Acopladores y llaves ópticas (ART2102S)

Los componentes de Optoelectrónica son de gran importancia en las aplicaciones modernas. La luz permite el aislamiento de los componentes y es el medio de comunicación más rápido que existe. ¿Por qué no usarlo en dispositivos que pueden ser útiles, eficiente extremadamente rápido? Actualmente, en aplicaciones de control de información y transmisión, los dos tipos más importantes de dispositivos utilizados son acopladores y llaves ópticas. Es a partir de sus principios de funcionamiento y características que trataremos en este artículo.

Los dispositivos que implican el uso de la luz como medio de transmisión de señales de control e información son bastante comunes en las aplicaciones modernas y se pueden encontrar en numerosas versiones.

Básicamente un dispositivo de esta familia de componentes consiste en un emisor de luz (un LED infrarrojo, por ejemplo) y un receptor que, dependiendo de la aplicación del dispositivo puede ser un fotodiodo, foto transistor, foto diac, foto-disparador, etc. En la figura 1 muestra el principio básico de funcionamiento de estos dispositivos.

 

En (a) tenemos un acoplador óptico y en (b) una llave óptica. Estos dispositivos se diferencian según su forma de uso. Echemos un vistazo a los casos principales.

Acopladores Ópticos

 En un acoplador óptico tenemos un LED emisor y un elemento de sensor encerrados en la misma carcasa hermética que no puede recibir luz externa, como se muestra en la figura 2.

 

 Cuando el LED recibe una señal eléctrica, la convierte en luz y, a continuación, se transfiere a través del espacio al sensor fotográfico. Como estos elementos no mantienen el contacto eléctrico, el aislamiento entre el transmisor y el sensor es enorme, alcanzando tensiones de 7 000 V o más para los tipos comunes, con una resistencia prácticamente infinita.

 Los acopladores ópticos se pueden utilizar de dos maneras: lineal y digital. Estas maneras determinarán el tipo de dispositivo sensor y la configuración del circuito externo.

 En la aplicación lineal o analógica, la señal que se va a transferir desde el LED al sensor debe mantener su forma de onda y fase. Este es el caso de un sistema de aislamiento de señal en un módem donde las señales no deben tener deformaciones, tal y como se muestra en la figura 3.

 

Vea que, en este caso, el elemento utilizado como sensor debe tener características de respuesta lineal para la señal de luz que se modulará. Los Fotodiodos y la foto transistores están indicados para aplicaciones a frecuencias altas y medias. Para frecuencias bajas, la obtención de una mayor sensibilidad se puede utilizar foto-Darlington.

 En la figura 4 mostramos algunos tipos de acopladores ópticos que hacen uso de estos elementos.

 

 Vea que para obtener respuestas a las señales de corriente alterna, pueden mismo acoplador dos LEDs conectados en paralelo, pero con polaridades invertidas. Esto permite que el circuito responda a los dos semiciclos de la señal transferida. Tenga en cuenta, sin embargo, que la luz modulada resultante de una señal alterna de que el módulo de los LEDs no tiene polaridad. 

En la aplicación digital, el pulso de luz que produce el LED al recibir el comando externo representa un bit o simplemente un cambio de nivel lógico que controlará un circuito externo, como se muestra en la figura 5.

 

 Podemos utilizar acopladores con fotodiodos y fototransistores para esta aplicación, siempre que se utilicen circuitos de disparo adecuados en su salida, como se muestra en la figura 6.

Comparador A.O. o puerta disparadora

 Se pueden utilizar comparaciones de tensión, puertos digitales e incluso amplificadores de funcionamiento de alta ganancia (configurados como comparadores), etc.

Sin embargo, hay acopladores ópticos indicados para este propósito que ya tienen en sus dispositivos fotosensor interior con características de disparo rápido, como se muestra en la figura 7.

