El optoaislador resistivo (RO), también llamado optoaislador fotorresistivo , vactrol (en honor a una marca comercial genérica introducida por Vactec, Inc. en la década de 1960), optoaislador analógico [notas 1] o fotocélula acoplada a lámpara , [1] es un dispositivo optoelectrónico que consiste en una fuente y un detector de luz, que están acoplados ópticamente y aislados eléctricamente entre sí. La fuente de luz suele ser un diodo emisor de luz (LED), una lámpara incandescente en miniatura o, a veces, una lámpara de neón , mientras que el detector es un fotorresistor basado en semiconductores hecho de seleniuro de cadmio (CdSe) o sulfuro de cadmio (CdS). La fuente y el detector están acoplados a través de un pegamento transparente o a través del aire.
Eléctricamente, el RO es una resistencia controlada por la corriente que fluye a través de la fuente de luz. En el estado oscuro, la resistencia normalmente supera unos pocos MOhm; cuando está iluminado, disminuye como el inverso de la intensidad de la luz. A diferencia del fotodiodo y el fototransistor , el fotorresistor puede funcionar tanto en circuitos de CA como de CC [2] y tener un voltaje de varios cientos de voltios a través de él. [3] Las distorsiones armónicas de la corriente de salida del RO están normalmente dentro del 0,1% a voltajes inferiores a 0,5 V. [4]
El RO es el primer optoaislador y el más lento: su tiempo de conmutación supera 1 ms [5] y, en el caso de los modelos basados en lámparas, puede alcanzar cientos de milisegundos [3] . La capacitancia parásita limita el rango de frecuencia del fotoresistor a frecuencias ultrasónicas. Los fotoresistores basados en cadmio presentan un "efecto memoria": su resistencia depende del historial de iluminación; también se desplaza durante la iluminación y se estabiliza en cuestión de horas [6] o incluso semanas en el caso de los modelos de alta sensibilidad [7] . El calentamiento induce una degradación irreversible de los RO, mientras que el enfriamiento por debajo de los −25 °C aumenta drásticamente el tiempo de respuesta. Por lo tanto, los RO fueron reemplazados en su mayoría en la década de 1970 por los fotodiodos y fototransistores más rápidos y estables. Los RO todavía se utilizan en algunos equipos de sonido, amplificadores de guitarra y sintetizadores analógicos debido a su buen aislamiento eléctrico, baja distorsión de la señal y facilidad de diseño de circuitos.
En 1873, Willoughby Smith descubrió la fotoconductividad del selenio. [8] A principios de la década de 1900, los estudios del fotoefecto externo en los tubos de vacío dieron como resultado la producción comercial de fotorresistores. [9] En 1918, ingenieros estadounidenses y alemanes sugirieron de forma independiente el uso de fotocélulas de vacío para leer fonogramas ópticos en los proyectores de películas de los cines, [10] y Lee de Forest , Western Electric y General Electric produjeron tres sistemas en competencia utilizando dichas fotocélulas. [11] [12] En 1927, se produjo la primera película sonora comercial, The Jazz Singer , en los Estados Unidos, y en 1930 las películas sonoras habían sustituido a las películas mudas. [11]
El éxito de las películas sonoras estimuló la búsqueda de nuevas aplicaciones para las fotocélulas. [13] Se consideraron varios tipos de fotocélulas: de vacío, de descarga de gas, fotovoltaicas y fotorresistivas, [14] pero la industria favoreció los dispositivos de selenio lentos [15] pero baratos. [16] A mediados de la década de 1930, las fotocélulas de selenio controlaban las líneas de montaje, los ascensores [17] y los telares . [18] Las alarmas contra incendios con sensores de selenio entraron en producción en masa en el Reino Unido y luego en los EE. UU. [19] Norbert Wiener propuso, y Truman Gray construyó, un escáner óptico para ingresar y procesar datos en computadoras analógicas. [20] Kurt Kramer introdujo una fotocélula de selenio en la investigación médica. En 1940, Glenn Millikan construyó el primer oxímetro práctico basado en selenio para monitorear la condición física de los pilotos de la Royal Air Force . Era un RO donde la fuente de luz y el detector estaban separados por el lóbulo de la oreja del piloto. [21] [22]
