Conceptos Básicos del Optoacoplador: Funcionamiento, Tipos y Aplicaciones Prácticas

Como diseñador de PCB, ingeniero o aficionado, dispones de una amplia variedad de interruptores, relés y acopladores para personalizar tu placa de circuito impreso. Con tantos componentes y opciones disponibles en el mercado, resulta difícil decidir cuál se adapta mejor a tu proyecto.

Por ejemplo, es posible que te preguntes qué hace un optoacoplador y en qué se diferencia de cualquier otro relé. Esta guía pretende aclarar precisamente eso. En ella exploraremos el optoacoplador, sus diversos tipos y cómo puede beneficiar a tu proyecto.

¿Qué es un Optoacoplador?

Los optoacopladores reciben muchos nombres: optoaislador, fotocoplador, acoplador óptico, aislador óptico u simplemente optoacoplador. Algunas personas incluso se refieren a ellos como "opciones". No obstante, los optoacopladores son componentes electrónicos integrados. Generalmente, los tipos más básicos consisten en un cuerpo rectangular con cuatro pines. Cada pin corresponde a un subcomponente: el primero es el ánodo, el segundo el cátodo, el tercero el colector y el cuarto el emisor.

Además, existe una muesca circular en la esquina del cuerpo principal cerca del primer pin, que permite identificar los diferentes pines. El cuerpo también contiene texto con el número de parte del optoacoplador, lo que facilita identificar su tipo y localizar la hoja de datos del fabricante.

En esencia, el optoacoplador es un relé de estado sólido que interconecta dos circuitos electrónicos separados. El primer circuito se conecta a través de los dos primeros pines (pines 1 y 2), mientras que el segundo circuito se conecta a los dos últimos pines (pines 3 y 4). Esto permite que el primer circuito controle al segundo.

Es fácil confundir un optoacoplador con un circuito integrado (CI) o microchip debido a su apariencia, especialmente en el caso de los optoacopladores TRIAC.

¿Cómo Funciona un Optoacoplador?

El optoacoplador permite transferir señales electrónicas entre dos circuitos aislados. Esta es una de sus características más importantes. A veces, picos de voltaje y ruido pueden ocurrir en un circuito. Sin el aislamiento que proporciona el optoacoplador, estas perturbaciones podrían propagarse al segundo circuito y causar daños. El optoacoplador previene que esto ocurra en ambos circuitos.

Además, el optoacoplador solo permite el flujo de electrones en una dirección debido a sus materiales semiconductores. Como consecuencia, esto permite que los dos circuitos interconectados utilicen diferentes voltajes y corrientes.

Asimismo, amplía las capacidades de tu dispositivo, principalmente porque facilita el aislamiento galvánico entre dos circuitos separados. Por ejemplo, podríamos añadir un transistor al segundo circuito sin interferir con el primero en una configuración de dos circuitos. Esto permitiría controlar cantidades aún mayores de voltaje y corriente. Además, podría permitir automatizar el control del circuito añadiendo componentes electrónicos.

Estructura de un Optoacoplador

Los optoacopladores vienen en una gran variedad de tipos y configuraciones. Sin embargo, para facilitar la comprensión, nos centraremos principalmente en la versión de fototransistor.

El diagrama anterior ilustra un fototransistor conectando dos circuitos. Si observas detenidamente la parte del fototransistor, notarás que hay un símbolo de LED a la izquierda:

Por el contrario, a la derecha hay un símbolo de transistor:

Podemos ver fácilmente que un fototransistor es una versión modificada de un transistor normal. Además, se entiende por qué llamamos colectores y emisores a los terminales (tercero y cuarto) en el lado del transistor, y ánodo y cátodos a los dos primeros terminales.

Los transistores generalmente tienen tres terminales. Sin embargo, aquí hay una pequeña diferencia: el pin de base en un circuito de transistor normal falta en el circuito de fototransistor. Esto se debe a que el transistor en un optoacoplador funciona de manera ligeramente distinta. En lugar de usar señales electrónicas del pin de base, el transistor en un optoacoplador usa la luz del LED.

La luz brilla desde el LED e incide sobre el transistor, encendiéndolo y permitiendo que la corriente fluya en el circuito eléctrico principal. Reaccionan a la entrada óptica en lugar de solo a la corriente de entrada eléctrica. Los optoacopladores vienen en dos topologías comunes: los componentes internos pueden situarse uno encima del otro o uno al lado del otro.

Aunque no podemos ver el funcionamiento interno del fototransistor (a menos que sea translúcido), podemos crear nuestro propio optoacoplador usando un circuito simple. Lo exploraremos más adelante en esta guía. Pero primero, veamos los otros tipos de optoacopladores.

Tipos de Optoacopladores

Existen seis tipos principales de optoacopladores:

• Optoacoplador Resistivo: Fueron los primeros optoacopladores. Utilizan bombillas incandescentes, lámparas de neón y LEDs infrarrojos de GaAs como fuentes de luz, y sulfuro de cadmio como material del transistor. También se les conoce como vactrols. Al ser dispositivos fotosensibles más antiguos, son más lentos que las formas modernas de optoacopladores, por lo que están prácticamente obsoletos.
• Optoacoplador de Diodo: Utilizan LEDs infrarrojos de arseniuro de galio como fuentes de luz y fotodiodos de silicio como receptores. Esto los convierte en el tipo más rápido de optoacopladores, especialmente cuando utilizan diodos PIN.
• Optoacoplador de Transistor: Al igual que los de diodo, usan LEDs infrarrojos de GaAs como fuentes de luz. Sin embargo, emplean fototransistores bipolares de silicio o fototransistores Darlington como sensores. Sus tasas de transferencia y tiempos de respuesta son más rápidos que los resistivos pero más lentos que los de diodo.
• Optoacoplador SCR Aislado: Utilizan LEDs infrarrojos junto con rectificadores controlados de silicio. Sus velocidades de transferencia pueden variar, pero no son tan rápidos como los basados en diodos en ninguna configuración. No obstante, tienen un tiempo de respuesta y tasa de transferencia decentes.
• Optoacoplador TRIAC Aislado: Usan un triodo para corriente alterna (TRIAC) como tipo de sensor, además de su LED infrarrojo de GaAs como fuente de luz. Aunque no tienen tasas de transferencia rápidas, poseen ratios de transferencia de corriente muy altos.
• Relé de Estado Sólido: Utilizan una pila de LEDs infrarrojos de GaAs como fuentes de luz y una pila de fotodiodos que accionan un par de MOSFETs o un único IGBT como sensores. Pueden alcanzar velocidades de transferencia muy altas y ratios de transferencia de corriente ilimitados.