 

Así que en (a) tenemos un acoplador óptico que utiliza un elemento foto diac, ideal para el disparo TRIACs en el control de potencia. Cuando el LED ilumina el foto diac, sus características de disparo hacen que el TRIAC sea activado (encendido) conduciendo así la corriente al circuito de carga.

En (b) tenemos un Opto-Disparador tipo NAND que tiene características de histéresis acentuadas, proporcionando así una salida de señal rectangular al comando del LED. Se trata de un dispositivo ideal para el comando de circuitos lógicos o transferencia de pulsos digitales.

 En aplicaciones de control, podemos tener acopladores ópticos conectados directamente a dispositivos de potencia como SCRs, TRIACs, IGBTs y Power-MOSFETs, formando así relés de estado sólido, como los que se muestran en la figura 8.

 

 Una pequeña corriente, suficiente para activar el LED interno del acoplador se puede utilizar para controlar altas cargas de corriente, gracias al circuito adicional en el foto-receptor. 

Las características de aislamiento y velocidad de las respuestas, sin necesidad de utilizar dispositivos mecánicos, hacen que los relés de estado sólido sean preferidos en la mayoría de las aplicaciones modernas.

Llaves ópticas

 Las llaves ópticas son diferentes de los acopladores ópticos en el sentido de que su unidad está hecha por algún tipo de objeto que se interpone el haz de luz que va desde el elemento transmisor (LED) al elemento receptor (que puede variar dependiendo de la aplicación).

 En la figura 9 tenemos la estructura típica de una llave óptica que encuentra una amplia gama de aplicaciones en sistemas de control.

 

 La luz del elemento emisor (LED) se centra en el elemento del sensor a través de una abertura. Cuando un objeto interrumpe el haz de luz de hendidura, se produce una señal de comando en el sensor.

En una primera aplicación, la clave óptica se utiliza para detectar la posición de las piezas móviles, como se muestra en la figura 10.

 

 Cuando la abertura pasa a través de la grieta, la luz se centra en un elemento del sensor, produciendo la señal de comando. En la figura 11 tenemos otra aplicación en la que el paso de los dientes de un engranaje a través de la grieta produce una secuencia de pulsos, cuya velocidad sirve tanto para determinar la velocidad (rpm) como la posición de ese engranaje. 

 

 Una aplicación importante de las llaves ópticas está en los codificadores, como se muestra en la figura 12.

 

 El paso de las áreas claras y oscuras de un disco de plástico en la hendidura de la llave óptica produce pulsos que sirven para controlar el dispositivo en el que está conectado el disco. En este caso tenemos lo que se llama "codificador incremental", ya que sólo tenemos pulsos únicos que se producen en cualquier dirección de rotación. El circuito de control cuenta los pulsos producidos para determinar la posición o velocidad de la pieza que controla el movimiento del disco.

 Una variación de este tipo de clave óptica se utiliza en el "codificador absoluto" que tiene la configuración mostrada en la figura 13.

 

 En ella tenemos varios emisores y receptores (generalmente 8) que "leen" la información correspondiente a las diversas carreras de luz y oscuridad. De esta manera, pueden proporcionar información paralela que coincida digitalmente con la posición en la que se encuentra el disco y, por lo tanto, la pieza conectada a él.

 La gran ventaja de este tipo de enconder es que permite determinar la posición exacta de la pieza cuando el circuito está encendido y puede detectar su movimiento en cualquier dirección.

Características

 Para los profesionales que trabajan con acopladores y llaves ópticas es importante saber interpretar sus características eléctricas y generales. Por lo tanto, separamos estas características en tres grupos: del emisor, receptor y general.

Las características del emisor son:

 Corriente en el LED para excitación

Esta corriente depende del tipo. En los tipos para aplicaciones lineales, por supuesto, lo que uno tiene es una corriente máxima con valores que determinan la pista de modulación.

 En los interruptores, sin embargo, como los dotados de opto-diac, podemos tener familias de dispositivos con varias corrientes mínimas necesarias para disparar. Un ejemplo de esto es dado por los acopladores ópticos conocidos de la serie MOC3009, 3010, 3011 3 3012, cuya configuración se muestra en la figura 14.

