¿Qué tipos de opto-aisladores son los correctos para tu señal?

Un opto-aislador es un dispositivo electrónico que puede ser utilizado para pasar información a través de un diodo sin pasar una corriente eléctrica. Como en un opto-aislador no hay necesidad de pasar directamente un voltaje o corriente entre las entradas y salidas, estos componentes pueden ser utilizados para generar un aislamiento eléctrico entre dos regiones en un PCB. Los opto-aisladores actúan como un mecanismo de protección, asegurando que ninguna corriente eléctrica dañina pueda fluir a través del dispositivo.

En términos sencillos, un opto-aislador funciona tomando una señal eléctrica y convirtiéndola a una señal luminosa utilizando un diodo emisor de luz (LED), operando en general en el espectro cercano al infrarrojo. Luego, dentro del mismo dispositivo, un dispositivo fotosensible como un fotodiodo, fototransistor o un transistor fotodarlington convierte la señal luminosa nuevamente en una señal eléctrica. Esto provee una barrera a cualquier transitorio de voltaje o niveles de sobrevoltaje que aparecen en la entrada de dañar o afectar el circuito eléctrico a la salida del opto-aislador. Los componentes se colocan dentro de un paquete opaco para evitar interferencia de la luz externa.

Los opto-aisladores son muy utilizados en los sistemas de comunicaciones, control y de monitoreo en donde las señales podrían generar un punto de ingreso de voltajes dañinos y así dañar el dispositivo. Son particularmente útiles en cables largos de datos que pueden ser susceptibles a voltajes transitorios inducidos, o picos provenientes de un plano de tierra, los cuales pueden entrar en un dispositivo electrónico compuesto de partes semiconductoras sensibles.

Especificaciones importantes al elegir un opto-aislador

Es importante mencionar que los términos opto-acopladores y opto-aisladores son en general utilizados como sinónimos; sin embargo, la convención usual es que los opto-acopladores son dispositivos que pueden aislar voltajes de hasta 5000 V, mientras que los opto-aisladores son dispositivos que pueden aislar voltajes de más de 5000 V. No te sorprendas si observas excepciones a esta convención. Si tienes dudas, analiza la hoja de datos. La siguiente imagen muestra un diagrama típico de circuito para un opto-aislador u opto-acoplador con las entradas a la izquierda, y salidas a la derecha.

Por el momento, nos enfocaremos en los diferentes tipos que existen de opto-aisladores. Al elegir un opto-aislador, los parámetros claves a considerar son el voltaje de aislación, el ancho de banda, linealidad, proporción de la transferencia de corriente, y requerimientos de alimentación.

Voltaje de aislación

El voltaje de aislación es la máxima diferencia en voltaje nominal que puede haber entre el LED y el sensor de luz. Este voltaje de aislación está regido por la construcción del opto-aislador en sí, y por factores externos al dispositivo. Ocurrirá una ruptura interna si el voltaje en la fuente de luz genera un arco hasta el elemento sensor de luz. De forma similar, ocurrirá una ruptura externa si el voltaje en el pin de entrada del dispositivo genera un arco hasta el pin de salida. Esto se encuentra afectado por el diseño del PCB, es decir cómo están enrutadas y separadas las trazas para las entradas y salidas, y por las condiciones ambientales a las que está sometido el dispositivo. El voltaje al cual se generará un arco dependerá de la temperatura, humedad, distancia de separación, presión, y la presencia de contaminantes en el aire. La distancia y humedad son los dos factores más significativos. Un opto-aislador típico en el mercado podrá soportar diferencias de voltaje entrada-salida hasta 10 kV y voltajes transitorios de alrededor de 25 kV/μs.

Ancho de Banda

Cuando un opto-aislador se usa para desacoplar planos de tierra o entradas de mediciones de voltaje, la tasa de cambio de la señal aislada no tiene importancia relativa. Sin embargo, cuando un opto-aislador se usa para desacoplar links de datos y líneas de comunicación, el flujo de datos del dispositivo cobra un rol esencial. Las aplicaciones típicas van desde un flujo de datos relativamente lento en las conexiones seriales, como I2C o SPI de alrededor de decenas de Mbps hasta protocolos de alta velocidad del orden de los Gbps. El opto-aislador más básico típicamente tiene un ancho de banda de alrededor 10 MHz (ver más abajo), pero hay dispositivos diseñados específicamente para tasas más altas de transferencia de datos. Ten presente que la tasa de transferencia de datos obtenible para un opto-aislador dependerá de cómo la salida es cargada y afectada por la temperatura. Estudia la hoja de datos con cuidado si te encuentras aislando líneas con transferencias rápidas de datos.

