OPTOACOPLADORES (OPTOAISLADORES)

INTRODUCCIÓN:

Con el paso de los años la tecnología de estado sólido en la optoelectrónica ha avanzado considerablemente. Indagando en nuevos y mejorados materiales y técnicas de proceso que han permitido a los dispositivos tener mayor eficiencia, confiabilidad y disminuir su costo.

EL OPTOACOPLADOR

Un optó acoplador es un componente formado por la unión de al menos un emisor (diodo LED) y un fotodetector (fototransistor u otro) acoplados a través de un medio conductor de luz, pueden ser encapsulados o de tipo discreto.

Figura 1 Esquema de un optó acoplador

Cuanta mayor intensidad atraviesa el fotodiodo, mayor será la cantidad de fotones emitidos y, por tanto, mayor será la corriente que recorra el fototransistor. Se trata de una manera de transmitir una señal de un circuito eléctrico a otro. Obsérvese que no existe comunicación eléctrica entre los dos circuitos, es decir existe un trasiego de información pero no existe una conexión eléctrica: la conexión es óptica.

Las implementaciones de un optó acoplador son variadas y dependen de la casa que los fabrique. Una de las más populares se ve en la Figura 2. Se puede observar como el LED, en la parte superior, emite fotones que, tras atravesar el vidrio, inciden sobre el fototransistor

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Figura 2 Esquema constructivo de un optó acoplador

Obsérvese también el aislamiento eléctrico entre fototransistor y LED ya mencionado.

Estructura interna general de los Optoacopladores

Estructura

La figura siguiente muestra la perspectiva interna de un optó acoplador. Una resina aloja al elemento sensitivo a la luz (fototransistor o fototransistor de salida Darlington) que esta rodeado por otra resina que permite la transmisión de la luz.

Una señal luminosa es transmitida por un diodo emisor de luz hacia el transistor fotosensitivo a través de la resina transmisora de luz interna.

La resina albergue y la resina interior tienen el mismo coeficiente de la expansión.

El alto aislamiento voltaje se obtiene gracias al gran área existente entre la resina externa y la interna que no es modificada por los cambios de temperatura pues los coeficientes de expansión son iguales, además, si la temperatura aumenta las resinas se expanden obteniéndose como resultado una mayor área entre los elementos conductores.

Figura 3 estructura interna de un optó acoplador

Diferentes tipos de Optó acopladores

Fototransistor: se compone de un optó acoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.

Se trata de un transistor bipolar sensible a la luz.

Figura 4 Símbolo del fototransistor

La radiación luminosa se hace incidir sobre la unión colector base cuando éste opera en la RAN. En esta unión se generan los pares electrón - hueco, que provocan la corriente eléctrica.

El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:

Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib=0) aunque en algunos casos hay fototransistores tienen disponible un terminal de base para trabajar como un transistor normal.

La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor.

Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las que aparecen en la Figura 5. Como se puede apreciar, son curvas análogas a las del transistor BJT, sustituyendo la intensidad de base por la potencia luminosa por unidad de área que incide en el fototransistor.

Figura 5: Curvas características de un fototransistor típico

Fototriac: se compone de un optó acoplador con una etapa de salida formada por un triac

Fototriac de paso por cero: Optó acoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.

DESCRIPCION DE UN OPTOACOPLADOR típico de Texas Instruments.-

Básicamente un optó acoplador consiste en un diodo infrarrojo de arsenuro de galio (GaAS), como la etapa de entrada y un fototransistor npn de silicio como etapa de salida (esta es la descripción de un optó acoplador típico de Texas Instruments). El medio de acople entre el diodo y el sensor es un transmisor infrarrojo (IR) de cristal. Los fotones emitidos desde el diodo (emisor) tienen ciertas longitudes de onda establecidas . El transistor sensor responde más eficientemente a fotones cuando estos tienen la misma longitud de onda establecida, es decir el diodo emisor y el fototransistor están acoplados en el espectro para lograr un funcionamiento óptimo de optó acoplador.

