CAPTULO 2 OPTOACOPLADORES

INSTITUTO TECNOLGICO DE ORIZABA

DEPTO. DE ING. ELECTRNICA UNIDAD 2

CAPTULO 2 OPTOACOPLADORES.

2.1 Construccin. Principio Bsico:Los optoacopladores, tambin llamados aisladores fotnicamente acoplados, pares foto-acoplados y

pares pticamente acoplados, estn formados por un LED y un fototransistor acoplados a travs de un medio conductor de luz y encapsulados en una cpsula cerrada y opaca a la luz. La transmisin de la informacin se realiza mediante paquetes de energa o fotones que atraviesan un medio translucido entre ambos. La Longitud de onda de la luz emitida por el LED es directamente proporcional al voltaje a travs de los terminales del mismo siempre y cuando ese voltaje se encuentre montado sobre una corriente DC suficiente para mantener el diodo polarizado directamente. El fotoled reconstruye la informacin luminosa en una replica exacta de la seal de entrada. En la figura 2.1 se muestra el smbolo de un optoacoplador.

Fig. 2.1 Smbolo de un optoacoplador.

Cuanta mayor intensidad tiene el fotodiodo, mayor ser la cantidad de fotones emitidos y, por tanto, mayor ser la corriente que recorra el fototransistor. Esta es una manera de transmitir una seal de un circuito elctrico a otro. Obsrvese que no existe comunicacin elctrica entre los dos circuitos, es decir existe un traslado de informacin pero no existe una conexin elctrica: La conexin es ptica. La figura 2.2 muestra el esquema constructivo de un optoacoplador.

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Fig. 2.2 Esquema constructivo de un optoacoplador.

Las implementaciones de un optoacoplador son variadas y dependen de la casa que los fabrique. Una de las ms populares consiste de un led en la parte superior que emite fotones que al atravesar el vidrio inciden sobre el fototransistor, as mismo existe un aislamiento elctrico entre el fototransistor y el led mencionado en el captulo anterior.

Construccin de un optoacoplador.El diseo de un optoacoplador bsico debe satisfacer cinco requerimientos esenciales:

Buen comportamiento en cuanto a la funcin del aislamiento.

Alta relacin de transferencia de corriente (CTR).

Degradacin lenta (al ser un dispositivo de estado slido sin partes mviles).

Baja capacidad de acoplamiento.

Imposibilidad de un funcionamiento incontrolado debido a influencias de campos externos.Estos factores dependen esencialmente del diseo de los materiales empleados y de los correspondientes chips usados para el emisor-receptor.

Para explicar las caractersticas de diseo de un optoacoplador, se partir del tipo denominado PIN de 6 terminales que es el optoacoplador ms usado.

En dichos optoacopladores, el emisor y el receptor estn colocados uno al lado del otro. A este tipo de distribucin del emisor y del receptor se le denomina optoacoplador por reflexin. Sobre ambos chips se coloca un semi elipsoide de cierto material que mejora la capacidad de reflexin. Todo este conjunto se cubre con un material plstico que sea impermeable al rango del infrarrojo y tenga adems una constante dielctrica alta. El sistema completo se envuelve en un compuesto de plstico impermeable a la luz para asegurar que ninguna influencia externa (luz, polvo, etc) altere al acoplador. La figura 2.3.a muestra la composicin del optoacoplador y la figura 2.3.b muestra su estructura interna.

Fig. 2.3.a Composicin de un optoacoplador. Fig. 2.3.b Estructura interna del optoacoplador.

El espacio libre entre el emisor y el receptor es de 0.75 mm. y est de este modo mecnicamente estable incluso bajo sobrecargas trmicas; por ejemplo, se descarta la posibilidad de un cortocircuito causado por la deformacin del material. Gracias a su gran espacio libre, estos optoacopladores tienen una capacidad de acoplamiento baja, de aproximadamente 2 pF. Los acopladores con diseos convencionales, por ejemplo donde el emisor y el receptor se adaptan cara a cara (optoacopladores directos o face to face), tienen valores de capacidad de acople ms altos (del orden de 1.3 a 2 veces los anteriores).

