Los optoacopladores, que conectan circuitos utilizando señales ópticas como medio, son un elemento activo en áreas donde la alta precisión es indispensable, como la acústica, la medicina y la industria, debido a su alta versatilidad y confiabilidad, como la durabilidad y el aislamiento.
Pero, ¿cuándo y bajo qué circunstancias funciona un optoacoplador, y cuál es su principio? O bien, cuando se utiliza un fotoacoplador en trabajos electrónicos, es posible que no se sepa cómo elegirlo y utilizarlo. Esto se debe a que a menudo se confunde con un "fototransistor" y un "fotodiodo". Por lo tanto, en este artículo se explicará qué es un fotoacoplador.
¿Qué es un fotoacoplador?
El optoacoplador es un componente electrónico cuya etimología es óptica.
Acoplador, que significa "acoplamiento con luz". También conocido como optoacoplador, aislador óptico, aislamiento óptico, etc. Consta de un elemento emisor y un elemento receptor de luz, y conecta los circuitos de entrada y salida mediante una señal óptica. No existe conexión eléctrica entre estos circuitos; es decir, se encuentran en estado de aislamiento. Por lo tanto, la conexión entre la entrada y la salida es independiente y solo se transmite la señal. Conecte de forma segura circuitos con niveles de tensión de entrada y salida significativamente diferentes, con un aislamiento de alta tensión entre ambos.
Además, al transmitir o bloquear esta señal luminosa, actúa como un interruptor. El principio y el mecanismo se explicarán más adelante, pero el elemento emisor de luz del fotoacoplador es un LED (diodo emisor de luz).
Desde la década de 1960 hasta la de 1970, cuando se inventaron los LED y sus avances tecnológicos fueron significativos,optoelectrónicase convirtió en un boom. En ese momento, variosdispositivos ópticosSe inventaron, y el acoplador fotoeléctrico fue uno de ellos. Posteriormente, la optoelectrónica se integró rápidamente en nuestras vidas.
① Principio/mecanismo
El principio del optoacoplador consiste en que el elemento emisor de luz convierte la señal eléctrica de entrada en luz, y el elemento receptor de luz transmite la señal eléctrica de vuelta al circuito de salida. El elemento emisor y el elemento receptor de luz se encuentran en el interior del bloque de luz externa, y ambos se encuentran opuestos para transmitir la luz.
El semiconductor utilizado en los elementos emisores de luz es el LED (diodo emisor de luz). Por otro lado, existen muchos tipos de semiconductores utilizados en dispositivos receptores de luz, dependiendo del entorno de uso, tamaño externo, precio, etc., pero, en general, el más común es el fototransistor.
Cuando no funcionan, los fototransistores transportan una corriente menor que la de los semiconductores convencionales. Cuando la luz incide en ellos, el fototransistor genera una fuerza fotoelectromotriz en la superficie de los semiconductores tipo P y tipo N. Los huecos del semiconductor tipo N fluyen hacia la región p, el semiconductor de electrones libres de la región p fluye hacia la región n, y la corriente fluye.
Los fototransistores no son tan sensibles como los fotodiodos, pero también amplifican la salida de cientos a mil veces la señal de entrada (debido al campo eléctrico interno). Por lo tanto, son lo suficientemente sensibles como para captar incluso señales débiles, lo cual es una ventaja.
De hecho, el “bloqueador de luz” que vemos es un dispositivo electrónico con el mismo principio y mecanismo.
Sin embargo, los interruptores de luz se utilizan generalmente como sensores y cumplen su función haciendo pasar un objeto bloqueador de luz entre el elemento emisor y el receptor de luz. Por ejemplo, pueden utilizarse para detectar monedas y billetes en máquinas expendedoras y cajeros automáticos.
② Características
Dado que el optoacoplador transmite señales mediante luz, el aislamiento entre la entrada y la salida es una característica fundamental. Este alto nivel de aislamiento no se ve afectado fácilmente por el ruido, sino que también evita el flujo accidental de corriente entre circuitos adyacentes, lo cual resulta sumamente eficaz en términos de seguridad. Además, la estructura en sí es relativamente simple y razonable.
Gracias a su larga trayectoria, la amplia gama de productos de diversos fabricantes es una ventaja única de los optoacopladores. Al no haber contacto físico, el desgaste entre las piezas es mínimo y la vida útil es mayor. Por otro lado, la eficiencia luminosa también presenta fluctuaciones, ya que el LED se deteriora lentamente con el paso del tiempo y los cambios de temperatura.
