Optoaislador

Un optoacoplador (también llamado optoacoplador , fotoacoplador o aislador óptico ) es un componente electrónico que transfiere señales eléctricas entre dos circuitos aislados mediante luz. ^{[ 1 ]} Los optoacopladores evitan que los altos voltajes afecten al sistema que recibe la señal. ^{[ 2 ]} Los optoacopladores 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 optoacoplador consiste en un LED y un fototransistor encapsulados en un mismo paquete opaco. Otros tipos de combinaciones fuente-sensor incluyen pares LED- fotodiodo , LED- LASCR y lámpara - fotorresistencia . Generalmente, los optoacopladores transmiten señales digitales (encendido-apagado) y pueden funcionar como interruptores electrónicos , pero algunas técnicas permiten utilizarlos con señales analógicas.

El valor del acoplamiento óptico de un emisor de luz de estado sólido a un detector semiconductor con fines de aislamiento eléctrico fue reconocido en 1963 por Akmenkalns, et al. (patente estadounidense 3,417,249). Los optoacopladores basados ​​en fotorresistencias 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 causó un auge en la optoelectrónica , y a finales de la década de 1970 la industria desarrolló todos los tipos principales de optoacopladores. La mayoría de los optoacopladores en el mercado utilizan sensores de fototransistores de silicio bipolares. ^{[ 5 ]} Alcanzan una velocidad de transferencia de datos media, suficiente para aplicaciones como la electroencefalografía . ^{[ 6 ]} Los optoacopladores más rápidos utilizan diodos PIN en modo fotoconductor .

Un optoacoplador contiene una fuente (emisor) de luz, casi siempre un diodo emisor de luz (LED) infrarrojo cercano , que convierte la señal eléctrica de entrada en luz, un canal óptico cerrado (también llamado canal dieléctrico ^{[ 7 ]} ), y un fotosensor , que detecta la luz incidente y genera energía eléctrica directamente o modula la corriente eléctrica que fluye desde una fuente de alimentación externa. El sensor puede ser una fotorresistencia , un fotodiodo , un fototransistor , un rectificador controlado de silicio (SCR) o un triac . Dado que los LED pueden detectar la luz además de emitirla, es posible construir optoacopladores simétricos y bidireccionales. Un relé de estado sólido optoacoplado contiene un optoacoplador de fotodiodo que controla un interruptor de potencia, 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 la reflejan 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 eléctrico. ^{[ 8 ]} Los rayos remotos pueden inducir sobretensiones de hasta 10  kV , mil veces más que los límites de tensión de muchos componentes electrónicos. ^{[ 9 ]} Un circuito también puede incorporar altas tensiones por diseño, en cuyo caso necesita medios seguros y fiables para interconectar sus componentes de alta tensión con los de baja tensión. ^{[ 10 ]}

La función principal de un optoacoplador es bloquear voltajes y transitorios de voltaje tan altos, de modo que una sobretensión en una parte del sistema no interrumpa ni destruya las otras partes. ^{[ 2 ] [ 11 ]} Históricamente, esta función se delegó a los transformadores de aislamiento , que utilizan acoplamiento inductivo entre lados de entrada y salida aislados galvánicamente . Los transformadores y los optoacopladores son las únicas dos clases de dispositivos electrónicos que ofrecen protección reforzada : protegen tanto el equipo como al usuario humano que opera este equipo. ^{[ 12 ]} Contienen una sola barrera de aislamiento físico, pero proporcionan una protección equivalente a un doble aislamiento . ^{[ 12 ]} La seguridad, las pruebas y la aprobación de los optoacopladores están reguladas por normas 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 optoacopladores publicadas por los fabricantes siempre siguen al menos uno de estos marcos regulatorios.

Un optoacoplador 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 de nuevo en señal eléctrica. A diferencia de los transformadores, que transmiten energía en ambas direcciones ^{[ nota 3 ]} con pérdidas muy bajas, los optoacopladores son unidireccionales (véanse las excepciones ) y no pueden transmitir potencia . ^{[ 14 ]} Los optoacopladores típicos solo pueden modular el flujo de energía ya presente en el lado de salida. ^{[ 14 ]} A diferencia de los transformadores, los optoacopladores pueden transmitir señales de CC o de movimiento lento y no requieren impedancias de adaptación entre los lados de entrada y salida. ^{[ nota 4 ]} Tanto los transformadores como los optoacopladores son eficaces para romper los bucles de tierra , comunes en equipos industriales y escénicos, causados ​​por corrientes de retorno altas o ruidosas en los cables de tierra . ^{[ 15 ]}

