O par emissor óptico - receptor óptico tem sido utilizado há muito tempo na engenharia electrónica e eléctrica. Um componente electrónico no qual o receptor e o transmissor estão localizados no mesmo recinto e existe comunicação óptica entre eles é chamado optoacoplador ou optoacoplador.
Conteúdos
Desenho Optron
Optrons consistem num transmissor óptico (emissor), num canal óptico e num receptor óptico. O transmissor de luz converte um sinal eléctrico num sinal óptico. O transmissor é, na maioria dos casos, um LED (primeiros modelos utilizados lâmpadas incandescentes ou de néon). A utilização de LEDs não é crucial, mas são mais duráveis e fiáveis.
O sinal óptico é transmitido através de um canal óptico para o receptor. O canal pode ser fechado - quando a luz emitida pelo transmissor não deixa o corpo do optoacoplador. O sinal gerado pelo receptor é então sincronizado com o sinal na entrada do transmissor. Estes canais podem ser cheios de ar ou enchidos com um composto óptico especial. Existem também optoacopladores "longos" onde o canal é fibra óptica.
Se o optoacoplador for concebido para que a radiação gerada saia do recinto antes de chegar ao receptor, chama-se um canal aberto. Pode ser utilizado para detectar obstáculos no caminho do feixe de luz.
O fotodetector converte o sinal óptico de volta num sinal eléctrico. Os receptores mais comummente utilizados são:
- Fotodíodos. Tipicamente utilizado em linhas de comunicação digital. Têm um pequeno vão linear.
- Fotoresistores. A sua característica especial é a condutividade bidireccional do receptor. A corrente pode fluir através da resistência em qualquer direcção.
- Fototransistores. Uma característica destes dispositivos é a capacidade de controlar a corrente do transistor através do opto-transistor, bem como através do circuito de saída. São utilizados tanto nos modos linear como digital. Um tipo separado de optoacopladores são aqueles com transístores de efeito de campo comutados em paralelo. Estes dispositivos são chamados Relés de estado sólido.
- Fototerapeutas. Estes optoacopladores caracterizam-se pela sua maior potência de saída e velocidade de comutação, e são úteis para controlar a electrónica de potência. Estes dispositivos são também classificados como relés de estado sólido.
Os microcircuitos optoacopladores comummente utilizados são conjuntos optoacopladores com interligações optoacopladores no mesmo pacote. Os optoacopladores são utilizados como dispositivos de comutação e para outros fins.
Vantagens e desvantagens
A primeira vantagem dos optoacopladores é que eles não têm partes mecânicas. Isto significa que durante o funcionamento, não há fricção, desgaste, ou faíscas de contactos como com os relés electromecânicos. Ao contrário de outros dispositivos de isolamento de sinal galvânico (transformadores, etc.) os optoacopladores podem funcionar a frequências muito baixas, incluindo corrente contínua.
Além disso, a vantagem dos isoladores ópticos é o acoplamento capacitivo e indutivo muito baixo entre a entrada e a saída. Isto reduz a probabilidade de transmissão de impulsos e de interferências de alta frequência. A ausência de acoplamento mecânico e eléctrico entre a entrada e a saída proporciona uma vasta gama de soluções técnicas para circuitos de controlo e comutação de proximidade.
Embora os desenhos do mundo real sejam limitados em termos de tensão e corrente para a entrada e saída, não existem obstáculos teóricos fundamentais para aumentar estas características. Isto torna possível a concepção de optoacopladores para quase qualquer aplicação.
Uma das desvantagens dos optoacopladores é a transmissão de sinais de sentido único - não é possível transmitir um sinal óptico do fotodetector de volta para o transmissor. Isto torna difícil a correspondência entre o feedback do circuito receptor e o sinal do transmissor.
A resposta da parte receptora pode ser influenciada não só pela alteração da emissão do transmissor, mas também pela influência do estado do canal (aparecimento de objectos estranhos, alterações nas propriedades ópticas do meio do canal, etc.). Tal influência também pode ser de natureza não eléctrica. Isto expande as possibilidades de utilização de optoacopladores. A insensibilidade aos campos electromagnéticos externos torna possível a criação de canais de dados com elevada imunidade ao ruído.
A principal desvantagem dos optoacopladores é a baixa eficiência energética devido às perdas de sinal associadas à dupla conversão do sinal. Também considerado uma desvantagem é o elevado nível de ruído intrínseco. Isto reduz a sensibilidade dos optoacopladores e limita a sua aplicação, onde são necessários sinais fracos.
