Tutorial del optoacoplador con circuito de E/S

En este tutorial del optoacoplador les vamos a mostrar que es y para qué sirve este componente qué junto con algunos ejemplos prácticos de uso le llevará a comprender bien el funcionamiento.

En un montaje práctico de hace pocos días publicamos un circuito sensor de movimiento para luz de escalera que contenía un módulo optoacoplador para la entrada de 220Voltios AC. En este tutorial abordamos que son los optoacopladores.

Empecemos con el tutorial del optoacoplador

Un optoacoplador es un componente electrónico que interconecta dos circuitos eléctricos separados por medio de una interfaz óptica sensible a la luz.

Sabemos para aislar una corriente de otra se utilizan transformadores que además de transformar nos permiten aislamiento eléctrico entre dos tensiones de diferente magnitud, por ejemplo; el primario a 110V y el secundario a 24V.

En otras palabras, los transformadores aíslan la tensión de entrada primaria de la tensión de salida secundaria usando acoplamiento electromagnético y esto se logra utilizando el flujo magnético que circula dentro de su núcleo de hierro laminado.

Pero también podemos proporcionar aislamiento eléctrico entre una fuente de entrada y una carga de salida utilizando solo la luz mediante el uso de un componente electrónico muy común y valioso llamado Optoacoplador.

Una aplicación muy importante en los optoacopladores es el salvaguardar los microcontroladores que trabajan normalmente a 5V con cargas externas que pueden ser 5, 12 o 24 Voltios DC entre otras tensiones tal y como explicamos más adelante.

El diseño básico de un optoacoplador, también conocido como Opto-aislador , consiste en un LED que produce luz infrarroja y un dispositivo semiconductor foto sensible que se utiliza para detectar el haz infrarrojo emitido. Tanto el LED como el dispositivo fotosensible están encerrados en un cuerpo o paquete hermético a la luz con patas de metal para las conexiones eléctricas, como se muestra.

Un optoacoplador consiste en un emisor de luz, el LED y un receptor sensible a la luz que puede ser un solo fotodiodo, foto-transistor, fotorresistencia, foto-SCR, o un foto-TRIAC con la operación básica de un optoacoplador que es muy simple de entender.

Optoacoplador fototransistor

Supongamos un dispositivo foto-transistor como se muestra en la figura anterior. La corriente de la señal fuente pasa a través del LED de entrada que emite una luz infrarroja cuya intensidad es proporcional a la señal eléctrica recorrida por el diodo.

Esta luz emitida cae sobre la base del foto-transistor, haciendo que conduzca de manera similar a un transistor bipolar normal.

La conexión de base del fototransistor se puede dejar abierta (desconectada) para una sensibilidad máxima a los LEDs de energía de luz infrarroja o conectada a tierra a través de una resistencia externa adecuada de alto valor para controlar la sensibilidad de conmutación haciéndola más estable y resistente a falsos disparos por ruido eléctrico externo o transitorios de tensión.

Cuando se interrumpe la corriente que fluye a través del LED, la luz emitida por infrarrojos se apaga, lo que hace que el foto-transistor deje de conducir.

El foto-transistor se puede usar para cambiar la corriente en el circuito de salida. La respuesta espectral del LED y el dispositivo fotosensible están estrechamente relacionados y separados por un medio transparente como vidrio, plástico o aire. Como no existe una conexión eléctrica directa entre la entrada y la salida de un optoacoplador, se logra un aislamiento eléctrico de aproximadamente hasta 10 kV.

Imagen de un optoacoplador de ranura

Tipos de optoacopladores

Los optoacopladores están disponibles en cuatro tipos generales, cada uno con una fuente de LED infrarroja pero con diferentes dispositivos foto sensibles. Los cuatro optoacopladores se denominan: foto-transistor , foto-darlington , foto-SCR y foto-triac. A continuación les mostramos unas imagen de los diferentes tipos.

Tipos de optoacopladores

Los dispositivos de foto-transistor y foto-darlington se utilizan principalmente en circuitos de CC, mientras que los foto-SCR y los foto-TRIAC permiten el control de circuitos alimentados por CA. Hay muchos otros tipos de combinaciones fuente-sensor, como LED-fotodiodo, LED-LASER, lámpara-fotorresistor, led-fotorresistor, optoacopladores reflectantes y ranurados.

Los optoacopladores caseros simples se pueden construir mediante el uso de componentes individuales. Un Led y un foto-transistor o foto-diodo, se insertan en un tubo de plástico rígido o se envuelven en un tubo termo-adaptable opaco tal y como se muestra en la siguiente imagen.

Optoacoplador hecho en casa

Un optoacoplador casero

La ventaja de este optoacoplador casero es que el tubo se puede cortar a cualquier longitud que desee e incluso doblar alrededor de las esquinas. Obviamente, los tubos con un interior reflectante serían más eficientes que los tubos negros oscuros.

Aplicaciones del optoacoplador

Los optoacopladores se pueden usar solos, o para cambiar un rango de otros dispositivos electrónicos más grandes como transistores y triacs que proporcionan el aislamiento eléctrico requerido entre una señal de control de voltaje más bajo, por ejemplo, una de un Arduino o microcontrolador PIC y una señal de salida de corriente de red o voltaje DC mucho mayor.

