Optoacopladores (Electrónica Básica)  

Los Optoacopladores u Optoaisladores son dispositivos que podemos encontrar

en múltiples aplicaciones dentro de un equipo electrónico, cuando una señal debe

ser transmitida desde un circuito específico a otro, sin que exista conexión eléctrica

entre ambos. A pesar de ser un elemento muy utilizado, encierra muchos misterios

en su interior y estas incógnitas se profundizan cuando su funcionamiento correcto

se pone en duda. ¿Se pueden controlar?¿Cómo sabemos si funcionan

correctamente? Por lo general, la transmisión de la información dentro de

un Optoacoplador se realiza desde un LED infrarrojo que no responde, en las

mediciones con el multimetro, a lo que conocemos como un LED tradicional. ¿Qué

podemos hacer entonces? Veamos si en este artículo podemos encontrar las

respuestas que necesitamos.

La evolución de los semiconductores en el mundo electrónico encontró en

los optoacopladores al reemplazo ideal para dejar de lado al relé (o relay) y

altransformador, en especial en aplicaciones digitales, donde la velocidad de

transferencia y la conservación de la forma de onda debía ser tan fiel como fuera

posible en la salida, reflejando en forma idéntica al formato que presentaba en la

entrada. En el caso del relé, la transferencia de una señal analógica es imposible,

del mismo modo que sucede con los transformadores a determinadas frecuencias y

con formas de onda “especiales”. El optoacoplador fue la solución empleada en

múltiples aplicaciones que requerían importantes cambios de niveles de tensión

entre los circuitos enlazados, donde se requería aislación de determinado tipo de

ruidos en la transmisión de datos; o en espacios industriales, donde se pudiera (o

pudiese) controlar mediante un impulso lógico, de baja tensión, una carga con

elevados consumos en corriente alterna. Básicamente, si pudiéramos resumirlo

en una frase, podría ser “la solución de baja potencia a la activación aislada

galvánicamente de cargas, mediante un sistema de control”

El enlace óptico por infrarrojos permitió seguridad y confiabilidad en circuitos

electrónicos que debían trabajar con niveles de alimentación separados

A pesar de que un optoacoplador o “acoplador de señales eléctricas mediante un

enlace óptico” puede tomar formatos físicos muy variados, su arquitectura es

siempre reiterada en el concepto fundamental. Por un lado, se utiliza para

transmitir la información un diodo LED infrarrojo, construido a base de un

compuesto de Arseniuro de Galio, que se enlaza en forma óptica con un detector

encargado de capturar esa información luminosa y transformarla en una señal

eléctrica idéntica, en su composición  de niveles, a la que el  LED   emite. Luego, la

naturaleza de este detector nos brindará una respuesta acorde al tipo de señal

aplicada al LED y a la función específica para la que fue construido ese detector

que trae consigo el optoacoplador.

Los detectores pueden ser de cualquier tipo, sin embargo, el emisor siempre es un

diodo LED infrarrojo

Por ejemplo, si el elemento receptor (o detector) es un fototransistor, podremos

utilizar el dispositivo para transferir señales analógicas como puede ser audio o

video. Si en cambio es otro fotodiodo, o un foto-SCR, nos será útil como

“rectificador controlado y aislado eléctricamente”. De este modo, los detectores se

multiplican en formatos y tipo de aplicación, como puede ser un Triac (para

trabajar con corrientes alternas) y hasta podemos encontrar puertas lógicas, como

detectores dentro de un optoacoplador. Lo que siempre conservará su naturaleza

es el elemento transmisor o emisor; siempre será un diodo (o un conjunto de

ellos) LED infrarrojo.

Clásico Optoacoplador tipo ranura para trabajar con ruedas dentadas

Los Optoacopladores que trabajan por reflexión son muy utilizados en robótica el que trae una forma de “U” y su activación se basa, ya no en un reflejo, sino en una interrupción de un haz detectado en forma permanente (en el tercer video hacemos un ensayo con uno). El extremo más conocido y “familiar”, es el que viene en el mismo tipo de encapsulado que un circuito integrado tradicional, pero con menor cantidad de pines por lado. Es decir, notarás que traen dos o tres pines por lado y eso, además de llamarte la atención, te estará indicando que estás (99%) frente a un optoacoplador. De todos modos, estos últimos ofrecen una presentación múltiple en un mismo encapsulado y su aspecto es el de un circuito integrado clásico con presentaciones de hasta 8 pines por lado (4 optoacopladores individuales en un mismo encapsulado).

