Optoaislador - Opto-isolator

Diagrama esquemático de un optoaislador que muestra la fuente de luz (LED) a la izquierda, la barrera dieléctrica en el centro y el sensor (fototransistor) a la derecha.

Un optoaislador (también llamado optoacoplador , fotoacoplador o aislador óptico ) es un componente electrónico que transfiere señales eléctricas entre dos circuitos aislados mediante el uso de luz. Los optoaisladores evitan que los altos voltajes afecten al sistema que recibe la señal. Los optoaisladores disponibles comercialmente soportan voltajes de entrada a salida de hasta 10  kV y transitorios de voltaje con velocidades de hasta 25 kV / μs .

Un tipo común de optoaislador consiste en un LED y un fototransistor en el mismo paquete opaco. Otros tipos de combinaciones de fuente de sensores incluyen LED- fotodiodo , LED- LASCR , y lámpara - fotoresistores pares. Por lo general, los optoaisladores transfieren señales digitales (encendido-apagado), pero algunas técnicas permiten su uso con señales analógicas.

Historia

El valor de acoplar ópticamente un emisor de luz de estado sólido a un detector de semiconductores con el propósito de aislamiento eléctrico fue reconocido en 1963 por Akmenkalns, et al. (Patente de EE.UU. 3.417.249). Los optoaisladores basados ​​en fotorresistores se introdujeron en 1968. Son los más lentos, pero también los más lineales, y aún conservan un nicho de mercado en las industrias de audio y música. La comercialización de la tecnología LED en 1968-1970 provocó un auge en la optoelectrónica y, a fines de la década de 1970, la industria desarrolló todos los tipos principales de optoaisladores. La mayoría de los optoaisladores del mercado utilizan sensores de fototransistor de silicio bipolar. Alcanzan una velocidad de transferencia de datos media, suficiente para aplicaciones como la electroencefalografía . Los optoaisladores más rápidos utilizan diodos PIN en modo fotoconductor .

Operación

Un optoaislador contiene una fuente (emisor) de luz, casi siempre un diodo emisor de luz (LED) del infrarrojo cercano , que convierte la señal de entrada eléctrica en luz, un canal óptico cerrado (también llamado canal dieléctrico) y un fotosensor , que detecta la luz entrante y genera energía eléctrica directamente o modula la corriente eléctrica que fluye desde una fuente de alimentación externa. El sensor puede ser un fotorresistor , un fotodiodo , un fototransistor , un rectificador controlado por silicio (SCR) o un triac . Dado que los LED pueden detectar la luz además de emitirla, es posible la construcción de optoaisladores bidireccionales simétricos. Un relé de estado sólido optoacoplado contiene un optoaislador de fotodiodo que acciona un interruptor de encendido, generalmente un par complementario de MOSFET . Un interruptor óptico ranurado contiene una fuente de luz y un sensor, pero su canal óptico está abierto, lo que permite la modulación de la luz por objetos externos que obstruyen el camino de la luz o reflejan la luz en el sensor.

Aislamiento electrico

Disposición plana (superior) y domo de silicona (inferior): sección transversal a través de un paquete estándar doble en línea . Los tamaños relativos de LED (rojo) y sensor (verde) son exagerados.

Los equipos electrónicos y las líneas de transmisión de señal y energía pueden estar sujetos a sobretensiones inducidas por rayos , descargas electrostáticas , transmisiones de radiofrecuencia , pulsos de conmutación (picos) y perturbaciones en el suministro de energía. Los rayos remotos pueden inducir sobretensiones de hasta 10  kV , mil veces más que los límites de voltaje de muchos componentes electrónicos. Un circuito también puede incorporar altos voltajes por diseño, en cuyo caso necesita medios seguros y confiables para interconectar sus componentes de alto voltaje con los de bajo voltaje.

