Figura 1. Diagrama funcional de los acopladores optoelectrónicos

UNA APLICACIÓN LINEAL DE LOS
ACOPLADORES
OPTOELECTRÓNICOS
Y. Forneiro1
RESUMEN: El empleo de los acopladores
optoelectrónicos se ha dirigido, tradicionalmente,
hacia aplicaciones digitales. En este trabajo se
presenta una descripción de los parámetros
fundamentales de este tipo de dispositivo,
evidenciando que su uso en aplicaciones lineales
también es factible. Se muestran los criterios
principales del algoritmo empleado en el diseño de
un circuito para el aislamiento eléctrico de señales
analógicas bipolares, así como los resultados de la
simulación eléctrica con PSPICE e implementación
práctica del mismo.
Palabras claves: Acopladores optoelectrónicos,
Aislamiento eléctrico, Aplicación lineal.
Los acopladores optoelectrónicos son dispositivos
integrados diseñados para la transmisión de señales
eléctricas entre dos puntos aislados galvánicamente.
En su interior, la señal eléctrica es convertida en
óptica por medio de un emisor de luz, de esta forma
es transmitida y luego reconvertida a señal eléctrica
por un fotodetector. Generalmente, un diodo emisor
de luz (LED) de arseniuro de galio actúa como
emisor mientras que la estructura fotodetectora de
silicio puede estar constituida por un fototransistor,
una configuración Darlington, un TRIAC, o un
tiristor, entre otros. En la figura 1 aparece
representado el diagrama funcional de uno de estos
dispositivos. La polarización del diodo en directa trae
consigo la emisión de luz, que después de propagarse
por un medio aislante eléctrico, incide sobre la base
del fototransistor generando portadores de carga. La
intensidad de la corriente de colector del
fototransistor dependerá de la intensidad de la
energía luminosa que llega a él.
A LINEAR APPLICATION OF
OPTOCOUPLERS
ABSTRACT: Optocouplers have always found a
common use in digital electronics, while their use in
analog applications is usually scarce. In this article
the main parameters of optocouplers are reviewed
and discussed towards an analog application. A realcase circuit is presented for achieving galvanic
isolation while handling analog bipolar signals.
Simulation results using PSPICE are compared with
those obtained from measurements on the breadboard
circuit, showing the main characteristics regarding
linearity.
Key words: Optocouplers, galvanic isolation, linear
application.
INTRODUCCIÓN
El uso de los componentes optoelectrónicos se ha
incrementado considerablemente en la electrónica
moderna. Esto se debe, fundamentalmente, a la
amplia variedad de dispositivos existentes que
comprenden: celdas fotovoltaicas, fotodiodos,
fototransistores, fotorresistores, diodos emisores de
luz y acopladores optoelectrónicos. Aun cuando
pudiera pensarse que alguno de ellos tiene
aplicaciones limitadas, no se comete error al decir
que éstas dependen, en gran medida, de las
habilidades del especialista que los emplea en un
diseño determinado.
Figura 1. Diagrama funcional de los acopladores
optoelectrónicos en los cuales el detector está
constituido por un fototransistor.
Entre las características principales de los
acopladores optoelectrónicos se encuentran la razón
de transmisión de corriente CTR (Current
Transmission Ratio) y la tensión de aislamiento VISO
(Isolation Voltage). La tensión de aislamiento
depende del tipo de dispositivo, de los materiales y
geometría
empleados en su fabricación y es
usualmente de varios kV. La razón de transmisión es
la relación entre las corrientes de entrada IF y de
salida IC expresada en porciento. Los valores
prácticos de este parámetro se encuentran entre 20 %
y 300 %, dependiendo de la potencia de la radiación
del LED, de la eficiencia en la transmisión de la
señal luminosa y de la razón de transferencia de
corriente estática del fototransistor.
1
Yadel Forneiro Martín – Viaña, Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Departamento de Equipos Médicos 1, Instituto
Central de Investigación Digital (ICID), Calle 202 # 1704 entre 17 y 19, Reparto Siboney, Playa, Ciudad de la Habana, Cuba, Email: [email protected]
16
Otros parámetros a tener en cuenta en los diseños son
los tiempos de subida tr y de caída tf (rise and fall
time) del dispositivo cuando se precisen altas
velocidades de conmutación, así como la tensión que
soporta la unión colector – emisor VCE0 cuando se
trate de aplicaciones donde se opere con valores de
tensión elevados.
A manera de ejemplo, se muestran en la tabla 1 las
especificaciones del acoplador optoelectrónico
H11A1, dispositivo utilizado en la aplicación que se
presenta en este trabajo.
Tabla 1. Especificaciones del acoplador
optoelectrónico H11A1.
Dispositivo
CTR (mínimo)
VCE (sat)
tr / tf (típicos)
VISO (pico)
VCE0 (mínimo)
H11A1
50 % @ IF= 10 mA & VCE= 10 V
0,4 V @ IF= 10 mA & IC= 0,5 mA
1,2 µs / 1,3 µs @ IF= 10 mA &
VCC= 10 V
7500 VAC
30 V
aislamiento eléctrico entre secciones de un mismo
equipo.
Un ejemplo concreto de la aplicación lineal de estos
dispositivos puede encontrarse en el campo de los
equipos médicos electrónicos, en particular, dentro
del grupo de los electroestimuladores. Cuando existe
más de un canal de estimulación es importante
mantener un aislamiento eléctrico adecuado entre
ellos, evitando
así
recorridos indeseados de
corriente eléctrica por el cuerpo del paciente [1].
El aislamiento eléctrico no sólo eleva los niveles de
seguridad del paciente sino que es importante desde
el punto de vista terapéutico. Si se trata, por
ejemplo, de aplicaciones de Estimulación Eléctrica
Transcutánea de los Nervios (TENS) es
imprescindible el aislamiento para que ciertos
tratamientos sean realmente efectivos [2]. Por otro
lado, en el campo de la Estimulación Eléctrica
Funcional (FES), permite lograr sólo la contracción
de los grupos musculares de interés, sin obtener
contracciones indebidas en otros [3].
VF (máximo) 1,5 V @ IF= 10 mA
Los valores elevados del parámetro CTR, referidos
anteriormente, se logran sólo en aquellos dispositivos
en los que la etapa detectora presenta una
configuración Darlington. Por otro lado, los tiempos
de conmutación de tales dispositivos se deterioran,
tomando valores en el orden de 100 µs.
Los acopladores optoelectrónicos han tenido y tienen
en la actualidad una serie de aplicaciones
convencionales, entre las que se encuentran las
siguientes:
•
•
•
aislamiento eléctrico de bloques o de señales
digitales,
interfaz entre circuitos lógicos de distintas
familias lógicas como, por ejemplo, las familias
CMOS y TTL,
control de bloques circuitales que operan a
tensiones elevadas.
Obsérvese que en todas las aplicaciones anteriores el
fototransistor opera en un régimen digital de corte –
saturación. Sin embargo, la propia naturaleza del
fototransistor y del diodo que lo componen, cuyo
comportamiento característico se muestra en la figura
2, hacen que el acoplador pueda emplearse
ventajosamente en aplicaciones analógicas lineales
en las que se manipulen señales de pequeñas
amplitudes y donde sea necesario obtener un
Figura 2. Familia de curvas correspondientes
a la característica de salida de un acoplador
óptico.
En los electroestimuladores, los circuitos encargados
de brindar tal aislamiento deben ser capaces, como el
resto de los que componen el canal de estimulación,
de manejar señales analógicas bipolares y exhibir
una respuesta de frecuencia plana desde CD hasta
decenas de kHz, con vistas a reproducir pulsos
cuadrados de corta duración.
17
MATERIALES Y MÉTODOS
4.
Con el fin de obtener un circuito que proporcione
aislamiento galvánico, basado en el acoplador óptico
H11A1, se siguió la siguiente secuencia de pasos.
•
1.
Creación del modelo de simulación para el
acoplador óptico H11A1. Debido a que en el
repertorio de bibliotecas disponible para el
software de simulación PSPICE no se encontró
el modelo exacto del acoplador óptico H11A1,
fue preciso ajustar el correspondiente al
dispositivo H11A2, de comportamiento similar
según los datos del fabricante. Para ello se
modificaron los parámetros “Bf” (ganancia de
corriente del transistor) y “rel_CTR” (resistor
asociado al CTR), hasta hacer corresponder el
resultado de la simulación con valores obtenidos
experimentalmente.
2.
Obtención por simulación del valor del resistor
de base RB adecuado para lograr tiempos de
conmutación del dispositivo menores de 1,5 µs.
Para esto, se realizaron simulaciones sucesivas
modificando el valor de RB y se calcularon los
tiempos de conmutación en la forma de onda de
salida teniendo como señal de entrada un tren de
pulsos cuadrados.
•
•
•
Diseño de un circuito que cumpla los siguientes
requisitos:
Aislamiento eléctrico entre entrada y salida del
orden de 5 kVAC.
Transmisión de señales analógicas bipolares con
rango dinámico igual a 3 V.
Ganancia de tensión unitaria.
Respuesta de frecuencia plana a partir de CD tal
que los tiempos de conmutación sean menores
de 1,5 µs.
Se seleccionó una de las curvas transferenciales
obtenidas y se fijó el siguiente punto de
operación de reposo para el acoplador
optoelectrónico: VRE= 1,9 V para IF= 10,5 mA
(Vcc= 15V, RB= 50 kΩ y RE= 2 kΩ). La zona de
variación del punto de operación se escogió de
manera tal que se solucionaran los requisitos de
ganancia y rango dinámico.
5.
Simulación en PSPICE del circuito y
determinación de su ganancia, tensión de
desplazamiento (offset), rango dinámico,
anchura de banda y tiempos de conmutación.
6.
Montaje del circuito, medición y obtención de su
característica transferencial, ganancia, tensión de
desplazamiento, anchura de banda y tiempos de
conmutación.
3. Medición y obtención de la característica
transferencial estática del dispositivo, utilizando
para ello el valor de RB encontrado
anteriormente. Se modificó la intensidad de
corriente de entrada IF entre 0 y 20 mA
midiéndose la tensión correspondiente en el
resistor de emisor RE. El circuito experimental
utilizado se muestra en la figura 3.
Figura 3. Esquema eléctrico experimental
para la obtención de las características
transferenciales.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El ajuste del modelo se realizó haciendo
corresponder el resultado de la simulación con el
valor práctico establecido como punto de operación
de reposo. De esta forma se minimizan las
desviaciones entre el comportamiento real y la
simulación en los extremos del rango dinámico del
circuito. Los valores finales de los parámetros
ajustados fueron: Bf= 400 y rel_CTR= 5,65.
Los tiempos de conmutación se redujeron
conectando un resistor entre el terminal de base del
fototransistor y tierra, lo que facilita la
recombinación y evacuación de los portadores de
carga durante las transiciones. Sin embargo, esto
produce modificaciones notables en la característica
de salida del dispositivo. En la figura 4 se muestra el
efecto de la variación del valor del resistor de base
RB, obtenido por simulación en PSPICE. Puede
observarse claramente que a medida que RB
disminuye, el valor de la señal de salida se hace
menor para el mismo nivel de excitación de entrada,
o sea, el coeficiente de transmisión de corriente
disminuye.
18
VRE (V)
Los tiempos de conmutación se obtuvieron
para varios valores de RB partiendo de 5MΩ. La
disminución de RB hasta 50 kΩ permitió reducirlos
hasta aproximadamente 1,5µs, con el consiguiente
deterioro del parámetro CTR. Sin embargo, a pesar
de lo anterior, los niveles de señal de salida que el
valor resultante del CTR permite, son perfectamente
adecuados para la aplicación.
5
4
3
2
1
0
0
4
RE= 0,5 kOhm
8
12
RE= 1 kOhm
16
20
IF (mA)
RE= 2 kOhm
Figura 5. Características transferenciales
experimentales del dispositivo H11A1 obtenidas
con RB= 50 kΩ y VCC= 15V.
Figura 4. Modificación del CTR en función de la
variación de la resistencia de base RB. La
intensidad de corriente eléctrica por el diodo es la
misma e igual a 10 mA para todos los casos.
El amplificador operacional de la primera etapa
añade a la señal analógica de entrada una tensión de
desplazamiento que ubica al acoplador óptico en su
zona de operación lineal. La configuración de la
misma asegura que los valores extremos de la señal
analógica no alcancen ni a cortar la conducción del
LED, ni a saturar el fototransistor, garantizando así
un comportamiento lineal. El amplificador
diferencial de la etapa de salida elimina el nivel de
directa correspondiente a la polarización del
fototransistor y amplifica la señal de interés de
acuerdo con los niveles que se deseen a su salida.
La representación gráfica del comportamiento
transferencial del dispositivo H11A1 con resistor de
base igual a 50 kΩ se muestra en la figura 5. Como
bien puede apreciarse, se realizaron mediciones para
tres valores diferentes de RE y se obtuvieron
comportamientos lineales para amplios rangos de IF.
El circuito eléctrico mostrado en la figura 6
constituye una solución a los requisitos planteados
anteriormente; su diseño se realizó basado en el
comportamiento transferencial correspondiente a RE=
2 kΩ.
Figura 6. Circuito de aislamiento eléctrico
entre dos bloques circuitales analógicos.
En el esquema eléctrico presentado anteriormente
puede apreciarse que para lograr un verdadero
aislamiento eléctrico entre dos bloques circuitales,
19
V salida (Vpico)
son necesarias fuentes de alimentación y tierras
independientes para el bloque aislado.
Los valores obtenidos mediante la simulación con
PSPICE y los medidos en la implementación práctica
del circuito se muestran en la tabla 2. Las
mediciones realizadas corroboran que el circuito
propuesto satisface los requisitos de diseño
planteados. Los resultados de la simulación
permitieron un grado de aproximación satisfactorio a
pesar de las diferencias en cuanto a la respuesta de
frecuencia, las cuales se deben a la carencia de un
modelo de simulación más preciso para el acoplador
optoelectrónico.
Tabla 2. Resumen comparativo de los resultados
obtenidos.
Parámetro
Ganancia de tensión
Rango dinámico lineal
Tensión de offset
Anchura de Banda
Tiempo de subida
Tiempo de caída
Resultado de la
simulación
0,87
>3V
-11 mV
276 kHz
1,24 µs
1,30 µs
Resultado de la
medición
1
>3V
-30 mV
415 kHz
1 µs
1 µs
V salida (V)
El comportamiento transferencial del circuito,
obtenido prácticamente, se muestra en la figura 7.
Nótese la dependencia lineal entre la entrada y la
salida en un rango dinámico que excede los 3 V, su
capacidad de reproducir señales bipolares y su
ganancia próxima a la unidad.
2.1
1.4
2.1
1.4
0.7
0
0
(b)
0.7
1.4
2.1
V entrada (Vpico)
Figura 7. Comportamiento transferencial experimental.
La curva (a) representa la característica transferencial
estática. El gráfico (b) representa la característica
transferencial dinámica obtenida al aplicar un tono
senoidal de 50 kHz.
CONCLUSIONES
El ajuste del modelo de simulación del acoplador
optoelectrónico permitió una aproximación bastante
cercana al comportamiento en régimen lineal del
circuito real. Sin embargo, este modelo no reproduce
de igual forma ni su comportamiento térmico ni el de
saturación, por lo que en tal sentido será útil sólo
para análisis generales.
Además de su empleo convencional en aplicaciones
digitales, los acopladores optoelectrónicos pueden
emplearse en aplicaciones analógicas lineales debido
a que sus características transferenciales exhiben
zonas con un marcado comportamiento lineal.
El circuito eléctrico diseñado constituye un ejemplo
del uso de estos dispositivos en aplicaciones lineales.
El comportamiento del mismo satisface totalmente
los requisitos de diseño planteados en este trabajo.
0.7
0
-2.1
-1.4
-0.7
0
-0.7
0.7
1.4
2.1
V entrada (V)
Referencias bibliográficas
[1] Lampe G. N., Mannheimer J. S. Clinical
Transcutaneous Electrical Nerve
Stimulation. F.A. Davis Company.
Philadelphia, 1984.
[2] Rodríguez, J. M. Electroterapia de baja y
media frecuencia. Ed. Mandalia. Madrid,
1994.
[3] Folgueras J., Díaz M., Ruíz A.,
Domínguez C. Un estimulador
inteligente para la marcha del
parapléjico. Universidad, Ciencia y
Tecnología. Vol 3. No.12. pp 711. Venezuela, 1999.
-1.4
-2.1
(a)
20