Los acopladores ópticos se utilizan ampliamente en la transferencia de señales e información entre circuitos, en los casos en que se requiere un aislamiento entre estos circuitos. Hay varias formas de utilizar un acoplador óptico, dependiendo sólo del tipo de señal que deba ser transferido. Hemos reunido en este artículo una colección de 10 circuitos prácticos usando acopladores ópticos. Estos circuitos se pueden cambiar según el acoplador utilizado y según el tipo de señal a utilizar en la excitación. Aplicaciones importantes son los shields para microcontroladores.
Acopladores ópticos o optocouplers son dispositivos formados por un LED emisor y un dispositivo sensor que puede ir del foto-transistor a la foto-diac, dentro de un encapsulado hermético.
La señal modula la luz emitida por el LED y luego se transfiere al sensor que lo entrega a un circuito externo de procesamiento.
Los acopladores son extremadamente eficientes en el aislamiento entre los circuitos que pueden superar fácilmente los 5 000 volts y lo suficientemente rápido para aceptar modulaciones que llegan a algunos megahercios.
Los circuitos que presentamos en esa selección, en su mayoría son circuitos sugeridos por los propios fabricantes de los acopladores ópticos siendo por eso altamente confiables.
Sin embargo, puede ser necesario que en una aplicación específica o cuando pasamos de un tipo a otro de acoplador, en función de sus características propias, sean necesarios cambios de valores en los componentes usados ??para obtener el mejor desempeño.
1. Acoplador TTL -1
El circuito mostrado en la figura 1 se utiliza para transferir señales moduladas (pulsos) a una entrada TTL. El circuito se puede usar como shield para microcontroladores.
La resistencia R1 de 330 ohms es para el caso de la fuente de señales ser TTL. Para otras fuentes este componente debe tener su valor cambiado para garantizar una corriente del orden de 5 a 10 mA en el LED emisor y con ello se obtiene la transferencia de la señal.
La utilización de un disparador en el procesamiento de la señal garantiza que se obtenga un pulso rectangular de salida, incluso en función de las deformaciones introducidas en el circuito de transferencia de la señal.
Acopladores como el 4N25, TIL102 o equivalentes se pueden utilizar en este circuito. Observe que la tierra del circuito fuente de señal no es el mismo del circuito receptor, para garantizar el aislamiento entre ellos.
Puede ser necesario cambiar el resistor R2 también, en función de las características de sensibilidad del foto-transistor del acoplador usado.
2. Acoplador TTL - 2
El circuito de la figura 2 es una variación del circuito anterior, con la señal para el 7413 retirado del emisor del foto-transistor del acoplador. Así, en el primer caso, de la figura 1, teníamos una inversión y luego re-inversión del signo, lo que no ocurre en ese caso.
La entrada del inversor va al nivel alto cuando el LED del acoplador óptico es excitado y con ello tenemos la inversión de ese nivel en la puerta disparadora 7413.
Como en el circuito anterior R1 depende de la señal de entrada (330 ohms para TTL) y la resistencia R2 puede necesitar cambiar en función de las características del foto-transistor del acoplador usado.
Los mismos tipos de acopladores indicados para el circuito anterior sirven para éste también.
3. Disparador Óptico para SCR
La figura 3 muestra un modo sencillo de utilizar un acoplador óptico en el disparo de un SCR.
El valor del resistor R2 se puede cambiar en el rango de 1 k a 22 k según la sensibilidad del SCR y también las características del foto-transistor del acoplador óptico. Acopladores como el 4N25, TIL102 y otros se pueden utilizar. Para el SCR se recomienda el uso de tipos sensibles como el TIC106.
Las características de este componente también determinar la corriente máxima de la carga controlada. La tensión Vcc también depende de la carga que se va a controlar. Observe que existe una alimentación fija de 9 a 12 V para el acoplador, independientemente de la carga.
La tierra de la señal de entrada también se separa para garantizar el aislamiento entre los circuitos. R1 de 330 ohmios es para el caso de la excitación TTL. Para excitar con otros tipos de señales se debe cambiar el valor de este componente.
4. Transmisión de Pulsos con Amplificador Operacional
En la figura 5 mostramos cómo es posible transferir pulsos a un circuito externo con una buena amplificación, usando un amplificador operacional.
Los valores de los componentes dados en el diagrama son para el caso del amplificador operacional 741, así como el rango de tensiones de operación.
Por supuesto, estos valores pueden requerir cambios si se utilizan otros amplificadores operativos. De la misma forma, el resistor R1 tiene el valor de 330 ohmios para el caso de pulsos TTL.
Para señales de otras lógicas o fuentes, este componente debe cambiar.
