestra un corte esquemtico y el smbolo elctrico de un optoacoplador con salida del tipo fotodiodo.
Electrnica de Potencia 2
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Optoacopladores Mg. Ing Mario O. Muoz C. 2011
nodoEmisor
nodo
Ctodo
Ctodo
Entrada Salida
nodoEmisor
nodo
Ctodo
Ctodo
Detector
Salida Entrada
Encapsulado epoxi Encapsulado epoxi EmisorEmisor
Detector
Figura 2: Corte esquemtico y esquema elctrico de un optoacoplador
Principio de operacin
Cuando se aplica una tensin que polariza directamente el diodo LED, circula por este una corriente de entrada IIN, la cual es limitada por una resistencia RS conectada en serie. Esta corriente produce la emisin infrarroja que incide sobre el dispositivo fotosensible de salida, activndolo.
Salida del tipo fotodiodo
Cuando incide luz infrarroja sobre el fotodiodo de la Figura 3, por efecto fotovoltaico se produce una tensin sobre sus terminales, y debido a que el circuito est cerrado, se producir una corriente de salida IL o IOUT, la cal circula por el diodo y la resistencia de carga RL conectada en los terminales del optoacoplador. Esta corriente producir una cada de tensin VL sobre la resistencia de carga RL: VL = IOUT x RL.
Figura 3: Optoacoplador con salida tipo fotodiodo
Si la seal de entrada VIN vara, vara la intensidad infrarroja emitida, por lo que vara la corriente de salida IL y por ende tambin vara la tensin de salida VL. Dicho de otra manera, si aumenta la tensin de entrada, aumenta la corriente de salida. Esta caracterstica de este tipo de optoacoplador permite que pueda utilizarse para transmitir seales analgicas de bajo nivel con distorsin baja o nula, aunque en la actualidad prcticamente no se lo utilice para este tipo de seales debido a su alinealidad y pequeo rango dinmico.
Relacin de transferencia de corriente
Se denomina as a la relacin entre la corriente de salida y la de entrada de un optoacoplador y se designa por la sigla CTR (Current Transfer Ratio). Es similar a la ganancia de corriente de un amplificador, pero con la salvedad de que entrada y salida estn elctricamente desacopladas.
OUT
IN
ICTR
I= ; % 100OUT
IN
ICTR
I=
Electrnica de Potencia 3
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Electrnica de Potencia 4
La tensin de salida VL (y por lo tanto la corriente IL) de un optoacoplador con salida del tipo fotodiodo es bastante baja, por lo que generalmente debe conectarse a un amplificador para incrementar su amplitud a un nivel adecuado. El CTR de un optoacoplador con salida del tipo fotodiodo es menor que 1, tpicamente del orden del 10 al 15 %.
En las aplicaciones actuales de optoacopladores, el parmetro CTR ha dejado de ser importante. Actualmente se utilizan otros parmetros de la etapa de salida como corriente mxima, mxima tensin de alimentacin, frecuencia de trabajo, etc.
Tipos de salida
La seccin de entrada de todos los optoacopladores utilizados en la transmisin de seales digitales es un diodo LED infrarrojo, sin embargo, la seccin de salida puede ser de clases muy diferentes, dependiendo de los requerimientos de la aplicacin particular. El principio bsico de operacin es el mismo, independientemente del tipo particular de salida utilizado. Los tipos de salida ms comunes son los siguientes:
Salida tipo fototransistor
Debido a que el CTR de un optoacoplador con salida tipo fotodiodo es muy bajo (10 al 15 %), una mejora muy utilizada consiste en reemplazar el fotodiodo de salida por un transistor bipolar de silicio. En la Figura 4 se muestra el esquema de este tipo de optoacoplador. En este caso, el transistor bipolar con su ganancia de corriente , proporciona un valor de CTR considerablemente mayor (entre el 50 y el 100%), dependiendo del del foto-transistor utilizado. El terminal de base del transistor de salida no siempre est disponible externamente, dependiendo del optoacoplador en particular. Si est presente, puede utilizarse para aumentar la sensibilidad, conectndolo a una tensin positiva, o para reducirla si se lo conecta a una tensin menor que la del emisor. Tambin puede dejarse sin conectar o flotante.