Las aplicaciones comunes para optoacopladores incluyen conmutación de entrada / salida de microprocesador, control de alimentación CC y CA, comunicaciones de PC, aislamiento de señal y regulación de suministro de energía que sufren de bucles de tierra actuales, etc. La señal eléctrica que se transmite puede ser analógica (lineal) o digital (pulsos).

En esta aplicación, el optoacoplador se usa para detectar el funcionamiento del interruptor u otro tipo de señal de entrada digital. Esto es útil si el interruptor o la señal que se está detectando se encuentra dentro de un entorno eléctricamente ruidoso. La salida puede usarse para operar un circuito externo, luz o como una entrada a una PC o microprocesador.

Un interruptor de DC con Optotransistor

En el siguiente ejemplo, la resistencia de 270 kΩ conectada externamente se usa para controlar la sensibilidad de la región base del fototransistor. El valor de la resistencia se puede elegir para adaptarse al dispositivo optoacoplador seleccionado y la cantidad de sensibilidad de conmutación requerida (es decir, la corriente de disparo inicial). El condensador detiene los picos o transitorios indeseados de la activación falsa de la base del opto-transistor.

Además de detectar señales y datos de CC, también están disponibles los aislantes Opto-triac que permiten el control de equipos alimentados por CA y lámparas de iluminación. Los triacs optoacoplados, como el MOC 3020, tienen niveles de voltaje de aproximadamente 400 voltios, lo que los hace ideales para la conexión directa a la red y una corriente máxima de aproximadamente 100 mA. Para cargas de mayor potencia, el opto-triac se puede usar para proporcionar el pulso de compuerta a otro triac más grande a través de una resistencia de limitación de corriente como se muestra en la siguiente imagen.

Aplicación del optoacoplador a Triac

Este tipo de configuración de optoacoplador forma la base de una aplicación de relé de estado sólido muy simple que se puede utilizar para controlar cualquier carga alimentada por la red de CA, como lámparas y motores. Además, a diferencia de un tiristor (SCR), un triac es capaz de conducir en ambas mitades del ciclo de la red de CA con detección de cruce por cero, lo que permite que la carga reciba plena potencia sin las fuertes corrientes de arranque al conmutar cargas inductivas y evitar el ruido por la red de AC.

Los Optoacopladores o foto-aisladores son grandes dispositivos electrónicos que permiten dispositivos tales como transistores de potencia y triacs para ser controlados desde el puerto de salida de un PC, Microcontrolador ol o desde una señal de datos de baja tensión tal como la de una puerta lógica. La principal ventaja de los optoacopladores es su alto aislamiento eléctrico entre los terminales de entrada y salida que permite señales digitales relativamente pequeñas para controlar voltajes de CA, corrientes y potencia muy grandes.

Se puede usar un optoacoplador con señales de CC y CA con optoacopladores que utilizan un SCR (tiristor) o triac ya que el dispositivo de detección de luz está diseñado principalmente para aplicaciones de control de alimentación de CA. La principal ventaja de los foto-SCR y fototriacs es el aislamiento completo de cualquier picos de ruido o voltaje presentes en la línea de suministro de CA, así como la detección de cruces por cero de la forma de onda sinusoidal que reduce la conmutación y las corrientes de entrada que protegen los semiconductores de potencia utilizados de estrés térmico y shock.

Ejemplos prácticos de circuitos con optoacoplador

En aplicaciones con Microcontroladores PIC o Arduino, encontramos muchas utilidades y especialmente entre la entrada y salida.

Por ejemplo; Para aislar la entrada de una señal de CA utilizamos este tipo de módulo optoaislador que podemos encontrar en el mercado a precios muy económico, aproximadamente 2 dólares.

La imagen anterior nos visualiza un módulo optoacoplador 220V AC para proyectos con microcontroladores entre los que se incluyen los PLC´s.

Esta imagen corresponde al esquema del módulo anterior.

Y para finalizar este tutorial del optoacoplador les mostraremos una aplicación típica de un módulo de relé optoacoplador el cual puede servir para una salida de microcontrolador a 5 voltios y un relé por ejemplo a 12 voltios.

Y por supuesto que también les ofrecemos el esquema del módulo relé optoacoplado para micrcocontroladores PIC, Arduino y AVR entre otros.

Si observamos la imagen anterior, tenemos dos alimentaciones. La que suministra Arduino para poder activar el diodo emisor a +5V DC y la que necesita el relé que son +12V DC. Ambas alimentaciones han de ser de circuitos independientes. Tienen un punto común y es la masa, puesto que en CC las masas viven conjuntamente en todos los circuitos.

Si conoces algún otro sistema de optoacoplador que pueda ser interesante para nuestros lectores, nos comentas y miramos de añadirlo.

Hasta la próxima amigos y ya saben. Visiten esta web a diario, si buscan algo y no lo encuentran nos dejan un mensaje y le ayudaremos.