En circuitos digitales se debe tener muy en cuenta la capacidad de acoplamiento, pues en estos, los picos de los pulsos de la seal se superponen as mismo en la seal de control. Es evidente que se desea una capacidad de acoplamiento lo ms baja posible, que significa un mayor aislamiento entre las etapas de entrada y salida del optoacoplador. Con una capacidad de acoplamiento baja, la transmisin de esas interferencias se suprimen entre la entrada y salida del acoplador.

2.2 Clasificacin. Tipos comunes de optoacopladores:Detector con fototransistor, con fotodarlington, SCR, salida FET, Schmith Trigger y con fototriac; la tabla 4 muestra los usos ms frecuentes de estos dispositivos.

Tabla 4. Usos ms frecuentes de los optoacopladores.

Optoacoplador de fototransistor.

Redes de conmutacin.

Aisladores entre lneas de corriente alterna y lgica digital.

Sistemas sensores para electrodomstico.

Control industrial de alto voltaje.

Receptores de lnea para cables.

Manejadores para relevadores.

Fotodetector SCR. Funciones de relevadores.

Seguros para circuitos de corriente continua.

Disparo de triacs.

Control de polaridad y voltajes de alimentacin.

Interfaces lgicas.

Optoacoplador de Fotodarlintong: Productos que trabajan con corriente elevada,

baja capacitanca y que requieren conmutacin

rpida.

Aislamiento lgico para control remoto.

Transformadores de impulsos.

Receptores de lnea Y para cables.

Aplicaciones de control con contacto mltiples.

Conexin entre lgica y corriente alterna, etc.

Salida FET: En su circuito equivalente podemos observar la composicin de este dispositivo, su funcionamiento

es similar al del detector con fototransistor aunque el

transistor BJT se sustituye por un fototransistor FET canal P. Es principalmente utilizado para controlar niveles de AC, DC de seales analgicas con la mayor

distorsin.

Salida Schmith trigger:Este optoacoplamiento se fabrica con el tipo usual de dispositivo digital. Es utilizado principalmente en aplicaciones que requieren corto tiempo de respuesta, disminucin de ruido, lgica digital y otras

aplicaciones.

2.3 Caractersticas elctricas.Caractersticas de un optoacoplador.

Para utilizar completamente las caractersticas ofrecidas por un optoacoplador es necesario tener conocimiento de las mismas. Las diferentes caractersticas entre las familias son atribuidas principalmente a la diferencia en la construccin. La figura 2.4 muestra la relacin corriente tiempo de optoacopladores.

Fig. 2.4 Relacin corriente colector-tiempo de optoacoplador.

Las caractersticas ms usadas son las siguientes:

1.Aislamiento de alto voltaje. El aislamiento de alto voltaje entre las entradas y las salidas es obtenido por el separador fsico entre el emisor y el sensor. Este aislamiento es posiblemente el ms importante avance delos optoacopladores. Estos dispositivos pueden resistir grandes diferencias de potencial, dependiendo del tipo de acople medio y la construccin del empaquetado. El vidrio IR separa el emisor y el sensor en el modelo TIL102, TIL103 y TIL120, TIL 121 tienen una capacidad de aislamiento de 1000 voltios. La resistencia de aislamiento es mayor que 10x1012 ohms.

2.Aislamiento de ruido. El ruido elctrico en seales digitales recibidas en la entrada del optoacoplador es aislado desde la salida por el acople medio, desde el diodo de entrada el ruido de modo comn es rechazado.

3.Ganancia de corriente. La ganancia de corriente de un optoacoplador es en gran medida determinada por la eficacia de los sensores npn y por el tipo de medio de transmisin usado. Para el modelo TIL103 la ganancia de corriente es mayor a 1, lo cual en algunos casos elimina la necesidad de amplificadores de corriente en la salida.

4.Tamao. Las dimensiones de estos dispositivos permiten que sean usados en tarjetas impresas estndares. Los empaquetados de los optoacopladores son por lo general del tamao de los que tienen los transistores.

Degradacin de un optoacoplador.

La degradacin de un optoacoplador depende de dos factores fundamentales:

1.El elemento emisor, debido a su potencia de radiacin decreciente.

2. El envejecimiento u opacidad de la resina sinttica que transmite la radiacin desde el emisor

Al receptor.

Una reduccin en la potencia radiante se da, principalmente por la accin trmica que a su vez puede ser causada por una temperatura ambiente alta y / o por una corriente directa alta.