 

Por lo tanto, las corrientes de disparo necesarias para bloquear la salida (latch) son diferentes según la tabla siguiente:

La corriente máxima permitida para los LEDs de este acoplador óptico es de 60 mA.

Tensión inversa máxima en LED

Es la tensión máxima que se puede aplicar al LED cuando se polariza en reversa. Es necesario tener cuidado con estas características, ya que se trata de valores bajos. Así que para los dispositivos de la serie MOC esta tensión es sólo de 3 volts. La protección del LED con diodos paralelos - inverso, como se muestra en la figura 15 es una buena práctica.

 

Tensión directa en el LED

 Es la tensión mínima que, aplicada al LED lo hace conductor y por lo tanto causa la emisión de luz. Para los tipos comunes, esta tensión está en la pista de 1,2 V a 1,5 V.

Características del receptor:

Foto diodos y fototransistores

Para la foto diodo y fototransistor tenemos la corriente máxima que proporcionan cuando se excitan. Para la foto transistores podemos tener familias de curvas como las que se muestran en la figura 16. 

Las foto-Darlington tiene la ventaja de proporcionar corrientes de salidas mucho más grandes que la foto transistores y foto diodos comunes. La gran ventaja de los fotodiodos es la velocidad más rápida. 

La disipación de la foto transistor o fotodiodo también es importante porque influirá en la disipación total del dispositivo. Se administrará en mW a una temperatura ambiente (generalmente 20° C) y un factor de degradación que indica cuánto disminuye por cada grado de temperatura por encima del valor tomado como referencia.

Foto diac

Para los acopladores con los foto diac son las características que se especifican normalmente. La primera es la corriente de pico del diac cuando se dispara. Esta corriente es importante porque debe ser lo suficientemente intensa como para disparar el TRIAC externo. Los tipos de serie MOC, por ejemplo, tienen corrientes de pico de 1 A, lo que es más que suficiente para disparar la mayoría de los TRIAC más comunes

 También en este caso, como segunda característica importante tenemos la disipación máxima del componente, dada en mW para una temperatura de referencia y un factor de degradación para cada grado centígrado de elevación. 

Circuitos de disparadores

Para los circuitos de disparadores tenemos información sobre su compatibilidad con la lógica TTL y CMOS, la velocidad máxima y la tensión de potencia máxima. 

Características generales

La característica general más importante de un aislante óptico es la tensión de aislamiento. Por lo general se especifica el pico de la tensión máxima que puede aparecer entre cualquier punto del receptor y el del transmisor soportado por el dispositivo. Los tipos comunes pueden tener tensión de aislamiento de 5000 a 8000 V típicamente.

 También se da como la característica general del dispositivo, la disipación máxima, que es la suma de la disipación máxima del emisor y receptor, en mW a temperatura ambiente, con un factor de degradación.

Uso

La mayoría de los aisladores ópticos y de las llaves se suministran en cubiertas DIL y SMD fáciles de usar. Su tamaño reducido permite una fácil instalación en cualquier tablero de circuito impreso.

 Sin embargo, cuando se utiliza un aislante o una llave óptica, el diseñador debe ser consciente de sus características en la aplicación específica.

En general podemos dar las siguientes recomendaciones:

Conclusión

 Los acopladores y las llaves ópticas se pueden utilizar en una multitud de aplicaciones donde la transferencia de señales entre circuitos se requiere de forma aislada.

 La seguridad de la transferencia óptica garantiza la integridad del equipo y quién lo maneja.

 El uso de llaves y acopladores ópticos como los relés de estado sólido es otra opción que debe tenerse en cuenta al analizar estos componentes. Por último, el lector de diseñadores debe ser consciente de las características de estos componentes de bajo costo, eficientes y fáciles de obtener al pensar en un nuevo proyecto.