Ao utilizar optoacopladores, a influência da temperatura nos seus parâmetros também deve ser tida em conta - é significativa. Além disso, as desvantagens dos optoacopladores incluem uma degradação notável dos elementos durante o funcionamento e uma certa falta de tecnologia na produção associada à utilização de diferentes materiais semicondutores no mesmo recinto.
Características do Optoacoplador
As especificações do optoacoplador estão divididas em duas categorias:
- Caracterização das propriedades do dispositivo para transmitir um sinal;
- que caracteriza a dissociação entre entrada e saída.
A primeira categoria é o coeficiente de transferência actual. Depende da emissividade do LED, da sensibilidade do receptor e das propriedades do canal óptico. Esta é a razão entre a corrente de saída e a corrente de entrada, e para a maioria dos optoacopladores é de 0,005 para 0,2. Os elementos transístores podem ter um ganho tão elevado como 1.
Se considerar um optoacoplador como um quadrupolar, a sua característica de entrada é determinada inteiramente pela característica de saída do opto-emissor (LED) e pela característica de saída do receptor. A característica de saída é não linear em geral, mas alguns tipos de optoacopladores têm secções lineares. Por exemplo, um diodo optoacoplador tem uma boa linearidade, mas esta secção não é muito grande.
Os elementos resistentes são também avaliados pela razão entre a resistência escura (a uma corrente de entrada igual a zero) e a resistência à luz. Para os tiristores optoacopladores, uma característica importante é a corrente mínima de retenção no estado aberto. A maior frequência de funcionamento é também uma característica importante do optoacoplador.
A qualidade do isolamento galvânico é caracterizada por:
- a maior voltagem aplicada à entrada e à saída;
- a tensão mais alta entre a entrada e a saída;
- resistência de isolamento entre entrada e saída;
- Capacidade de passagem.
Este último parâmetro caracteriza a capacidade de um sinal eléctrico de alta frequência passar da entrada para a saída, contornando o canal óptico, através da capacitância entre os eléctrodos.
Existem parâmetros para determinar a capacidade do circuito de entrada:
- A maior voltagem que pode ser aplicada aos cabos de entrada;
- A corrente mais alta que o LED pode suportar;
- A queda de tensão através do LED com a corrente nominal;
- Tensão de entrada inversa - a tensão de polaridade inversa que o LED pode suportar.
Para o circuito de saída, estas características serão a maior corrente e tensão de saída permitidas, e a corrente de fuga a zero corrente de entrada.
Aplicações para optoacopladores
Optoacopladores com um canal fechado são utilizados onde por alguma razão (segurança eléctrica, etc.) é necessário um desacoplamento entre a fonte de sinal e o receptor. Por exemplo, nos circuitos de feedback de de fontes de alimentação de modo comutado - O sinal é retirado da saída da PSU, alimentado para o elemento emissor, cujo brilho depende do nível de tensão. Um sinal, dependendo da tensão de saída, é retirado do receptor e alimentado para o controlador PWM.
Um diagrama esquemático de uma PSU de computador com dois optoacopladores é mostrado na figura. O optoacoplador superior IC2 fornece o feedback estabilizador de voltagem. O IC3 inferior funciona em modo discreto e fornece energia ao PWM IC quando a tensão de espera está presente.
O isolamento galvânico entre a fonte e o receptor é também exigido por algumas interfaces eléctricas padrão.
Os dispositivos de canal aberto são utilizados para criar sensores de detecção de objectos (presença de papel numa impressora), interruptores de fim de curso, contadores (artigos numa correia transportadora, número de dentes das engrenagens num rato, etc.), etc.
Os relés de estado sólido são utilizados da mesma forma que os relés convencionais - para sinais de comutação. No entanto, a sua utilização é restringida pela elevada resistência do canal em estado aberto. São também utilizados como condutores para elementos de electrónica de potência em estado sólido (transístores de alta potência de campo ou IGBT).
O optron foi desenvolvido há mais de meio século, mas tornou-se amplamente utilizado depois de os LED se tornarem disponíveis e baratos. Agora todos os novos modelos de optoacopladores (na sua maioria microcircuitos baseados neles) estão a ser desenvolvidos, e o campo de aplicação está apenas a expandir-se.
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