A principios de los años 50, Teletronix utilizó el atenuador óptico "T4" en el compresor LA-2, y además, por su sonido único, Universal Audio todavía lo utiliza hoy en día en sus reproducciones del LA-2. Después de los años 50, el selenio en las fotocélulas fue reemplazado gradualmente por CdS y CdSe. En 1960, los RO basados en lámparas incandescentes y fotorresistencias CdS/CdSe se utilizaron en circuitos de retroalimentación en la industria, por ejemplo, para controlar la velocidad de rotación y el voltaje. A principios de los años 60, la introducción de fotorresistencias CdS/CdSe sensibles y compactas dio lugar a la producción en masa de cámaras con exposición automática. [23] [24] Sin embargo, estas fotorresistencias no se adoptaron en medicina debido a su efecto memoria y envejecimiento rápido [24] ; requerían una recalibración regular que no era aceptable para la práctica médica. [25] [26]
A principios de los años 60, Gibson y Fender comenzaron a utilizar RO para modular el efecto de trémolo en los amplificadores de guitarra. Ambas compañías ensamblaban sus RO a partir de lámparas discretas, fotorresistencias y tubos de acoplamiento. [27] Mientras que Gibson utilizaba lámparas incandescentes baratas pero lentas como fuentes de luz, Fender las reemplazó con lámparas de neón, que aumentaban la frecuencia máxima a decenas de Hz y reducían las corrientes de control, pero resultaban en una modulación no lineal. Por lo tanto, otros productores prefirieron las lámparas incandescentes por su linealidad. [28]
En 1967, Vactec introdujo un RO compacto con la marca Vactrol. [29] A diferencia de los RO acoplados a tubos de Fender y Gibson, los Vactrol eran dispositivos sellados y resistentes. A principios de la década de 1970, Vactec reemplazó las bombillas incandescentes por LED. Esto aumentó la velocidad de conmutación, pero no al nivel requerido para los dispositivos digitales. Por lo tanto, la introducción de los fotodiodos y fototransistores más rápidos en la década de 1970 expulsó a los RO del mercado. [24] [25] Los RO mantuvieron nichos de aplicación estrechos en equipos de sonido y algunos dispositivos de automatización industrial que no requerían altas velocidades. [30] [31] Vactec no extendió sus derechos a la marca registrada Vactrol, [29] y se ha convertido en una palabra familiar en el idioma inglés para cualquier RO utilizado en equipos de audio, [32] incluidos los RO de Fender y Gibson. [33] A partir de 2010, los RO Vactrol fueron producidos por PerkinElmer, el sucesor de Vactec hasta que sus negocios de soluciones de iluminación y detección fueron desinvertidos como una empresa independiente Excelitas Technologies en noviembre de 2010. [34] Excelitas finalizó la producción de RO en diciembre de 2015. [35] A partir de 2022, los RO tipo Vactrol todavía son fabricados por el sucesor de Silonex, Advanced Photonix. [36] [37] y al menos dos fábricas en Shenzhen, China. [38] [39]