Figura 4: Optoacoplador con salida tipo transistor
Salida tipo foto-darlington
Si es necesario un valor de CTR mayor al proporcionado por la salida tipo foto transistor, al fototransistor bipolar de salida puede agregrsele un segundo transistor en configuracin Darlington. Este tipo de optoacoplador se muestra en la Figura 5.
Figura 5: Optoacoplador con salida Darlington
Emisor
BaseColector
Emisor
nodo
Ctodo
Detector
Emisor
Base Colector
Entr
ada
Emisor
nodo
Ctodo
Salid
a
Detector
Entr
ada
Salid
a
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Electrnica de Potencia 5
En los circuitos de las Figuras 4 y 5, la corriente de salida IC del transistor bipolar o del Darlington de salida producir una cada de tensin VL sobre una resistencia de carga RL. Esta cada de tensin ser el producto de la corriente de salida IC y de la resistencia de carga RL.
Este optoacoplador puede hacerse funcionar en forma lineal, dependiendo de la tensin de polarizacin directa aplicada a la base del transistor.
Optoacoplador con salida tipo tiristor
En este caso, la seccin de salida del optoacoplador es un fototiristor, el cual consiste en un tiristor en el que la compuerta se dispara de forma ptica. Como en el caso de los optoacopladores con salidas del tipo fototransistor o foto-Darlington, la conexin externa del terminal de compuerta se utiliza para sensibilizar o desensibilizar el tiristor de salida. Este tipo de optoacoplador se muestra en la Figura 6. Tambin existen en el mercado optoacopladores con salida del tipo fototriac. Tanto los de salida del tipo fototiristor o fototriac pueden tener anexado un circuito auxiliar que detecta el cruce por cero de la tensin y produce el disparo del elemento de salida en ese instante, o no. A esta familia de optoacopladores pertenece la serie MOC.
Figura 6: Optoacoplador con salida tipo tiristor
Optoacoplador ranurado
El optoacoplador ranurado est disponible con salidas del tipo foto-transistor y foto-Darlington y con el encapsulado que se muestra en la Figura 7. El encapsulado tiene una ranura entre las secciones de emisor y detector de aproximadamente 3 mm de ancho, aunque tambin es posible conseguir este tipo de optoacopladores con ranuras mas anchas. Un ejemplo de este optoacoplador es la familia H21L de Fairchild.
Figura 7: Encapsulado y smbolo de optoacoplador ranurado
Aplicaciones
Este tipo de optoacoplador puede utilizarse en diferentes aplicaciones de control en las que sea necesario detectar la presencia de objetos en determinadas posiciones, como por ejemplo fines de carrera, sensores de posiciones de referencia, etc. Su principio de funcionamiento se basa en la
Compuerta nodo
Emisor
nodo
Ctodo Ctodo
Entrada Salida
Detector
nodo EmisorCtodo Colector
Marca de pata 1
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Electrnica de Potencia 6
interrupcin del haz infrarrojo que acopla las dos secciones del optoacoplador por la insercin de algn objeto opaco delgado en la ranura. Otra aplicacin comn de los optoacopladores ranurados es en sensores de velocidad y/o posicin en ejes rotantes, en dispositivos como el mostrado en la Figura 8.
Figura 8: Aplicacin del optoacoplador ranurado
Si un disco opaco delgado con perforaciones o cortes en su borde externo es colocado de la manera indicada en la Figura 8, el haz infrarrojo ser interrumpido y liberado alternadamente cuando gira el disco, generando una secuencia de pulsos en el fototransistor de salida. Si estos pulsos son medidos y referidos a una base de tiempo precisa, es posible obtener la velocidad angular del disco, o puede determinarse la posicin relativa del disco con la precisin que permita la cantidad de ranuras o perforaciones del mismo.
Optoacoplador reflectivo
Este tipo de optoacopladores tiene el emisor y el receptor en un mismo plano, y ambos son visibles desde el exterior, de acuerdo a lo indicado en el esquema de la Figura 9.
Figura 9: Esquema constitutivo de un optoacoplador reflectivo
Un uso tpico de este tipo de optoacoplador es para detectar la presencia (o ausencia) de elementos que reflejen la radiacin infrarroja que emite el LED, como por ejemplo hojas de papel blanco, hojas metalizadas, etc. La salida es del tipo foto-transistor o foto-Darlington.