Se puede utilizar una fuente de corriente entre el colector y la base del sensor para representar la corriente virtual generada en la base por los fotones incidentes, esta corriente de base es proporcional a la cantidad de radiación desde el diodo, al mismo tiempo las capacitancias de unión entre el colector y la base son las que generan los tiempos de levantamiento (rise time) y de caída (fall time) que se obtiene al aplicar un escalón de corriente a la entrada del fotodiodo. A continuación se muestran los circuitos equivalentes para el TIL102/TIL103 y para el TIL120/TIL121 se muestran las capacitancias antes mencionadas.

CARACTERÍSTICAS ELECTRICAS:

Existen muchas situaciones en las cuales se necesita transmitir información entre circuitos conmutadores aislados eléctricamente uno del otro. Este aislamiento(aislamiento galvánico) ha sido comúnmente provisto por relés o transformadores de aislamiento.. Existen sin embargo en el mercado otros dispositivos capaces de proporcionar el aislamiento requerido, los cuales son muy efectivos para solucionar este tipo de situaciones . Estos dispositivos se llaman optoacopladores, los optoacopladores son más necesarios en situaciones donde se desea protección contra altos voltajes y aislamiento de ruidos, así como cuando el tamaño de dispositivo es un factor a considerar. Al realizar un acople entre dos sistemas mediante la trasmisión de energía radiante (fotones), se elimina la necesidad de una tierra común , es decir que ambas partes acopladas pueden tener diferente voltajes de referencia, lo cual constituye la principal ventaja de los optoacopladores.

La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotorreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La

gran ventaja de un optó acoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.

Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotorreceptores pueden ser tiristores o transistores.

Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.

Para utilizar completamente las características ofrecidas por un optó acoplador es necesario que el diseñador tenga conocimiento de las mismas. Las diferentes características entre las familias son atribuidas principalmente a la diferencia en la construcción.

Las características más usadas por los diseñadores son las siguientes:

1.Aislamiento de alto voltaje. El aislamiento de alto voltaje entre las entradas y las salidas son obtenidos por el separador físico entre el emisor y el sensor. Este aislamiento es posiblemente el más importante avance de los optoacopladores. Estos dispositivos pueden resistir grandes diferencias de potencial, dependiendo del tipo de acople medio y la construcción del empaquetado. El vidrio IR separa el emisor y el sensor en el TIL1027TIL103 Y TIL1207TIL121 tienen una capacidad de aislamiento de 1000 voltios, la resistencia de aislamiento es mayor que 10E12 omhios.

2. Aislamiento de ruido: El ruido eléctrico en señales digitales recibidas en la entrada de el optó acoplador es aislado desde la salida por el acople medio, desde el diodo de entrada el ruido de modo común es rechazado.

3. Ganancia de corriente: La ganancia de corriente de un optó acoplador es en gran medida determinada por la eficiencia de los sensores npn y por el tipo de transmisión media usado. Para el TIL103 ganancia de corriente es mayor que uno, el cual en algunos casos elimina la necesidad de amplificadores de corriente en la salida. Sin embargo ambos el TIL102/TIL103 y el TIL120/TIL121, tienen niveles de salida de corriente que son compatibles con las entradas de circuitos integrados como 54/74TTL. Las gráficas 3 y 4 muestran la relación entre la corriente de entrada y de salida típica proporcionado por el fabricante.

4. Tamaño: Las dimensiones de estos dispositivos permiten ser usados en tarjetas impresas estándares. Los empaquetados de los optoacopladores es por lo general del tamaño del que tienen los transistores.

Características principales de los Optoacopladores

La razón de transferencia de corriente (CTR)

La razón de transferencia de corriente (CTR) de un optó acoplador es la proporción del valor de la corriente de salida a la corriente de entrada

El CTR es un parámetro equivalente al hFE, factor de amplificación de un transistor.

El CTR es uno de las características más importantes de los optoacoples, así como el aislamiento de voltaje.

En el diseño el CTR debe ser considerado en primer lugar pues el CTR.

1 Es dependiente de la corriente directa If que fluye en el LED.

2 Lo afecta los cambios en la temperatura ambiente, y

3 varía conforme el tiempo pasa.

