Optoacopladores (Electrónica Básica)

Los Optoacopladores u Optoaisladores son dispositivos que podemos encontrar en múltiples aplicaciones dentro de un equipo electrónico, cuando una señal debe ser transmitida desde un circuito específico a otro, sin que exista conexión eléctrica entre ambos. A pesar de ser un elemento muy utilizado, encierra muchos misterios en su interior y estas incógnitas se profundizan cuando su funcionamiento correcto se pone en duda. ¿Se pueden controlar?¿Cómo sabemos si funcionan correctamente? Por lo general, la transmisión de la información dentro de un Optoacoplador se realiza desde un LED infrarrojo que no responde, en las mediciones con el multimetro, a lo que conocemos como un LED tradicional. ¿Qué podemos hacer entonces? Veamos si en este artículo podemos encontrar las respuestas que necesitamos.

La evolución de los semiconductores en el mundo electrónico encontró en los optoacopladores al reemplazo ideal para dejar de lado al relé (o relay) y al transformador, en especial en aplicaciones digitales, donde la velocidad de transferencia y la conservación de la forma de onda debía ser tan fiel como fuera posible en la salida, reflejando en forma idéntica al formato que presentaba en la entrada. En el caso del relé, la transferencia de una señal analógica es imposible, del mismo modo que sucede con los transformadores a determinadas frecuencias y con formas de onda “especiales”. El optoacoplador fue la solución empleada en múltiples aplicaciones que requerían importantes cambios de niveles de tensión entre los circuitos enlazados, donde se requería aislación de determinado tipo de ruidos en la transmisión de datos; o en espacios industriales, donde se pudiera (o pudiese) controlar mediante un impulso lógico, de baja tensión, una carga con elevados consumos en corriente alterna. Básicamente, si pudiéramos resumirlo en una frase, podría ser “la solución de baja potencia a la activación aislada galvánicamente de cargas, mediante un sistema de control”

A pesar de que un optoacoplador o “acoplador de señales eléctricas mediante un enlace óptico” puede tomar formatos físicos muy variados, su arquitectura es siempre reiterada en el concepto fundamental. Por un lado, se utiliza para transmitir la información un diodo LED infrarrojo, construido a base de un compuesto de Arseniuro de Galio, que se enlaza en forma óptica con un detector encargado de capturar esa información luminosa y transformarla en una señal eléctrica idéntica, en su composición  de niveles, a la que el LED emite. Luego, la naturaleza de este detector nos brindará una respuesta acorde al tipo de señal aplicada al LED y a la función específica para la que fue construido ese detector que trae consigo el optoacoplador.

Por ejemplo, si el elemento receptor (o detector) es un fototransistor, podremos utilizar el dispositivo para transferir señales analógicas como puede ser audio o video. Si en cambio es otro fotodiodo, o un foto-SCR, nos será útil como “rectificador controlado y aislado eléctricamente”. De este modo, los detectores se multiplican en formatos y tipo de aplicación, como puede ser un Triac (para trabajar con corrientes alternas) y hasta podemos encontrar puertas lógicas, como detectores dentro de un optoacoplador. Lo que siempre conservará su naturaleza es el elemento transmisor o emisor; siempre será un diodo (o un conjunto de ellos) LED infrarrojo.

Otro tema muy importante es la gran variedad de encapsulados que encontraremos delante de nuestros ojos y aunque no lo creamos posible, será un optoacoplador. Por ejemplo, uno muy popular dentro del mundo de los robots “sigue-líneas” es el CNY70, que trabaja por reflexión. Otro tipo de acoplador óptico muy popular es el que trae una forma de “U” y su activación se basa, ya no en un reflejo, sino en una interrupción de un haz detectado en forma permanente (en el tercer video hacemos un ensayo con uno). El extremo más conocido y “familiar”, es el que viene en el mismo tipo de encapsulado que un circuito integrado tradicional, pero con menor cantidad de pines por lado. Es decir, notarás que traen dos o tres pines por lado y eso, además de llamarte la atención, te estará indicando que estás (99%) frente a un optoacoplador. De todos modos, estos últimos ofrecen una presentación múltiple en un mismo encapsulado y su aspecto es el de un circuito integrado clásico con presentaciones de hasta 8 pines por lado (4 optoacopladores individuales en un mismo encapsulado).

Cómo verificar el funcionamiento

No te preocupes, no te sientas como un marciano si te invade la duda de su accionar adecuado y no sabes por dónde comenzar a medir; ni qué parámetros controlar y mucho menos cómo hacerlo. La comprobación de funcionamiento de este tipo de dispositivos no es sencilla. Seamos sinceros y realistas desde el comienzo: indefectiblemente (no tienes opción) debes retirarlo del lugar de trabajo donde se encuentre para realizar algunas pruebas que no son complejas, que en muy corto tiempo la puedes realizar y los materiales necesarios para llevarlas a cabo son muy básicos, muy elementales. Todo esto vale si deseas hacer un trabajo apropiado, claro está. El primero que debemos hacer a un optoacoplador es, por lógica, inspeccionarlo físicamente. Observarlo y verificar que su estructura esté correcta sin demostraciones de quemazón o quebraduras en su estructura física. En el caso de los que se encuentran en encapsulado tipo circuito integrado, suelen “quebrarse” al explotar y eso facilita mucho el diagnóstico. Sin embargo, cuando su aspecto es óptimo debemos comenzar con la medición estática más elemental que podemos hacer: mediante el uso del multímetro (en posición para medir diodos si es digital, en R X 1 si es analógico) buscar entre los pines hasta encontrar el LED. Recuerda: NO es un LED convencional por lo tanto, el valor obtenido en la medición podrá resultarte algo extraño. Observa:

Una vez descubierto y comprobado el LED, podemos pasar a hacer otro tipo de mediciones que puedan ayudarnos a incrementar la seguridad de un buen funcionamiento; esto es, que la información introducida en el LED se pueda recuperar en el detector. Para esto, necesitaremos dos multímetros y algunos cables con pinzas caimanes o “cocodrilo” en sus extremos, para apoyarnos físicamente en el trabajo, porque mantener cuatro puntas de medición con sólo dos manos suele ser algo complicado de hacer. Por lo tanto, un par de cables y algunos pines de resistencias cortados pueden ser de gran ayuda. Una vez identificado el LED, ya tenemos la posibilidad de activar el emisor, por lo tanto, la búsqueda con el segundo instrumento estará orientada a comprobar el funcionamiento del elemento receptor o el detector que recibe el haz infrarrojo. Rápidamente, siguiendo el método anterior, avanzamos a esta instancia de la siguiente manera:

Desde que conozco a los optoacopladores, el método mostrado hasta aquí es, por lo general, suficiente como para detectar el buen funcionamiento de este dispositivo sin necesidad de recurrir a buscar en la web la hoja de datos del elemento que estamos ensayando. Sin embargo, no ha faltado el diablo a la cita en varias ocasiones y a pesar de encontrar estas mediciones correctas, el optoacoplador no funcionaba en su lugar de trabajo, en la aplicación. Afuera las mediciones eran óptimas, mientras que en circuito, bajo condiciones de trabajo, el dispositivo no funcionaba de manera correcta. Si lo analizamos en forma detenida, puede existir una fuga de corriente desde el emisor hacia el detector y los resultados “parecen” ser los correctos, sin embargo, la aislación a ambos lados de los elementos que componen el optoacoplador no se cumple como debería ser. Por lo tanto, a las mediciones efectuadas, deberíamos agregarle un método dinámico de ensayo, con tensión de trabajo que nos permita comprobar los elementos, a la vez que también nos demuestre que la aislación está presente entre los elementos.

Avancemos hacia el método dinámico

En este punto te preguntarás los motivos por los cuales no cambiamos directamente esta “piedra en el zapato” que cuesta unas pocas monedas, antes de perder tanto tiempo en ensayos, sin embargo, cuando descubres que no tienes uno nuevo para reemplazarlo (ni lo conseguirás en varios días), estarás de acuerdo en que sigamos hacia el ensayo dinámico. Para realizar este trabajo, debemos ante todo, saber con qué elemento estamos trabajando, conocer su nomenclatura y por supuesto (ahora sí) tener acceso a su hoja de datos. Para esto último, existen muchos espacios en la web donde encontrar la información necesaria que nos permitirá conocer la arquitectura interna del componente con el que estamos trabajando, al que intentamos hacerle los controles sanitarios, para saber si goza de buena salud. Si no tenemos un espacio de preferencia donde encontrar este tipo de información, bastará con escribir la nomenclatura en cualquier buscador web y apuntar nuestra lectura hacia los archivos PDF que siempre aparecen. Una vez que tenemos ese resultado, podemos saber de qué manera ensayar nuestro optoacoplador.

Durante la primera etapa del ensayo, lo más importante dentro de la hoja de datos será descubrir las características funcionales del LED y no confundirnos entre los valores máximos y absolutos que puede soportar el dispositivo, respecto a los óptimos que se pueden utilizar para un funcionamiento adecuado y seguro, garantizando una larga vida útil. Y como por algún lado debemos comenzar, vamos a hacerlo con uno de los optoacopladores más populares, económicos y “adoptados” por la industria electrónica (De nada sirve, durante el aprendizaje, hablar de componentes que verás solo una vez en tu vida). Por lo tanto, veamos algunas particularidades que debemos tener en cuenta al momento de leer la hoja de datos de un PC817: un optoacoplador analógico clásico, con un fotodiodo infrarrojo  (emisor) y un fototransistor (detector) que nos ofrece en su salida los pines Colector-Emisor, para tomar allí “en forma aislada y proporcional”, las variaciones de intensidad luminosa que entregue el LED infrarojo.

