El optoaislador resistivo (RO), también llamado optoaislador fotorresistivo , vactrol (después de una marca genérica introducida por Vactec, Inc. en la década de 1960), optoaislador analógico [notas 1] o fotocélula acoplada a lámpara , [1] es Dispositivo optoelectrónico que consta de 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 se acoplan mediante un pegamento transparente o mediante el aire.
Eléctricamente, RO es una resistencia controlada por la corriente que fluye a través de la fuente de luz. En el estado de oscuridad, la resistencia suele superar unos pocos MOhm; cuando se ilumina, disminuye a la inversa 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 suelen estar dentro del 0,1% en voltajes inferiores a 0,5 V. [4]
RO es el primer y más lento optoaislador: su tiempo de conmutación supera 1 ms, [5] y para los modelos basados en lámparas puede alcanzar cientos de milisegundos. [3] La capacitancia parásita limita el rango de frecuencia del fotorresistor a frecuencias ultrasónicas. Los fotorresistores a base de cadmio exhiben 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 para los modelos de alta sensibilidad. [7] El calentamiento induce una degradación irreversible de las RO, mientras que el enfriamiento por debajo de -25 °C aumenta drásticamente el tiempo de respuesta. Por lo tanto, los RO fueron reemplazados en su mayoría en la década de 1970 por 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 1900, los estudios del fotoefecto externo en 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 cine de los cines, [10] y Lee de Forest , Western Electric y General Electric produjeron tres sistemas competidores utilizando dichas fotocélulas. [11] [12] En 1927, la primera película sonora comercial, The Jazz Singer , se produjo en los Estados Unidos, y en 1930 las películas sonoras habían reemplazado a las películas mudas. [11]
El éxito de las películas sonoras estimuló la búsqueda de nuevas aplicaciones de 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 comenzaron a producirse en masa en el Reino Unido y luego en Estados Unidos. [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 a base de selenio para controlar 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 la década de 1950, Teletronix utilizó el atenuador óptico "T4" en el compresor LA-2; además, por su sonido único, Universal Audio todavía los utiliza hoy en sus reproducciones del LA-2. Después de la década de 1950, el selenio de las fotocélulas fue reemplazado gradualmente por CdS y CdSe. En 1960, los RO basados en lámparas incandescentes y fotorresistores CdS/CdSe se utilizaban en circuitos de retroalimentación de la industria, por ejemplo, para controlar la velocidad de rotación y el voltaje. A principios de la década de 1960, la introducción de fotorresistores CdS/CdSe compactos y sensibles dio lugar a la producción en masa de cámaras con exposición automática. [23] [24] Sin embargo, estos fotorresistores no fueron adoptados en medicina debido a su efecto memoria y rápido envejecimiento [24] ; requerían una recalibración regular que no era aceptable para la práctica médica. [25] [26]
A principios de la década de 1960, Gibson y Fender comenzaron a utilizar RO para modular el efecto de trémolo en amplificadores de guitarra. Ambas empresas ensamblaban sus RO a partir de lámparas discretas, fotorresistores y tubos de acoplamiento. [27] Mientras que Gibson usaba lámparas incandescentes baratas pero lentas como fuentes de luz, Fender las reemplazó con lámparas de neón, que aumentaron la frecuencia máxima a decenas de Hz y redujeron las corrientes de control, pero dieron como resultado una modulación no lineal. Por eso, otros fabricantes 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 válvulas de Fender y Gibson, los Vactrols 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 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 amplió sus derechos sobre 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 de Vactrol fueron producidos por PerkinElmer, el sucesor de Vactec hasta que sus negocios de soluciones de iluminación y detección se vendieron 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, el 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 la dispositivos que no tenían equivalentes sin CD. [40] Sin embargo, en 2009 la Comisión Europea excluyó de la lista de dispositivos permitidos los RO basados en CD utilizados en equipos de audio profesionales. [41] "Desde el 2 de enero de 2013, se permite el uso de cadmio en fotorresistencias 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 de tecnología libre de cadmio está en marcha y los sustitutos podrían estar disponibles a finales 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 punto 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 casi lineal de la fotocorriente de la intensidad de la luz a un voltaje constante. [43] Su alta resistencia a 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 ante 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 punto 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 CdS/CdSe son las heteroestructuras de AlGaAs (longitud de onda de emisión ~660 nm) o los LED 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 tanto, de la corriente, pero