Es útil mencionar que los aislantes comerciales de redes pasivos se encuentran disponibles para redes Ethernet cableadas, los cuales usan inducción electromagnética para proveer una barrera eléctrica no conductora sin requerir una fuente externa de alimentación. El implementar un opto-aislador en tu circuito no siempre será la solución más apropiada, pero esa decisión dependerá de tus circunstancias individuales.

Linealidad

Como con cualquier dispositivo semiconductor, el fotodiodo utilizado en el opto-aislador tendrá algo de no linealidad en la relación entre la entrada y la salida, lo cual puede distorsionar la señal que pasa a través del aislante. El asegurarse de aplicar un voltaje bias al fotodiodo y operarlo en su rango lineal, evitando las regiones de corte o saturación, reducirá este efecto hasta cierto punto. Cualquier no linealidad residual podrá ser particularmente notada cuando los opto-aisladores sean utilizados para desacoplar señales analógicas.

Ciertos opto-aisladores especializados en señales analógicas han sido implementados con una no-linealidad mínima. Típicamente, se utilizan dos fotodiodos conectados a un amplificador operacional (opamp). Un fotodiodo opera de manera usual, mientras que el segundo dispositivo con un rendimiento de no linealidad idéntico se sitúa en el bucle de retroalimentación del amplificador para compensar mediante la cancelación de las componentes no lineales.

Tasa de transferencia de corriente

La tasa de transferencia de corriente (CTR) es la proporción entre las corrientes en el LED y el sensor, lo cual refleja su eficiencia. Un opto-aislador con un CTR bajo requerirá más corriente para impulsar al LED a crear suficiente corriente en el fototransistor para una carga particular de salida.

La CTR no es constante pero depende de la corriente de entrada proveniente del componente. El CTR también variará con cada componente individual, su temperatura, y la edad del componente, por lo cual es crucial seleccionar un dispositivo que entregue la CTR requerida a la temperatura nominal máxima y a la máxima vida operacional del dispositivo en el que se usará el opto-aislador. Las tolerancias en la manufactura de los componentes pueden derivar en un rango amplio de CTRs en el mismo lote de componentes, por lo que el diseño debe funcionar basado en el CTR mínimo especificado en la hoja de datos. Todos estos factores pueden hacer que el elegir el dispositivo óptimo sea algo tramposo. Si dudas, agrega un margen razonable de error a tu diseño y simula el circuito utilizando los peores valores de los componentes para asegurarte que el circuito funcionará correctamente.

Alimentación

El último factor a tener en cuenta son los requisitos de alimentación del opto-aislador en sí, y el manejo del calor generado en el componente debido a las pérdidas. Los componentes básicos pueden ser relativamente ineficientes y generar una cantidad significativa de energía térmica que debe ser manejada apropiadamente, dado que el rendimiento del opto-aislador se verá afectado de forma adversa por los efectos del calor. Al diseñar la disposición del circuito, recuerda mantener las trazas de entrada al opto-aislador separadas adecuadamente de todas las otras trazas, especialmente de planos de alimentación y de tierra, para prevenir el acoplamiento capacitivo o inductivo de transitorios entre las trazas.

Construcción de un opto-aislador

Los opto-aisladores típicamente utilizan un LED cercano al infrarrojo para convertir una entrada eléctrica en una señal lumínica equivalente. La luz es contenida en un canal óptico cerrado, llamado también canal dieléctrico. Un dispositivo fotosensible al final del canal óptico genera automáticamente una señal eléctrica a partir de la luz recibida, o bien usa la luz recibida para modular la corriente eléctrica que fluye desde una fuente externa de alimentación. El dispositivo fotosensible puede ser un fotoresistor, un fotodiodo, un fototransistor, un rectificador controlado de silicio (SCR) o un triac. Como los fotoresistores pueden ser utilizados tanto como una fuente lumínica y como un dispositivo fotosensible, es posible construir un opto-aislador bidireccional utilizando dos fotoresistores, uno en cada extremo del canal óptico. Los problemas de eficiencia y rendimiento limitan la disponibilidad y la aplicación de los opto-aisladores bidireccionales. Un circuito equivalente puede ser implementado utilizando dos opto-aisladores unidireccionales en una configuración invertida a expensas de requerir más componentes discretos con una huella mayor.

