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enero 19, 2016

Electrónica de Potencia: Opto-Acopladores, Usos Y Aplicaciones

Esquemático y Dip de un Opto-acoplador Foto-transistor.
Muchos sistemas digitales controlan a otros sistemas que realizan funciones de control tales que deben ser interconectados a una etapa de potencia, que utilizan Tiristores o Triacs para actuar sobre cargas resistivas o inductivas en sistemas de iluminación, o en procesos industriales o en  control de velocidad de motores, entre otros.

La manipulación de altas corrientes, de hasta varios centenares de amperios, implica el tener consideraciones de seguridad eléctrica para los operarios y de protección para el sistema digital. Es deseable que la inter-conexión entre ambas etapas (la digital y la de potencia) se haga por un medio de acoplamiento que permita aislar eléctricamente los dos sistemas. Esto se puede lograr con los dispositivos llamados opto-acopladores, mediante los cuales se obtiene un acoplamiento óptico y, al mismo tiempo, un aislamiento eléctrico. Por ello también se les conoce como opto-aisladores. El acoplamiento se efectúa en el rango del espectro infra-rojo a partir de dispositivos emisores de luz, usualmente IRED (infra-rojo) y LEDs (diodos emisores de luz), actuando como emisores y utilizando dispositivos detectores de luz (opto-detectores), actuando como receptores.

Entones, un opto-acoplador también llamado opto-aislador 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 opto-electrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac. De este modo se combina en un solo dispositivo semiconductor, un foto-emisor y un foto-receptor 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.

Los opto-acopladores más utilizados en electrónica de potencia son el diodo foto-emisor /transistor fotosensible, el diodo foto-emisor /tiristor fotosensible y el diodo foto-emisor/Triac Fotosensible. 

Imagen 1. a) Foto-transistor. b) Foto-Transistor Darlington. c) Opto-tiristor. d) Foto-Triac.

¿Cuándo es necesaria la utilización de estos componentes dentro de un circuito de potencia?
El opto acoplador es un dispositivo relativamente simple, muy fácil de usar, con una amplia variedad de tipos de acoplamiento y de muy bajo costo. Por ello sería imperdonable no hacer uso de él cuándo se va a controlar potencia.
Siempre que se vaya a interconectar un sistema digital cualquiera a un sistema de potencia, es necesario hacer opto-acoplamiento, para garantizar aislamiento eléctrico. De no hacerlo se corren enormes riesgos que se traducirán en problemas de seguridad eléctrica, daños costosos en los sistemas de control digitales y prejuicios al proceso de producción sobre el cual se está operando.

Principales características de cada tipo de opto-acoplador.
Se hace mención de las principales características de los diferentes opto-acopladores que se observan en la Imagen 1. Así como, se facilita los enlaces a las hojas de datos (Datasheet) de los componentes más comúnmente utilizados.
  • Foto-transistor: se compone de un opto-acoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT. Los más comunes son: 4N25 y 4N35
  • Foto-triac: se compone de un opto-acoplador con una etapa de salida formada por un Triac. Fototriac de paso por cero: opto-acoplador en cuya etapa de salida se encuentra un Triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al Triac solo en los cruces por cero de la corriente alterna. Por ejemplo: el MOC 3041.
  • Opto-tiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red. 

¿Cuál es la disponibilidad y modelos existentes en el mercado? 
Extraído del manual de reemplazo ECG (para dispositivos semiconductores), tenemos los principales opto-acopladores utilizados en electrónica de potencia.




¿Dependiendo de la tecnología a utilizar que otros componentes pueden sustituirlos a razón de brindar mayor efectividad y seguridad en el circuito?
El desarrollo de fibras ópticas plásticas a bajo coste para comunicaciones digitales, ha propiciado la utilización en los equipos electrónicos de potencia del conjunto emisor-fibra-excitador que se prefieren a los opto-acopladores antes vistos, cuando las distancias entre el emisor de señal y el conjunto excitador semi-conductor de potencia es grande. La inmunidad al ruido obtenida es excelente.

Ejemplo del funcionamiento de estos dispositivos en circuitos eléctricos de potencia.
En la electrónica de potencia, los opto-acopladores son dispositivos muy utilizados dado su sencillez para interconectar circuitos eléctricos de baja potencia o circuitos digitales a una fase de alta potencia dependiendo de las necesidades y las funciones del circuito a realizar. El esquema general funcional de las etapas de un circuito de potencia, se muestra en el siguiente diagrama de bloques:

Diagrama de bloques de un circuito de potencia.


Los modos básicos de operación de los opto-acopladores son: por pulsos y lineal, en pulsos el LED sé switchea on-off. En el modo lineal, la entrada es polarizada por una fuente directa, y la entrada se monta a esta señal.

Imagen 2. a) Circuito e operación por pulso. b) Circuito operación lineal


La figura de la izquierda muestra  un opto-acoplador 4N35 formado por un LED y un foto-transistor.

La  tensión  de la fuente de la izquierda  y  la resistencia  en serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el foto-transistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.

Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida, aunque hay que tener en cuenta que las curvas tensión/luz del LED no son lineales, por lo que la señal puede distorsionarse. Se venden opto-acopladores especiales para este propósito, diseñados de forma que tengan un rango en el que la señal de salida sea casi idéntica a la de entrada.

La ventaja fundamental de un opto-acoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el opto-acoplador, el único contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.

Fuentes:
Electrónica de Potencia: Componentes, Topologías y Equipos. Autor: Salvador Martínez García – Juan Andrés Gualda Gil.
Opto-acoplador. www.wikipedia.com
Acoplamiento óptico entre un sistema digital y una etapa de potencia. www.monografias.com

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