Optoacopladores Objetivo:

Transcripción

1 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.

2 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.

3 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.

4 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.

5 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.

6 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.

7 CONSTRUCCIÓN DE OPTOACOPLADORES.

8 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 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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 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 veces los anteriores.

14 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.

15 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.

16 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:

17 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.

18 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.

19 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:

20 Por su tipo de salida ANALÓGICA Baja Potencia Foto Transistor. Foto Darlintong. Foto FET Alta Potencia Foto SCR Foto Triac DIGITAL Smitch Trigger

21 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)

22 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...

23 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.

24 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: (T A = +25 C C unless otherwise specified) Infrared Emitting Diode Reverse Voltage, V R Continuous Forward Current, I F Peak Forward Current (Pulse Width 1µs, 300pps), I F Power Dissipation, P D Derate Above +25 C 3V 60mA 3A 200mW 2.6mW/ C

25 Phototransistor Collector-Emitter Voltage, V CEO Emitter-Collector Voltage, V ECO Collector-Base Voltage, V CBO Continuous Collector Current, I C Detector Power Dissipation, P D Derate Above +25 C 30V 7V 70V 100mA 200mW 2.6mW/ C

26 Total Device Isolation Source Voltage (Input-to-Output), V ISO Pea RMS Operating Temperature Range, T opr Storage Temperature Range, T stg Lead Temperature (During Soldering, 10sec), T L 1500V 1060V -55 to +100 C -55 to +150 C +260 C

27 Electrical Characteristics: (T A = +25 C unless otherwise specified) Parameter Symb ol Test Conditions Mi n Ty p Ma x Uni t Infrared Emitting Diode Forward Voltage V F I F = 10mA V Reverse Leakage I Current R V R = 3V ma V = 0, f = Capacitance C J pf 1MHz

28 Phototransistor Collector-Emitter Dark Current Collector-Emitter Breakdown Voltage Collector-Base Breakdown Voltage Emitter-Collector Breakdown Voltage Collector-Emitter Capacitance I CEO V CE = 10V, I F = 0 V (BR) CEO V (BR) CBO V (BR)E CO C CE I C = 10mA, I F = 0 I C = 100µA, I F = 0 I E = 100µA, I F = 0 V CE = 5V, f = 1MHz Capacitance C J V CE = 10V, f = 1MHz na V V V pf pf

29 Coupled Characteristics DC Current Transfer Ratio Collector-Emitter Saturation Voltage Isolation Resistance Isolation Capacitance Switching Times CTR I F = 10mA, V CE = 10V V CE( sat) R ISO I F = 60mA, I C = 1.6mA V = 500V % V - - G Ohm C ISO V = 0, f = 1MHz pf t r, t f V CE = 10V, I CE = 2mA, R L = 100 V CE = 10V, I CB = 50µA, R L = µs µs

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31 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.

32 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.

33 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.

34 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.

35 Features: High Sensitivity to Low Input Drive Current High Collector-Emitter Breakdown Voltage: V (BR)CEO = 80V (Min) High Input-Output Isolation Guaranteed: V ISO = 7500V (Peak) Absolute Maximum Ratings: (T A = +25 C C unless otherwise specified) Input LED Reverse Voltage, V R Continuous Forward Current, I F LED Power Dissipation (With Negligible Power in Output Detector), P D Derate Above +25 C 3V 60mA 120mW 1.41mW/ C

36 Output Detector Collector-Emitter Voltage, V CEO Emitter-Collector Voltage, V ECO Detector Power Dissipation (With Negligible Power in Input LED), P D Derate Above +25 C 80V 5V 150mW 1.76mW/ C Total Device Isolation Source Voltage (Peak AC Voltage, 60Hz, 1sec Duration, Note 1), V ISO Total Device Power Dissipation, P D Derate Above +25 C 7500V 250mW 2.94mW/ C

37 Operating Ambient Temperature Range, T A Storage Temperature Range, T stg Lead Temperature (During Soldering, 1/16" from case, 10sec), T L -55 to +100 C -55 to +150 C +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.

38 Electrical Characteristics: (T A = +25 C unless otherwise specified) Input LED Parameter Reverse Leakage Current Symb ol Test Conditions Min Typ Ma x Uni t I R V R = 3V µa Forward Voltage V F I F = 10mA V Capacitance C J V R = 0, f = 1MHz pf

39 Photodarlington (T A = +25 C, I F = 0 unless otherwise specified) Collector-Emitter Dark Current Collector-Emitter Breakdown Voltage Emitter-Collector Breakdown Voltage I CEO V CE = 60V µa V (BR)C EO V (BR)E CO Coupled (T A = +25 C unless otherwise specified) I C = 1mA V I E = 100µA V Output Collector Current Isolation Surge Voltage Isolation Resistance Isolation Capacitance I C I F = 10mA, V CE = 1.5V ma V ISO 60Hz Peak AC, 5sec, Note 2, Note V R ISO V = 500V, Note Ohm C ISO V = 0, f = 1MHz, Note pf

40 Switching Turn-On Time t on I F = 5mA, V CC = 10V, R L µs = 100 Ohms Turn-Off Time t off µs Rise Time t r µs Fall Time t f µs Note 2. Note 3. For this test LED Pin1 and Pin2 are common and Phototransistor Pin4 and Pin5 are common. Isolation Surge Voltage, V ISO is an internal device dielectric breakdown rating.