También observamos la necesidad de utilizar una fuente simétrica y que la banda pasante de ese circuito es del orden de 100 kHz para un amplificador 741.
Los amplificadores más rápidos se pueden utilizar si la aplicación así lo requiere.
5. Disparador con Transistores
En el circuito de la figura 5 tenemos una configuración de un disparador de Schmitt usando transistores.
La salida de este circuito es compatible con la lógica TTL y el punto de disparo se ajusta en el trimpot P1.
Observe que este circuito requiere acopladores ópticos que tengan acceso a la base del foto-transistor, lo que no ocurre con todos los tipos. Los tipos 4N25, por ejemplo, poseen ese acceso, justamente por el pino 6.
Los cambios de valores de los componentes pueden ser necesarios en función de las características del acoplador, en el caso de R2 y dependiendo de la señal de entrada, puede ser necesario cambiar el valor de R1.
El valor indicado para R1 es para señales de 5 V que no necesitan ser necesariamente rectangulares, pues la finalidad del circuito es justamente hacer esa modificación, en el sentido de que puedan excitar lógica TTL.
6. Amplificador de Pulsos
El circuito de la figura 6 consiste en un amplificador para pulsos con un control de polarización hecho en la base del foto-transistor del acoplador óptico.
Como en el circuito anterior, se debe utilizar un acoplador óptico que tenga acceso a la base del foto-transistor interno.
Los posibles cambios en los valores de los componentes incluyen la resistencia de polarización del acoplador y la resistencia R1 de la señal de entrada. El valor de 330 ohms se indica en el caso de las señales TTL.
La tensión de alimentación entre 5 y 12 V también puede requerir cambios de R2 y R3 para obtener el mejor rendimiento en función del ajuste de P1.
7. Amplificador de pulsos con Operacional
Otro amplificador de pulsos usando un operario, que puede ser el 741, se muestra en la figura 7.
La ganancia de este amplificador está determinada por la relación entre R4 y R3, componentes que pueden ser alterados en función del amplificador operacional usado.
La resistencia R1 también se debe cambiar en función de la señal de entrada y R2 en función de la ganancia y del amplificador usado. Los amplificadores operacionales de menor tensión se pueden utilizar con cambios en los componentes que puedan influir en su rendimiento.
Observe que este circuito no necesita una fuente de alimentación simétrica y, como en los demás, la tierra del circuito de excitación está separada de la tierra del circuito amplificador, para garantizar el aislamiento.
8. Amplificador de Pulsos - II
Este circuito funciona de la misma forma que el anterior, con la diferencia de que la ganancia es determinada por R4 que proporciona una retroalimentación negativa.
Cualquier amplificador operacional se puede utilizar y, en principio, no es necesario utilizar una alimentación simétrica. El resistor R2 eventualmente debe ser cambiado para obtener una buena excitación en función de las características del foto-transistor del acoplador.
El resistor R1 tiene el valor dado para señales TTL, debiendo ser alterado si se aplican otros tipos de pulsos. Las operaciones de menor tensión se pueden utilizar si el proyecto así lo requiere.
9. Amplificador simple transistorizado - I
La figura 9 muestra una configuración bastante simple de amplificador de emisor común para pulsos obtenidos a través de un acoplador óptico común con foto-transistor.
La ganancia del paso prácticamente está determinada por la resistencia R3 que puede ser cambiada, según las aplicaciones del circuito.
El resistor R2 también se puede cambiar en función de las características del foto-transistor del acoplador usado.
10. Amplificador con Transistor - II
El circuito presentado en la figura 10 utiliza un transistor PNP, de modo que el pulso de salida se obtiene cuando el nivel de entrada es alto.
Las pruebas con los valores de R2 deben ser hechas para obtener la mejor respuesta en función de las características del foto-transistor del acoplador.
El valor de R1 depende del tipo de señal aplicado a la entrada y de 330 ohmios, corresponde a las señales TTL.
Conclusión
Muchas modificaciones en torno a las configuraciones presentadas pueden rehacer en el sentido de obtener el mejor desempeño para una determinada aplicación.
Otra posibilidad de uso para los circuitos indicados es en llaves ópticas, donde se puede alimentar continuamente el LED y detectar cuando un objeto interrumpe el haz de luz, como muestra la figura 11.
Una llave de este tipo, se puede utilizar en encoders o en detectores de posición, en cuyo caso las muñecas generadas por el paso de un hueco o apertura o de una región transparente de un objeto permiten el paso de la luz.
Otra posibilidad consiste en el propio montaje del acoplador por el lector, en cuyo caso los LED de potencia o incluso LASER se pueden utilizar con fuentes de luz, aumentando la separación entre el emisor y el sensor.