La función principal de un optoaislador es bloquear voltajes tan altos y transitorios de voltaje, de modo que una sobretensión en una parte del sistema no interrumpa o destruya las otras partes. Históricamente, esta función se delegaba a los transformadores de aislamiento , que utilizan un acoplamiento inductivo entre los lados de entrada y salida aislados galvánicamente . Los transformadores y los optoaisladores son las únicas dos clases de dispositivos electrónicos que ofrecen una protección reforzada : protegen tanto al equipo como al usuario humano que opera este equipo. Contienen una única barrera de aislamiento físico, pero brindan una protección equivalente al doble aislamiento . La seguridad, las pruebas y la aprobación de los optoacopladores están reguladas por las normas nacionales e internacionales: IEC 60747-5-2, EN (CENELEC) 60747-5-2, UL 1577, CSA Component Acceptance Notice # 5, etc. Especificaciones del optoaislador publicados por los fabricantes siempre siguen al menos uno de estos marcos regulatorios.

Un optoaislador conecta los lados de entrada y salida con un haz de luz modulado por la corriente de entrada. Transforma la señal de entrada útil en luz, la envía a través del canal dieléctrico , captura la luz en el lado de salida y la transforma nuevamente en señal eléctrica. A diferencia de los transformadores, que pasan energía en ambas direcciones con pérdidas muy bajas, los optoaisladores son unidireccionales (ver excepciones ) y no pueden transmitir energía . Los optoaisladores típicos solo pueden modular el flujo de energía ya presente en el lado de salida. A diferencia de los transformadores, los optoaisladores pueden pasar señales de CC o de movimiento lento y no requieren impedancias coincidentes entre los lados de entrada y salida. Tanto los transformadores como los optoaisladores son efectivos para romper bucles de tierra , comunes en equipos industriales y de escenario, causados ​​por corrientes de retorno altas o ruidosas en los cables de tierra .

El diseño físico de un optoaislador depende principalmente del voltaje de aislamiento deseado. Los dispositivos clasificados para menos de unos pocos kV tienen una construcción plana (o sándwich). La matriz del sensor se monta directamente en el marco de plomo de su paquete (generalmente, un paquete en línea doble de seis o cuatro pines ). El sensor está cubierto con una hoja de vidrio o plástico transparente, que se remata con el LED muere. El haz de LED se dispara hacia abajo. Para minimizar las pérdidas de luz, el espectro de absorción útil del sensor debe coincidir con el espectro de salida del LED, que casi invariablemente se encuentra en el infrarrojo cercano. El canal óptico se hace lo más delgado posible para un voltaje de ruptura deseado . Por ejemplo, para estar clasificada para voltajes a corto plazo de 3,75 kV y transitorios de 1 kV / μs, la hoja de poliimida transparente de la serie Avago ASSR-300 tiene solo 0,08 mm de espesor. Los voltajes de ruptura de los conjuntos planos dependen del grosor de la hoja transparente y de la configuración de los cables de unión que conectan las matrices con los pasadores externos. El voltaje de aislamiento real en el circuito se reduce aún más por la fuga sobre la PCB y la superficie del paquete. Las reglas de diseño seguro requieren un espacio libre mínimo de 25 mm / kV para conductores de metal desnudo o de 8,3 mm / kV para conductores revestidos.

Los optoaisladores clasificados para 2.5 a 6 kV emplean un diseño diferente llamado domo de silicona . Aquí, el LED y el sensor se colocan en los lados opuestos del paquete; el LED se dispara en el sensor horizontalmente. El LED, el sensor y el espacio entre ellos están encapsulados en una burbuja o cúpula de silicona transparente . La cúpula actúa como un reflector , reteniendo toda la luz parásita y reflejándola sobre la superficie del sensor, minimizando las pérdidas en un canal óptico relativamente largo. En diseños de doble molde , el espacio entre la gota de silicona ("molde interior") y la carcasa exterior ("molde exterior") se llena con un compuesto dieléctrico oscuro con un coeficiente de expansión térmica equivalente .

Tipos de optoaisladores

Optoaisladores resistivos

Los primeros optoaisladores, originalmente comercializados como células ligeras , surgieron en la década de 1960. Emplearon bombillas incandescentes en miniatura como fuentes de luz y fotorresistores de sulfuro de cadmio (CdS) o seleniuro de cadmio (CdSe) (también llamados resistencias dependientes de la luz, LDR) como receptores. En aplicaciones donde la linealidad del control no era importante, o donde la corriente disponible era demasiado baja para activar una bombilla incandescente (como era el caso de los amplificadores de tubo de vacío), se reemplazó por una lámpara de neón . Estos dispositivos (o simplemente su componente LDR) se denominaban comúnmente Vactrols , en honor a una marca comercial de Vactec, Inc. Desde entonces, la marca comercial ha sido genérica , pero los Vactrols originales todavía están siendo fabricados por PerkinElmer .

