OPTO AISLADORES Ing. en Telemática 1. 2 Optoaisladores o optoacopladores 2.1 Clasificación y construcción de los optoacopladores. 2.2 Características.

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1 OPTO AISLADORES Ing. en Telemática 1

2 2 Optoaisladores o optoacopladores 2.1 Clasificación y construcción de los optoacopladores. 2.2 Características eléctricas de los optoacopladores. 2.3 Aplicaciones de los optoacopladores. 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). 2.5 Características eléctricas de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS).

3 3 2.1 Clasificación y construcción de los optoacopladoresoptoacopladores Un optoacoplador o optoaislador es un componente electrónico de tipo óptico pasivo que está diseñado para transferir señales eléctricas utilizando ondas de luz y así proporcionar un acoplamiento con aislamiento eléctrico entre su entrada y salida. El propósito principal de un optoacoplador es proteger al circuito de salida frente a picos de voltajes o tensiones elevadas en su entrada que pueden dañar al otro circuito. ¿Qué es un optoacoplador?

4 4 2.1 Clasificación y construcción de los optoacopladoresoptoacopladores El sensor se trata de un componente optoelectrónico, normalmente un fototransistor o un fototriac, que modula la corriente eléctrica de salida en función de la intensidad lumínica del LED En resumen: es un dispositivo de transmisión de señales que aísla eléctricamente dos circuitos de manera óptica Fig. Transformador ¿Qué es un optoacoplador?

5 5 2.1 Clasificación y construcción de los optoacopladoresoptoacopladores El funcionamiento de un optoaislador es muy sencillo. Para que funcione, primero se debe de aplicar una corriente a su entrada, lo que hace que el LED emita una luz proporcional a dicha corriente. Esta luz es transmitida por el encapsulado hasta incidir en el sensor o fotodetector. Si la cantidad de luz alcanza un nivel adecuado, el sensor entrará en saturación permitiendo que la corriente circule por el circuito de salida Este dispositivo funciona básicamente como un interruptor, conectando dos circuitos aislados ópticamente. Cuando la corriente deja de fluir a través del LED, el dispositivo fotosensible también deja de conducir y se apaga.interruptor Cómo funciona un optoacoplador (construcción)

6 6 2.1 Clasificación y construcción de los optoacopladoresoptoacopladores Opto-interruptor Si combinamos una fuente óptica (generalmente un Led) con algún tipo de detector óptico (generalmente un semiconductor de silicio llamado fototransistor) en un solo encapsulado, el dispositivo resultante es un optoacoplador o interruptor óptico Son elementos que sustituyen a los relés tradicionales.

7 7 2.1 Clasificación y construcción de los optoacopladoresoptoacopladores Se suelen utilizar para aislar dos circuitos, uno que trabaja a poco tensión (el del LED), llamado de control y otro a mucha tensión o a una tensión diferente (el del detector) llamado de potencia. Podemos activar a la salida motores, lámparas, etc. a 220V desde otro sitio en el que solo tenemos 5V, sin riesgo apenas para el que lo activa La aplicación principal es en aislamiento entre los circuitos de control y los de potencia. Cómo funciona un optoacoplador (construcción)

8 8 Como se puede apreciar los optoacopladores se pueden clasificar de acuerdo al tipo de elemento de controlador que tengan. De hecho, la Figura-2 muestra el diagrama eléctrico ó electrónico de los distintos tipos TRIAC (4) Transistor (1) TRIAC con detector de cruce por cero Transistor Darlington (2) Lógica Mosfet SCR (3) Fig. Optoacoplador y sus distintos diagramas eléctricos de optoacopladores con diferentes salidas 2.1 Clasificación de optoacopladoresoptoacopladores

9 9 Cuando le llega una tensión a la entrada se genera una luz y al recibirla el detector este genera una tensión de salida Hay muchos tipos diferentes de optoacopladores, pero todos tienen un foco emisor de luz LED. Lo que pueden cambiar es el receptor de luz que puede ser un fotodiodo, fototransistor, LASCR, etc. 2.1 Clasificación de optoacopladoresoptoacopladores