La disposición física de un optoacoplador depende principalmente de la tensión de aislamiento deseada. Los dispositivos clasificados para menos de unos pocos kV tienen una construcción planar (o tipo sándwich). ^{[ 16 ]} El chip del sensor se monta directamente en el marco de plomo de su encapsulado (generalmente, un encapsulado dual in-line de seis o cuatro pines ). ^{[ 7 ]} El sensor está cubierto con una lámina de vidrio o plástico transparente, sobre la cual se coloca el chip LED. ^{[ 7 ]} El haz del LED se emite 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 delgado posible para una tensión de ruptura deseada . ^{[ 16 ]} Por ejemplo, para estar clasificado para tensiones de corto plazo de 3,75 kV y transitorios de 1 kV/μs, la lámina de poliimida transparente en la serie Avago ASSR-300 tiene solo 0,08 mm de espesor. ^{[ 18 ]} Los voltajes de ruptura de los ensamblajes planares dependen del espesor de la lámina transparente ^{[ 16 ]} y de la configuración de los cables de unión que conectan los chips con pines externos. ^{[ 7 ]} El voltaje de aislamiento real en el circuito se reduce aún más por la fuga a través de la PCB y la superficie del encapsulado. Las reglas de diseño seguras requieren una separación mínima de 25 mm/kV para conductores de metal desnudo o de 8,3 mm/kV para conductores revestidos. ^{[ 19 ]}

Los optoacopladores con una tensión nominal de 2,5 a 6 kV emplean una disposición diferente denominada cúpula de silicona . ^{[ 20 ]} En este caso, los chips LED y del sensor se colocan en lados opuestos del encapsulado; el LED emite luz hacia el sensor horizontalmente. ^{[ 20 ]} El LED, el sensor y el espacio entre ellos están encapsulados en una gota, o cúpula, de silicona transparente . La cúpula actúa como 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 dilatación térmica coincidente . ^{[ 21 ]}

Los primeros optoacopladores, 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 alimentar una bombilla incandescente (como ocurría en los amplificadores de válvulas), esta se sustituía por una lámpara de neón . Estos dispositivos (o solo su componente LDR) se denominaban comúnmente Vactrols , en honor a una marca registrada de Vactec, Inc. La marca registrada se ha generalizado desde entonces , ^{[ nota 8 ]} pero los Vactrols originales todavía los fabrica PerkinElmer . ^{[ 24 ] [ nota 9 ]}

El retardo de encendido y apagado de una bombilla incandescente se sitúa en el rango de cientos de milisegundos , lo que la convierte en un filtro de paso bajo y rectificador eficaz , pero limita el rango práctico de frecuencia de modulación a unos pocos Hertz . Con la introducción de los diodos emisores de luz (LED) en 1968-1970, ^{[ 25 ]} los fabricantes sustituyeron las lámparas incandescentes y de neón por LED y lograron tiempos de respuesta de 5 milisegundos y frecuencias de modulación de hasta 250 Hz. ^{[ 26 ]} El nombre Vactrol se mantuvo en los dispositivos basados ​​en LED que, a fecha de 2010, todavía se producen en pequeñas cantidades. ^{[ 27 ]}

Los fotorresistores utilizados en los optoacopladores se basan en efectos de volumen en una película uniforme de semiconductor ; no hay uniones pn . ^{[ 28 ]} A diferencia de otros fotosensores, los fotorresistores son dispositivos no polares aptos para circuitos de CA o CC. ^{[ 28 ]} Su resistencia disminuye en proporción inversa a la intensidad de la luz incidente, desde prácticamente el infinito hasta un nivel residual que puede ser tan bajo como menos de cien ohmios . ^{[ 28 ]} Estas propiedades hicieron del Vactrol original un compresor y control de ganancia automático conveniente y económico para redes telefónicas. Los fotorresistores soportaban fácilmente voltajes de hasta 400 voltios, ^{[ 28 ]} lo que los hacía ideales para controlar pantallas fluorescentes de vacío . Otras aplicaciones industriales incluían fotocopiadoras , automatización industrial , instrumentos profesionales de medición de luz y medidores de exposición automáticos . ^{[ 28 ]} La mayoría de estas aplicaciones están ahora obsoletas, pero los optoacopladores resistivos conservaron un nicho en el mercado del audio, en particular en el de los amplificadores de guitarra .

Los fabricantes estadounidenses de guitarras y órganos de la década de 1960 adoptaron el optoacoplador 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 una LDR y una lámpara de neón. ^{[ 29 ]} Hasta la fecha, los Vactrols activados al presionar el pedal son omnipresentes en la industria musical. ^{[ 30 ]} La escasez de Vactrols PerkinElmer originales obligó a la comunidad de guitarristas aficionados a "fabricar sus propios" optoacopladores resistivos. ^{[ 31 ]} Los guitarristas hasta la fecha prefieren los efectos optoaislados porque su separación superior de las tierras de audio y control resulta en una "calidad de sonido inherentemente alta". ^{[ 31 ]} Sin embargo, la distorsión introducida por una fotorresistencia 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 aún más comprometido por las lentas fluctuaciones de resistencia debidas al historial de luz , un efecto de memoria inherente a los compuestos de cadmio . Dichas fluctuaciones tardan horas en estabilizarse y solo pueden compensarse parcialmente con la retroalimentación en el circuito de control. ^{[ 33 ]}