Otro tema muy importante es la gran variedad de encapsulados que encontraremos

delante de nuestros ojos y aunque no lo creamos posible, será un optoacoplador.

Por ejemplo, uno muy popular dentro del mundo de los robots “sigue-líneas” es

elCNY70, que trabaja por reflexión. Otro tipo de acoplador óptico muy popular es

Un Optoacoplador simple puede encontrarse en un encapsulado múltipleCómo verificar el funcionamiento

No te preocupes, no te sientas como un marciano si te invade la duda de su

accionar adecuado y no sabes por dónde comenzar a medir; ni qué parámetros

controlar y mucho menos cómo hacerlo. La comprobación de funcionamiento de

este tipo de dispositivos no es sencilla. Seamos sinceros y realistas desde el

comienzo: indefectiblemente (no tienes opción) debes retirarlo del lugar de trabajo

donde se encuentre para realizar algunas pruebas que no son complejas, que en

muy corto tiempo la puedes realizar y los materiales necesarios para llevarlas a

cabo son muy básicos, muy elementales. Todo esto vale si deseas hacer un trabajo

apropiado, claro está. El primero que debemos hacer a un optoacoplador es, por

lógica, inspeccionarlo físicamente. Observarlo y verificar que su estructura esté

correcta sin demostraciones de quemazón o quebraduras en su estructura física. En

el caso de los que se encuentran en encapsulado tipo circuito integrado, suelen

“quebrarse” al explotar y eso facilita mucho el diagnóstico. Sin embargo, cuando su

aspecto es óptimo debemos comenzar con la medición estática más elemental que

podemos hacer: mediante el uso del multímetro (en posición para medir diodos si

es digital, en R X 1 si es analógico) buscar entre los pines hasta encontrar el LED.

Recuerda: NO es un LED convencional por lo tanto, el valor obtenido en la medición

podrá resultarte algo extraño.

Una vez descubierto y comprobado el LED, podemos pasar a hacer otro tipo de

mediciones que puedan ayudarnos a incrementar la seguridad de un buen

funcionamiento; esto es, que la información introducida en el LED se pueda

recuperar en el detector. Para esto, necesitaremos dos multímetros y algunos

cables con pinzas caimanes o “cocodrilo” en sus extremos, para apoyarnos

físicamente en el trabajo, porque mantener cuatro puntas de medición con sólo dos

manos suele ser algo complicado de hacer. Por lo tanto, un par de cables y algunos

pines de resistencias cortados pueden ser de gran ayuda. Una vez identificado

el LED, ya tenemos la posibilidad de activar el emisor, por lo tanto, la búsqueda

con el segundo instrumento estará orientada a comprobar el funcionamiento del

elemento receptor o el detector que recibe el haz infrarrojo.

Desde que conozco a los optoacopladores, el método mostrado hasta aquí es, por

lo general, suficiente como para detectar el buen funcionamiento de este

dispositivo sin necesidad de recurrir a buscar en la web la hoja de datos del

elemento que estamos ensayando. Sin embargo, no ha faltado el diablo a la cita en

varias ocasiones y a pesar de encontrar estas mediciones correctas,

el optoacoplador no funcionaba en su lugar de trabajo, en la aplicación. Afuera las

mediciones eran óptimas, mientras que en circuito, bajo condiciones de trabajo, el

dispositivo no funcionaba de manera correcta. Si lo analizamos en forma detenida,

puede existir una fuga de corriente desde el emisor hacia el detector y los

resultados “parecen” ser los correctos, sin embargo, la aislación a ambos lados de

los elementos que componen el optoacoplador no se cumple como debería ser.

