Un optoacoplador, también llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor activado mediante la luz emitida por un diodo led que satura un componente optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac.
De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se suelen utilizar para aislar eléctricamente a dispositivos muy sensibles.
Principales ideas clave:
- El optoacoplador combina un fotoemisor y un fotorreceptor en un solo dispositivo semiconductor.
- La conexión entre el fotoemisor y el fotorreceptor es óptica, lo que proporciona aislamiento eléctrico.
- Se utilizan para aislar eléctricamente a dispositivos sensibles, evitando la transmisión de señales y ruido eléctrico.
- El encapsulado suele ser del tipo DIP (Dual Inline Package).
- Los principales componentes optoelectrónicos utilizados son el fototransistor y el fototriac.
¿Qué es un optoacoplador?
Un optoacoplador es un dispositivo semiconductor que combina un fotoemisor, un fotorreceptor y un camino por donde se transmite la luz, todos estos elementos dentro de un encapsulado generalmente del tipo DIP. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida, ya que la única conexión entre ambos es un haz de luz.
Dispositivo semiconductor de emisión y recepción
El optoacoplador es un dispositivo que combina un componente emisor de luz, como un diodo LED infrarrojo (IRED), y un componente receptor de luz, como un fototransistor, fototriac o fotodarlington, dentro de un mismo encapsulado.
Aislamiento eléctrico mediante acoplamiento óptico
La principal característica de un optoacoplador es que permite establecer un aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida, ya que la única conexión entre ellos es un acoplamiento fotónico a través de un haz de luz.
Encapsulado tipo DIP con fotoemisor y fotorreceptor
Los optoacopladores generalmente se encuentran en un encapsulado del tipo DIP (Dual Inline Package), que aloja tanto el fotoemisor como el fotorreceptor, junto con la guía de onda que transmite la señal luminosa entre ambos componentes.
Principio de funcionamiento del optoacoplador
El principio de funcionamiento del optoacoplador se basa en convertir una señal eléctrica de entrada en una señal luminosa modulada, que es transmitida ópticamente hacia el fotorreceptor, el cual reconvierte la señal luminosa en una señal eléctrica de salida. Esto permite establecer un aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida, ya que la única conexión entre ellos es un haz de luz.
Señal eléctrica convertida en señal luminosa modulada
El fotoemisor, generalmente un diodo LED de infrarrojos (IRED), convierte la señal eléctrica de entrada en una señal luminosa modulada. Esta señal luminosa es la que se transmite a través de la guía de onda hacia el fotorreceptor.
Transmisión de luz del fotoemisor al fotorreceptor
La señal luminosa modulada viaja a través de la guía de onda, ya sea de plástico o de cristal, desde el fotoemisor hasta el fotorreceptor, que puede ser un fototransistor, un fototriac o un fotodarlington.
Conversión de señal luminosa a señal eléctrica en la salida
Finalmente, el fotorreceptor reconvierte la señal luminosa en una señal eléctrica, que es la señal de salida del optoacoplador. De esta manera, se logra el aislamiento óptico entre los circuitos de entrada y salida.
Componentes clave de un optoacoplador
Los principales componentes de un optoacoplador son los que permiten el acoplamiento óptico y la transmisión de señales entre los circuitos de entrada y salida, garantizando así el aislamiento eléctrico requerido. Estos elementos clave son:
Diodo LED emisor de infrarrojos (IRED)
El diodo LED emisor de infrarrojos (IRED) es el encargado de convertir la señal eléctrica de entrada en una señal luminosa modulada. Este semiconductor optoelectrónico emite luz infrarroja cuando se aplica una diferencia de potencial a sus terminales.
Fotorreceptor: fototransistor, fototriac, fotodarlington
El fotorreceptor, que puede ser un fototransistor, un fototriac o un fotodarlington, es el encargado de reconvertir la señal luminosa procedente del diodo LED en una señal eléctrica de salida. Estos componentes optoelectrónicos modifican sus propiedades eléctricas en función de la luz que reciben.
Guía de onda plástica o cristal para transmitir luz
Entre el fotoemisor y el fotorreceptor se encuentra una guía de onda fabricada con material plástico o cristalino, que se encarga de transmitir la señal luminosa de un elemento al otro, estableciendo así el acoplamiento fotónico necesario para el funcionamiento del optoacoplador.
Tipos de optoacopladores
Los principales tipos de optoacopladores se diferencian por su etapa de salida. Existen optoacopladores con salida a fototransistor, fototriac y fototriac de paso por cero. Este último tiene un circuito interno que conmuta el triac únicamente en los cruces por cero de la fuente de corriente alterna, lo que permite un mejor control de la conmutación.
Fototransistor
Los optoacopladores con salida a fototransistor utilizan un transistor fotosensible que se activa cuando la luz del fotoemisor lo ilumina. Este tipo de optoacoplador proporciona una señal de salida amplificada y es ideal para aplicaciones de conmutación y control de disparos.
Fototriac
Los optoacopladores con salida a fototriac utilizan un triac fotosensible que se activa cuando la luz del fotoemisor lo ilumina. Este tipo de optoacoplador es adecuado para conmutar cargas de corriente alterna, como motores, lámparas y otros dispositivos.
Fototriac de paso por cero
Los optoacopladores fototriac de paso por cero tienen un circuito interno que conmuta el triac únicamente en los cruces por cero de la fuente de corriente alterna. Esto permite un mejor control de la conmutación y reduce los problemas de interferencias electromagnéticas.