En la prctica, los optoacopladores estn operando con corrientes directas de 1 a 30 mA a travs del diodo LED del emisor. En este rango de corriente, la degradacin con una temperatura media de 40C es menor del 5% despus de 1000 hr. En general, el tiempo de vida medio de los optoacopladores es un periodo de 150 000 hrs. La CTR (relacin de transferencia de corriente) no debera haber cado por debajo de 50% de su valor a 0 hrs. durante este periodo.

Dichos componentes se encapsulan conjuntamente y de tal forma que las radiaciones emitidas por el diodo incidan sobre el fototransistor.

Al estar compuestos por un componente electroluminiscente (generalmente un IRLED) y otro fotosensible (fototransistor), se les puede ver como bloques. Algunos tipos de encapsulados e integrados del optoacoplador son los que se muestran en la figura 2.5.

Optotransistor insertado en cpsula tipo DILDos tipos de optoacopladores de cpsulas ranuradas

Aspecto de un encapsulado DIL de 6 patillas (pdf)Encapsulados DIP-8 y DIP-14

Fig. 2.5 Tipos de encapsulados e integrado del optoacoplador.

2.4 Aplicaciones.Ventajas frente a otros dispositivos:La principal necesidad de los optoacopladores es el aislamiento. Los optoacopladores no solo aslan potencia, sino tambin ruido y tienen varias ventajas sobre otros dispositivos que realizan la misma tarea.

Pueden reemplazar interruptores y rels dando mayores velocidades de conmutacin, con eliminacin de rebotes, mejor confiabilidad y mejor aislamiento elctrico, salvo en configuraciones especiales.

Pueden reemplazar transformadores de pulso en aplicaciones de punto flotante. Los optoacopladores pueden transmitir DC y AC de muy baja frecuencia, mientras que los transformadores de pulso solamente acoplan los componentes de la seal de entrada de alta frecuencia y se requiere de seguros (latches) para reconstruir la informacin DC.

En la trasmisin de informacin digital en presencia de ruido en modo comn. En algunas situaciones en la prctica donde el ruido de modo comn puede alcanzar los varios cientos de voltios cuando su valor tpico es de 30V, los optoacopladores pueden llegar a proveer proteccin, incluso sobre los miles de voltios. La tabla 5 muestra las propiedades de los dispositivos de acoplamiento de seal.

Tabla 5. Propiedades de los dispositivos de acoplamiento de seal.

DispositivoVentajasDesventajas

Optoacoplador Econmico.

Confiabilidad de estado slido.

Velocidad de transmisin de media a alta.

Transmisin DC y de baja frecuencia.

Alto aislamiento de voltaje.

Alta impedancia de aislamiento.

Tamao pequeo del encapsulado.

Eliminacin de rebotes.

Bajo consumo de potencia.

Resistencia de encendido y

apagado finitas. (Limitacin

del ciclo de trabajo).

Baja eficiencia de transmisin CTR.

Rel

Alta capacidad den potencia.

Ciclo de trabajo hasta el99%.

Transmisin DC.

Alto aislamiento de voltaje.

Alto costo.

Alto consumo de potencia.

Poco confiable.

Operacin muy lenta.

Fsicamente grande.

Transformador de pulso Alta velocidad de transmisin.

Tamao moderado

Buena eficiencia de transmisin.

No puede transmitir DC.

Costoso para lograr alta impedancia.

De aislamiento o voltaje.

Controladores de lnea y receptores Confiabilidad.

Tamao pequeo.

Alta velocidad de transmisin.

Transmisin DC.

Bajo costo.

Muy bajo voltaje de ruptura.

Baja impedancia de aislamiento.

Aplicaciones industriales.Hoy en da en la mayora de los procesos industriales se utilizan los Controladores Lgicos Programables (PLC) para sensar, realimentar y controlar. Estos dispositivos en muchos casos funcionan en medios donde las seales de temperatura, presin y nivel que muestrean se ven expuestas a ruido elctrico severo. La conexin entre los sensores y el controlador por lo tanto requiere del uso de tecnologa de comunicacin altamente inmune al ruido.