El retardo de encendido y apagado de una bombilla incandescente se encuentra en un rango de cientos de milisegundos , lo que hace que la bombilla sea un filtro y rectificador de paso bajo eficaz, pero limita el rango de frecuencia de modulación práctica a unos pocos hercios . Con la introducción de diodos emisores de luz (LED) en 1968-1970, los fabricantes reemplazaron las lámparas incandescentes y de neón por LED y lograron tiempos de respuesta de 5 milisegundos y frecuencias de modulación de hasta 250 Hz. El nombre Vactrol se trasladó a dispositivos basados ​​en LED que, a partir de 2010, todavía se producen en pequeñas cantidades.

Los fotorresistores utilizados en optoaisladores se basan en efectos de volumen en una película uniforme de semiconductor ; no hay uniones pn . Exclusivamente entre los fotosensores, los fotorresistores son dispositivos no polares adecuados para circuitos de CA o CC. Su resistencia cae en proporción inversa a la intensidad de la luz entrante, desde prácticamente el infinito hasta un piso residual que puede ser tan bajo como menos de cien ohmios . Estas propiedades hicieron del Vactrol original un compresor y control automático de ganancia conveniente y económico para redes telefónicas. Los fotorresistores resistieron fácilmente voltajes de hasta 400 voltios, lo que los hizo ideales para conducir pantallas fluorescentes al vacío . Otras aplicaciones industriales incluyeron fotocopiadoras , automatización industrial , instrumentos profesionales de medición de luz y medidores de exposición automática . La mayoría de estas aplicaciones son ahora obsoletas, pero los optoaisladores resistivos conservaron un nicho en los mercados de audio, en particular amplificadores de guitarra .

Los fabricantes estadounidenses de guitarras y órganos de la década de 1960 adoptaron el optoaislador resistivo como un modulador de trémolo conveniente y económico . Los primeros efectos de trémolo de Fender usaban dos tubos de vacío ; después de 1964, uno de estos tubos fue reemplazado por un optoacoplador hecho de un LDR y una lámpara de neón. Hasta la fecha, los Vactrols que se activan presionando el pedal del pedal son omnipresentes en la industria de la música. La escasez de Vactrols genuinos de PerkinElmer forzó a la comunidad de guitarras DIY a "enrollar sus propios" optoaisladores resistivos. Los guitarristas hasta la fecha prefieren los efectos optoaislados porque su separación superior del audio y las bases de control da como resultado "una calidad de sonido inherentemente alta". Sin embargo, la distorsión introducida por un fotorresistor en la señal de nivel de línea es mayor que la de un amplificador profesional controlado por voltaje acoplado eléctricamente . El rendimiento se ve comprometido aún más por las lentas fluctuaciones de la resistencia debido a la historia de la luz , un efecto de memoria inherente a los compuestos de cadmio . Tales fluctuaciones tardan horas en asentarse y solo pueden compensarse parcialmente con retroalimentación en el circuito de control.

Optoaisladores de fotodiodos

Un optoaislador de fotodiodo rápido con un circuito amplificador en el lado de salida.

Los optoaisladores de diodos emplean LED como fuentes de luz y fotodiodos de silicio como sensores. Cuando el fotodiodo tiene polarización inversa con una fuente de voltaje externa, la luz entrante aumenta la corriente inversa que fluye a través del diodo. El diodo en sí no genera energía; Modula el flujo de energía de una fuente externa. Este modo de funcionamiento se denomina modo fotoconductor . Alternativamente, en ausencia de polarización externa, el diodo convierte la energía de la luz en energía eléctrica cargando sus terminales a un voltaje de hasta 0,7 V. La tasa de carga es proporcional a la intensidad de la luz entrante. La energía se obtiene drenando la carga a través de una ruta externa de alta impedancia; la relación de transferencia de corriente puede alcanzar el 0,2%. Este modo de funcionamiento se denomina modo fotovoltaico .

