“Optoacopladores”

“Optoacopladores”
Objetivo:
Dar a conocer al participante los diferentes tipos
de optoacopladores que existen en el mercado,
clasificándolos de diferentes formas y describiendo sus
características y aplicaciones.
¿Qué es un optoacoplador?
•La asociación de una fuente luminosa y uno o varios
receptores fotosensibles en una misma cápsula constituye, lo
que se conoce con el nombre de Optoacopladores.
•Hay muchas variantes de optoacopladores (también llamados
dispositivos electropticos, optoaisladores, etc), pudiendo
clasificarse en varias categporías generales.
1.- Los que tienen como fuente una lámpara de incandescencia y
como elemento fotosensible una fotorresistencia, que suelen
encontrase con el nombre de foto reóstatos.
a) Lámpara de incandescencia y fotorresistencia; b) Tubo de
neón y fotorresistencia; c) diodo electroluminescente y elemento
fotosensible de unión.
2.- La categoría mas ampliamente representada es la formada
por un tubo de Neón como fuente excitatriz y una o varios
fotorrestencias.
3.- Los que tienen como fuente un Led y como
elemento de salida un dispostivo fotosensible de
unión (fotodiodo, fototransistor ó fototiristor).
•Una propiedad importante que tienen los Optoacopladores
debido a su construcción es su alto aislamiento galvánico
entre la salida y la entrada.
•Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor
formado por un fotoemisor, fotorreceptor y entre ambos hay un
camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se
encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo
DIP.
Estructura.La figura muestra la perspectiva interna de un
optoacoplador. Una resina aloja al elemento sensitivo a la luz
(fototransistor o fototransistor de salida Darlington) que esta
rodeado por otra resina que permite la transmisión de la luz.
CONSTRUCCIÓN DE OPTOACOPLADORES.
Construcción mecánica.
La figura muestra la construcción mecánica y la capacitancia
paràsita de acople resultante entre la entrada (diodo luminiscente) y
la salida (fototransistor).

Altas resistencias de aislamiento, típicamente 1011 ohms
entre la entrada y la salida, pueden lograrse de manera que en la
práctica la resistencia de aislamiento está determinada por el
material del circuito impreso y la contaminación superficial que
ocurre inevitablemente.

Las captancias de acople entre el diodo luminiscente y el
fototransistor son las que mas probablemente limitan el desempeño
en operación normal.
Diseño
El diseño de un optoacoplador básico debe
satisfacer cinco requerimientos esenciales:
•
Buen comportamiento en cuanto a la función del
aislamiento,
•
Alta relación de transferencia de corriente (CTR),
•
Degradación lenta (al ser dispositivo de estado
sólido, sin partes móviles),
•
Baja capacidad de acoplamiento,
•
Imposibilidad de un funcionamiento incontrolado
debido a influencias de campos externos.
Estos factores dependen esencialmente del diseño , de los
materiales empleados y de los correspondientes chips usados
para el emisor-receptor.
• Para explicar las características de diseño de un optoacoplador
nos basaremos en el tipo denominado PIN de 6 terminales que el
optoacoplador mas usado.
• En dichos optoacopladores, el emisor y el receptor estàn
colocados uno al lado del otro. A este tipo de distribución del
emisor y del receptor se le denomina optoacoplador por reflexión.
• Sobre ambos chips se coloca un semielipsoide de cierto
material que mejora la capacidad de reflexión. Todo este
conjunto se cubre con un material plástico que sea
impermeable al rango del infrarrojo y tenga además una
constante dielèctica alta.
• El sistema completo se envuelve en un compuesto de
plástico impermeable a la luz para asegurar que ninguna
influencia externa (luz, polvo, etc) altere al acoplador.
 El espacio libre entre el emisor y el receptor es de 0.75 mm y
está, de este modo, mecánicamente estable incluso bajo
sobrecargas térmicas; por ejemplo, se descarta la posibilidad de
un corto circuito causado por la deformación del material.
 Gracias a su gran espacio libre, estos optoacopladores tienen
una capacitancia de acoplamiento baja, de aproximadamente 2 pF.