Características CTR vs. IF (iF: corriente directa que fluye a través del diodo)

La razón de transferencia de corriente (CTR) depende de la magnitud de la corriente directa (If). Cuando If es baja o es más alta que una cierta magnitud, el CTR se hace más pequeño.

Note que el CTR muy diferente conforme varia la magnitud de If.

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Caracteristicas CTR vs Ta

La característica CTR-Temperatura es muy afectada por las características de eficiencia en la transmisión del LED y del hFE del fototransistor, debido a que la eficiencia en la transmisión de luz tiene un coeficiente negativo de temperatura y el HFE un coeficiente positivo lo que da como resultado la curva que se muestra

¡Error!Marcador no definido.

donde se nota la dependencia del CTR de la temperatura.

La grafica de abajo muestra esto mismo pero para las series que se indican.

¡Error!Marcador no definido.

Degradación de largo plazo del CTR

La razón de transferencia de corriente (CTR) esta determinada por la eficiencia del LED como emisor de luz, la eficiencia en la transmisión de luz entre el LED y el fototransistor, la sensibilidad a la luz del fototransistor, y el HFE del transistor.

El cambio del CTR debido al tiempo es principalmente causado por la reducción en la eficiencia en la transmisión de luz del LED.

También la degradación es mayor conforme (CTR se reduce) la corriente directa del LED aumenta y cuando la temperatura de operación aumenta.

La siguiente figura muestra la degradación del CTR a través del tiempo

ALGO MÁS SOBRE OPTOACOPLADORES:

También llamados optoaisladores, estos dispositivos están disponibles en cualquier combinación que involucra fuentes de luz y fotodetectores.

Como ya se ha mencionado, el acoplo en todos los optoacopladores es por vía fotones, en vez de partículas cargadas, y gracias a esto, podemos mencionar algunas otras ventajas:

la emisión eléctrica puede ser superior que aquella separación de un transformador o RF. Esto es porque los fotones menos cargados no están influenciados por campos electrostáticos o magnéticos.

En aplicaciones de encendido o selección, el inherente problema mecánico tal como lo son saltos de contacto, ruido, intermitencia, mantenimiento, confiabilidad, transitorios, y tiempos de vida son eliminados porque no hay unión directa en los optoacopladores.

La transferencia de señal en los optoacopladores es unilateral. Así que cambiar las condiciones de la carga a alimentar en la salida no afecta la entrada.

Los optoacopladores son mucho más rápidos que los relés y los transformadores.

La figura 7-21 muestra las características clave de un optoacoplador, dos de las cuales son nuevas y se definen enseguida:

La razón de transferencia de corriente (CTR) es definido como la razón de la corriente de salida del optoacoplador con respecto a su corriente de entrada en tanto por ciento, [(Iout/Iin)(100)]. Esta relación varía con la operación de temperatura y la corriente de adelanto, como lo muestra la figura 7-22c, y es por eso que en el diseño debe tomarse en cuenta estos factores.

INFRARED EMIT TING DIODE MAXIMUM RATINGS

Forward Current - Continuous	IF	80	mA
Forward Current - Peak Pulse Width=30s,2.0% Duty Cycle	IF	30	A

OPTO -INSULATOR CHARACTERISTICS

LED CHARACTERISTICS (TA=25OC unless otherwisw noted)

Charateristic	Symbol	Min	Typ	Max	Unit
Reverse Leakage Current (VR=3.0,RL=1.0M)	IR	-	0.05	100	A
Forward Voltage (IF=10mA)	VF	-	1.2	1.5	V

COUPLED CHARACTERISTICS (TA=25OC unless otherwisw noted)

Charateristic	Symbol	Min	Typ	Max	Unit
Collector Output Current(1) 4N25,A,4N26 (VCE=10V,IF=10mA),IB=0)	IC	2.0	3.5	-	mA
Isolation Voltaje 4N25,A (60Hz Peak) (60Hz RMS For 1 Second)	VISO	2500	-	-	V

SWITCHING CHARACTERISTICS

Delay Time	(IC=10mA,Vcc=10V) 4N25,A,4N26	Td	-	0.07	-	s
Rise Time			tr	-	0.8	-	s

La segunda nueva característica es el voltaje de aislamiento, el cual es el voltaje entre la entrada (fuente) y la salida, (detector) por debajo del cuál el optoacoplador no interrumpirá su señal.

