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. [1] Los optoaisladores evitan que los altos voltajes afecten al sistema que recibe la señal. [2] Los optoaisladores disponibles comercialmente soportan voltajes de entrada a salida de hasta 10 kV [3] y transitorios de voltaje con velocidades de hasta 25 kV/ μs . [4]
Un tipo común de optoaislador consiste en un LED y un fototransistor en el mismo encapsulado opaco. Otros tipos de combinaciones de fuente-sensor incluyen pares LED- fotodiodo , LED- LASCR y lámpara - fotorresistencia . Por lo general, los optoaisladores transfieren señales digitales (encendido-apagado) y pueden actuar como un interruptor electrónico , pero algunas técnicas permiten su uso con señales analógicas.
El valor de acoplar ópticamente un emisor de luz de estado sólido a un detector semiconductor con el propósito de aislamiento eléctrico fue reconocido en 1963 por Akmenkalns, et al. (patente estadounidense 3.417.249). Los optoaisladores basados en fotorresistores se introdujeron en 1968. Son los aisladores 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 para fines de la década de 1970 la industria desarrolló todos los tipos principales de optoaisladores. La mayoría de los optoaisladores en el mercado utilizan sensores de fototransistor de silicio bipolar. [5] Alcanzan una velocidad de transferencia de datos media, suficiente para aplicaciones como la electroencefalografía . [6] Los optoaisladores más rápidos utilizan diodos PIN en modo fotoconductor .
Un optoaislador contiene una fuente (emisor) de luz, casi siempre un diodo emisor de luz (LED) de infrarrojo cercano , que convierte la señal de entrada eléctrica en luz, un canal óptico cerrado (también llamado canal dieléctrico [7] ) 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 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 potencia, normalmente 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 hacia el sensor.
Los equipos electrónicos y las líneas de transmisión de señales 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. [8] Los rayos remotos pueden inducir sobretensiones de hasta 10 kV , mil veces más que los límites de voltaje de muchos componentes electrónicos. [9] 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. [10]
La función principal de un optoaislador es bloquear tales voltajes altos y transitorios de voltaje, de modo que una sobretensión en una parte del sistema no interrumpa o destruya las otras partes. [2] [11] Históricamente, esta función se delegó a los transformadores de aislamiento , que utilizan acoplamiento inductivo entre los lados de entrada y salida aislados galvánicamente . Los transformadores y optoaisladores son las únicas dos clases de dispositivos electrónicos que ofrecen protección reforzada : protegen tanto al equipo como al usuario humano que opera este equipo. [12] Contienen una sola barrera de aislamiento físico, pero brindan protección equivalente al doble aislamiento . [12] La seguridad, las pruebas y la aprobación de los optoacopladores están reguladas por estándares nacionales e internacionales: IEC 60747-5-2, EN (CENELEC) 60747-5-2, UL 1577, CSA Component Acceptance Notice #5, etc. [13] Las especificaciones de los optoaisladores publicadas 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 [nota 3] con pérdidas muy bajas, los optoaisladores son unidireccionales (ver excepciones) y no pueden transmitir energía . [14] Los optoaisladores típicos solo pueden modular el flujo de energía ya presente en el lado de salida. [14] 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. [nota 4] Tanto los transformadores como los optoaisladores son efectivos para romper bucles de tierra , comunes en equipos industriales y de escenarios, causados por corrientes de retorno altas o ruidosas en los cables de tierra . [15]
La disposición física 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). [16] La matriz del sensor se monta directamente en el marco conductor de su encapsulado (normalmente, un encapsulado dual en línea de seis o cuatro pines ). [7] El sensor se cubre con una lámina de vidrio o plástico transparente, que se remata con la matriz del LED. [7] El haz del 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. [17] El canal óptico se hace lo más fino posible para un voltaje de ruptura deseado . [16] Por ejemplo, para estar clasificado para voltajes de corto plazo de 3,75 kV y transitorios de 1 kV/μs, la lámina de poliimida transparente de la serie Avago ASSR-300 tiene solo 0,08 mm de espesor. [18] Las tensiones de ruptura de los conjuntos planos dependen del espesor de la lámina transparente [16] y de la configuración de los cables de unión que conectan las matrices con los pines externos. [7] La tensión de aislamiento real en el circuito se reduce aún más por la fuga de corriente sobre la PCB y la superficie del encapsulado. Las reglas de diseño seguro requieren una distancia mínima de 25 mm/kV para conductores de metal desnudo o de 8,3 mm/kV para conductores recubiertos. [19]
