El par transmisor óptico-receptor óptico se utiliza desde hace tiempo en la electrónica y la ingeniería eléctrica. Un componente electrónico en el que el receptor y el transmisor se encuentran en la misma caja y existe una comunicación óptica entre ellos se denomina optoacoplador u optoválvula.
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Diseño Optron
Los optrones constan de un transmisor óptico (emisor), un canal óptico y un receptor óptico. El transmisor de luz convierte una señal eléctrica en una señal óptica. El transmisor es, en la mayoría de los casos, un LED (los primeros modelos utilizaban bombillas incandescentes o de neón). El uso de LEDs no es crucial, pero son más duraderos y fiables.
La señal óptica se transmite por un canal óptico al receptor. El canal puede estar cerrado - cuando la luz emitida por el emisor no sale del cuerpo del optoacoplador. La señal generada por el receptor se sincroniza entonces con la señal a la entrada del transmisor. Estos canales pueden estar llenos de aire o de un compuesto óptico especial. También hay optoacopladores "largos" en los que el canal es fibra óptica.
Si el optoacoplador está diseñado para que la radiación generada salga de la caja antes de llegar al receptor, se denomina canal abierto. Puede utilizarse para detectar obstáculos en la trayectoria del haz de luz.
El fotodetector convierte la señal óptica en una señal eléctrica. Los receptores más utilizados son:
- Fotodiodos. Se utiliza normalmente en las líneas de comunicación digital. Tienen una pequeña extensión lineal.
- Fotoresistencias. Su característica especial es la conductividad bidireccional del receptor. La corriente puede fluir a través de la resistencia en cualquier dirección.
- Fototransistores. Una característica de estos dispositivos es la capacidad de controlar la corriente del transistor a través del opto-transistor, así como a través del circuito de salida. Se utilizan tanto en modo lineal como digital. Otro tipo de optoacopladores son los que tienen transistores de efecto de campo conmutados en paralelo. Estos dispositivos se denominan Relés de estado sólido.
- Fototiradores. Estos optoacopladores se caracterizan por su mayor potencia de salida y velocidad de conmutación, y son útiles para controlar la electrónica de potencia. Estos dispositivos también se clasifican como relés de estado sólido.
Los microcircuitos optoacopladores más utilizados son conjuntos optoacopladores con interconexiones optoacopladoras en el mismo paquete. Los optoacopladores se utilizan como dispositivos de conmutación y para otros fines.
Ventajas y desventajas
La primera ventaja de los optoacopladores es que no tienen partes mecánicas. Esto significa que, durante el funcionamiento, no hay fricción, desgaste ni chispas en los contactos, como ocurre con los relés electromecánicos. A diferencia de otros dispositivos de aislamiento galvánico de señales (transformadores, etc.), los optoacopladores pueden funcionar a frecuencias muy bajas, incluso en corriente continua.
Además, la ventaja de los aisladores ópticos es el muy bajo acoplamiento capacitivo e inductivo entre la entrada y la salida. Esto reduce la probabilidad de transmisión de impulsos e interferencias de alta frecuencia. La ausencia de acoplamiento mecánico y eléctrico entre la entrada y la salida ofrece una amplia gama de soluciones técnicas para los circuitos de control de proximidad y de conmutación.
Aunque los diseños del mundo real están limitados en términos de tensión y corriente para la entrada y la salida, no hay obstáculos teóricos fundamentales para aumentar estas características. Esto permite diseñar optoacopladores para casi cualquier aplicación.
Una de las desventajas de los optoacopladores es la transmisión unidireccional de las señales: no es posible transmitir una señal óptica desde el fotodetector hasta el transmisor. Esto dificulta la adaptación de la retroalimentación del circuito receptor a la señal del transmisor.
La respuesta de la parte receptora puede verse influida no sólo por la modificación de la emisión del emisor, sino también por la influencia del estado del canal (aparición de objetos extraños, cambios en las propiedades ópticas del medio del canal, etc.). Esta influencia también puede ser de naturaleza no eléctrica. Esto amplía las posibilidades de uso de los optoacopladores. La insensibilidad a los campos electromagnéticos externos permite crear canales de datos con alta inmunidad al ruido.
La principal desventaja de los optoacopladores es su baja eficiencia energética debido a las pérdidas de señal asociadas a la doble conversión de la señal. También se considera una desventaja el alto nivel de ruido intrínseco. Esto reduce la sensibilidad de los optoacopladores y limita su aplicación, cuando se requieren señales débiles.