Los acopladores con diseños convencionales, por ejemplo,
de donde el emisor y el receptor se adaptan cara a cara
(optoacopladores directos o “cara a cata”), tienen valores de la
capacidad de acoplamiento mas altos del orden de 1.3-2 veces los
anteriores.
En circuitos digitales debemos tener muy en cuenta la
capacidad de acoplamiento, pues en estos los picos de los
pulsos de la señal se superponen así mismo en la señal de
control.
Es evidente que se desea una capacidad de acoplamiento lo
mas baja posible, que significa un mayor aislamiento entre las
etapas de entrada y salida del optoacoplador. Con una
capacidad de acoplamiento baja, la transmisión de esas
interferencias se suprimen entre la entrada y salida del
acoplador.
Detallando las características y operaciones básicas de los
dispositivos optoelectrónicos podemos tener una idea de que se
puede esperar del semiconductor. Los dispositivos optoelectrónicos
básicos puede ser empaquetados para proporcionar:
• Emisores y detectores discretos los cuales emiten y detectan luz.
• Módulos Interruptores / Reflectores que detectan el objeto
modificando la dirección de la luz.
• Aisladores / Acopladores, los cuales transmiten señales eléctricas
sin conexión eléctrica.
Módulos Interruptor / Reflector.
• El uso de módulos interruptores o reflectores elimina la
mayoría de los cálculos ópticos, y geométricos y los problemas
de la conversión en los mecánicos posiciona posicionan dándose
cuenta de las aplicaciones. Estos módulos se especifican
eléctricamente, simultáneamente a la entrada y salida, es decir,
como un par acoplado, y ha definido las limitaciones en la
entrada mecánica.
• Todos los diseños necesitan ser proveídos de corriente de
entrada y entrada mecánica (es decir, paso en un infrarrojo - de
un objeto opaco a través del hueco interruptor) supervisa el
rendimiento eléctrico:
•Lo anterior coloca a los módulos de sensor en la misma categoría
del plan como los interruptores de límite de precisión mecánicos,
solo que con el mecanismo activando, bloqueando o reflejando la
luz en lugar de aplicar una fuerza. Así se eliminan el uso
mecánico y efectos de la deformación.
•Esto también explica la falta de módulos reflexivos normales,
porque el espacio firme entre el módulo y los actuadores mecánicos
deben mantenerse para proporcionar el acoplamiento óptico
adecuado, mientras llevando a los requisitos de la montura
mecánicos diferentes para cada sistema mecánico.
CLASIFICACION DE LOS OPTOACOPLADORES
DEFINICIÓN:
Dispositivo empaquetado con un par emisor_detector y donde este
par se ajusta para que la respuesta de longitud de onda pueda ser lo
mas idéntica posible y se tenga la mayor medida de acoplamiento.
Tomando como base las características principales de cada tipo de
optoacoplador los podemos clasificar de la siguiente manera:
Baja
Potencia
Por su tipo de
salida
ANALÓGICA
Alta
Potencia
DIGITAL
Smitch Trigger
Foto
Transistor.
Foto
Darlintong.
Foto FET
Foto SCR
Foto Triac
Los optoacopladores con salida analógica de baja potencia son
conocidos como de uso general, debido a que se utilizan
principalmente en etapas de control.
A continuación se describirán los diferentes tipos de
optoacopladores para dar una base de comparación entre unos y
otros.
BAJA POTENCIA
FOTO TRANSISTOR
Características:
•Alta velocidad de respuesta (Mhz)
(limitada solamente por las capacidades de la unión)
•Bajo nivel de ruido.
•Bajo costo.
•No maneja etapas de potencia.
(bajos niveles de voltaje y corriente).
Funcionamiento:
IC = HFE (I)
•El transmisor lo forma un LED o IRED y el receptor lo forma
un fototransistor.
•Al activar la fuente de luz esta incide sobre la unión
fotosensible colector_base.
•Se provoca una generación de portadores (debido al efecto
fotoeléctrico) y esta es la corriente de base (con la base en
circuito abierto) I = I entonces se tiene que......
•Esta corriente (I) activa el transistor, llevándolo al estado de
amplificación (debido a la ganancia del transistor). Esto genera
una corriente de unos cuantos mili amperios para ser usada en
algún circuito de control.
