“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:

Por su tipo de

salidaANALÓGICA

Baja

Potencia

Alta

Potencia

Foto

Transistor.

Foto

Darlintong.

Foto FET

Foto SCR

Foto Triac

DIGITAL Smitch Trigger

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 6-

Lead DIP type package coupled with a silicon phototransistor.

Absolute Maximum Ratings: (TA = +25°C C unless otherwise

specified)

Infrared Emitting Diode

Reverse Voltage, VR 3V

Continuous Forward Current, IF 60mA

Peak Forward Current (Pulse Width 1µs, 300pps), IF 3A

Power Dissipation, PD 200mW

Derate Above +25°C 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

1500V

1060V

Operating Temperature Range, Topr -55° to +100°C

Storage Temperature Range, Tstg -55° to +150°C

Lead Temperature (During Soldering,

10sec), TL

+260°C

Electrical Characteristics: (TA = +25°C unless otherwise specified)

ParameterSymb

ol

Test

Conditions

Mi

n

Ty

p

Ma

x

Uni

t

Infrared Emitting Diode

Forward Voltage VF IF = 10mA - 1.1 1.5 V

Reverse Leakage

CurrentIR VR = 3V - - 10 mA

Capacitance CJ

V = 0, f =

1MHz- 50 - pF

Collector-Emitter

Dark CurrentICEO

VCE = 10V,

IF = 0- 5 50 nA

Collector-Emitter

Breakdown Voltage

V(BR)

CEO

IC = 10mA,

IF = 030 - - V

Collector-Base

Breakdown Voltage

V(BR)

CBO

IC = 100µA,

IF = 070 - - V

Emitter-Collector

Breakdown Voltage

V(BR)E

CO

IE = 100µA,

IF = 07 - - V

Collector-Emitter

CapacitanceCCE

VCE = 5V, f

= 1MHz- 7 - pF

Capacitance CJ

VCE = 10V, f

= 1MHz- 2 - pF

Phototransistor

Coupled Characteristics

DC Current

Transfer RatioCTR

IF = 10mA, VCE =

10V6 - - %

Collector-Emitter

Saturation Voltage

VCE(

sat)

IF = 60mA, IC =

1.6mA

10

0- - V

Isolation

ResistanceRISO V = 500V

10

0- -

G

Ohm

Isolation

CapacitanceCISO V = 0, f = 1MHz - - 2 pF

Switching Times tr, tf

VCE = 10V, ICE =

2mA, RL = 100 - 5 - µs

VCE = 10V, ICB =

50µA, RL = 100 - 3 - µs

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 3V

Continuous Forward Current, IF 60mALED Power Dissipation (With Negligible Power in

Output Detector), PD

120mW

Derate Above +25°C 1.41mW/°C

Output Detector

Collector-Emitter Voltage, VCEO 80V

Emitter-Collector Voltage, VECO 5VDetector Power Dissipation (With Negligible

Power in Input LED), PD

150mW

Derate Above +25°C 1.76mW/°C

Total Device

Isolation Source Voltage (Peak AC Voltage,

60Hz, 1sec Duration, Note 1), VISO

7500V

Total Device Power Dissipation, PD 250mW

Derate Above +25°C2.94mW/°

C

Operating Ambient Temperature Range, TA

-55° to

+100°C

Storage Temperature Range, Tstg

-55° to

+150°C

Lead Temperature (During Soldering, 1/16" from

case, 10sec), TL

+260°C

Not

e 1

Isolation Surge Voltage is an internal device dielectric breakdown

rating. For this test, Pin1 and Pin2 are common, and Pin4, Pin5,

and Pin6 are common.

Electrical Characteristics: (TA = +25°C unless otherwise specified)

ParameterSymb

ol

Test

ConditionsMin Typ

Ma

x

Uni

t

Input LED

Reverse Leakage

CurrentIR 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

CurrentICEO VCE = 60V - - 1 µA

Collector-Emitter

Breakdown Voltage

V(BR)C

EO

IC = 1mA 80 - - V

Emitter-Collector

Breakdown Voltage

V(BR)E

CO

IE = 100µA 5 - - V

Coupled (TA = +25°C unless otherwise specified)

Output Collector

Current

IC IF = 10mA, VCE = 1.5V 50 - - mA

Isolation Surge

Voltage

VISO 60Hz Peak AC, 5sec,

Note 2, Note 3

7500 - - V

Isolation

ResistanceRISO V = 500V, Note 2 - 1011 - Ohm

Isolation

Capacitance

CISO V = 0, f = 1MHz, Note 2 - 0.2 - pF

Switching

Turn-On Time ton IF = 5mA, VCC = 10V, RL

= 100 Ohms

- 3.5 - µs

Turn-Off Time 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.