Los optoaisladores más rápidos emplean diodos PIN en modo fotoconductor. Los tiempos de respuesta de los diodos PIN se encuentran en el rango de subnanosegundos ; La velocidad general del sistema está limitada por retrasos en la salida del LED y en los circuitos de polarización. Para minimizar estos retrasos, los optoaisladores digitales rápidos contienen sus propios controladores LED y amplificadores de salida optimizados para la velocidad. Estos dispositivos se denominan optoaisladores de lógica completa : sus LED y sensores están completamente encapsulados dentro de un circuito lógico digital. La familia de dispositivos Hewlett-Packard 6N137 / HPCL2601 equipados con amplificadores de salida internos se introdujo a fines de la década de 1970 y alcanzó velocidades de transferencia de datos de 10  MBd . Siguió siendo un estándar de la industria hasta la introducción de la familia Agilent Technologies 7723/0723 de 50 MBd en 2002. Los optoaisladores de la serie 7723/0723 contienen controladores LED CMOS y amplificadores con búfer CMOS , que requieren dos fuentes de alimentación externas independientes de 5 V cada una. .

Los optoaisladores de fotodiodos se pueden utilizar para interconectar señales analógicas, aunque su no linealidad distorsiona invariablemente la señal . Una clase especial de optoaisladores analógicos introducida por Burr-Brown utiliza dos fotodiodos y un amplificador operacional en el lado de entrada para compensar la no linealidad del diodo. Uno de los dos diodos idénticos está conectado al circuito de retroalimentación del amplificador, que mantiene la relación de transferencia de corriente general a un nivel constante independientemente de la no linealidad en el segundo diodo (de salida).

El 3 de junio de 2011 se presentó una idea novedosa de un aislador óptico de señales analógicas en particular. La configuración propuesta consta de dos partes diferentes. Uno de ellos transfiere la señal y el otro establece una retroalimentación negativa para asegurar que la señal de salida tenga las mismas características que la señal de entrada. Este aislador analógico propuesto es lineal en un amplio rango de voltaje y frecuencia de entrada. Sin embargo, los optoacopladores lineales que utilizan este principio han estado disponibles durante muchos años, por ejemplo, el IL300.

Los relés de estado sólido construidos alrededor de interruptores MOSFET generalmente emplean un optoaislador de fotodiodo para impulsar el interruptor. La puerta de un MOSFET requiere una carga total relativamente pequeña para encenderse y su corriente de fuga en estado estable es muy baja. Un fotodiodo en modo fotovoltaico puede generar carga de encendido en un tiempo razonablemente corto, pero su voltaje de salida es muchas veces menor que el voltaje umbral del MOSFET . Para alcanzar el umbral requerido, los relés de estado sólido contienen pilas de hasta treinta fotodiodos conectados en serie.

Optoaisladores de fototransistores

Los fototransistores son inherentemente más lentos que los fotodiodos. El optoaislador 4N35 más antiguo y más lento, pero todavía común, por ejemplo, tiene tiempos de subida y bajada de 5 μs en una carga de 100 ohmios y su ancho de banda está limitado a alrededor de 10 kilohercios, suficiente para aplicaciones como electroencefalografía o control de motores de ancho de pulso. . Los dispositivos como PC-900 o 6N138 recomendados en la especificación de interfaz digital de instrumentos musicales original de 1983 permiten velocidades de transferencia de datos digitales de decenas de kiloBaudios. Los fototransistores deben estar polarizados y cargados adecuadamente para alcanzar sus velocidades máximas, por ejemplo, el 4N28 opera hasta 50 kHz con polarización óptima y menos de 4 kHz sin ella.

