El par "emisor óptico - receptor óptico" se ha utilizado durante mucho tiempo en la ingeniería electrónica y eléctrica. Un componente electrónico en el que el receptor y el transmisor están ubicados en la misma carcasa y existe un enlace óptico entre ellos se denomina optoacoplador u optoacoplador.
Contenido
dispositivo optoacoplador
El optoacoplador consta de un transmisor óptico (emisor), un canal óptico y un receptor de señal óptica. El fototransmisor convierte la señal eléctrica en una óptica. El transmisor en la mayoría de los casos es un LED (los modelos anteriores usaban bombillas incandescentes o de neón). El uso de LED no tiene principios, pero son más duraderos y confiables.
La señal óptica se transmite a través de un canal óptico al receptor. El canal está cerrado, cuando la luz emitida por el transmisor no va más allá del cuerpo del optoacoplador. Luego, la señal generada por el receptor se sincroniza con la señal en la entrada del transmisor.Dichos canales son de aire o están llenos de un compuesto óptico especial. También hay optoacopladores "largos", el canal en el que se fibra óptica.
Si el optoacoplador está diseñado de tal manera que la radiación generada, antes de llegar al receptor, sale de la carcasa, dicho canal se denomina abierto. Con él, puede registrar los obstáculos que surgen en el camino del haz de luz.
El fotodetector realiza la conversión inversa de la señal óptica en eléctrica. Los receptores más utilizados son:
- Fotodiodos. Suele utilizarse en líneas de comunicación digital. Su linaje es pequeño.
- Fotoresistores. Su característica es la conductividad bidireccional del receptor. La corriente a través de la resistencia puede ir en cualquier dirección.
- Fototransistores. Una característica de tales dispositivos es la capacidad de controlar la corriente del transistor tanto a través de un optotransmisor como a través del circuito de salida. Se utiliza tanto en modo lineal como digital. Un tipo separado de optoacopladores, con transistores de efecto de campo opuestos en paralelo. Tales dispositivos se llaman relés de estado sólido.
- Fototiristores. Dichos optoacopladores se distinguen por una mayor potencia de los circuitos de salida y su velocidad de conmutación; estos dispositivos se utilizan convenientemente para controlar elementos de la electrónica de potencia. Estos dispositivos también se clasifican como relés de estado sólido.
Los microcircuitos de optoacopladores se han generalizado: conjuntos de optoacopladores con flejes en un solo paquete. Dichos optoacopladores se utilizan como dispositivos de conmutación y para otros fines.
Ventajas y desventajas
La primera ventaja observada en los instrumentos ópticos es la ausencia de partes mecánicas.Esto significa que durante la operación no hay fricción, desgaste, chispas de contactos, como en los relés electromecánicos. A diferencia de otros dispositivos para el aislamiento galvánico de señales (transformadores, etc.), los optoacopladores pueden operar a frecuencias muy bajas, incluida la corriente continua.
Además, la ventaja del aislamiento óptico es el muy bajo acoplamiento capacitivo e inductivo entre la entrada y la salida. Debido a esto, se reduce la probabilidad de transmisión de impulsos e interferencias de alta frecuencia. La ausencia de conexión mecánica y eléctrica entre la entrada y la salida ofrece la posibilidad de una variedad de soluciones técnicas para la creación de circuitos de conmutación y control sin contacto.
A pesar de la limitación en los diseños reales en términos de tensión y corriente de entrada y salida, en teoría no existen obstáculos fundamentales para aumentar estas características. Esto le permite crear optoacopladores para casi cualquier tarea.
Las desventajas de los optoacopladores incluyen la transmisión de señal unidireccional: es imposible transmitir una señal óptica desde el fotodetector de regreso al transmisor. Esto dificulta la organización de la retroalimentación de acuerdo con la respuesta del circuito receptor a la señal del transmisor.
La reacción de la parte receptora puede verse afectada no solo cambiando la radiación del transmisor, sino también influyendo en el estado del canal (aparición de objetos de terceros, cambio de las propiedades ópticas del medio del canal, etc.). Tal impacto también puede ser de naturaleza no eléctrica. Esto amplía las posibilidades de uso de optoacopladores. Y la insensibilidad a los campos electromagnéticos externos le permite crear canales de transmisión de datos con alta inmunidad al ruido.
La principal desventaja de los optoacopladores es la baja eficiencia energética asociada con las pérdidas de señal durante la conversión de doble señal. Otra desventaja es el alto nivel de ruido intrínseco. Esto reduce la sensibilidad de los optoacopladores y limita el alcance de su aplicación donde se necesita trabajar con señales débiles.