En algunos empaquetados se cuenta con la capacidad de conexión
con la base, lo que nos permite variar la sensibilidad del
fototransistor.
NTE3040
Optoisolator
NPN Transistor Output
Description:
The NTE3040 is a gallium arsenide, infrared emitting diode in a 6Lead DIP type package coupled with a silicon phototransistor.
Absolute Maximum Ratings: (TA = +25°C C unless otherwise
specified)
Infrared Emitting Diode
Reverse Voltage, VR
Continuous Forward Current, IF
Peak Forward Current (Pulse Width 1µs, 300pps), IF
Power Dissipation, PD
Derate Above +25°C
3V
60mA
3A
200mW
2.6mW/°C
Phototransistor
Collector-Emitter Voltage, VCEO
30V
Emitter-Collector Voltage, VECO
7V
Collector-Base Voltage, VCBO
70V
Continuous Collector Current, IC
100mA
Detector Power Dissipation, PD
200mW
Derate Above +25°C
2.6mW/°C
Total Device
Isolation Source Voltage (Input-to-Output),
VISO Pea RMS
Operating Temperature Range, Topr
Storage Temperature Range, Tstg
Lead Temperature (During Soldering,
10sec), TL
1500V
1060V
-55° to +100°C
-55° to +150°C
+260°C
Electrical Characteristics: (TA = +25°C unless otherwise specified)
Parameter
Symb
ol
Test
Conditions
Mi
n
Ty
p
Ma Uni
x
t
Infrared Emitting Diode
Forward Voltage
VF
IF = 10mA
-
1.1
1.5
V
Reverse Leakage
Current
IR
VR = 3V
-
-
10
mA
Capacitance
CJ
V = 0, f =
1MHz
-
50
-
pF
Phototransistor
Collector-Emitter
Dark Current
ICEO
Collector-Emitter
Breakdown Voltage
VCE = 10V,
IF = 0
-
5
50
nA
V(BR) IC = 10mA,
IF = 0
CEO
30
-
-
V
Collector-Base
Breakdown Voltage
V(BR) IC = 100µA,
IF = 0
CBO
70
-
-
V
Emitter-Collector
Breakdown Voltage
V(BR)E IE = 100µA,
IF = 0
CO
7
-
-
V
-
7
-
pF
-
2
-
pF
Collector-Emitter
Capacitance
CCE
VCE = 5V, f
= 1MHz
Capacitance
CJ
VCE = 10V, f
= 1MHz
Coupled Characteristics
DC Current
Transfer Ratio
IF = 10mA, VCE =
CTR
10V
6
-
-
%
Collector-Emitter
Saturation Voltage
VCE( IF = 60mA, IC =
1.6mA
sat)
10
0
-
-
V
Isolation
Resistance
RISO V = 500V
10
0
-
G
Ohm
Isolation
Capacitance
CISO V = 0, f = 1MHz
-
-
2
pF
VCE = 10V, ICE =
2mA, RL = 100 
-
5
-
µs
VCE = 10V, ICB =
50µA, RL = 100 
-
3
-
µs
Switching Times
tr, tf
FOTO DARLINTONG
Características:
•Alta velocidad de respuesta (MHz)
•Bajo nivel de ruido.
•Bajo costo.
•Manejo de mediana potencia.
Funcionamiento:
•El transmisor lo forma un LED o un IRED y el receptor es
una arreglo de transistores en Darlintong, donde el primero es
un fototransistor y el segundo un transistor normal.
•Al activarse la fuente de luz, esta incide sobre la unión
fotosensible colector_base del transistor.
•Debido a la incidencia de luz se genera una fotocorriente
(efecto fotoeléctrico) en la unión Colector _base del
fototransistor y esta corriente () es amplificada por la ganancia
(hFE) del fototransistor.
•Ahora, esta corriente amplificadad, es la que fluye por la base
del segundo transistor y es amplificada, es la que fluye por la
base del segundo transistor y es amplificada por la ganancia del
mismo.