Una solucin a este problema de comunicacin ms utilizado, es la implementacin de un lazo de corriente. Este circuito convierte la seal de salida de un sensor de proceso en una seal de corriente

DC. A diferencia de las tcnicas de control por voltaje, los lazos de corriente tienen la ventaja de una mayor precisin, pues eliminan el error producido por la resistencia de lnea. Si adems se utiliza un optoacoplador para aislar la etapa de sensado del controlador, el ruido elctrico puede ser reducido al mnimo posible. El aislamiento galvnico y la reduccin de ruido deben ser optimizados tanto en el receptor como en el emisor, puede haber aplicaciones en las que solo sea posible aislar uno de los dos extremos.

Detector con fibra ptica.Esta es una de las aplicaciones ms comunes de los optoacopladores, en su construccin se ve el uso de la fibra ptica para elaborar el camino que llevar la luz fotogenerada. Esta aplicacin es altamente utilizada en telecomunicaciones ya que es TTL compatible, o sea su uso se concentra en circuitos digitales, la figura 2.6 lo muestra.

Fig. 2.6 Detector con fibra ptica.

La seal cuadrada en la entrada es llevada a un mdulo transmisor, el cual la convierte a una seal de corriente.

Esta pasa a travs del diodo fotoemisor ILD. Cuando la corriente es la apropiada, este diodo emite luz de alta intensidad, la cual esta enfocada sobre el cable de fibra ptica. La onda luminosa se transmite por reflexin al lado del receptor. Este es un diodo fotodetector PIN. En este momento la onda luminosa se acopla del cable al detector y este convierte a la luz en un flujo de corriente. El mdulo receptor convierte la corriente en una rplica de onda cuadrada de la seal de entrada, y de esta manera el optoacoplador es perfecto.

La tabla 6 muestra los circuitos y recomendaciones para la medicin de las caractersticas de los optoacopladores.

Tabla 6. Circuitos y recomendaciones para la medicin de las caractersticas de los Optoacopladores.

2.5 Funcionamiento de un optoacoplador.

Un optoacoplador es un dispositivo electrnico formado por un emisor y un receptor. El emisor transformar una seal elctrica en ptica, transmitindosela al receptor, el cual la recoger y la volver a transformar a seal elctrica.

Los optoacopladores ms usuales estn formados por un emisor que puede ser un diodo LED o un diodo LASER, y un receptor que ser un fotodiodo o un fototransistor, generalmente dependiendo de la aplicacin, se escoger el tipo de optoacoplador.

En un circuito elctrico o electrnico un optoacoplador asegura un total aislamiento elctrico, incluyendo aislamiento de tensin, como en el caso de un transformador, por ejemplo. Esta es la principal ventaja que ofrece un optoacoplador, proporciona un aislamiento entre las distintas etapas de potencia que conforman un sistema para que las de mayor potencia no puedan daar a las de menos.

En la prctica, esto significa que el control del circuito se localiza en una cara del optoacoplador (emisor), mientras que la carga se localiza en la otra cara del mismo (receptor), estando aisladas elctricamente. Esto se muestra en la figura 2.7.

Fig. 2.7 Control del circuito mediante el acoplador.

Las seales del circuito de control son transmitidas pticamente al circuito de carga. En muchos casos dicha transmisin ptica se realiza mediante rayos luminosos cuyas longitudes de onda se extienden en el rango de espectro del rojo al infrarrojo. El ancho de banda de las seales que van a ser transmitidas vara desde seales de tensin continua hasta frecuencias en la banda de los MHz.

Por ejemplo, en una tarjeta de adquisicin de datos, los integrados de la placa estn protegidos a la entrada por optoacopladores, para que en el caso de que introduzcamos un nivel de tensin errneo (ya sea una polaridad no adecuada o una magnitud de voltaje demasiado grande) lo que no funcionar y / o se descompondr, ser el optoacoplador y no la circuitera que viene a continuacin.

El optoacoplador con transistor, darlington, triac y scr.

El optoacoplador 4N24 de la figura asla la red elctrica y detecta los cruces por cero de la tensin de red. Calcular la tensin de pico de salida del optoacoplador; el circuito se ve en la figura 2.8.

Fig. 2.8 Circuito elctrico con fototransistor.