Los optoacopladores de diodo emplean LED como fuentes de luz y fotodiodos de silicio como sensores. Cuando el fotodiodo se polariza inversamente con una fuente de voltaje externa, la luz incidente 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 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 incidente. 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 optoacopladores 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 el circuito de polarización. Para minimizar estos retrasos, los optoacopladores digitales rápidos contienen sus propios controladores de LED y amplificadores de salida optimizados para la velocidad. Estos dispositivos se denominan optoacopladores 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 finales 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 7723/0723 de Agilent Technologies de 50 MBd ^{[ nota 10 ]} en 2002. ^{[ 36 ]} Los optoacopladores 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. ^{[ 37 ]}

Los optoacopladores de fotodiodos pueden utilizarse para la interfaz de señales analógicas, aunque su no linealidad distorsiona invariablemente la señal . Una clase especial de optoacopladores analógicos, introducida por Burr-Brown, utiliza dos fotodiodos y un amplificador operacional en la 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 total a un nivel constante, independientemente de la no linealidad del segundo diodo (de salida). ^{[ 38 ]}

El 3 de junio de 2011 se presentó una novedosa idea para un aislador de señal analógica óptica. La configuración propuesta consta de dos partes distintas: una transfiere la señal y la otra 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. ^{[ 39 ]} Sin embargo, existen optoacopladores lineales que utilizan este principio desde hace muchos años, como por ejemplo el IL300. ^{[ 40 ]}

Los relés de estado sólido construidos con interruptores MOSFET suelen emplear un optoacoplador de fotodiodo para controlar el interruptor. La compuerta de un MOSFET requiere una carga total relativamente pequeña para activarse y su corriente de fuga en estado estacionario es muy baja. Un fotodiodo en modo fotovoltaico puede generar la carga de activación 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 conjuntos de hasta treinta fotodiodos conectados en serie. ^{[ 21 ]}

Los fototransistores son inherentemente más lentos que los fotodiodos. ^{[ 41 ]} El primer y más lento, pero aún común, optoacoplador 4N35, 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 ]} Dispositivos como el PC-900 o el 6N138 recomendados en la especificación original de 1983 de la Interfaz Digital de Instrumentos Musicales ^{[ 44 ]} permiten velocidades de transferencia de datos digitales de decenas de kilobaudios. ^{[ 45 ]} Los fototransistores deben polarizarse y cargarse adecuadamente para alcanzar sus velocidades máximas; por ejemplo, el 4N28 opera hasta a 50 kHz con una polarización óptima y a menos de 4 kHz sin ella. ^{[ 46 ]}

El diseño con optoacopladores de transistores requiere amplias tolerancias para las grandes fluctuaciones de parámetros que se encuentran en los dispositivos disponibles comercialmente. ^{[ 46 ]} Dichas fluctuaciones pueden ser destructivas, por ejemplo, cuando un optoacoplador en el bucle de retroalimentación de un convertidor CC-CC cambia su función de transferencia y causa oscilaciones espurias, ^{[ 20 ]} o cuando retrasos inesperados en los optoacopladores causan un cortocircuito a través de un lado de un puente H. ^{[ 47} ] 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 caso de forma 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 optoacopladores que utilizan transistores de efecto de campo (FET) como sensores son poco comunes y, al igual que los vactrols, pueden usarse como potenciómetros analógicos controlados remotamente siempre que la tensión en el terminal de salida del FET no supere unos pocos cientos de mV. ^{[ 38 ]} Los opto-FET se activan sin inyectar carga de conmutación en el circuito de salida, lo cual es particularmente útil en circuitos de muestreo y retención . ^{[ 11 ]}

Todos los optoacopladores descritos hasta ahora son unidireccionales. El canal óptico siempre funciona en una dirección, 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 incidente, lo que permite la construcción de un optoacoplador bidireccional a partir de un par de LED. El optoacoplador bidireccional más simple consiste simplemente en un par de LED colocados uno frente al otro y unidos con un tubo termorretráctil . Si es necesario, la separación entre los dos LED se puede extender con un inserto de fibra de vidrio . ^{[ 48 ]}

Los LED de espectro visible tienen una eficiencia de transferencia relativamente baja, por lo que los LED de GaAs , GaAs:Si y AlGaAs:Si de espectro infrarrojo cercano son la opción preferida para dispositivos bidireccionales. Los optoacopladores 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 la de los aisladores basados ​​en fotodiodos, ^{[ 49 ]} pero suficientemente prácticos para aplicaciones del mundo real. ^{[ 48 ]}

Generalmente, los optoacopladores tienen una configuración de par cerrado . Esta configuración se refiere a optoacopladores encerrados en un contenedor oscuro, donde la fuente y el sensor se encuentran enfrentados.

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

Algunos optoacopladores presentan una configuración de par reflectivo . Esta configuración se refiere a optoacopladores que contienen una fuente de luz y un sensor que solo detecta la luz reflejada por un objeto. La configuración de par reflectivo es adecuada para el desarrollo de tacómetros, detectores de movimiento y monitores de reflectancia.

Las dos últimas configuraciones se conocen frecuentemente como optosensores o sensores fotoeléctricos .

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