Este valor queda determinado por la capacitancia de acoplo y la resistencia entre la fuente y el fotodetector del optoacoplador. La mayoría de los optoacopladores está diseñados con la fuente y el detector lo más cercana posible, separados sólo por una pequeña capa de dióxido de silicio, con un voltaje de separación mínimo de 1 a 2kV.

La figura 7-21 muestra que el rango máximo de datos de los optoaisladores varía desde unos cuanto hertz para unidades de fotoresistor hasta de 10MHz para las versiones IC (Integrated Circuits). También note de la figura 7-21 que un valor generalmente se sacrifica para el CTR en el LED/Fototransistor discreto y en los optoaisladortes Darlington, donde las separaciones entre ambos circuitos ofrecen un alto CTR y una excelente velocidad.

También hay que mencionar que las técnicas de protección son también aplicables para el caso de los optoacopladores. Esto es que el LED de entrada debe ser generalmente limitado en corriente por una resistencia o series de resistencias y protegido de voltajes inversos que exceden el rango permitido.

Una gran cantidad de optoacopladores están disponibles, pero a continuación mostraremos algunos de los más comunes.

OPTOAISLADOR FOTOCONDUCTOR-BULK

La primer columna de la figura 7-21 muestra las características de una típica lámpara/CdSe fotoconductora, ó optoacoplador fotoresistor. El valor más bajo es representativo de un lámpara incandecente, donde la máxima velocidad la podemos obtener con una lámpara de neón de descarga de gas.

DESVENTAJA:

La velocidad de estos optoaisladores es limitada por las caídas de tiempo de milisegundos de los detectores fotoresistivos y la constante de tiempo térmico de las lámparas que se usan como fuente.

PRINCIPALES VENTAJAS:

Los fotoresistores optoacopladores tienen una elevada sensibilidad (Rout/Vin), la simplicidad de un resistor cuya magnitud es controlada por luz y sus características bilaterales sin encontrar un voltaje de compensación como los encontrados en los fotodetectores semiconductores.

APLICACIONES:

Incluyen circuitos análogos tales como receptores de audio donde sus características bilaterales le permiten usarse para ajustar AGC, y monitoreo de circuitos de disparo de alto voltaje.

OPTOACOPLADORES LED/FOTOTRANSISTOR:

Uno de los más populares. La fig.7-22 nos muestra las características principales de un LED fototransistor. Vea los detalles de empacado y los valores máximos del LED. La fig.7-22c da las características más importantes de los optoacopladores y unas de ellas es como varía la corriente de salida del fototransistor con la corriente de entrada del LED y la temperatura.

APLICACIONES:

La mayoría de los optoacopladores estás en sistemas digitales donde se hacen interfaces entre optoailsadores y familias lógicas digitales.

La séptima columna de la figura 7-21 muestra la variación del LED fototransistor que ofrece una considerable mejora en los valores de datos que mantienen un equivalente CTR. En este caso un LED ilumina un fotodiodo y su corriente de salida fluye a la base con una elevada velocidad en el transistor (no fototransistor). Tal arreglo elimina la gran capacitancia inherente entre la base y el colector en la extensa área de base del fototransistor, y es por eso que ofrece mayor velocidad.

La figura 7-24 muestra dos aplicaciones de optoacopldores.

El circuito de la figura a) provee de una gran velocidad en el indicador de status de línea de voltaje. El aislador tipo darlington es usado para reducir los requerimientos de encendido de LED y he ahí el bajo consumo del monitor. Para un monitoreo en la línea de AC el diodo es necesario para mantener el rango de voltaje inverso sin excedente y el resistor limitante debe ser lo suficientemente grande para limitar a IF al valor deseado. Para dc el diodo no se requiere.

La fig. b) muestra un optoaislador en una aplicación típica de transmisión de señal periférica de una computadora.

Circuitos y recomendaciones para la medicion de las caracteristicas de los Optoacoples