El diseño con optoaisladores de transistores requiere tolerancias generosas para las amplias fluctuaciones de los parámetros que se encuentran en los dispositivos disponibles comercialmente. Tales fluctuaciones pueden ser destructivas, por ejemplo, cuando un optoaislador en el circuito de retroalimentación de un convertidor de CC a CC cambia su función de transferencia y causa oscilaciones falsas, o cuando retrasos inesperados en los optoaisladores causan un cortocircuito en un lado. de un puente en H . Las hojas de datos de los fabricantes suelen enumerar solo los valores del peor caso para los parámetros críticos; los dispositivos reales superan estas estimaciones del peor de los casos de una manera impredecible. Bob Pease observó que la relación de transferencia de corriente en un lote de 4N28 puede variar del 15% a más del 100%; la hoja de datos especificaba solo un mínimo del 10%. La beta del transistor en el mismo lote puede variar de 300 a 3000, lo que resulta en una variación de 10: 1 en el ancho de banda .

Los optoaisladores que utilizan transistores de efecto de campo (FET) como sensores son raros y, como los vactrols, se pueden utilizar como potenciómetros analógicos controlados a distancia siempre que el voltaje a través del terminal de salida del FET no supere unos pocos cientos de mV. Los opto-FET se encienden sin inyectar carga de conmutación en el circuito de salida, lo que es particularmente útil en circuitos de muestreo y retención .

Optoaisladores bidireccionales

Todos los optoaisladores descritos hasta ahora son unidireccionales. El canal óptico siempre funciona en un sentido, desde la fuente (LED) hasta el sensor. Los sensores, sean fotorresistores, fotodiodos o fototransistores, no pueden emitir luz. Pero los LED, como todos los diodos semiconductores, son capaces de detectar la luz entrante, lo que hace posible la construcción de un optoaislador de dos vías a partir de un par de LED. El optoaislador bidireccional más simple es simplemente un par de LED colocados cara a cara y unidos con tubos termorretráctiles . Si es necesario, el espacio entre dos LED se puede ampliar con un inserto de fibra de vidrio .

Los LED de espectro visible tienen una eficiencia de transferencia relativamente baja, por lo que los LED GaAs , GaAs: Si y AlGaAs: Si de espectro infrarrojo cercano son la opción preferida para los dispositivos bidireccionales. Los optoaisladores bidireccionales construidos alrededor de pares de GaAs: Si los LED tienen una relación de transferencia de corriente de alrededor del 0,06% en modo fotovoltaico o fotoconductor , menos que los aisladores basados ​​en fotodiodos, pero lo suficientemente prácticos para aplicaciones del mundo real.

Tipos de configuraciones

Por lo general, los optoacopladores tienen una configuración de par cerrado . Esta configuración se refiere a optoacopladores encerrados en un contenedor oscuro en el que la fuente y el sensor están enfrentados.

Algunos optoacopladores tienen una configuración de acoplador / interruptor ranurado . Esta configuración se refiere a optoacopladores con una ranura abierta entre la fuente y el sensor que tiene la capacidad de influir en las señales entrantes. La configuración del acoplador / interruptor ranurado es adecuada para la detección de objetos, detección de vibraciones y conmutación sin rebotes.

Algunos optoacopladores tienen una configuración de par reflectante . Esta configuración se refiere a optoacopladores que contienen una fuente que emite luz y un sensor que solo detecta la luz cuando se ha reflejado en un objeto. La configuración de par reflectante es adecuada para el desarrollo de tacómetros, detectores de movimiento y monitores de reflectancia.

Las dos últimas configuraciones se denominan con frecuencia "sensores ópticos".