En la Unión Europea, la producción y distribución de fotorresistores basados en Cd está prohibida desde el 1 de enero de 2010. La versión inicial de la Directiva de la UE sobre la restricción de sustancias peligrosas (RoHS), adoptada en 2003, permitía el uso de cadmio en los dispositivos que no tenían equivalentes libres de Cd. [40] Sin embargo, en 2009 la Comisión Europea excluyó los RO basados en Cd utilizados en equipos de audio profesionales de la lista de dispositivos permitidos. [41] "A partir del 2 de enero de 2013, el uso de cadmio está permitido en fotorresistores para optoacopladores analógicos aplicados en equipos de audio profesionales. ... Sin embargo, la exención está limitada en el tiempo, ya que la Comisión considera que la investigación para la tecnología libre de cadmio está en progreso y los sustitutos podrían estar disponibles a fines de 2013". [42]
La mayoría de los RO utilizan CdS o CdSe como material sensible a la luz. [43]
La sensibilidad espectral de los fotorresistores de CdS alcanza su pico máximo para la luz roja (longitud de onda λ = 640 nm) y se extiende hasta 900 nm. [44] Estos dispositivos pueden controlar unos pocos mA y tienen una dependencia cuasilineal de la fotocorriente con respecto a la intensidad de la luz a un voltaje constante. [43] Su alta resistencia en la oscuridad, que alcanza decenas de GOhm, [43] proporciona un alto rango dinámico con respecto a la intensidad de la luz y bajas distorsiones de la señal. [45] Sin embargo, su tiempo de reacción a un cambio en la intensidad de la luz es largo, alrededor de 140 ms a 25 °C. [43]
Los fotorresistores de CdSe son entre 5 y 100 veces más sensibles que los dispositivos de CdS; [43] su sensibilidad alcanza su pico máximo en la región del rojo al infrarrojo cercano (670-850 nm) y se extiende hasta 1100 nm. [44] Tienen un rango dinámico y una linealidad inferiores a sus homólogos de CdS, pero son más rápidos, con una constante de tiempo de menos de 20 ms. [43]
Las fuentes de luz óptimas para los fotorresistores de CdS/CdSe son las heteroestructuras de AlGaAs (longitud de onda de emisión de ~660 nm) o los LED de GaP (λ = 697 nm). [46] La luminosidad del LED es casi proporcional a la corriente de control. El espectro de emisión depende de la temperatura del LED y, por lo tanto, de la corriente, pero esta variación es demasiado pequeña para afectar la correspondencia espectral del LED y el fotorresistor. [47] [48]
Para lograr estabilidad mecánica, el LED y el fotorresistor se pegan con un epoxi transparente , pegamento o un polímero orgánico. [49] El pegamento también funciona como un difusor que difunde el haz de luz: si cayera cerca del borde del semiconductor y los contactos eléctricos, un ligero cambio en la posición del LED podría alterar significativamente la respuesta de RO. [45]
La característica de transferencia de RO se representa generalmente como la resistencia eléctrica del fotorresistor en función de la corriente a través de la fuente de luz; es una convolución de tres factores principales: la dependencia de la intensidad de la fuente de luz con respecto a su corriente, el acoplamiento óptico y la adaptación espectral entre la fuente de luz y el fotorresistor, y la fotorrespuesta del fotorresistor. La primera dependencia es casi lineal e independiente de la temperatura para los LED en el rango práctico de la corriente de control. Por el contrario, para las lámparas incandescentes la curva de luz-corriente no es lineal y el espectro de emisión varía con la temperatura y, por lo tanto, con la corriente de entrada. En cuanto al detector de luz, sus propiedades dependen de la temperatura, el voltaje y el historial de uso (efecto memoria). Por lo tanto, la característica de transferencia adopta un rango de valores.
El circuito equivalente del fotorresistor consta de tres componentes:
Debido al gran valor de R D , la resistencia total está determinada principalmente por R I . [45] El rango dinámico del fotorresistor con respecto a la iluminación es igual a la relación entre la iluminación crítica Φ cr y el umbral de sensibilidad Φ th .