Los optoaisladores clasificados para 2,5 a 6 kV emplean un diseño diferente llamado domo de silicona . [20] Aquí, los LED y las matrices del sensor se colocan en los lados opuestos del paquete; el LED se dispara hacia el sensor horizontalmente. [20] El LED, el sensor y el espacio entre ellos están encapsulados en una gota, o domo, de silicona transparente . La cúpula actúa como un reflector , reteniendo toda la luz dispersa y reflejándola sobre la superficie del sensor, minimizando las pérdidas en un canal óptico relativamente largo. [20] En los diseños de doble molde, el espacio entre la gota de silicona ("molde interior") y la carcasa exterior ("molde exterior") se rellena con un compuesto dieléctrico oscuro con un coeficiente de expansión térmica coincidente . [21]
Los primeros optoaisladores, comercializados originalmente como células de luz , surgieron en la década de 1960. Empleaban bombillas incandescentes en miniatura como fuentes de luz y fotorresistencias de sulfuro de cadmio (CdS) o seleniuro de cadmio (CdSe) (también llamadas 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 accionar una bombilla incandescente (como era el caso de los amplificadores de tubo de vacío), se reemplazaba 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 se ha genéricoizado , [nota 8] pero los Vactrols originales todavía los fabrica PerkinElmer . [24] [nota 9]
El retardo de encendido y apagado de una bombilla incandescente se encuentra en el rango de cientos de milisegundos , lo que hace que la bombilla sea un filtro de paso bajo y rectificador eficaz , pero limita el rango de frecuencia de modulación práctica a unos pocos hercios . Con la introducción de los diodos emisores de luz (LED) en 1968-1970, [25] los fabricantes reemplazaron las lámparas incandescentes y de neón con LED y lograron tiempos de respuesta de 5 milisegundos y frecuencias de modulación de hasta 250 Hz. [26] El nombre Vactrol se trasladó a los dispositivos basados en LED que, a partir de 2010, todavía se producen en pequeñas cantidades. [27]
Los fotoresistores utilizados en optoaisladores se basan en efectos de volumen en una película uniforme de semiconductor ; no hay uniones pn . [28] Únicamente entre los fotosensores, los fotoresistores son dispositivos no polares adecuados para circuitos de CA o CC. [28] 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 . [28] Estas propiedades hicieron del Vactrol original un control de ganancia automático y compresor conveniente y económico para redes telefónicas. Los fotoresistores resistieron fácilmente voltajes de hasta 400 voltios, [28] lo que los hizo ideales para controlar pantallas fluorescentes de vacío . Otras aplicaciones industriales incluyeron fotocopiadoras , automatización industrial , instrumentos de medición de luz profesionales y medidores de exposición automática . [28] La mayoría de estas aplicaciones ahora están obsoletas, pero los optoaisladores resistivos mantuvieron un nicho en los mercados de audio, en particular los amplificadores de guitarra .
Los fabricantes de guitarras y órganos estadounidenses de la década de 1960 adoptaron el optoaislador resistivo como un modulador de trémolo conveniente y barato. 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. [29] Hasta la fecha, los Vactrols que se activan al presionar el pedal del stompbox son omnipresentes en la industria musical. [30] La escasez de Vactrols PerkinElmer genuinos obligó a la comunidad de guitarristas aficionados a "fabricar sus propios" optoaisladores resistivos. [31] Los guitarristas hasta la fecha prefieren los efectos optoaislados porque su separación superior de las tomas de tierra de audio y control da como resultado una "calidad de sonido inherentemente alta". [31] Sin embargo, la distorsión introducida por un fotorresistor en la señal de nivel de línea es mayor que la de un amplificador controlado por voltaje acoplado eléctricamente profesional . [32] El rendimiento se ve comprometido aún más por las fluctuaciones lentas de la resistencia debido al historial de luz, un efecto de memoria inherente a los compuestos de cadmio . Dichas fluctuaciones tardan horas en estabilizarse y solo se pueden compensar parcialmente con retroalimentación en el circuito de control. [33]
Los optoaisladores de diodos emplean LED como fuentes de luz y fotodiodos de silicio como sensores. Cuando el fotodiodo está polarizado inversamente 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 desde una fuente externa. Este modo de operación se llama 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 recolecta drenando la carga a través de una ruta externa de alta impedancia; la relación de transferencia de corriente puede alcanzar el 0,2%. [22] Este modo de operación se llama 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 los retrasos en la salida del LED y en los circuitos de polarización. Para minimizar estos retrasos, los optoaisladores digitales rápidos contienen sus propios controladores de 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. [34] 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 . [35] Siguió siendo un estándar de la industria hasta la introducción de la familia Agilent Technologies [nota 10] 7723/0723 de 50 MBd en 2002. [36] Los optoaisladores de la serie 7723/0723 contienen controladores LED CMOS y amplificadores con buffer CMOS , que requieren dos fuentes de alimentación externas independientes de 5 V cada una. [37]