Por lo tanto, a las mediciones efectuadas, deberíamos agregarle un método

dinámico de ensayo, con tensión de trabajo que nos permita comprobar los

elementos, a la vez que también nos demuestre que la aislación está presente

entre los elementos.Avancemos hacia el método dinámico

En este punto te preguntarás los motivos por los cuales no cambiamos

directamente esta “piedra en el zapato” que cuesta unas pocas monedas, antes de

perder tanto tiempo en ensayos, sin embargo, cuando descubres que no tienes uno

nuevo para reemplazarlo (ni lo conseguirás en varios días), estarás de acuerdo en

que sigamos hacia el ensayo dinámico. Para realizar este trabajo, debemos ante

todo, saber con qué elemento estamos trabajando, conocer su nomenclatura y por

supuesto (ahora sí) tener acceso a su hoja de datos. Para esto último, existen

muchos espacios en la web donde encontrar la información necesaria que nos

permitirá conocer la arquitectura interna del componente con el que estamos

trabajando, al que intentamos hacerle los controles sanitarios, para saber si goza de

buena salud. Si no tenemos un espacio de preferencia donde encontrar este tipo de

información, bastará con escribir la nomenclatura en cualquier buscador web y

apuntar nuestra lectura hacia los archivos PDF que siempre aparecen. Una vez que

tenemos ese resultado, podemos saber de qué manera ensayar

nuestro optoacoplador.

Cuando comenzamos a trabajar en forma dinámica, no puedes dejar de observar la

hoja de datos

Durante la primera etapa del ensayo, lo más importante dentro de la hoja de datos

será descubrir las características funcionales del LED y no confundirnos entre los

valores máximos y absolutos que puede soportar el dispositivo, respecto a los

óptimos que se pueden utilizar para un funcionamiento adecuado y seguro,

garantizando una larga vida útil. Y como por algún lado debemos comenzar, vamos

a hacerlo con uno de los optoacopladores más populares, económicos y

“adoptados” por la industria electrónica (De nada sirve, durante el aprendizaje,

hablar de componentes que verás solo una vez en tu vida). Por lo tanto, veamos

algunas particularidades que debemos tener en cuenta al momento de leer la hoja

de datos de un PC817: un optoacoplador analógico clásico, con un fotodiodo

infrarrojo  (emisor) y un fototransistor (detector) que nos ofrece en su salida los

pines Colector-Emisor, para tomar allí “en forma aislada y proporcional”, las

variaciones de intensidad luminosa que entregue el LED infrarojo. Además,

este optoacoplador analógico es el que más utilizamos y utilizaremos en

los montajes de NeoTeo.

Como mencionamos antes, los valores máximos absolutos del PC817 hablan de

una corriente de LED en forma directa (Forward Current) de 50mA, sin embargo,

trabajando a ese régimen el optoacoplador puede durar unos pocos minutos, antes

de calcinarse. Insistamos en este concepto: “eso es el máximo absoluto, no el valor

seguro de trabajo”. Para saber cuál es esta “corriente segura de trabajo” tenemos

dos métodos: uno es observando las curvas presentes en las hojas de datos que nos

muestren los valores usuales dentro del “Área de Operación Segura”

(SOA, Security Operation Area). En el gráfico mostrado abajo (derecha), es el área

que se encuentra debajo de la línea de puntos. Para ejemplo, podemos observar

que con una corriente de LED de 5mA, 10mA (y un poco más también) podemos

trabajar sin problemas en todo el rango de tensiones (entre colector y emisor) que

permite aprovechar el fototransistor del PC817. Observa que si lo haces trabajar

con una corriente de LED de 20mA no podrás llegar a emplear valores de tensión

de 6Volts en el fototransistor. Hasta podríamos decir que trabajar con 5Volts sería

estar muy cerca de la zona “no segura”