La disposición física de un opto-aislador depende primariamente del voltaje de aislación deseado. Los dispositivos calificados para menos de algunos kV típicamente tienen una construcción planar. El chip del sensor está cubierto por una capa de vidrio o plástico transparente, sobre el cual se pone el chip del LED. El espectro de absorción del sensor se hará coincidir con el espectro de salida del LED. El ancho del canal óptico determina el voltaje de ruptura nominal del dispositivo. Los dispositivos calificados para voltajes más altos de ruptura típicamente tienen una construcción de domo de silicio. Los chips del LED y el sensor son colocados en el lado contrario al paquete, separado por un hueco formado por un domo de silicio transparente. Este domo tiene una forma tal que se pueda dirigir la máxima cantidad de luz posible desde el LED hasta el sensor.

Aplicaciones

El equipamiento electrónico y las líneas de transmisión de señales y alimentación pueden ser sujetas regularmente a picos de voltaje inducidos por relámpagos y descargas electrostáticas, interferencia de radiofrecuencia, y pulsos generados por el cambio de cargas. Como ya se ha discutido en el artículo anterior, los relámpagos remotos pueden inducir picos de varios kV en las líneas largas de comunicación y alimentación. Los opto-aisladores pueden proveer una solución de los picos de voltaje en las entradas, previniendo que éstos afecten los componentes más sensibles del dispositivo. También hay aplicaciones en las que un dispositivo incorpora deliberadamente un componente de alto voltaje como parte del diseño. Este diseño quizás necesita una interfaz entre los elementos de alto voltaje del circuito, y los elementos estándar de bajo voltaje. Los opto-aisladores pueden luego ayudar a mantener a los diferentes elementos separados de forma segura en este caso.

Cuando los opto-aisladores son utilizados para impulsar niveles lógicos digitales, la configuración de salida debe ser tomada en cuenta. Si se requiere que la salida del opto-aislador varíe de 0 volts al power rail para adaptarse al circuito de carga, se deberá utilizar un opto-aislador en configuración de salida "Totem-pole". Sino la configuración más típica de "Push-Pull" puede ser elegida en su lugar.

La característica principal de los opto-aisladores que los diferencian de transformadores aislantes equivalentes es que no hay energía que fluya a través del dispositivo. Operan modulando energía eléctrica administrada en la salida para reflejar el nivel de energía que había en la entrada. Sin embargo, hay una ventaja significativa que tienen los opto-aisladores por sobre los transformadores aislantes, que consiste en que pueden transmitir frecuencias de muy baja señal hasta niveles DC. Son además más sencillos de implementar en el diseño de un circuito dado que las impedancias de la salida y la entrada son equivalentes, y por ende no se requieren componentes adicionales para lograr la coincidencia de las impedancias.

Tipos de sensores en los Opto-aisladores

Fotoresistores

Los fotoresistores son dispositivos no polares que pueden ser utilizados tanto en circuitos AC como DC. Operan cambiando de forma inversamente proporcional la resistencia según la intensidad de la energía lumínica recibida. El rango operacional de la resistencia puede ser de entre algunos Ohms hasta un circuito abierto. Siendo tradicionalmente utilizadas en la telefonía y la automatización industrial, los fotoresistores han sido superados en las aplicaciones comunes por otros componentes, conservando algunas aplicaciones en nichos de mercado como la amplificación de instrumentos musicales.

Fotodiodos

Cuando un fotodiodo recibe energía lumínica, se produce una carga proporcional a la intensidad de la luz recibida. Este pequeño cambio puede ser utilizados para impulsar una carga de gran impedancia, y el fotodiodo se está operando en el modo fotovoltaico. Cuando un fotodiodo se opera en inversa utilizando una fuente externa de voltaje, la energía lumínica recibida incrementará la corriente en reversa que fluye dentro del diodo, modulando el flujo de energía de la fuente externa. La tasa de flujo de energía es directamente proporcional a la intensidad de la energía lumínica recibida al operar en el modo fotoconductivo. El incorporar reguladores de LED y amplificadores de salida en el dispositivo opto-aislador hace que el fotodiodo en este modo fotoconductivo pueda ser optimizado para operar a velocidades relativamente altas.