10 10 Algunas de las características eléctricas que poseen estos dispositivos son las siguientes: Aislamiento de alto voltaje: cuando se trabaja con voltajes altos siempre se debe tener en cuenta que el ruido en las señales puede ser un factor determinante a la hora de probar el funcionamiento de un dispositivo, conforme el tiempo ha pasado los optoacopladores han logrado perfeccionar su diseño al punto se poder resistir grandes diferencias de potencial, si nos centramos en alguno para realizar un ejemplo podríamos nombrar al TIL1027, este puede soportar hasta 1000 voltios gracias a que su resistencia de aislamiento es de 10E12 omhios. Aislamiento de ruido: Gracias al acople medio (Vidrio IR) que separa al emisor del receptor (Sin impedir su funcionamiento) se puede aislar al 99% el ruido que proviene de las señales digitales, se podría decir que prácticamente el ruido de modo común es rechazado y la salida del dispositivo no se ve afectada. 2.2 Características eléctricas de los optoacopladores

11 11 Algunas de las características eléctricas que poseen estos dispositivos son las siguientes: Ganancia de corriente: En algunos optoacopladores la ganancia de corriente puede ser mayor a uno, esto es perfecto ya que se elimina la necesidad de utilizar amplificadores de corriente, un ejemplo de estos dispositivos es el TIL103 Tamaño del optoacoplador: el tamaño de estos dispositivos también en una parte fundamental a la hora de utilizarlos, por lo general en los proyectos estudiantiles se utilizan optoacopladores como el 4N35, este posee un tamaño perfecto para realizar practicas de laboratorio y brinda muchas de las características eléctricas nombradas en este articulo, la única diferencia es que al ser de menor tamaño no posee una resistencia tan amplia como los optoacopladores industriales. 2.2 Características eléctricas de los optoacopladores

12 12 Algunas de las características eléctricas que poseen estos dispositivos son las siguientes: La razón de transferencia de corriente (CTR): Esto puede definirse como la proporción que existe entre el valor de la corriente de salida y la entrada, podría decirse que después del aislamiento de voltaje, el CTR es la segunda característica más importante que poseen los optoacopladores ya que puede decirse que equivale al factor de amplificación de un transistor. La razón de transferencia de corriente (CTR) depende de la magnitud de la corriente directa (If). Cuando If es baja o es más alta que una cierta magnitud, el CTR se hace más pequeño 2.2 Características eléctricas de los optoacopladores

13 13 2.2 Características eléctricas de los optoacopladores Especificaciones Tipo: Optoacoplador Tipo de salida: Fototriac Modo de funcionamiento: Paso por no cero Número de canales: 1 Voltaje de aislamiento: 5.3 kV Tensión máxima de apagado repetitiva, Vdrm: 250 V Voltaje inverso, VR: 3 V Entrada de corriente máxima: 10 mA Corriente directa continua, SI: 60 mA Disipación de potencia total (TA=25 ° C) PD: 100 mW Temperatura de operación mínima: -40°C Temperatura de operación máxima: 100°C Encapsulado DIP 6 pines Sustituto NTE3047 MOC3009 MOC3010

14 14 Los dispositivos de foto-transistor y foto-darlington se usan principalmente en circuitos de CC, mientras que el foto-SCR y el foto-triac permiten controlar los circuitos alimentados por CA. Hay muchos otros tipos de combinaciones de fuente-sensor, como LED-fotodiodo, LED-LÁSER, pares de lámpara- fotorresistencia, optoacopladores reflectantes y ranurados Fig. Optoacoplador casero Las aplicaciones comunes para optoacopladores incluyen conmutación de entrada / salida de microprocesador, control de alimentación de CC y CA, comunicaciones de PC, aislamiento de señal y regulación de la fuente de alimentación que sufren bucles de tierra, etc. La señal eléctrica que se transmite puede ser analógica (lineal) o digital (pulsos). 2.3 Aplicaciones de los optoacopladores

15 15 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS) Los relevadores FotoMOS poseen un Led en su entrada y un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido- semiconductor) en su salida, con esto se consigue tener un buen aislamiento entre la señal de entrada y la de salida. Otra característica importante de estos relevadores es que sus velocidades de conmutación son mucho más altas que las de los relevadores electromagnéticos. Fig. Encapsulado dip FOTOMOS

16 16 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS) El relé de estado sólido ( SSR ) es un dispositivo de conmutación electrónica hecho de semiconductores que activan y desactivan un circuito de alto voltaje utilizando un voltaje bajo en sus terminales de control. A diferencia del EMR (relé electromagnético) que tiene una bobina y un interruptor mecánico (contactos físicos), el relé SSR utiliza el optoacoplador para aislar el circuito de control del circuito controlado

17 17 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS) Fig. Relés tradicionales (EMR) Fig. Relé Estado Solido (SSR) Fig.