esta variación es demasiado pequeña para afectar la coincidencia 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 generalmente se representa 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 de su corriente, el acoplamiento óptico y la coincidencia espectral entre la fuente de luz y el fotorresistor, y la fotorespuesta 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 luz-corriente no es lineal y el espectro de emisión varía con la temperatura y, por tanto, con la corriente de entrada. En cuanto al detector de luz, sus propiedades dependen de la temperatura, el voltaje y el historial de utilización (efecto memoria). Por tanto, la característica de transferencia toma 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 al aumentar el voltaje, lo que produce distorsiones de la señal. [45] A niveles de iluminación bajos, la resistencia de los RO a base de cadmio aumenta aproximadamente un 1% al calentarse 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 a base de cadmio exhiben un efecto de memoria pronunciado, es decir, su resistencia depende del historial de iluminación. [55] También muestra sobrepasos característicos, donde los valores alcanzan un mínimo o un máximo temporal después de la aplicación de luz. Estos cambios de resistividad afectan la temperatura de RO, generando inestabilidades adicionales. El tiempo de estabilización aumenta de forma no lineal con la intensidad de la luz y puede variar entre horas y días; [7] por convención, se supone que la salida de un RO iluminado alcanza el equilibrio en 24 horas. [6]
El efecto memoria se evalúa utilizando la relación entre R max y R min (ver figura). Esta relación aumenta al disminuir la intensidad de la luz y tiene un valor de 1,5 a 1,6 a 0,1 lux y de 1,05 a 1,10 a 1000 lux para los dispositivos PerkinElmer. [55] En algunos modelos de RO de baja resistencia, esta relación llegaba a 5,5, [55] pero en 2009 se suspendió 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 en 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 (controladora) está limitada por la respuesta de la fuente de luz RO al cambio en la corriente de control y por la respuesta del fotorresistor a la luz; su valor típico oscila entre 1 y 250 Hz. El tiempo de respuesta de un fotorresistor al apagar la luz suele variar 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 ante un impulso de corriente se sitúa en el rango de los nanosegundos para un LED y, por tanto, se desprecia. 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 decenas de picofaradios que prácticamente limita la frecuencia de salida a aproximadamente 100 kHz.
En cuanto a las resistencias convencionales, el ruido de los fotorresistores consiste en ruido térmico, de disparo y de parpadeo; [60] el componente térmico domina en frecuencias superiores a 10 kHz y aporta una contribución menor en frecuencias bajas. [61] En la práctica, el ruido de un fotorresistor se desprecia si el voltaje entre 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 distorsión no lineal 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 tensión aparece el tercer armónico y la amplitud de las distorsiones aumenta con el cuadrado de la tensión. 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 proporción de armónicos pares e impares se puede controlar aplicando una polarización de CC al fotorresistor. [62]
Se puede inducir la degradación irreversible de un fotorresistor excediendo su voltaje máximo especificado incluso por un período corto. 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 los modelos de baja resistividad, el límite de voltaje es menor y se origina por el calentamiento Joule. [64]
La vida útil de un RO está determinada por la vida útil de la fuente de luz y la desviación aceptable de los parámetros del fotorresistor. Un LED típico puede funcionar durante 10.000 horas, después de lo cual 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 aproximadamente 20.000 horas, debido al desgaste de la espiral, y son más propensos a sobrecalentarse. [sesenta y cinco]
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 a la oscuridad cae un 10 %; a temperaturas más altas, tales cambios pueden ocurrir en cuestión de minutos. [66] La potencia máxima disipada en el fotorresistor generalmente se especifica para 25 °C y disminuye en un 2% por cada °C de calentamiento. [67]
Un enfriamiento por debajo de -25 °C aumenta drásticamente el tiempo de respuesta de un fotorresistor. [7] Estos cambios son reversibles a menos que el enfriamiento induzca agrietamiento en los componentes plásticos. Los RO soviéticos empaquetados en cajas metálicas podían resistir incluso temperaturas de -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 baja potencia, por ejemplo, para controlar indicadores electroluminiscentes. [69]
En los circuitos limitadores de salida más simples, el RO se coloca en el brazo superior (conexión en serie) o inferior (en derivación) del divisor de voltaje. [70] La conexión en serie proporciona un mayor rango de control (−80 dB) en CC y bajas frecuencias. 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 en frecuencias tan bajas como cientos de Hz. La reacción es significativamente más rápida ante un aumento que una disminución de la corriente de control. [71]