Ver también

• Aislamiento galvánico

Notas

Referencias

Fuentes

• S. Ananthi (2006). Un libro de texto de instrumentos médicos . New Age International. ISBN  81-224-1572-5 .
• Avago Technologies (2010). Consideraciones de seguridad al usar optoacopladores y aisladores alternativos para brindar protección contra peligros eléctricos . Enero de 2010. Consultado el 5 de noviembre de 2010.
• Stuart R. Ball (2004). Interfaz analógica con sistemas de microprocesadores integrados . Elsevier. ISBN  0-7506-7723-6 .
• Christophe Basso (2009). Tratar con optoacopladores de baja corriente . Energy Efficiency and Technology, 1 de septiembre de 2009. Consultado el 2 de noviembre de 2010.
• Ashok Bindra (2000). Las bobinas magnéticas basadas en MEM superan la limitación de los acopladores ópticos . Electronic Design, 24 de julio de 2000. Consultado el 4 de noviembre de 2010.
• Geoffrey Bottrill, Derek Cheyne, G. Vijayaraghavan (2005). Equipos e instalaciones eléctricos prácticos en áreas peligrosas . Newnes. ISBN  0-7506-6398-7 .
• Nicholas Collins (2009). Música electrónica hecha a mano: el arte de la piratería informática . Taylor y Francis. ISBN  0-415-99873-5 .
• Ritchie Fliegler, Jon F. Eiche (1993). Amps !: la otra mitad del rock 'n' roll . Hal Leonard Corporation. ISBN  0-7935-2411-3 .
• Rudolf F. Graf (1999). Diccionario moderno de electrónica . Newnes. ISBN  0-7506-9866-7 .
• Peter Hasse (2000). Protección contra sobretensiones de sistemas de baja tensión . IET. ISBN  0-85296-781-0 .
• Paul Horowitz , Winfield Hill (2006). El arte de la electrónica . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN  0-521-37095-7 .
• Alexander Jaus (2005). Navegando por el laberinto regulatorio con optoacopladores . Power Electronics Technology, mayo de 2005, págs. 48–52.
• Elya B. Joffe, Kai-Sang Lock (2010). Conexiones a tierra: Manual de circuito a sistema . Wiley-IEEE. ISBN  0-471-66008-6 .
• S. Kaeriyama, S. Uchida, M. Furumiya, M. Okada, M. Mizuno (2010). Un aislador digital de 2.5kV de 35kV / us CMR 250Mbps 0.13mA / Mbps en CMOS estándar con un pequeño transformador en chip . Simposio IEEE 2010 sobre circuitos VLSI . Honolulu, del 16 al 18 de junio de 2010. ISBN  1-4244-5454-9 . págs. 197-198.
• Linda Kincaid (2010). Analog Devices presenta el aislador digital con controlador de transformador integrado y controlador PWM . Dispositivos analógicos . 21 de octubre de 2010. Consultado el 3 de noviembre de 2010.
• Jeremy Seah Eng Lee, Alexander Jaus, Patrick Sullivan, Chua Teck Bee (2005). Construcción de un sistema industrial seguro y robusto con optoacopladores de Avago Technologies . Avago Technologies . Consultado el 2 de noviembre de 2010.
• Herbert F. Mataré (1978). Dispositivos emisores de luz, Parte II: Diseño y aplicaciones de dispositivos . Avances en electrónica y física electrónica, Volumen 45 (1978), ISBN  0-12-014645-2 , págs. 40–200.
• Forrest M. Mims (2000). Álbum de recortes del circuito de Mims (volumen 2) . Newnes. ISBN  1-878707-49-3 .
• John Myers (2002). Acopladores magnéticos en sistemas industriales . Revista de sensores. Marzo de 2002. Consultado el 4 de noviembre de 2010.
• Corporación NVE (2007). Boletín de aplicación AB-7. GMR en aislamiento . Marzo de 2007. Consultado el 4 de noviembre de 2010.
• Robert A. Pease (1991). Solución de problemas de circuitos analógicos . Newnes. ISBN  0-7506-9499-8 .
• PerkinElmer (2001). Células fotoconductoras y optoaisladores analógicos (Vactrols) . Consultado el 2 de noviembre de 2010.
• Dan I. Porat, Arpad Barna (1979). Introducción a las técnicas digitales . Wiley. ISBN  0-471-02924-6 .
• E. Fred Schubert (2006). Diodos emisores de luz . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN  0-521-86538-7 .
• Silonex (2002). Control de nivel de audio con optoacopladores resistivos . ( Versión PDF ). Consultado el 2 de noviembre de 2010.
• John Teagle, John Sprung (1995). Amplificadores de guardabarros: los primeros cincuenta años . Hal Leonard Corporation. ISBN  0-7935-3733-9 .
• Semiconductores Vishay (2008). Nota de aplicación 56. Relés de estado sólido . 4 de junio de 2008. Consultado el 5 de noviembre de 2010.
• Gerald Weber (1997). Charla sobre amplificadores de válvulas para guitarristas y técnicos . Hal Leonard Corporation. ISBN  0-9641060-1-9 .

enlaces externos

• Medios relacionados con optoaisladores en Wikimedia Commons