¿Qué es un fotoacoplador, cómo elegirlo y cómo usarlo?

Los optoacopladores, que conectan circuitos utilizando señales ópticas como medio, son un elemento fundamental 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 bajo qué circunstancias funciona un optoacoplador, y cuál es su principio de funcionamiento? O, si lo utiliza en sus propios proyectos electrónicos, es posible que no sepa cómo elegirlo y usarlo. Esto se debe a que a menudo se confunde 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.

Acoplador óptico, que significa “acoplamiento mediante luz”. También conocido como optoacoplador, aislador óptico, etc., consta de un elemento emisor de luz y un elemento receptor de luz, y conecta el circuito de entrada con el de 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 voltaje de entrada y salida significativamente diferentes, con un alto aislamiento de voltaje 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 optoacoplador 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 auge. En ese momento, variosdispositivos ópticosSe inventaron varios dispositivos, y el acoplador fotoeléctrico fue uno de ellos. Posteriormente, la optoelectrónica se integró rápidamente en nuestras vidas.

① Principio/mecanismo

El principio de funcionamiento 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 luminosa de vuelta al circuito de salida. Tanto el elemento emisor como el receptor de luz se encuentran en el interior del bloque de luz externa, y están enfrentados para permitir la transmisión de 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 utilizado es el fototransistor.

Cuando no están en funcionamiento, los fototransistores conducen poca corriente en comparación con los semiconductores comunes. Cuando la luz incide sobre ellos, el fototransistor genera una fuerza fotoelectromotriz en la superficie del semiconductor de tipo P y del semiconductor de tipo N. Los huecos en el semiconductor de tipo N fluyen hacia la región p, los electrones libres en la región p fluyen hacia la región n, y así fluye la corriente.

Los fototransistores no son tan sensibles como los fotodiodos, pero también tienen la capacidad de amplificar 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 habitualmente 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 buen aislamiento minimiza la interferencia del ruido y, además, evita el flujo accidental de corriente entre circuitos adyacentes, lo que resulta extremadamente eficaz en términos de seguridad. Asimismo, su estructura es relativamente sencilla y práctica.

Debido a su larga trayectoria, la amplia gama de productos de diversos fabricantes también constituye una ventaja única de los optoacopladores. Al no existir contacto físico, el desgaste entre las piezas es mínimo y su vida útil es mayor. Sin embargo, también presentan la desventaja de que su eficiencia luminosa tiende a fluctuar, ya que el LED se deteriora gradualmente con el paso del tiempo y los cambios de temperatura.

Especialmente cuando el componente interno de plástico transparente se vuelve opaco con el tiempo, la luz no se percibe con la suficiente claridad. Sin embargo, en cualquier caso, su vida útil es muy prolongada en comparación con el 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 representa una desventaja, ya que algunos componentes incorporan circuitos de amplificación en la salida para aumentar la velocidad. De hecho, no todos los circuitos electrónicos necesitan aumentar su velocidad.

③ Uso

Acopladores fotoeléctricosSe utilizan principalmente para operaciones de conmutación. El circuito se energiza al accionar el interruptor, pero, dadas sus características, especialmente su aislamiento y larga vida útil, resultan idóneos para entornos que requieren alta fiabilidad. Por ejemplo, el ruido es un problema grave en la electrónica médica y en equipos de audio y comunicación.

También se utiliza en sistemas de accionamiento de motores. El motivo es que, si bien la velocidad del motor se controla mediante un inversor, genera ruido debido a su alta potencia de salida. Este ruido no solo puede provocar la avería del motor, sino que también se propaga a través de la tierra, afectando a los periféricos. En particular, los equipos con cableado extenso son propensos a captar este ruido de alta potencia, por lo que, si se produce en la fábrica, ocasionará grandes pérdidas e incluso accidentes graves. Mediante el uso de optoacopladores con un alto grado de aislamiento para la conmutación, se puede minimizar el impacto en otros circuitos y dispositivos.

Segundo, cómo elegir y utilizar los 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 se aplica voltaje, otro en el que se enciende cuando se aplica voltaje y otro en el que se enciende cuando no hay voltaje y se apaga cuando se aplica.

El primero se denomina normalmente abierto y el segundo, normalmente cerrado. La elección depende, en primer lugar, del tipo de circuito que 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 están especificados, es necesario aplicar un voltaje en 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 del colector) y el eje horizontal, la tensión de entrada (tensión colector-emisor). La corriente del colector varía según la intensidad de la luz LED, por lo que se debe aplicar la tensión adecuada para obtener la corriente de salida deseada.

Sin embargo, podría parecer sorprendentemente pequeña la corriente de salida calculada aquí. Este es el valor de corriente que aún se puede obtener de forma fiable teniendo 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 seleccione el producto que cumpla con este requisito.

③ Corriente máxima

La corriente de conducción máxima es el valor máximo que el optoacoplador puede soportar durante la conducción. Es importante saber qué potencia de salida requiere el proyecto y cuál es la tensión de entrada antes de comprar. Asegúrese de que el valor máximo y la corriente utilizada no sean límites, sino que exista un margen de seguridad.

④ Coloque el optoacoplador correctamente

Una vez elegido el optoacoplador adecuado, vamos a utilizarlo 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, conviene consultar la tabla de datos para evitar errores en la colocación de los terminales del optoacoplador tras diseñar la placa de circuito impreso.