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.