R D y R I , pero no R RL , disminuyen con el aumento de voltaje que produce distorsiones de señal. [45] En niveles bajos de iluminación, la resistencia de los RO basados en cadmio aumenta aproximadamente un 1% al calentarse a 1 °C. [45] [52] A intensidades de luz más altas, el coeficiente térmico de resistencia puede cambiar sus valores e incluso su signo. [53]
Los fotorresistores basados en cadmio presentan un efecto de memoria pronunciado, es decir, su resistencia depende del historial de iluminación. [55] También muestra sobreimpulsos característicos, con valores que alcanzan un mínimo o máximo temporal después de la aplicación de luz. Estos cambios de resistividad afectan la temperatura de ósmosis inversa, lo que genera inestabilidades adicionales. El tiempo de estabilización aumenta de manera no lineal con la intensidad de la luz y puede variar entre horas y días; [7] por convención, se supone que la salida de una ósmosis inversa iluminada alcanza el equilibrio en 24 horas. [6]
El efecto de memoria se evalúa utilizando la relación entre Rmax y Rmin ( véase la figura). Esta relación aumenta con la disminución de la intensidad de la luz y tiene un valor de 1,5-1,6 a 0,1 lux y de 1,05-1,10 a 1000 lux para los dispositivos PerkinElmer. [55] En algunos modelos de ósmosis inversa de baja resistencia, esta relación era tan alta como 5,5, [55] pero en 2009 se interrumpió su producción. [56] Los fotorresistores de alta resistencia suelen tener un efecto de memoria menos pronunciado, son menos sensibles a la temperatura y tienen una respuesta más lineal, pero también son relativamente lentos. [57] Algunos dispositivos diseñados en la década de 1960 tenían un efecto de memoria insignificante, pero exhibían distorsiones de señal inaceptablemente altas a altos niveles de corriente. [58]
El rango de frecuencia de funcionamiento de un RO depende de las características de entrada y salida. La frecuencia más alta de la señal de entrada (control) está limitada por la respuesta de la fuente de luz del RO al cambio en la corriente de control y por la respuesta del fotorresistor a la luz; su valor típico varía entre 1 y 250 Hz. El tiempo de respuesta de un fotorresistor al apagar la luz varía típicamente entre 2,5 y 1000 ms, [5] mientras que la respuesta al encender la iluminación es aproximadamente 10 veces más rápida. En cuanto a la fuente de luz, su tiempo de reacción a un pulso de corriente está en el rango de nanosegundos para un LED y, por lo tanto, se descuida. Sin embargo, para una lámpara incandescente es del orden de cientos de milisegundos, lo que limita el rango de frecuencia de los respectivos RO a unos pocos Hz.
La frecuencia máxima de salida (señal controlada) está limitada por la capacitancia parásita de un RO, que se origina en los electrodos formados en la superficie del fotorresistor y desvía el circuito de salida. [59] Un valor típico de esta capacitancia es de decenas de picofaradios que prácticamente limita la frecuencia de salida a aproximadamente 100 kHz.
Al igual que en el caso de las resistencias ordinarias, el ruido de los fotorresistores consiste en ruido térmico, de disparo y de parpadeo; [60] el componente térmico predomina en frecuencias superiores a 10 kHz y aporta una contribución menor en frecuencias bajas. [61] En la práctica, el ruido de un fotorresistor se descuida si el voltaje en sus terminales es inferior a 80 V. [60]
Las distorsiones no lineales generadas por el fotorresistor son menores para una mayor intensidad de luz y para una menor resistencia del fotorresistor. Si el voltaje a través del fotorresistor no excede el umbral, que varía entre 100 y 300 mV dependiendo del material, entonces el coeficiente de distorsiones no lineales tiene un valor dentro del 0,01%, que es casi independiente del voltaje. Estas distorsiones están dominadas por el segundo armónico. Por encima del umbral de voltaje, aparece el tercer armónico, y la amplitud de las distorsiones aumenta con el cuadrado del voltaje. Para una distorsión del 0,1% (−80 dB), que es aceptable para equipos de sonido de alta fidelidad, el voltaje de la señal debe estar dentro de los 500 mV. La relación de armónicos pares e impares se puede controlar aplicando una polarización de CC al fotorresistor. [62]
La degradación irreversible de un fotorresistor puede ser inducida al exceder su voltaje máximo especificado incluso por un corto período. Para dispositivos de alta resistividad, este voltaje está determinado por las corrientes de fuga que fluyen sobre la superficie del semiconductor y varía entre 100 y 300 V. Para modelos de baja resistividad, el límite de voltaje es menor y se origina a partir del calentamiento Joule. [64]