Aplicaciones del optoacoplador
Los optoacopladores se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones que requieren un aislamiento eléctrico eficaz. Estas aplicaciones abarcan desde la interfaz entre circuitos de control de bajo voltaje y circuitos de potencia, hasta la conexión entre señales de corriente alterna y circuitos lógicos, pasando por sistemas de recepción y telefonía, y el control de potencia y relés.
Aislamiento entre circuitos de control y potencia
En sistemas de electrónica de potencia, los optoacopladores desempeñan un papel fundamental al aislar eléctricamente los circuitos de control de bajo voltaje de los circuitos de potencia de alto voltaje. Esto permite proteger los componentes delicados del circuito de control de posibles sobretensiones o ruido eléctrico proveniente de la etapa de potencia.
Interfaces en circuitos lógicos
Los optoacopladores también se utilizan para crear interfaces entre circuitos lógicos de tipo digital o TTL y otros dispositivos que operan con diferentes niveles de tensión. Esto asegura un aislamiento efectivo y evita problemas de compatibilidad o daños en los componentes.
Conexión entre señales AC y circuitos lógicos
Otra aplicación común de los optoacopladores es la conexión entre señales de corriente alterna (AC) y circuitos lógicos de tipo digital o de control. Gracias al aislamiento óptico, se puede establecer una barrera de tensión entre ambos dominios, evitando así la propagación de transitorios y ruido eléctrico.
Sistemas de recepción y telefonía
En el campo de las telecomunicaciones, los optoacopladores se utilizan para aislar los circuitos de señal de los circuitos de alimentación y control, protegiendo los dispositivos sensibles de posibles sobretensiones o interferencias eléctricas.
Control de potencia y relés
Los optoacopladores también encuentran aplicación en el control de potencia y en sistemas de conmutación, como en el accionamiento de relés. Permiten aislar la etapa de control de baja señal de la etapa de potencia, proporcionando una barrera de tensión y evitando daños en los componentes.
Ventajas del uso de optoacopladores
Los optoacopladores ofrecen varias ventajas significativas que los convierten en una solución efectiva y confiable para una amplia gama de aplicaciones eléctricas y electrónicas. Dos de las principales ventajas a destacar son:
Alto aislamiento eléctrico entre entrada y salida
La característica más distintiva de los optoacopladores es su capacidad para establecer un alto grado de aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Esto se logra gracias a que la única conexión física entre ambos circuitos es un haz de luz, lo cual evita la transmisión directa de señales eléctricas y protege a los componentes más sensibles.
Protección contra sobretensiones y ruido eléctrico
Debido a este aislamiento óptico, los optoacopladores también proporcionan una eficaz protección contra sobretensiones y ruido eléctrico que pueden afectar a los circuitos de control. Al evitar el paso directo de señales eléctricas entre los circuitos de entrada y salida, se previene la propagación de interferencias y perturbaciones, asegurando un funcionamiento estable y confiable de los sistemas electrónicos.
Consideraciones de diseño con optoacopladores
Al trabajar con optoacopladores, es importante tener en cuenta varios aspectos clave para garantizar un desempeño óptimo y confiable en las aplicaciones. Esto incluye la selección adecuada del dispositivo según los requisitos de voltaje y corriente, asegurar la linealidad y respuesta en frecuencia necesarias, y considerar la disipación de calor y el tipo de encapsulado.
Selección adecuada según requisitos de voltaje y corriente
La primera consideración al diseñar con optoacopladores es elegir el dispositivo apropiado para los niveles de voltaje y corriente que requiere la aplicación. Es crucial verificar que los valores máximos de entrada y salida del optoacoplador sean compatibles con los de los circuitos que se van a conectar, evitando posibles daños o mal funcionamiento.
Linealidad y respuesta en frecuencia
Además, se debe prestar atención a la linealidad y la respuesta en frecuencia del optoacoplador. Estos parámetros determinarán la capacidad del dispositivo para transferir la señal de entrada al receptor sin distorsión y con la fidelidad requerida por la aplicación, especialmente en sistemas de control y procesamiento de señales.
Disipación de calor y encapsulado
Finalmente, es importante considerar la disipación de calor y el tipo de encapsulado del optoacoplador. Una adecuada disipación de calor evitará el sobrecalentamiento y asegurará la fiabilidad a largo plazo del dispositivo. Asimismo, el encapsulado debe ser el apropiado para garantizar la protección y aislamiento requeridos en la aplicación.
Conclusión
En resumen, los optoacopladores son dispositivos semiconductores que proporcionan un aislamiento eléctrico mediante un acoplamiento óptico, lo que los convierte en una solución versátil y eficaz para una amplia gama de aplicaciones que requieren separación entre circuitos de control y potencia, interfaces lógicas, o protección contra sobretensiones y ruido eléctrico. Su correcto diseño y selección es fundamental para garantizar un funcionamiento óptimo y confiable.
Los optoacopladores utilizan un diodo LED emisor de infrarrojos (IRED) para convertir la señal eléctrica en una señal luminosa, y un fotorreceptor (fototransistor, fototriac o fotodarlington) para reconvertir la señal luminosa en una señal eléctrica, todo ello dentro de un encapsulado que permite el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Esto los convierte en una solución ideal para aplicaciones en electrónica de potencia, controladores de potencia y semiconductores optoelectrónicos.
Al diseñar con optoacopladores, es importante considerar factores como la selección adecuada según los requisitos de voltaje y corriente, la linealidad y respuesta en frecuencia requeridas, y la disipación de calor y el tipo de encapsulado, para garantizar un funcionamiento óptimo y confiable del dispositivo. Con un diseño cuidadoso, los optoacopladores se convierten en una herramienta esencial para la electrónica y la ingeniería de potencia.