Fototransistores

Los fototransistores son inherentemente más lentos que los fotodiodos, se le debe aplicar el voltaje/corriente adecuado (bias) y se lo debe cargar adecuadamente para alcanzar velocidades en las decenas de los kHz. Sin embargo, su salida de colector abierto significa que poseen la habilidad de generar grandes corrientes de salida y que son más sensibles. Son más útiles en los circuitos DC en donde un tiempo más lento de respuesta no causará problemas. El utilizar un transistor Schottky en la salida de colector abierto del fototransistor puede proveer una muy buena linealidad en la respuesta del dispositivo.

El fotodarlington es una variante del fototransistor en el que un par de transistores en la configuración de pares Darlington provee niveles muchos más alto de ganancia y sensibilidad que un fototransistor estándar, en expensas de una tasa menor de respuesta.

Fotorectificadores controlados de silicio

Los opto-aisladores basados en rectificadores controlados de silicio (SCR) son un tipo de aislantes basados en tiristores diseñados para aplicaciones de control de alimentación AC. Conocidos también como foto-SCRs, proveen un aislamiento completo del ruido y los transitorios de voltaje presentes en la línea de alimentación AC. Las limitaciones en su rendimiento debido a su posible uso en únicamente la mitad positiva del ciclo AC hacen que su uso sea menos común que los dispositivos basados en foto triacs.

Foto Triacs

Los opto-aisladores basados en foto-triacs (triodos para corrientes alternas) están, al igual que los foto-SCRs, optimizados para el uso en aplicaciones de relés de estado sólido para controlar las cargas alimentadas por AC. Un opto-aislador basado en triacs puede operar con seguridad desde una entrada DC sencilla conmutada hasta una alimentación AC de alto voltaje. A diferencia de los foto-SCRs, un opto-aislador basado en triacs puede operar a lo largo de todo el ciclo AC con detección del cruce de voltaje cero (zero-crossing), permitiendo que el circuito entregue potencia máxima a la carga con corrientes de inrush al conmutar cargas inductivas.

Foto-MOSFET

Los relés basados en foto-MOSFETs (Transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor) son una forma menos común de los opto-aisladores diseñados para aplicaciones de rápida conmutación en donde se requiere una alta fiabilidad y larga vida útil en condiciones ambientales adversas. Siendo capaces de conmutar eficientemente 1.5 kV y manejar corrientes de hasta 5 A sin rebote de contacto, estos dispositivos de estado sólido son utilizados en la última generación de sistemas de administración de baterías en plantas de energía solar y vehículos eléctricos.

Conclusión

Al elegir un opto-aislador, no elijas cualquier dispositivo que se ajuste a tu presupuesto y esté en stock en tu proveedor favorito. Los opto-aisladores existen en un rango amplio de sabores y cada uno se encuentra optimizado para una aplicación específica. Comienza tu proceso de selección teniendo en cuenta estos factores claves:

• ¿Cuál es el voltaje más alto del que debes proteger tu sistema?
• ¿Cuál es el ancho de banda de la señal que intentas aislar?
• ¿Necesitas aislar DC o AC, o necesitas aislar una línea de datos de alta velocidad?
• ¿Cómo alimentas a tu salida, y qué carga estás impulsando?
• Conociendo todo esto y las características de tu entrada, ¿qué tasa de transferencia de corriente necesitas?
• Luego, ¿cómo incorporarás los opto-aisladores en tu diseño, y qué medidas de manejo térmico necesitarás incluir?

La moraleja aquí es que el colocar un opto-aislador cualquiera en tu placa no es tan sencillo como parece. Se necesita considera parte del proceso general del diseño desde el día uno para garantizar que tu circuito funcione correctamente. Los opto-aisladores son geniales para desacoplar componentes DC y señales de baja frecuencia del resto del circuito, pero requieren una alimentación externa, y generalmente poseen una respuesta pobre a frecuencias altas. Los transformadores de aislación son excelentes a altas frecuencias, pero no pueden manejar señales DC. Sin embargo, los cálculos para el manejo de la inductancia que se agrega al circuito y el requisito de la coincidencia de la inductancia hacen que sean inutilizables para algunas aplicaciones. Otra consideración es que el chip del opto-aislador será significativamente más pequeño que un transformador de aislación equivalente, y mucho más sencillo de caber en una placa de circuitos. Y, finalmente, no olvides el poder de las herramientas de simulación para ayudarte a tomar las decisiones correctas.

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