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 gran versatilidad y fiabilidad, como la durabilidad y el aislamiento.
Pero, ¿cuándo y en qué circunstancias funciona un optoacoplador y cuál es su principio de funcionamiento? Si utilizas un optoacoplador en tus proyectos de electrónica, es posible que no sepas cómo elegirlo y usarlo, ya que suele confundirse con un fototransistor o un fotodiodo. Por lo tanto, en este artículo explicaremos qué es un optoacoplador.
¿Qué es un fotoacoplador?
El optoacoplador es un componente electrónico cuya etimología es óptica.
Un acoplador, que significa "acoplamiento con luz", también conocido como optoacoplador, aislador óptico o aislante óptico, 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 aislados. Por lo tanto, la conexión entre la entrada y la salida es independiente y solo se transmite la señal. Permite conectar de forma segura circuitos con niveles de tensión de entrada y salida significativamente diferentes, gracias a su alto aislamiento de tensión entre la entrada y la salida.
Además, al transmitir o bloquear esta señal luminosa, actúa como un interruptor. El principio y el mecanismo detallados se explicarán más adelante, pero el elemento emisor de luz del fotocoplador es un LED (diodo emisor de luz).
Desde los años sesenta hasta los años setenta, cuando se inventaron los leds y sus avances tecnológicos fueron significativos,optoelectrónicase convirtió en un auge. En ese momento, variosdispositivos ópticosSe inventaron varios dispositivos optoelectrónicos, entre ellos el fotoacoplador. Posteriormente, la optoelectrónica se integró rápidamente en nuestras vidas.
① Principio/mecanismo
El principio de funcionamiento del optoacoplador se basa en que el elemento emisor de luz convierte la señal eléctrica de entrada en luz, y el elemento receptor de luz transmite esta señal eléctrica de vuelta al circuito de salida. Ambos elementos se encuentran dentro de una capa que bloquea la luz externa y están dispuestos uno frente al otro 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 los dispositivos receptores de luz, dependiendo del entorno de uso, el tamaño externo, el precio, etc., pero en general, el más común es el fototransistor.
Cuando no están en funcionamiento, los fototransistores conducen mucha menos corriente que los semiconductores comunes. Cuando la luz incide sobre ellos, el fototransistor genera una fuerza fotoelectromotriz en la superficie del semiconductor tipo P y del semiconductor tipo N. Los huecos en el semiconductor tipo N fluyen hacia la región p, los electrones libres en el semiconductor tipo p fluyen hacia la región n, y así se produce el flujo de corriente.
Los fototransistores no son tan sensibles como los fotodiodos, pero también amplifican la señal de salida entre cientos y mil veces la señal de entrada (debido al campo eléctrico interno). Por lo tanto, son lo suficientemente sensibles como para detectar incluso señales débiles, lo cual representa 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 interponiendo un objeto que bloquea la luz entre el elemento emisor y el receptor. Por ejemplo, se pueden usar 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 fundamental. Un alto aislamiento no se ve fácilmente afectado 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, su estructura es relativamente simple y razonable.
Gracias a su larga trayectoria, la amplia gama de productos de diversos fabricantes constituye una ventaja única de los optoacopladores. Al no existir contacto físico, el desgaste entre sus componentes es mínimo, lo que prolonga su vida útil. Sin embargo, también presentan la particularidad de que su eficiencia luminosa tiende a fluctuar, debido al deterioro gradual de los LED con el paso del tiempo y los cambios de temperatura.
Especialmente cuando el componente interno del plástico transparente se vuelve opaco con el tiempo, la luz no es óptima. Sin embargo, en cualquier caso, 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 en comunicaciones de alta velocidad. Sin embargo, esto no supone una desventaja, ya que algunos componentes incorporan circuitos de amplificación en la salida para aumentar la velocidad. De hecho, no todos los circuitos electrónicos requieren aumentar la velocidad.
③ Uso
acopladores fotoeléctricosSe utilizan principalmente para operaciones de conmutación. El circuito se energiza al accionar el interruptor, pero, considerando las características mencionadas, especialmente su aislamiento y larga vida útil, resultan idóneos para aplicaciones que requieren alta fiabilidad. Por ejemplo, el ruido es un grave problema para los dispositivos electrónicos médicos y los equipos de audio/comunicación.
También se utiliza en sistemas de accionamiento de motores. En el caso del motor, la velocidad se controla mediante un inversor durante su funcionamiento, pero este genera ruido debido a su alta potencia. Este ruido no solo puede provocar fallos en el propio motor, sino que también puede propagarse a tierra, afectando a los periféricos. En particular, los equipos con cableado extenso son más propensos a captar este ruido de alta potencia, por lo que, si se produce en una fábrica, ocasionará grandes pérdidas e incluso accidentes graves. Mediante el uso de optoacopladores de alta aislación para la conmutación, se puede minimizar el impacto en otros circuitos y dispositivos.
Segundo, cómo elegir y usar optoacopladores
¿Cómo utilizar el optoacoplador adecuado para su aplicación en el diseño de productos? Los siguientes ingenieros de desarrollo de microcontroladores explicarán cómo seleccionar y utilizar optoacopladores.
① Siempre abierto y siempre cerrado
Existen dos tipos de optoacopladores: uno en el que el interruptor se apaga cuando no hay tensión aplicada, otro en el que se enciende (apaga) al aplicar tensión y un tercero en el que se enciende cuando no hay tensión.
El primero se denomina normalmente abierto y el segundo, normalmente cerrado. La elección depende, en primer lugar, del tipo de circuito que se necesite.
② Compruebe la corriente de salida y la tensión aplicada
Los optoacopladores tienen la propiedad de amplificar la señal, pero no siempre permiten el paso de voltaje y corriente a voluntad. Si bien su capacidad está definida, es necesario aplicar un voltaje en la entrada según la corriente de salida deseada.
Si consultamos la hoja de datos del producto, veremos una gráfica 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 correspondiente a la corriente de salida deseada.
Sin embargo, puede que le parezca sorprendentemente baja la corriente de salida calculada aquí. Este es el valor de corriente que aún se puede suministrar de forma fiable tras tener en cuenta el deterioro del LED con el tiempo, por lo que es inferior a la corriente máxima nominal.
Por el contrario, existen casos en los que la corriente de salida no es elevada. Por lo tanto, al elegir el optoacoplador, asegúrese de comprobar cuidadosamente la corriente de salida y seleccionar el producto que se ajuste 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 conocer la potencia de salida requerida por el proyecto y el voltaje de entrada antes de la compra. Es importante verificar que el valor máximo y la corriente utilizada no sean límites, sino que exista cierto margen de seguridad.
④ Ajuste correctamente el fotocoplador.
Una vez elegido el optoacoplador adecuado, utilicémoslo en un proyecto real. La instalación es sencilla: basta con conectar los terminales a los circuitos de entrada y salida. Sin embargo, es importante tener cuidado de no confundir la entrada con la salida. Por lo tanto, también debe consultar la simbología en la tabla de datos para evitar errores en la conexión del optoacoplador tras el diseño de la placa de circuito impreso.
Fecha de publicación: 29 de julio de 2023