Cómo Crear un Circuito Simple de Optoacoplador

Lista de Componentes:

• Resistor dependiente de la luz (LDR) de 50-100K Ohm
• LED blanco emisor de luz de 3V 0.02A
• LED rojo emisor de luz de 2V 0.02A
• 2 baterías de 9V
• Interruptor
• Resistor de 300 Ohm
• 2 resistores de 150 Ohm (o 1 resistor de 300 Ohm)

Explicación e Instrucciones:

Este optoacoplador simple utiliza un resistor dependiente de la luz (LDR) y un LED blanco. El LDR varía su resistencia de carga según la exposición a la luz. Así, en la oscuridad tiene una resistencia muy alta; inversamente, cuando se expone a luz brillante, su resistencia es muy baja. En este contexto, funcionará como nuestro fotodiodo.

En el circuito primario, necesitaremos un LED blanco con una caída de voltaje de 3 voltios y que consuma 0.02 amperios. Emplearemos una batería de 9 voltios como fuente de alimentación y controlaremos el circuito mediante un interruptor. Como el LED blanco requiere 3 voltios, necesitaremos un resistor con una caída de 6 voltios. Por tanto, el resistor debe tener 300 Ohmios de resistencia ((9V - 3V) ÷ 0.02A).

Tu circuito primario consistirá en la batería, conectada positivamente al interruptor, al resistor y al LED blanco. Puedes usar una protoboard o cables para conectar los componentes. En conjunto, esto actuará como nuestro circuito de control.

En el circuito secundario tendremos un LED rojo con una caída de voltaje de 2 Voltios y una corriente eléctrica de 0.02 Amperios.

Lo usaremos como indicador para mostrar cuándo el circuito está funcionando. Además, conectaremos el LDR a este circuito. Obviamente, el LDR debe situarse adyacente al LED blanco.

El LDR proporcionará una resistencia de aproximadamente 70 Ohmios cuando se exponga a la luz del LED. Deberás conectar el LDR al LED rojo. Para alimentar el circuito secundario, usaremos otra batería de 9 voltios. De nuevo, necesitaremos un resistor para reducir el voltaje y que el LED funcione eficazmente. Sugerimos usar dos resistores de 150 Ohmios, aunque uno de 300 Ohmios también sirve.

Una vez construido el circuito, deberás envolver con cinta negra el LDR y el LED blanco, asegurándote de que queden conectados. Esto bloqueará la luz ambiental de la habitación. Alternativamente, puedes probar el circuito en una habitación completamente oscura.

Al presionar el botón del circuito primario (circuito de entrada), el LED blanco se encenderá. Luego, iluminará el LDR, lo que encenderá el LED rojo en el circuito de salida. La luz del LED blanco funciona como una señal eléctrica en un interruptor. Este proyecto es lo suficientemente simple para ilustrar el funcionamiento interno de un optoacoplador. Sin embargo, puedes mejorarlo implementando un emisor infrarrojo junto con un receptor. En lugar de luz visible, este proyecto usaría luz infrarroja.

Aplicaciones del Optoacoplador

Ahora que entendemos cómo funcionan los optoacopladores, podemos explorar dónde aplicarlos. Podemos usar optoacopladores como interruptores simples activados por luz. Pero, ¿qué equipos y dispositivos electrónicos se adaptan mejor a ellos? Aquí tienes una lista de aplicaciones:

• Controles de solenoides
• Controles de motores
• Reguladores de intensidad para lámparas incandescentes
• Microprocesadores
• Balastos de lámparas
• Detección de CA
• Aislamiento de voltaje
• Interruptores electromagnéticos
• Microcontroladores

Beneficios del Optoacoplador

¿Por qué querrías usar optoacopladores en lugar de relés o interruptores electromecánicos? Aquí tienes algunas ventajas:

• Facilitan la transmisión unidireccional de señales eléctricas
• Hacen que tus proyectos sean más fiables al hacerlos resistentes a interferencias
• Permiten el aislamiento eléctrico entre múltiples circuitos
• Separan las secciones de entrada y salida de tu proyecto, facilitando la resolución de problemas
• Reducen las señales de salida externas en la sección de entrada de tu circuito
• Permiten controlar grandes circuitos de CA usando pequeñas señales digitales
• Permiten transferir una señal analógica entre dos circuitos separados
• Permiten interconectar componentes de alto voltaje con dispositivos de bajo voltaje
• Ayudan a reducir o eliminar completamente el ruido eléctrico de las señales
• Permiten diseñar y construir dispositivos electrónicos más resistentes a picos de alimentación, sobretensiones y rayos

Conclusión

En el texto anterior, hemos proporcionado una guía fácil de entender y en profundidad sobre los optoacopladores. Si has llegado a esta sección, tienes una comprensión más profunda de estos componentes. Esperamos que esta guía te haya resultado útil. Como siempre, ¡gracias por leer!