Curvas elementales que no debes dejar de comprender

Además, el gráfico que muestra el CTR (Current Transfer Ratio) (izquierda) es muy

claro; para una tensión de trabajo en el transistor, de 5Volts, la corriente de

LEDalcanza el máximo porcentaje de CTR entre los 10 y los 20mA de corriente

directa de LED (If), en este modelo de PC817. Seguramente, te estarás

preguntando ¿qué es el CTR? El concepto de interpretación más sencillo que

podemos volcar es el siguiente: un CTR del 100% nos ofrece una relación de

corrientes 1 a 1 en la entrada y la salida. Esto es: por cada mA que circule por el

diodo emisor, circulará un mA en el circuito Colector – Emisor en el fototransistor de

salida. Por ejemplo, A una alimentación de 5Volts Vce (Tensión Colector – Emisor),

el CTR = 100% de un PC817 está ubicado en apenas algo más de 2mA

de corriente de LED. En estas condiciones, en el circuito de Colector – Emisor se

podrá recuperar una corriente máxima de “algo más de 2mA”. En cambio, si

el CTR aumenta a un 200% (5mA de corriente de LED) la corriente Colector –

Emisor recuperada podrá ser de hasta 10mA. (Observa en la hoja de datos que el

CTR puede llegar hasta 600% en otros modelos de PC817). En función de esto, ya

estamos en condiciones de saber una de las bases fundamentales para trabajar con

un optoacoplador analógico: Esto es, cuánta corriente necesita el LED para

trabajar en forma segura y de qué modo se comportará la salida, con cada mA de

trabajo en el LED.

Los Optoacopladores Analógicos están, por ejemplo, en la mayoría de las fuentes

conmutadas

El otro método de comprobación (además del estático, utilizando los multímetros)

es efectuando el ensayo dinámico. Para nuestro trabajo, que es de comprobación

de funcionamiento, no necesitaremos saber si la relación de transferencia es

plenamente lineal a lo largo de todo el rango de corriente de LED. Eso quedará

para estudios posteriores, cuando nos dediquemos al diseño electrónico. Por ahora,

que sólo intentamos saber si nuestro optoacoplador está vivo o muerto, debemos

entender que si logramos un funcionamiento correcto como LED en el emisor,

tenemos la mitad del trabajo resuelto. Para esto, bastará con que repasemos los

cálculos hechos en el artículo sobre LEDs, en el que aprendimos a obtener los

valores de resistencias de polarización para hacer circular por el LED la corriente

que nos interesa. En el mejor de los casos, podemos colocar un control variable que

nos permita operar dentro del espacio SOA y observar así los cambios en la salida

(circuito Colector – Emisor delPC817). El ejemplo práctico entonces, sería el

siguiente, para una tensión de ensayo en el circuito del LED de 5Volts: una

resistencia mínima de 180 Ohms (If <= 27mA) y una máxima de 1000 Ohms para

una corriente directa de LED (If) >= a 1mA. Con una resistencia fija de 180 Ohms

y un resistor ajustable (preset) de 1K tendríamos resuelto nuestro montaje inicial de

ensayos. Veamos qué resultados obtuvimos:

Por último, en esta primera entrega sobre optoacopladores y su ensayo, nos resta

mencionar que podemos también ejecutar algunos trabajos simples con el circuito

del detector para comprobar (definitivamente) el correcto y completo

funcionamiento del optoacoplador ensayado. Esto es: verificar que ante

variaciones en la corriente de LED, tengamos variaciones en la corriente del circuito

Colector – Emisor en el fototransistor de salida, en el detector. Para esto

utilizaremos una simple herramienta como es un LED y una resistencia. Una vez

que conocemos la disposición de pines del fototransistor en la salida, será muy

sencillo realizar la conexión como si se tratara (o tratase) de un transistor

convencional, sin embargo, el utilizado para encender el LED será

el fototransistor interno del optoacoplador. Conexiones, mediciones y resultados,

en este video:

Como pudimos ver a lo largo del artículo, descubrir los componentes fundamentales

de un optoacoplador no es una tarea titánica, imposible o sólo reservada a genios.

Es muy sencillo, apenas con un multímetro puedes descubrir fácilmente

el fotodiodo, luego ensayarlo y ya tienes la mitad del optoacoplador en buen

estado. Luego, con los elementos de siempre, pondrás en marcha

al optoacoplador para trabajar en forma dinámica. Medirás corrientes y

descubrirás las relaciones que existen entre la realidad y la teoría. Si antes todo

esto era un sub-mundo impenetrable, esperamos que con las explicaciones

entregadas y los videos de demostración, algunas cosas se hayan comenzado a

aclarar.