Como mencionamos antes, los valores máximos absolutos del PC817 hablan de una corriente de LED en forma directa (Forward Current) de 50mA, sin embargo, trabajando a ese régimen el optoacoplador puede durar unos pocos minutos, antes de calcinarse. Insistamos en este concepto: “eso es el máximo absoluto, no el valor seguro de trabajo”. Para saber cuál es esta “corriente segura de trabajo” tenemos dos métodos: uno es observando las curvas presentes en las hojas de datos que nos muestren los valores usuales dentro del “Área de Operación Segura” (SOA, Security Operation Area). En el gráfico mostrado abajo (derecha), es el área que se encuentra debajo de la línea de puntos. Para ejemplo, podemos observar que con una corriente de LED de 5mA, 10mA (y un poco más también) podemos trabajar sin problemas en todo el rango de tensiones (entre colector y emisor) que permite aprovechar el fototransistor del PC817. Observa que si lo haces trabajar con una corriente de LED de 20mA no podrás llegar a emplear valores de tensión de 6Volts en el fototransistor. Hasta podríamos decir que trabajar con 5Volts sería estar muy cerca de la zona “no segura”

Además, el gráfico que muestra el CTR (Current Transfer Ratio) (izquierda) es muy claro; para una tensión de trabajo en el transistor, de 5Volts, la corriente de LED alcanza el máximo porcentaje de CTR entre los 10 y los 20mA de corriente directa de LED (If), en este modelo de PC817. Seguramente, te estarás preguntando ¿qué es el CTR? El concepto de interpretación más sencillo que podemos volcar es el siguiente: un CTR del 100% nos ofrece una relación de corrientes 1 a 1 en la entrada y la salida. Esto es: por cada mA que circule por el diodo emisor, circulará un mA en el circuito Colector – Emisor en el fototransistor de salida. Por ejemplo, A una alimentación de 5Volts Vce (Tensión Colector – Emisor), el CTR = 100% de un PC817 está ubicado en apenas algo más de 2mA de corriente de LED. En estas condiciones, en el circuito de Colector – Emisor se podrá recuperar una corriente máxima de “algo más de 2mA”. En cambio, si el CTR aumenta a un 200% (5mA de corriente de LED) la corriente Colector – Emisor recuperada podrá ser de hasta 10mA. (Observa en la hoja de datos que el CTR puede llegar hasta 600% en otros modelos de PC817). En función de esto, ya estamos en condiciones de saber una de las bases fundamentales para trabajar con un optoacoplador analógico: Esto es, cuánta corriente necesita el LED para trabajar en forma segura y de qué modo se comportará la salida, con cada mA de trabajo en el LED.

El otro método de comprobación (además del estático, utilizando los multímetros) es efectuando el ensayo dinámico. Para nuestro trabajo, que es de comprobación de funcionamiento, no necesitaremos saber si la relación de transferencia es plenamente lineal a lo largo de todo el rango de corriente de LED. Eso quedará para estudios posteriores, cuando nos dediquemos al diseño electrónico. Por ahora, que sólo intentamos saber si nuestro optoacoplador está vivo o muerto, debemos entender que si logramos un funcionamiento correcto como LED en el emisor, tenemos la mitad del trabajo resuelto. Para esto, bastará con que repasemos los cálculos hechos en el artículo sobre LEDs, en el que aprendimos a obtener los valores de resistencias de polarización para hacer circular por el LED la corriente que nos interesa. En el mejor de los casos, podemos colocar un control variable que nos permita operar dentro del espacio SOA y observar así los cambios en la salida (circuito Colector – Emisor del PC817). El ejemplo práctico entonces, sería el siguiente, para una tensión de ensayo en el circuito del LED de 5Volts: una resistencia mínima de 180 Ohms (If <= 27mA) y una máxima de 1000 Ohms para una corriente directa de LED (If) >= a 1mA. Con una resistencia fija de 180 Ohms y un resistor ajustable (preset) de 1K tendríamos resuelto nuestro montaje inicial de ensayos. Veamos qué resultados obtuvimos:

Por último, en esta primera entrega sobre optoacopladores y su ensayo, nos resta mencionar que podemos también ejecutar algunos trabajos simples con el circuito del detector para comprobar (definitivamente) el correcto y completo funcionamiento del optoacoplador ensayado. Esto es: verificar que ante variaciones en la corriente de LED, tengamos variaciones en la corriente del circuito Colector – Emisor en el fototransistor de salida, en el detector. Para esto utilizaremos una simple herramienta como es un LED y una resistencia. Una vez que conocemos la disposición de pines del fototransistor en la salida, será muy sencillo realizar la conexión como si se tratara (o tratase) de un transistor convencional, sin embargo, el utilizado para encender el LED será el fototransistor interno del optoacoplador. Conexiones, mediciones y resultados, en este video:

Como pudimos ver a lo largo del artículo, descubrir los componentes fundamentales de un optoacoplador no es una tarea titánica, imposible o sólo reservada a genios. Es muy sencillo, apenas con un multímetro puedes descubrir fácilmente el fotodiodo, luego ensayarlo y ya tienes la mitad del optoacoplador en buen estado. Luego, con los elementos de siempre, pondrás en marcha al optoacoplador para trabajar en forma dinámica. Medirás corrientes y descubrirás las relaciones que existen entre la realidad y la teoría. Si antes todo esto era un sub-mundo impenetrable, esperamos que con las explicaciones entregadas y los videos de demostración, algunas cosas se hayan comenzado a aclarar.