Cuando se utilizan optoacopladores, también hay que tener en cuenta la influencia de la temperatura en sus parámetros, que es significativa. Además, entre las desventajas de los optoacopladores se encuentran una notable degradación de los elementos durante el funcionamiento y una cierta falta de tecnología en la producción asociada al uso de diferentes materiales semiconductores en la misma carcasa.
Características del optoacoplador
Las especificaciones de los optoacopladores se dividen en dos categorías:
- Caracterización de las propiedades del dispositivo para transmitir una señal;
- caracterizando el desacoplamiento entre la entrada y la salida.
La primera categoría es el coeficiente de transferencia de corriente. Depende de la emisividad del LED, la sensibilidad del receptor y las propiedades del canal óptico. Es la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada, y para la mayoría de los tipos de optoacopladores es de 0,005 a 0,2. Los transistores pueden tener una ganancia de hasta 1.
Si consideramos un optoacoplador como un cuadrupolo, su característica de entrada está totalmente determinada por la característica de salida del optoemisor (LED) y la característica de salida del receptor. La característica de salida es no lineal en general, pero algunos tipos de optoacopladores tienen secciones lineales. Por ejemplo, un optoacoplador de diodos tiene una buena linealidad, pero esta sección no es muy grande.
Los elementos de resistencia también se evalúan por la relación entre la resistencia a la oscuridad (con una corriente de entrada igual a cero) y la resistencia a la luz. Para los optoacopladores de tiristores, una característica importante es la corriente mínima de mantenimiento en estado abierto. La frecuencia de funcionamiento más alta también es una característica importante del optoacoplador.
La calidad del aislamiento galvánico se caracteriza por:
- la mayor tensión aplicada a la entrada y a la salida;
- la tensión más alta entre la entrada y la salida;
- resistencia de aislamiento entre la entrada y la salida;
- Capacidad de paso.
Este último parámetro caracteriza la capacidad de una señal eléctrica de alta frecuencia para pasar de la entrada a la salida, sin pasar por el canal óptico, a través de la capacitancia entre los electrodos.
Hay parámetros para determinar la capacidad del circuito de entrada:
- La mayor tensión que se puede aplicar a los cables de entrada;
- La mayor corriente que puede soportar el LED;
- La caída de tensión en el LED a la corriente nominal;
- Tensión de entrada inversa: la tensión de polaridad inversa que puede soportar el LED.
Para el circuito de salida, estas características serán la corriente y la tensión de salida más altas permitidas, y la corriente de fuga a una corriente de entrada nula.
Aplicaciones de los optoacopladores
Los optoacopladores con un canal cerrado se utilizan cuando por alguna razón (seguridad eléctrica, etc.) se requiere un desacoplamiento entre la fuente de la señal y el receptor. Por ejemplo, en los circuitos de retroalimentación de de las fuentes de alimentación conmutadas - La señal se toma de la salida de la fuente de alimentación y se transmite al elemento emisor, cuya luminosidad depende del nivel de tensión. Una señal que depende de la tensión de salida se toma del receptor y se introduce en el controlador PWM.
En la figura se muestra un diagrama esquemático de una fuente de alimentación de ordenador con dos optoacopladores. El optoacoplador superior IC2 proporciona la retroalimentación estabilizadora de tensión. El IC3 inferior funciona en modo discreto y suministra energía al IC PWM cuando la tensión de espera está presente.
El aislamiento galvánico entre la fuente y el receptor también es requerido por algunas interfaces eléctricas estándar.
Los dispositivos de canal abierto se utilizan para crear sensores de detección de objetos (presencia de papel en una impresora), interruptores de límite, contadores (elementos en una cinta transportadora, número de dientes de un ratón, etc.), etc.
Los relés de estado sólido se utilizan de la misma manera que los relés convencionales: para conmutar señales. Sin embargo, su uso está restringido por la alta resistencia del canal en estado abierto. También se utilizan como controladores de elementos de la electrónica de potencia de estado sólido (transistores de efecto de campo de alta potencia o IGBT).
El optron se desarrolló hace más de medio siglo, pero su uso se generalizó después de que los LEDs estuvieran disponibles y fueran baratos. Ahora se están desarrollando todos los nuevos modelos de optoacopladores (sobre todo los microcircuitos basados en ellos), y el campo de aplicación no hace más que ampliarse.
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