La vida útil de un RO está determinada por la vida útil de la fuente de luz y la deriva aceptable de los parámetros del fotorresistor. Un LED típico puede funcionar durante 10.000 horas, después de las cuales sus parámetros se degradan ligeramente. [64] Su vida útil se puede prolongar limitando la corriente de control a la mitad del valor máximo. [45] Los RO basados en lámparas incandescentes suelen fallar después de unas 20.000 horas, debido al quemado de la espiral, y son más propensos a sobrecalentarse. [65]
La degradación del fotorresistor es gradual e irreversible. Si la temperatura de funcionamiento no supera el límite (normalmente 75 °C o menos), por cada año de funcionamiento continuo, la resistencia en la oscuridad cae un 10 %; a temperaturas más altas, estos cambios pueden ocurrir en cuestión de minutos. [66] La potencia máxima disipada en el fotorresistor suele especificarse para 25 °C y disminuye un 2 % por cada °C de calentamiento. [67]
El enfriamiento por debajo de los -25 °C aumenta drásticamente el tiempo de respuesta de un fotorresistor. [7] Estos cambios son reversibles a menos que el enfriamiento induzca grietas en los componentes plásticos. Los fotorresistores soviéticos envasados en carcasas metálicas podían resistir incluso a -60 °C, pero a estas temperaturas su tiempo de respuesta alcanzaba los 4 segundos. [68]
Los RO altamente resistivos pueden funcionar con voltajes de CA superiores a 200 V y usarse como relés de CA o CC de bajo consumo, por ejemplo, para controlar indicadores electroluminiscentes. [69]
En los circuitos de limitación de salida más simples, el RO se coloca en el brazo superior (conexión en serie) o inferior (derivación) del divisor de voltaje. [70] La conexión en serie proporciona un rango de control mayor (−80 dB) en CC y frecuencias bajas. La operación se complica por la no linealidad de la resistencia frente a la corriente de control. El estrechamiento del rango dinámico debido a la capacitancia parásita es significativo a frecuencias tan bajas como cientos de Hz. La reacción es significativamente más rápida al aumento que a la disminución de la corriente de control. [71]
La conexión en derivación da como resultado características de transferencia más suaves y menores distorsiones de señal, pero también un rango de modulación más bajo (−60 dB). Esta limitación se elimina conectando dos divisores en derivación en serie, lo que mantiene suave la característica de transferencia. [72] La mejor combinación de una característica de transferencia suave, baja distorsión, amplio rango de ajuste y tasas casi iguales de aumento y disminución del coeficiente de transmisión se logra en un circuito serie-paralelo compuesto por dos RO y una resistencia en serie. La respuesta de frecuencia de dicho circuito es similar a la de la conexión en serie. [73]
Los circuitos con un voltaje de control definido del divisor pueden compensar la deriva térmica del LED en un RO, [74] pero no el efecto de memoria y la deriva térmica del fotorresistor. La última compensación requiere un segundo fotorresistor (de referencia), que se ilumina con la misma intensidad de luz, a la misma temperatura que el dispositivo principal (modulador). [75] La mejor compensación se logra cuando ambos fotorresistores se forman en el mismo chip semiconductor. El fotorresistor de referencia se incluye en un divisor de voltaje estabilizado o en un puente de medición. El amplificador de error compara el voltaje en el punto medio del divisor con el valor objetivo y ajusta la corriente de control. En el régimen de control lineal, el RO se convierte en un multiplicador analógico: la corriente a través del fotorresistor es proporcional al producto del voltaje a través del fotorresistor y el voltaje de control. [76] [77]
En la Unión Soviética, los RO se utilizaban para la compresión de señales en telefonía de larga distancia. La lámpara incandescente del RO se conectaba a la salida del amplificador operacional, y el fotorresistor formaba parte de un divisor de tensión en el circuito de retroalimentación de un amplificador no inversor. Dependiendo de la tensión de salida, la ganancia del circuito variaba de 1:1 a 1:10. [79] Todavía se utilizan circuitos similares en equipos de audio profesionales (compresores, limitadores y supresores de ruido). [80]
Los estabilizadores de voltaje de corriente alterna (RO) fabricados por General Electric se utilizan en los estabilizadores de voltaje de corriente alterna (AC). Estos estabilizadores se basan en un autotransformador controlado por dos conjuntos de pilas de tiristores . La lámpara incandescente del RO está protegida por una resistencia de balastro y está conectada a la salida de corriente alterna. La lámpara promedia el voltaje de salida, suprimiendo los picos y las distorsiones sinusoidales que se originan en la red eléctrica. El fotorresistor del RO está incluido en un brazo del puente de medición, generando la señal de error para el bucle de retroalimentación. [30]