Otros tipos de optoacopladores
Adems de los optoacopladores descriptos anteriormente, existen otras muchas variantes en su seccin de foto-deteccin, algunos de estos se muestran en la Figura 10.
Optoacoplador ranurado
Disco
Eje
Haz infrarrojo
nodoEmisor
Ctodo Colector Marca del colector
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Electrnica de Potencia 7
Figura 10: Diferentes configuraciones de salida
Adems de los optoacopladores con salidas como las indicadas en la Figura 10, existen otros con salidas especficas para el manejo de semiconductores de potencia, con caractersticas especiales como elevada corriente de salida (2 A o ms), alta frecuencia de trabajo y muy baja dispersin de los valores de los tiempos de conmutacin.
Estas caractersticas de salida permiten su utilizacin para el disparo de transistores MOSFET de potencia o de IGBT, con frecuencias de conmutacin elevadas y conectados en configuracin puente.
Consideraciones generales sobre el funcionamiento
A pesar de que pueden utilizarse para transmitir seales del tipo analgico, su utilizacin para este tipo de seales es muy poco frecuente, debido fundamentalmente a su alinealidad. Por este motivo, se utilizan principalmente para la transmisin de seales digitales. Los parmetros elctricos de la seccin de entrada son los que corresponden a un diodo LED infrarrojo, debindose respetar los parmetros mximos de este tipo de diodo: corriente mxima en conduccin y tensin de bloqueo mxima, adems de los parmetros concernientes a la velocidad.
Para la etapa de salida, dependiendo del tipo de salida que se utilice, debern respetarse las condiciones de funcionamiento de acuerdo al elemento que corresponda y a las especificaciones de la hoja de datos del fabricante.
Optoacopladores lineales
Existe tambin una familia de optoacopladores que el fabricante denomina optoamplificadores, que se comportan como optoacopladores lineales, con un conexionado similar al de un amplificador operacional, con la salvedad de tener salida doble (balanceada), ganancia fija y obviamente aislacin galvnica entre entrada y salida. El funcionamiento interno es bastante ms complicado que el de los optoacopladores comunes, ya que para asegurar la linealidad en un rango amplio de la tensin de entrada, en la etapa de entrada se coloca un conversor A/D que transforma esta seal analgica en digital para luego transmitirla en forma serie de alta velocidad a travs de un LED infrarrojo hacia la etapa de salida, donde existen un conversor D/A, un amplificador y un filtro pasabajos que regeneran y amplifican la seal antes de enviarla a la salida. A este tipo de optoacopladores pertenece la familia HCPL 7800 de la marca Avago (ex Hewlett-Packard, ex Agilent).
Dentro de esta misma familia tambin estn disponibles en el mercado conversores A/D con salida optoaislada.
PARMETROS PARA LA SELECCIN DE OPTOACOPLADORES
Relacin de transferencia de corriente (CTR) Como se dijo anteriormente, este era uno de los parmetros ms importantes de un optoacoplador, porque era una forma de medir su eficiencia. En la actualidad se utiliza poco. La manera de
CtodoBase
Colector
Emisor
Ctodo Entrada del circuito lgico
+VCC
Salida del circuito lgico
Masa
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Electrnica de Potencia 8
maximizar este parmetro es apareando espectralmente lo mejor posible el LED con el fotodiodo o fototransistor. Tensin de aislacin entrada-salida (Viso) Es la mxima diferencia de potencial en corriente continua que puede existir entre el terminal de salida y los terminales de entrada. Los valores tpicos van en un rango de 500 V a 4kV. Mxima tensin colector emisor (BVCE) Este parmetro es aplicable solamente a optoacopladores con salida del tipo fototransistor. Es la mxima tensin de corriente continua que puede soportar el transistor de salida entre sus terminales de colector y emisor. Los valores tpicos varan entre 20 a 80 volts. Ancho de banda Es la frecuencia mxima que puede ser transmitida a travs del optoacoplador. Los valores tpicos varan entre 20 a 500 kHz. Tiempo de respuesta Se divide en tiempo de subida (rise time) tr y tiempo de cada (fall time) tf. Para una etapa de salida del tipo fototransistor, tr y tf estn en el orden del microsegundo.