18 18 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). Diferencia entre SSR y EMR El funcionamiento de SSR (Relé de estado sólido) y EMR (Relé electromagnético) o relé de contacto es el mismo, mientras que la principal diferencia entre SSR y EMR es que no hay partes mecánicas y contactos en el relé SSR. Normalmente, SSR tiene 1a contacto mientras que EMR tiene múltiples contactos Otra diferencia entre el relé de estado sólido y el relé electromagnético es que no hay sobretensión ni ruido durante el funcionamiento del SSR.

19 19 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). Construcción de SSR (relé de estado sólido) Terminales de relé SSR El relé SSR tiene dos conjuntos de terminales, es decir, terminales de entrada y terminales de salida. Estos terminales se dan a continuación: Terminales de entrada o control Estos dos terminales son el terminal de control de entrada. Está conectado a un circuito de baja potencia que controla su conmutación. La entrada de control de un relé SSR está diseñada para circuito de CC o CA por separado. Fig.

20 20 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). Los terminales de salida normalmente abiertos (NO) Normalmente, la conexión eléctrica entre estos terminales permanece abierta. Cuando se activa el relé, estos terminales se conectan entre sí proporcionando una ruta cerrada. Terminal de salida normalmente cerrado (NC) Este terminal del relé permanece cerrado hasta que se activa el relé. No hay flujo de corriente cuando se activa el relé. Se abre tras la activación del relé. Modelo esquemático del relé SSR Fig.

21 21 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). Operación y funcionamiento del relé SSR La entrada del relé SSR activa el optoacoplador que conmuta el circuito de carga. El optoacoplador no tiene conexión física y aísla el circuito de bajo voltaje del circuito de alto voltaje. El optoacoplador tiene un LED en su entrada que emite luz infrarroja cuando se aplica un voltaje. Estas ondas IR son recibidas por el fotosensor (fototransistor, fotodiodo, etc.) en su extremo de salida. El fotosensor convierte la señal de luz en una señal eléctrica y enciende el circuito. La circuitería de salida del relé SSR varía para los circuitos de CA y CC. Generalmente está compuesto por TRIAC o tiristores para circuito de CA y MOSFET de potencia para circuito de CC Fig.

22 22 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). Tipos de retransmisión SSR Existen diferentes tipos de relés SSR (estado sólido). Se clasifican en su formulario de entrada / salida o en su propiedad de conmutación. * Clasificación basada en entrada / salida Los siguientes son algunos de los tipos comunes de relé SSR clasificados según su circuito de entrada y salida (AC / DC) DC-a-AC SSR Relé Diodo de protección Fig.

23 23 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). * Clasificación basada en entrada / salida El relé SSR opera sólo cuando la entrada y salida de los dos circuitos son AC Para convertir CA en CC Relé de SSR de CA a CA Fig.

24 24 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). Relé de SSR de CC a CC DC-a-AC / DC SSR Relé Este relé puede cambiar la carga de CC de alta potencia utilizando una fuente de CC de baja potencia. protección Este tipo de relé SSR utiliza MOSFET en serie con terminales de fuente común para conmutar circuitos de CA y CC * Clasificación basada en entrada / salida Fig.

25 25 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). * Clasificación basada en la propiedad de cambio Los relés SSR también se clasifican en función de sus propiedades de conmutación que se detallan a continuación. Relé instantáneo de SSR Este tipo de relé activa instantáneamente el circuito de carga cada vez que se aplica un voltaje de entrada suficiente. Se apaga en el siguiente cruce por cero del voltaje de carga después de la eliminación de la entrada de control Cruce por Zero Fig.

26 26 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). * Clasificación basada en la propiedad de cambio Relé SSR de conmutación cero Este tipo de relé se enciende cuando se aplica un voltaje de entrada y el voltaje de CA de carga cruza el siguiente voltaje cero. Se apaga como los relés SSR normales cuando se elimina el voltaje de entrada y el voltaje de CA de carga alcanza cero voltios La operación para el relé de conmutación cero se logra mediante un circuito conocido como circuito de cruce por cero, que detecta el cruce por cero y activa el TRIAC Fig.

27 27 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). * Clasificación basada en la propiedad de cambio Relé SSR de conmutación máxima Estos tipos de relé SSR se activan cuando el voltaje de CA de salida alcanza su próximo pico después de aplicar el voltaje de control de entrada requerido. También se apaga después de la eliminación de la tensión de entrada y el cruce por cero de la corriente alterna de salida. Hay un bloque de detección de pico utilizado en estos relés, que dispara el TRIAC cuando el ciclo de CA de salida alcanza su pico Fig.

28 28 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). * Clasificación basada en la propiedad de cambio Relé de conmutación analógica SSR Si bien estos otros tipos de conmutación de SSR dependen del ciclo de CA de salida, la conmutación de este relé depende de su amplitud de entrada El voltaje de salida de arranque del relé SSR analógico es proporcional al voltaje de control de entrada. Suponga que el relé de entrada de CC de 3-32v 3v representa 0% y 32v representa el 100% del voltaje pico de CA de carga. Fig.

29 29 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). * Clasificación basada en postes y tiro Forma A o SPST NO Tipo SSR El tipo de relé SSR es un relé SPST (Single Pole Single Throw) con terminales normalmente abiertos ( NO ). Los terminales de carga de salida normalmente están abiertos cuando no hay entrada de control externo. Cuando se activa el relé, los terminales de salida se conectan entre sí y permite el flujo de corriente. El siguiente diagrama muestra un relé SSR capaz de conmutar CA y CC en terminales separadas Fig.

30 30 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). * Ventajas y desventajas de los relés SSR (estado sólido) Ventajas: El tiempo de conmutación SSR es mucho más rápido que el relé EMR (relé electromecánico). No tiene contactos físicos. No hay problema de chispas y desgaste de los contactos. Tienen una vida útil más larga que los relés EMR. Relé SSR Apague a 0 corriente de carga de CA que evita cualquier arco o ruido eléctrico. Las vibraciones o el movimiento no afectan su funcionamiento. Tiene un consumo de energía muy bajo en comparación con el relé EMR. El relé SSR se controla muy fácilmente mediante circuitos lógicos ( microcontroladores )

31 31 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). * Ventajas y desventajas de los relés SSR (estado sólido) Desventajas Tiene un diseño complejo en comparación con el relé EMR Hay una caída de voltaje en sus terminales de carga. Tiene una corriente de fuga durante el estado apagado. Los relés SSR disipan demasiado calor. No puede conmutar voltajes bajos en comparación con el relé EMR. La conmutación del relé SSR depende de la tensión del circuito controlado.

32 32 2.4 Clasificación y construcción de los relevadores de estado sólido y de potencia (FotoMOS). Aplicaciones de relés SSR ( estado sólido) Generalmente, SSR relé se utiliza para conectar el propósito es decir, control ON / OFF de alimentación de CA. Se utiliza para controlar la potencia, es decir, control de velocidad del motor, atenuación de luz y ventilador, conmutación de potencia, etc. También se utilizan para conducir calentadores eléctricos para controlar la temperatura. La cabina SSR se puede usar como un pestillo que es útil en caso de hervidores de agua. En las líneas de comunicación, el relé SSR de fotoacoplador se utiliza para eliminar la corriente de activación del relé que fluye a través de él. El relé de estado sólido se usa principalmente en la conmutación de carga alta. A continuación se presentan los usos comunes de los relés de estado sólido en el campo de la ingeniería eléctrica y electrónica

33 33 2.5 ANEXO Puntos importantes de OPTOACOPLADORES. Su clasificación Existen varios tipos de optoacopladores cuya diferencia entre sí depende de los dispositivos de salida que se inserten en el componente. Según esto se destacan entre los principales los siguientes tipos: 1.- Los que tienen como fuente una lámpara de incandescencia y como elemento fotosensible una fotorresistencia, que suelen encontrase con el nombre de foto reóstatos. Donde: a) Lámpara de incandescencia y fotorresistencia; b) Tubo de neón y fotorresistencia; c) diodo electroluminescente y elemento fotosensible de unión.

34 34 2.5 ANEXO Puntos importantes de OPTOACOPLADORES. Su clasificación 2.- La categoría mas ampliamente representada es la formada por un tubo de eón como fuente excitatriz y una o varios fotorrestencias. 3.- Los que tienen como fuente un Led y como elemento de salida un dispostivo fotosensible de unión (fotodiodo, fototransistor ó fototiristor).

35 35 2.5 ANEXO Estructura de un Optoacoplador Una propiedad importante que tienen los Optoacopladores debido a su construcción es su alto aislamiento galvánico entre la salida y la entrada. Fig. Estructura interna del optoacoplador

36 36 2.5 ANEXO Estructura interna de un Optoacoplador Fig. Construcción interna del optoacoplador

37 BIBLIOGRAFÍA optoelectrónica 37

38 38 [1] Electrónica de Potencia, Mohan, 3ra edición.