El rectificador en puente hace que en el LED circule una corriente rectificada. Ignorando las cadas de tensin en los diodos la corriente de pico del LED es:Iled = 1.414(115V)/16k = 10.2mA.El valor de la corriente de saturacin del fototransistor es:Ic(sat) = 20v/10 = 2mA.En este ejemplo el 4N24 produce una corriente LED de 10.2mA, produce una corriente de colector aproximadamente de 15mA si la resistencia de carga vale cero. La corriente del fototransistor nunca llega a los 15mA porque el fototransistor se satura a los 2mA. En otras palabras en el LED circula una corriente ms que suficiente para producir la saturacin. Como la corriente de pico del LED es de 10.2mA, el transistor permanece saturado durante la mayor parte del ciclo. En ese momento la tensin de salida es aproximadamente cero. Cuando la corriente del LED cae a cero; en este momento el fototransistor se convierte en un circuito abierto y la tensin de salida aumenta aproximadamente a 20v.

A menudo, cuando el ordenador los sistemas digitales deben controlar equipos electrnicos como motores, rels o solenoides, es necesario que exista un aislamiento elctrico. El equipo elctrico controlado puede producir impulsos transitorios de alta tensin que puede destruir daar el sistema digital de control si el componente controlado y el controlador no estn aislados entre s. El aislamiento se consigue utilizando optoaisladores. La figura 2.9 muestra el optoaislador tipo fototransistor, la figura 2.10 muestra un tipo diferente a transistor y la figura 2.11muestra un tipo clsico de arreglo Darlington.

Fig. 2.9 Optoaislador (oci) tipo fototransistor.

Fig. 2.10 Optoaislador (oci) tipo fototransistor / fotodiodo.

Fig. 2.11 Optoaislador (oci) tipo Darlington.El siguiente circuito muestra un optoaislador compuesto por un LED y un LASCR. En este circuito, la seal de entrada LOGIC procede del controlador. En la industria abundan este tipo de fuentes de seales digitales que, ms exactamente se llaman controladores programables (PC). Las PC tienen procesadores que son programadas para suministrar seal de salida, como la seal LOGIC, en respuesta a otras seales de entrada. En este caso, cuando la seal de salida LOGIC de esta PC se encuentra a nivel alto (de 4 a 5 v), se aplica la tensin de red de 120 v a la carga. Cuando LOGIC est a nivel bajo (unos 0 v), no llega tensin a la carga. Se puede analizar con ms detalle el circuito, el puente de diodos proporciona la polarizacin correcta para el LASCR y se hace conductor cuando la luz incide sobre l. Cuando la seal LOGIC est a nivel alto, los LED D1 y D conducen y se encienden. El LED D1 esta montado en el panel de la PC, y el LED D y el LASCR estn dentro del optoaislador. La luz emitida desde el LED D dispara el LASCR. La continuidad del LASCR aplica la tensin de red E en el inversor de tensin que consta de R3 y R4. La tensin por R4 sube hasta el nivel de disparo de puerta VGT del triac al principio de cada alternancia. Al dispararse, el triac aplica la tensin de red E hasta la carga. Cuando la seal LOGIC est a nivel bajo, ni D1 ni D conducen y no emiten luz. El LASCR no conducen y la tensin en R4 nunca llega VGT del triac, por tanto, permanece en estado no conductor y no se aplica ninguna tensin a la carga; ver figura 2.12.

Fig. 2.12 Circuito elctrico con optoacoplador SCR.

Como en el caso del acoplador ptico con transistor, el control se efecta mediante un diodo emisor de infrarrojos. La figura siguiente muestra que para algunos de estos acopladores basta con una intensidad de entrada de 2 mA, lo que permite un funcionamiento directamente bajo una lgica CMOS. Existen tipos que soportan, en salida ms de los 300 mA indicados en la siguiente figura. Pero como se trata de una integracin bastante compleja, es difcil que se alcancen varios amperios. Otra forma de construirlo consiste en poner, de cara al diodo de infrarrojos, un nico y verdadero triac. Probablemente esto es ms simple, pero son necesarios de 15 a 30 mA en la entrada para el disparo. Adems es difcil que se alcancen corrientes de salida cercanas a 1 A, y sobre todo, este componente es particularmente sensible a los falsos disparos provocados por una subida demasiada rpida de la tensin de alimentacin; esto se muestra en la figura 2.13.

Fig. 2.13 Circuito elctrico con fototriac.

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