La conexión en derivación da como resultado características de transferencia más suaves y menores distorsiones de la señal, pero también un rango de modulación más bajo (−60 dB). Esta limitación se elimina conectando dos divisores de derivación en serie, lo que mantiene la característica de transferencia suave. [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 en 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 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. Esta 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 está incluido en un divisor de tensión estabilizada o en un puente de medida. 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 estaba conectada a la salida del amplificador operacional y el fotorresistor formaba parte de un divisor de voltaje en el circuito de retroalimentación de un amplificador no inversor. Dependiendo del voltaje 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 RO producidos por General Electric se utilizan en estabilizadores de voltaje de CA. Estos estabilizadores se basan en un autotransformador controlado por dos conjuntos de pilas de tiristores . La lámpara incandescente de RO está protegida por una resistencia de balasto y está conectada a la salida de CA. La lámpara promedia el voltaje de salida, suprimiendo picos y distorsiones sinusoidales que se originan en la red. El fotorresistor del RO está incluido en un brazo del puente de medición, generando la señal de error para el circuito de retroalimentación. [30]
El primer amplificador de guitarra con efecto trémolo fue producido por Fender en 1955. [81] En ese amplificador, el generador de trémolo controlaba la polarización de una cascada de amplificador 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 fotorresistor estaba conectado a través de un condensador de bloqueo y un potenciómetro de control entre la salida del preamplificador y la tierra, y desviaba el preamplificador cuando se activaba. En este esquema, la señal de control no se filtró a la salida. [82] La profundidad de la modulación se reguló mediante un potenciómetro de baja impedancia colocado en el panel frontal. El potenciómetro reducía significativamente la ganancia de la etapa anterior, por lo que el preamplificador debía tener reservas de amplificación. [27]
En sus RO, Gibson utilizó lámparas incandescentes, que requerían corrientes relativamente grandes. Fender los reemplazó con lámparas de neón, que aumentaron la frecuencia de modulación y redujeron las corrientes de control. Sin embargo, a diferencia de la modulación continua de Gibson, Fender utilizó el modo de encendido/apagado, lo que resultó en un sonido menos agradable. Por este motivo, otros fabricantes como Univibe prefirieron las lámparas incandescentes. [28]
En 1967, la mayoría de los fabricantes de amplificadores de guitarra cambiaron las válvulas de vacío por transistores y, por tanto, rediseñaron sus circuitos. [83] Durante varios años, Gibson continuó usando RO en amplificadores de transistores para el efecto trémolo. [84] En 1973, diseñaron otro circuito de control basado en RO, donde una señal de un pedal o un generador externo conectaba perfectamente un estabilizador de señal basado en diodos. [85] Sin embargo, en el mismo año abandonaron los RO en favor de los transistores de efecto de campo . [86]
RO es una herramienta sencilla y cómoda para sintonizar la frecuencia de osciladores, filtros y amplificadores en sintetizadores analógicos. Particularmente simple es su implementación en los filtros RC controlados por voltaje en una topología de Sallen-Key , donde el RO proporciona una dependencia casi exponencial de la frecuencia de corte de la corriente de control, sin utilizar retroalimentación por la señal de modulación. [87] Sin embargo, debido a la lenta respuesta de los RO, la mayoría de los desarrolladores de sintetizadores de las décadas de 1970 y 1980, como ARP, Korg, Moog y Roland, prefirieron otros elementos. [notas 3] En agosto de 2013, Doepfer (Alemania) produce sintetizadores basados en RO . [88] Un uso todavía 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 hacen del RO un disparador (celda de memoria) que puede controlarse mediante pulsos de corriente. En los RO transparentes, el estado de dicha celda se puede controlar visualmente mediante la emisión de LED. [91] [92]
Los Vactrols se han utilizado como resistencias controladas remotamente para una terminación a tierra precisa de antenas tipo Beverage y Ewe . En una configuración típica de radioaficionado , el vactrol se coloca en la caja de terminaciones en el punto más alejado de la antena. El LDR modifica la resistencia total entre antena y tierra (resistencia de terminación); el operador ajusta esta resistencia desde su cabina de radio variando el LED del vactrol o la corriente de la bombilla 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 es propenso a sufrir daños por sobretensiones inducidas por rayos y debe estar protegido por un par de lámparas de neón que actúan como descargadores de gas. [94]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )En muchos casos, el control de terminación de Vactrol puede mejorar la profundidad nula con respecto a lo que se puede obtener con un valor de terminación fijo.