El primer amplificador de guitarra con efecto de trémolo fue producido por Fender en 1955. [81] En ese amplificador, el generador de trémolo controlaba la polarización de una cascada de amplificadores ubicada cerca del circuito de salida, y sus armónicos se filtraban a la señal de salida. [82] A principios de la década de 1960, Fender y Gibson utilizaron un RO como modulador. Su fotorresistencia estaba conectada a través de un condensador de bloqueo y un potenciómetro de control entre la salida del preamplificador y la tierra, y derivaba el preamplificador cuando se activaba. En este esquema, la señal de control no se filtraba a la salida. [82] La profundidad de modulación se regulaba mediante un potenciómetro de baja impedancia colocado en el panel frontal. El potenciómetro reducía significativamente la ganancia de la etapa anterior, y por lo tanto el preamplificador tenía que tener reservas por amplificación. [27]
En sus RO, Gibson utilizó lámparas incandescentes, que requerían corrientes relativamente grandes. Fender las reemplazó por lámparas de neón, que aumentaron la frecuencia de modulación y redujeron las corrientes de control. Sin embargo, en contraste con la modulación continua de Gibson, Fender utilizó el modo de conmutación de encendido y apagado que resultó en un sonido menos agradable. Por esta razón, otros productores como Univibe prefirieron las lámparas incandescentes. [28]
En 1967, la mayoría de los productores de amplificadores de guitarra cambiaron de tubos de vacío a transistores y, por lo tanto, rediseñaron sus circuitos. [83] Durante varios años, Gibson continuó utilizando RO en amplificadores de transistores para el efecto de trémolo. [84] En 1973, diseñaron otro circuito de control basado en RO, donde una señal de un pedal o un generador externo conectaba sin problemas un estabilizador de señal basado en diodos. [85] Sin embargo, en el mismo año abandonaron los RO a favor de los transistores de efecto de campo . [86]
El RO es una herramienta sencilla y conveniente para sintonizar la frecuencia de osciladores, filtros y amplificadores en sintetizadores analógicos. Particularmente sencilla es su implementación en los filtros RC controlados por voltaje en una topología Sallen-Key , donde el RO proporciona una dependencia casi exponencial de la frecuencia de corte en la corriente de control, sin utilizar la retroalimentación de la señal de modulación. [87] Sin embargo, debido a la respuesta lenta de los RO, la mayoría de los desarrolladores de sintetizadores de los años 1970 y 1980, como ARP, Korg, Moog y Roland, prefirieron otros elementos. [notas 3] A partir de agosto de 2013, los sintetizadores basados en RO son producidos por Doepfer (Alemania). [88] Un uso aún popular para los RO son las puertas de paso bajo como el 292 de Buchla Electronic Musical Instruments , el Plan B Model 13 [89] y Make Noise MMG. [90]
La conexión en serie de un LED [notas 4] y un fotorresistor de baja resistencia convierte al RO en un disparador (celda de memoria) que puede controlarse mediante pulsos de corriente. En los RO transparentes, el estado de dicha celda puede monitorearse visualmente mediante la emisión del LED. [91] [92]
Los vactrols se han utilizado como resistencias controladas a distancia para la terminación precisa de la conexión a tierra de antenas de tipo Beverage y Ewe . En una configuración típica de radioaficionado , el vactrol se coloca en la caja de terminación en el punto más alejado de la antena. El LDR modifica la resistencia total entre la antena y la tierra (resistencia de terminación); el operador ajusta esta resistencia desde su cabina de radio variando la corriente del LED o la bombilla del vactrol con un potenciómetro . [93] [94] La sintonización con vactrols mejora el patrón cardioide direccional de la antena. Según Connelly, los vactrols son superiores a las resistencias tradicionales en esta función. [95] En este diseño simple, el LED o la bombilla del vactrol son propensos a dañarse por picos de voltaje inducidos por rayos y deben estar protegidos por un par de lámparas de neón que actúan como descargadores de gas. [94]
{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )En muchos casos, el control de terminación con Vactrol puede mejorar la profundidad de los nulos con respecto a lo que se puede lograr con un valor de terminación fijo.