Especialmente cuando el componente interno de plástico transparente se vuelve opaco durante mucho tiempo, la luz puede verse afectada. Sin embargo, su vida útil es mucho mayor que la de un contacto mecánico.
Los fototransistores suelen ser más lentos que los fotodiodos, por lo que no se utilizan para comunicaciones de alta velocidad. Sin embargo, esto no supone una desventaja, ya que algunos componentes cuentan con circuitos de amplificación en la salida para aumentar la velocidad. De hecho, no todos los circuitos electrónicos necesitan aumentar la velocidad.
③ Uso
Acopladores fotoeléctricosSe utilizan principalmente para operaciones de conmutación. El circuito se energiza al activar el interruptor, pero debido a las características mencionadas, especialmente el aislamiento y la larga vida útil, son ideales para situaciones que requieren alta confiabilidad. Por ejemplo, el ruido es un enemigo de la electrónica médica y los equipos de audio y comunicación.
También se utiliza en sistemas de accionamiento de motores. El motor funciona porque su velocidad es controlada por el inversor durante su accionamiento, pero genera ruido debido a su alta salida. Este ruido no solo provoca fallos en el motor, sino que también se transmite a tierra, afectando a los periféricos. En particular, los equipos con cableado largo son propensos a captar este ruido de alta salida, por lo que, si se produce en la fábrica, puede causar grandes pérdidas y, en ocasiones, accidentes graves. El uso de optoacopladores de alto aislamiento para la conmutación minimiza el impacto en otros circuitos y dispositivos.
En segundo lugar, cómo elegir y utilizar optoacopladores.
¿Cómo usar el optoacoplador adecuado para su aplicación en el diseño de productos? Los siguientes ingenieros de desarrollo de microcontroladores explicarán cómo seleccionar y usar optoacopladores.
① Siempre abierto y siempre cerrado
Existen dos tipos de fotoacopladores: uno cuyo interruptor se apaga cuando no se aplica voltaje, otro cuyo interruptor se enciende cuando se aplica voltaje y otro cuyo interruptor se enciende cuando no hay voltaje. Se aplican y se apagan cuando se aplica voltaje.
El primero se llama normalmente abierto y el segundo, normalmente cerrado. La elección correcta depende, en primer lugar, del tipo de circuito que necesite.
② Verifique la corriente de salida y el voltaje aplicado
Los fotoacopladores amplifican la señal, pero no siempre permiten el paso de voltaje y corriente a voluntad. Si bien su valor nominal es alto, es necesario aplicar un voltaje desde la entrada según la corriente de salida deseada.
Si consultamos la ficha técnica del producto, veremos un gráfico donde el eje vertical representa la corriente de salida (corriente de colector) y el eje horizontal la tensión de entrada (tensión colector-emisor). La corriente de colector varía según la intensidad de la luz LED, por lo que se debe aplicar la tensión según la corriente de salida deseada.
Sin embargo, podría pensar que la corriente de salida calculada aquí es sorprendentemente baja. Este es el valor de corriente que aún se puede emitir de forma fiable después de considerar el deterioro del LED con el tiempo, por lo que es inferior a la potencia nominal máxima.
Por el contrario, en algunos casos la corriente de salida no es elevada. Por lo tanto, al elegir el optoacoplador, asegúrese de verificar cuidadosamente la corriente de salida y elegir el producto que mejor se adapte a ella.
③ Corriente máxima
La corriente máxima de conducción es el valor máximo de corriente que el optoacoplador puede soportar al conducir. Nuevamente, debemos asegurarnos de saber cuánta salida necesita el proyecto y cuál es el voltaje de entrada antes de comprarlo. Asegúrese de que el valor máximo y la corriente utilizada no sean límites, sino que exista un margen.
④ Configure correctamente el fotoacoplador
Tras elegir el optoacoplador adecuado, utilicémoslo en un proyecto real. La instalación es sencilla: basta con conectar los terminales de cada circuito de entrada y de salida. Sin embargo, tenga cuidado de no desorientar los lados de entrada y salida. Por lo tanto, también debe verificar los símbolos en la tabla de datos para evitar errores en la base del acoplador fotoeléctrico después de dibujar la placa PCB.
Hora de publicación: 29 de julio de 2023