Los optoaisladores de fotodiodo se pueden utilizar para interconectar señales analógicas, aunque su no linealidad distorsiona invariablemente la señal . Una clase especial de optoaisladores analógicos introducidos por Burr-Brown utiliza dos fotodiodos y un amplificador operacional del lado de entrada para compensar la no linealidad del diodo. Uno de los dos diodos idénticos se conecta al bucle 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). [38]
El 3 de junio de 2011 se presentó una idea novedosa de un aislador óptico de señal analógica particular. La configuración propuesta consta de dos partes diferentes. Una de ellas transfiere la señal y la otra establece una retroalimentación negativa para garantizar 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. [39] Sin embargo, los acopladores ópticos lineales que utilizan este principio han estado disponibles durante muchos años, por ejemplo, el IL300. [40]
Los relés de estado sólido construidos alrededor de interruptores MOSFET generalmente emplean un optoaislador de fotodiodo para accionar el interruptor. La compuerta 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 una 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. [21]
Los fototransistores son inherentemente más lentos que los fotodiodos. [41] El optoaislador 4N35 más antiguo y más lento, pero aún común, por ejemplo, tiene tiempos de subida y bajada de 5 μs en una carga de 100 ohmios [42] y su ancho de banda está limitado a alrededor de 10 kilohercios, suficiente para aplicaciones como la electroencefalografía [6] o el control de motores por ancho de pulso . [43] Los dispositivos como el PC-900 o el 6N138 recomendados en la especificación original de la interfaz digital de instrumentos musicales de 1983 [44] permiten velocidades de transferencia de datos digitales de decenas de kilobauds. [45] Los fototransistores deben estar polarizados y cargados adecuadamente para alcanzar sus velocidades máximas, por ejemplo, el 4N28 funciona hasta a 50 kHz con polarización óptima y menos de 4 kHz sin ella. [46]
El diseño con optoaisladores de transistores requiere tolerancias generosas para las amplias fluctuaciones de los parámetros que se encuentran en los dispositivos disponibles comercialmente. [46] Dichas fluctuaciones pueden ser destructivas, por ejemplo, cuando un optoaislador en el bucle de retroalimentación de un convertidor CC a CC cambia su función de transferencia y causa oscilaciones espurias, [20] o cuando retrasos inesperados en los optoaisladores causan un cortocircuito a través de un lado de un puente H. [47] Las hojas de datos de los fabricantes normalmente enumeran solo los valores del peor caso para los parámetros críticos; los dispositivos reales superan estas estimaciones del peor caso de una manera impredecible. [ 46] 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 . [46]
Los optoaisladores que utilizan transistores de efecto de campo (FET) como sensores son poco comunes y, al igual que los vactrols, se pueden utilizar como potenciómetros analógicos controlados a distancia, siempre que el voltaje a través del terminal de salida del FET no exceda unos pocos cientos de mV. [38] 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 . [11]
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, ya sean fotorresistencias, fotodiodos o fototransistores, no pueden emitir luz. [nota 11] Pero los LED, como todos los diodos semiconductores, [nota 12] son capaces de detectar la luz entrante, lo que hace posible la construcción de un optoaislador bidireccional 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 un tubo termorretráctil . Si es necesario, el espacio entre dos LED se puede ampliar con un inserto de fibra de vidrio . [48]
Los LED de espectro visible tienen una eficiencia de transferencia relativamente pobre, por lo que los LED de GaAs , GaAs:Si y AlGaAs:Si de espectro infrarrojo cercano son la opción preferida para dispositivos bidireccionales. Los optoaisladores bidireccionales construidos alrededor de pares de LED de GaAs:Si tienen una relación de transferencia de corriente de alrededor del 0,06 % tanto en modo fotovoltaico como fotoconductor , menor que los aisladores basados en fotodiodos [49] , pero suficientemente prácticos para aplicaciones del mundo real. [48]
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 ranurado/interruptor . Esta configuración se refiere a los optoacopladores con una ranura abierta entre la fuente y el sensor que tiene la capacidad de influir en las señales entrantes. La configuración de acoplador ranurado/interruptor 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 los optoacopladores que contienen una fuente que emite luz y un sensor que solo detecta la luz cuando se refleja 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 frecuentemente optosensores o sensores fotoeléctricos .
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