Al usar optoacopladores, también se debe tener en cuenta la influencia de la temperatura en sus parámetros, es significativa. Además, las desventajas de los optoacopladores incluyen una notable degradación de los elementos durante la operación y cierta falta de tecnología en la producción asociada con el uso de varios materiales semiconductores en un solo paquete.
Características de los optoacopladores
Los parámetros del optoacoplador se dividen en dos categorías:
- caracterizar las propiedades del dispositivo para transmitir una señal;
- caracterizando el desacoplamiento entre entrada y salida.
La primera categoría es el coeficiente de transferencia corriente. Depende de la emisividad del LED, la sensibilidad del receptor y las propiedades del canal óptico. Este coeficiente es igual a la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada y para la mayoría de los tipos de optoacopladores es 0,005 ... 0,2. Para elementos de transistor, el coeficiente de transferencia puede llegar a 1.
Si consideramos el optoacoplador como un tetrapolar, entonces su característica de entrada está completamente determinada por el CVC del optoemisor (LED) y la salida, por la característica del receptor. La característica de paso es generalmente no lineal, pero algunos tipos de optoacopladores tienen secciones lineales. Entonces, una parte del CVC del optoacoplador de diodos tiene buena linealidad, pero esta sección no es muy grande.
Los elementos de resistencia también se evalúan por la relación entre la resistencia oscura (con una corriente de entrada igual a cero) y la resistencia a la luz. Para los optoacopladores de tiristores, una característica importante es la corriente de mantenimiento mínima en el estado abierto. Los parámetros significativos del optoacoplador también incluyen la frecuencia de operación más alta.
La calidad del aislamiento galvánico se caracteriza por:
- el voltaje máximo aplicado a la entrada y salida;
- tensión máxima entre entrada y salida;
- resistencia de aislamiento entre entrada y salida;
- capacidad de paso.
El último parámetro caracteriza la capacidad de una señal eléctrica de alta frecuencia para pasar de la entrada a la salida, sin pasar por el canal óptico, a través de la capacitancia entre los electrodos.
Hay parámetros que le permiten determinar las capacidades del circuito de entrada:
- el voltaje más alto que se puede aplicar a los terminales de entrada;
- la corriente máxima que puede soportar el LED;
- caída de tensión en el LED a la corriente nominal;
- Voltaje de entrada inversa: voltaje de polaridad inversa que el LED puede soportar.
Para el circuito de salida, estas características serán la corriente y el voltaje de salida máximos permitidos, así como la corriente de fuga a corriente de entrada cero.
Alcance de los optoacopladores
Los optoacopladores con canal cerrado se utilizan cuando, por alguna razón (seguridad eléctrica, etc.), se requiere un desacoplamiento entre la fuente de la señal y el lado receptor. Por ejemplo, en bucles de retroalimentación Fuentes de alimentación conmutadas - la señal se toma de la salida de la fuente de alimentación y se alimenta al elemento radiante, cuyo brillo depende del nivel de voltaje.Una señal que depende del voltaje de salida se toma del receptor y se alimenta al controlador PWM.
En la figura se muestra un fragmento de un circuito de suministro de energía de una computadora con dos optoacopladores. El optoacoplador superior IC2 crea una retroalimentación que estabiliza el voltaje. El IC3 inferior funciona en modo discreto y suministra energía al chip PWM cuando el voltaje de reserva está presente.
Algunas interfaces eléctricas estándar también requieren aislamiento galvánico entre la fuente y el receptor.
Los dispositivos con un canal abierto se utilizan para crear sensores para detectar cualquier objeto (presencia de papel en la impresora), interruptores de límite, contadores (objetos en el transportador, número de dientes de engranaje en manipuladores de ratón), etc.
Los relés de estado sólido se utilizan en el mismo lugar que los relés convencionales: para señales de conmutación. Pero su propagación se ve obstaculizada por la alta resistencia del canal en estado abierto. También se utilizan como controladores para elementos de electrónica de estado sólido de potencia (potentes transistores de efecto de campo o IGBT).
El optoacoplador se desarrolló hace más de medio siglo, pero su uso generalizado comenzó después de que los LED se volvieran asequibles y económicos. Ahora se están desarrollando todos los nuevos modelos de optoacopladores (en su mayor parte, microcircuitos basados en ellos), y su alcance solo se está expandiendo.
Artículos similares:
