Acopladores e Chaves ópticas (ART120)

Os componentes de optoeletrônica são de grande importância nas aplicações modernas. A luz permite o isolamento entre componente e é o meio mais rápido de comunicações que existe. Por que não usá-la em dispositivos que podem ser úteis, eficientes extremamente rápidos. Atualmente, nas aplicações de controle e transmissão de informações os dois tipos mais importantes de dispositivos usados são os acopladores e as chaves ópticas. É de seus princípios de funcionamento e características que trataremos neste artigo.

 

Dispositivos que envolvem o uso da luz como meio de transmissão de sinais de controle e informações são bastante comuns nas aplicações modernas e podem ser encontrados em inúmeras versões.

Basicamente um dispositivo desta família de componentes consiste num emissor de luz (um LED infravermelho, por exemplo) e um receptor que, dependendo da aplicação do dispositivo pode ser um fotodiodo, foto-transistor, foto-diac, foto-disparador, etc. Na figura 1 mostramos o princípio básico de operação desses dispositivos.

 

 

Em (a) temos um acoplador óptico e em (b) uma chave óptica. Esses dispositivos se diferenciam pela sua forma de uso. Analisemos os principais casos.

 

 

Acopladores Ópticos

Num acoplador óptico temos um LED emissor e um elemento sensor encerrados num mesmo invólucro hermético que não pode receber luz externa, conforme mostra a figura 2.

 

Quando o LED recebe um sinal elétrico ele o transforma em luz, transferindo então pelo espaço para o foto-sensor. Como esses elementos não mantém contacto elétrico o isolamento entre o emissor e o sensor é enorme, alcançando tensões de 7 000 V ou mais para os tipos comuns, com uma resistência praticamente infinita.

Os acopladores ópticos podem ser usados de duas maneiras: linear e digital. Essas maneiras vão determinar o tipo de dispositivo sensor e a configuração do circuito externo.

Na aplicação linear ou analógica, o sinal a ser transferido do LED para o sensor deve manter sua forma de onda e fase. É o caso de um sistema de isolamento de sinais num modem em que os sinais não devem ter deformações, conforme mostra a figura 3.

 

Veja que neste caso, o elemento usado como sensor deve ter características lineares de resposta para o sinal luminoso que será modulado. Foto-diodos e foto-transistores são os indicados para aplicações em altas e médias freqüências. Para baixas freqüências, obtendo-se maior sensibilidade podem ser usados foto-Darlingtons.

Na figura 4 mostramos alguns tipos de acopladores ópticos que fazem uso desses elementos.

 

Veja que, para obter resposta a sinais de corrente alternada, podemos ter num mesmo acoplador dois LEDs ligados em paralelo mas com polaridades invertidas. Isso permite que o circuito responda aos dois semiciclos do sinal transferido. Observe, entretanto, que a luz modulada resultante de um sinal alternado que module os LEDs não tem polaridade.

Na aplicação digital, o pulso de luz que o LED produz ao receber o comando externo representa um bit ou então simplesmente uma mudança do nível lógico que vai controlar um circuito externo, conforme mostra a figura 5.

 

Podemos usar acopladores com foto-diodos e foto-transistores para esta aplicação, desde que sejam utilizados circuitos de disparo apropriados em sua saída, conforme mostra a figura 6.

 

Comparadores de tensão, portas digitais e mesmo amplificadores operacionais com alto ganho (configurados como comparadores), etc podem ser usados.

No entanto, existem acopladores ópticos indicados para esta finalidade que já possuem em seu interior dispositivos foto-sensores com características de disparo rápido, conforme mostra a figura 7.

 

Assim, em (a) temos um acoplador óptico que utiliza um foto-diac, elemento ideal para o disparo de triacs em controle de potência. Quando o LED ilumina o foto-diac, suas características de disparo fazem com que o TRIAC seja ativado (ligado) conduzindo assim a corrente para o circuito de carga.

Em (b) temos um Opto-Disparador tipo NAND que tem características acentuadas de histerese, fornecendo assim um sinal retangular de saída ao comando do LED. Trata-se de dispositivo ideal para o comando de circuitos lógicos ou transferência de pulsos digitais.

Nas aplicações de controle, podemos ter os acopladores ópticos diretamente ligados a dispositivos de potência como SCRs, TRIACs, IGBTs e Power-MOSFETs, formando assim relés de estado sólido, como o mostrado na figura 8.

 

Uma pequena corrente, suficiente para ativar o LED interno do acoplador pode ser usada para controlar cargas de alta corrente, graças ao circuito adicional no foto-receptor.

As características de isolamento e velocidade de respostas, sem a necessidade de se utilizar dispositivos mecânicos, tornam os relés de estado sólido os preferidos na maioria das aplicações modernas.

 

Chaves Ópticas

As chaves ópticas são diferentes dos acopladores ópticos no sentido de que seu acionamento é feito por algum tipo de objeto que se interpõe ao feixe de luz que vai do elemento transmissor (LED) ao elemento receptor (que pode variar conforme a aplicação).

Na figura 9 temos a estrutura típica de uma chave óptica que encontra uma enorme gama de aplicações em sistemas de controle.

 

A luz do elemento emissor (LED) incide no elemento sensor através de uma abertura.  Quando um objeto interrompe o feixe de luz fenda, um sinal de comando é produzido no sensor.

Numa primeira  aplicação a chave óptica é usada para detectar a posição de peças móveis, conforme mostra a figura 10.

 

Quando a abertura passa pela fenda, a luz incide num elemento sensor, produzindo o sinal de comando. Na figura 11 temos uma outra aplicação em que a passagem dos dentes de uma engrenagem pela fenda produz uma seqüência de pulsos, cuja velocidade serve tanto para determinar a velocidade (rpm) como a posição dessa engrenagem.

 

Uma aplicação importante das chaves ópticas é nos encoders, como o mostrado na figura 12.

 

A passagem das áreas claras e escuras de um disco plástico na fenda da chave óptica produz pulsos que servem para controle do dispositivo em que o disco está acoplado. Neste caso temos o que se denomina “encoder incremental”, já que temos apenas pulsos únicos sendo produzidos em qualquer sentido de rotação. O circuito de controle faz a contagem dos pulsos produzidos para determinar a posição ou velocidade da peça que comanda o movimento do disco.

Uma variação deste tipo de chave óptica é usada no “encoder absoluto” que tem a configuração mostrada na figura 13.

 

Nele temos diversos emissores e receptores (normalmente 8) que “lêem” as informações correspondentes às diversas carreiras de claros e escuros. Dessa forma, eles podem fornecer uma informação paralela que corresponde digitalmente à posição em que o disco e portanto a peça a ele acoplada se encontra.

A grande vantagem desse tipo de encoder é que ele permite determinar a posição exata da peça no momento em que o circuito é ligado e pode detectar seu movimento em qualquer sentido.

 

Características

Para os profissionais que trabalham com acopladores ópticos e chaves ópticas é importante saber interpretar as suas características elétricas e gerais. Assim, separamos essas características em três grupos: do emissor, do receptor e gerais.

 

As características do emissor são:

 

a)Corrente no LED para excitação

Essa corrente depende do tipo. Nos tipos para aplicações lineares, evidentemente o que se tem é uma corrente máxima com valores que determinam a faixa de modulação.

Nos comutadores, entretanto, como os dotados de opto-diacs, podemos ter famílias de dispositivos com diversas correntes mínimas exigidas para o disparo. Um exemplo disso é dado pelos conhecidos acopladores ópticos da série MOC3009, 3010, 3011 3 3012, cuja configuração é mostrada na figura 14.

 

Assim, as correntes de disparo exigidas para travar a saída (latch) são diferentes conforme a tabela abaixo:

 

Tipo - Corrente típica de disparo (LED) - Corrente máxima de disparo (LED) - Unidade

MOC3009 - 18 - 30 - mA

MOC3010 - 8  - 15 - mA

MOC3011 - 5 - 10 - mA

MOC3012 - 3 - 5 - mA

 

A corrente máxima admitida para os LEDs desse acoplador óptico é 60 mA.

 

b)Tensão inversa máxima no LED

É a tensão máxima que pode ser aplicada no LED quando polarizado no sentido inverso. É preciso tomar cuidado com essa características, pois se tratam de valores baixos. Assim, para os dispositivos da série MOC essa tensão é de apenas 3 volts. A proteção do LED com diodos paralelos - inversos, como mostra a figura 15 é uma boa prática.

 

c)Tensão direta no LED

É a tensão mínima que, aplicada ao LED o torna condutor e portanto provoca a emissão de luz. Para os tipos comuns essa tensão está na faixa de 1,2 V a 1,5 V.

 

 

Características do receptor:

 

a)Foto diodos e foto-transistores

Para os foto diodos e foto transistor temos a corrente máxima que eles fornecem quando excitados. Para os foto-transistores poderemos ter famílias de curvas como as mostradas na figura 16.

 

Os foto-Darlingtons têm a vantagem de fornecer correntes de saída bem maiores que os foto-transistores e foto diodos comuns. A grande vantagem dos foto-diodos é a velocidade mais rápida.

A dissipação do foto-transistor ou foto-diodo também é importante pois ela vai influir na dissipação total do dispositivo. Ela será dada em mW a uma temperatura ambiente (normalmente 20 oC) e um fator de degradação que indica de quanto ela diminui para cada grau de temperatura acima do valor tomado como referência.

 

b)Foto diacs

Para os acopladores com foto-diacs duas são as características que normalmente são especificadas. A primeira é a corrente de pico do diac quando ele dispara. Essa corrente é importante pois ela deve ser intensa o suficiente para disparar o TRIAC externo. Os tipos da série MOC, por exemplo, possuem correntes de pico de 1 A, o que é mais do que suficiente para disparar a maioria dos TRIACs comuns

Também neste caso, como segunda característica importante temos a dissipação máxima do componente, dada em mW para uma temperatura de referência e um fator de degradação para cada grau centígrado de elevação.

 

c)Circuitos disparadores

Para os circuitos disparadores temos informações sobre sua compatibilidade com lógica TTL e CMOS, velocidade máxima, e tensão máxima de alimentação.

 

 

Características Gerais

A característica geral mais importante de um isolador óptico é a tensão de isolamento. Normalmente especifica-se o pico de tensão máxima que pode aparecer entre qualquer ponto do receptor e o do emissor suportado pelo dispositivos. Os tipos comuns podem ter tensões de isolamento de 5000 a 8000 V tipicamente.

Também é dada como característica geral do dispositivo, a dissipação máxima, que é a soma da dissipação máxima do emissor e do receptor, em mW à temperatura ambiente, com um fator de degradação.

 

 

Utilização

A maioria dos isoladores ópticos e das chaves ópticas é fornecida em invólucros DIL e SMD de fácil utilização. Seu tamanho reduzido permite uma instalação fácil em qualquer placa de circuito impresso.

No entanto, ao usar um isolador óptico ou uma chave óptica o projetista deve estar atento para suas característica na aplicação especifica.

De um modo geral podemos dar as seguintes recomendações:

 

Aplicação = Tipo Recomendado – Receptor

Sinais Analógicos de Baixa Freqüência = Foto transistor ou toto-Darlington

Sinais Analógicos de Média Freqüência = Foto-diodo ou foto-transistor

Sinais Analógicos e Digitais de Altas Freqüências = Foto-diodo

Sinais de Controle para SCRs e TRIACS = Foto-Darlington, Foto-transistor, foto-diac ou foto-SCR

Sinais Digitais  = Foto-diodo, foto-transistor ou foto-disparador

Controle digital  = Foto-transistor ou foto-disparador

 

Conclusão

Acopladores e Chaves ópticas podem ser usados numa infinidade de aplicações em que se exija transferência de sinais entre circuitos de forma isolada.

A segurança da transferência óptica garante a integridade dos equipamentos e de quem o manuseia.

O uso de chaves e acopladores ópticos como relés de estado sólido é outra opção que deve ser levada em conta ao se analisar esses componentes. Enfim, o leitor projetista deve estar atento às características desses componentes de baixo custo, eficientes e fáceis de obter ao pensar num novo projeto.

 

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