•Si los dos transistores son iguales, entonces 1 y 2 son iguales
lo cual nos da una ganacia de 2. Si se tiene un factor de
ganancia de 120 (típico), entonces la ganancia del fotodarlintong
es de aproximadamente 14,400 lo cual genera una corriente
grande y que puede llegar al orden de los amperes.
Este optoacoplador nos ofrece la ventaja de trabajar con
potencia media a un costo bajo por unidad.
Al igual que el foto transistor, este dispositivo cuanta con una
pata para conectar la base del foto transistor, con lo cual
ampliamos la sensibilidad del receptor.
NTE3045
Optoisolator
Silicon NPN Darlington Phototransistor Output
Description:
The NTE3045 is a gallium arsenide LED optically coupled to a
Silicon Photo Darlington transistor in a 6-Lead DIP type package
designed for applications requiring electrical isolation, high
breakdown voltage, and high current transfer ratios. Characterized
for use as telephone relay drivers but provides excellent
performance in interfacing and coupling systems, phase and
feedback controls, solid state relays, and general purpose switching
circuits.
Features:
High Sensitivity to Low Input Drive Current
High Collector-Emitter Breakdown
Voltage: V(BR)CEO = 80V (Min)
High Input-Output Isolation Guaranteed: VISO =
7500V (Peak)
Absolute Maximum Ratings: (TA = +25°C C unless otherwise
specified)
Input LED
Reverse Voltage, VR
Continuous Forward Current, IF
LED Power Dissipation (With Negligible Power in
Output Detector), PD
Derate Above +25°C
3V
60mA
120mW
1.41mW/°C
Output Detector
Collector-Emitter Voltage, VCEO
Emitter-Collector Voltage, VECO
Detector Power Dissipation (With Negligible
Power in Input LED), PD
Derate Above +25°C
80V
5V
150mW
1.76mW/°C
Total Device
Isolation Source Voltage (Peak AC Voltage,
60Hz, 1sec Duration, Note 1), VISO
Total Device Power Dissipation, PD
Derate Above +25°C
7500V
250mW
2.94mW/°
C
Operating Ambient Temperature Range, TA
Storage Temperature Range, Tstg
Lead Temperature (During Soldering, 1/16" from
case, 10sec), TL
-55° to
+100°C
-55° to
+150°C
+260°C
Not Isolation Surge Voltage is an internal device dielectric breakdown
e 1 rating. For this test, Pin1 and Pin2 are common, and Pin4, Pin5,
and Pin6 are common.
Electrical Characteristics: (TA = +25°C unless otherwise specified)
Parameter
Symb
Test
Ma Uni
Min Typ
ol
Conditions
x
t
Input LED
Reverse Leakage
Current
IR
VR = 3V
-
0.05
10
µA
Forward Voltage
VF
IF = 10mA
-
1.15 2.0
V
Capacitance
CJ
VR = 0, f =
1MHz
-
18
-
pF
Photodarlington (TA = +25°C, IF = 0 unless otherwise specified)
Collector-Emitter Dark
ICEO VCE = 60V
Current
Collector-Emitter
V(BR)C
IC = 1mA
Breakdown Voltage
EO
Emitter-Collector
V(BR)E
IE = 100µA
Breakdown Voltage
CO
-
-
1
µA
80
-
-
V
5
-
-
V
Coupled (TA = +25°C unless otherwise specified)
Output Collector
Current
Isolation Surge
Voltage
Isolation
Resistance
Isolation
Capacitance
IC
IF = 10mA, VCE = 1.5V
50
-
-
mA
7500
-
-
V
RISO V = 500V, Note 2
-
1011
-
Ohm
CISO V = 0, f = 1MHz, Note 2
-
0.2
-
pF
VISO 60Hz Peak AC, 5sec,
Note 2, Note 3
Switching
Turn-On Time
ton
Turn-Off Time
IF = 5mA, VCC = 10V, RL
= 100 Ohms
-
3.5
-
µs
toff
-
95
-
µs
Rise Time
tr
-
1
-
µs
Fall Time
tf
-
2
-
µs
Note
2.
For this test LED Pin1 and Pin2 are common and
Phototransistor Pin4 and Pin5 are common.
Note
3.
Isolation Surge Voltage, VISO is an internal device
dielectric breakdown rating.