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Usando acopladores ópticos (ART974)

Um dos componentes mais usados no projeto de interfaces entre o PC e qualquer circuito de potência é o acoplador óptico. Veja neste artigo considerações básicas sobre o uso deste componente além de circuitos práticos que podem ser de grande utilidade para os leitores envolvidos na área de projetos.

Os acopladores ópticos são componentes que possibilitam a transferência de um sinal de controle ou mesmo de um sinal que carregue uma informação de um circuito para outro sem a necessidade de meios físicos.

O sinal é transferido por um feixe de luz produzido por um emissor LED) e recebido por um sensor que pode ir desde um foto-diodo até um foto-diac.

Como não existe contacto entre os dois componentes o isolamento entre a fonte de sinal e o receptor é teoricamente infinito. Na prática existem limites que são dados por exemplo pela máxima tensão que pode existir entre os elementos sem que haja perigo de centelhamento, normalmente variando entre 2000 e 7000 volts para os tipos mais comuns.

Na figura 1 temos o aspecto, a estrutura interna e o símbolo usado para o tipo mais comum que faz uso de um LED emissor de infravermelhos e um foto-transistor bipolar como sensor.

 

Um acoplador óptico com foto-transistor.
Um acoplador óptico com foto-transistor.

 

Na grande família de acopladores ópticos disponibilizada por muitos fabricantes destaca-se o 4N25 que é a base de muitos projetos e que será também a usada como referência nas aplicações que descreveremos neste artigo.

Ao se fazer um projeto usando um acoplador óptico devemos considerar dois circuitos separados: o de excitação do sensor que corresponde à entrada e receptor que consiste na saída.

Analisamos os dois casos.

 

CARACTERISTICAS DE ENTRADA E SAÍDA

A entrada de sinal é feita por um LED que deve ser convenientemente excitado para produzir radiação no nível que excite o receptor (sensor).

Assim, devemos levar em conta tanto a tensão mínima que deve ser aplicada ao LED para sua condução como também a corrente mínima para se obter a excitação do sensor.

De qualquer forma sempre é importante lembrar que um resistor limitador de corrente é necessário e seu valor pode ser calculado levando-se em conta a corrente no LED.

Para a saída temos um foto-transistor e as principais características que devem ser levadas em conta num projeto são a corrente de coletor e a tensão máxima entre emissor e coletor.

Além destas características estáticas do transistor é importante levar em conta suas características dinâmicas já que em muitas aplicações de interfaceamento e controle a transferência de sinais ocorre numa velocidade muito alta.

Assim, em qualquer projeto que envolva um acoplador óptico e que opere em alta velocidade o tempo de resposta do sensor e do próprio emissor devem ser levados em conta.

O fotoemissor (LED) pode operar com sinais de até vários megahertz sendo excitado diretamente, mas a resposta do foto-transistor depende de sua polarização.

Existem circuitos que aumentam sua velocidade de resposta mas o recurso mais comum é o que faz uso de correntes mais elevadas de coletor quando se deseja uma resposta mais rápida.

A curva mostrada na figura 2 mostra como o tempo de comutação varia com a corrente de coletor do transistor usado como sensor.

 

A velocidade aumenta com a corrente de coletor.
A velocidade aumenta com a corrente de coletor.

 

A resistência de carga também influi na velocidade de resposta conforme mostra a figura 3.

 

Menor resistência de carga aumenta a velocidade de resposta do sensor.
Menor resistência de carga aumenta a velocidade de resposta do sensor.

 

 

Observe, entretanto, que apesar dos LEDs poderem ser modulados com frequências muito altas o foto-transistor usado como sensor não tem uma resposta que permita sua utilização muito acima dos 600 kHz.

Estes fatos devem ser levados em conta quando se pretende transferir dados ou sinais de controle através de uma interface com velocidades muito altas.

Leve-se em conta que um sinal digital quando utilizado numa velocidade limite do sensor sofre uma deformação que precisa ser compensada por circuitos externos.

 

APLICAÇÕES

Pelas considerações feitas podemos dar alguns circuitos bastante interessantes que podem ser usados em projetos.

Estes circuitos são sugeridos pela Motorola através de seu Optoelectronic Device Data e tem por observação o faro de que eles foram montados em protoboards e em muitos casos os valores dos componentes não foram otimizados. Isso significa que muitos dos circuitos podem eventualmente precisar de alterações de valores componentes conforme as aplicações visadas.

 

1. Circuito Para Operação com Pulsos

A primeira aplicação típica é a mostrada na figura 4 em que o circuito opera com pulsos aplicados ao LED.

 

Operação por pulsos.
Operação por pulsos.

 

 

Nesta modalidade o LED liga ou desliga conforme o nível dos pulsos produzindo uma saída equivalente no resistor de carga. Este resistor pode ter valores típicos entre 100 e 1 000 Ω lembrando que maiores valores significam menor velocidade de resposta.

 

2. Operação no Modo Linear

No circuito da figura 5 o LED pode ser modulado por um sinal de áudio ou mesmo de média frequência (modem, etc.).

 

Operação no modo linear.
Operação no modo linear.

 

 

O LED é polarizado de modo a conduzir mais ou menos metade da corrente máxima enquanto que o sinal deve ter amplitude máxima tal que faça a corrente oscilar no LED entre 0 e o valor máximo previsto.

 

3. Acionando SCRs

O circuito da figura 6 é uma aplicação para excitar um SCR usando um 4N26.

 

Acionamento de SCRs.
Acionamento de SCRs.

 

 

Nesta aplicação o SCR está sendo usado para controlar uma carga indutiva daí a presença do diodo em paralelo. O SCR usado exige uma corrente de disparo da ordem de 1 mA. A corrente no LED para o disparo deve ser de pelo menos 5 mA já que o circuito tem um rendimento de 0,2.

O resistor de 1k serve de polarização de comporta para o SCR.

 

4. Acoplador Para Sinais AC

O circuito mostrado na figura 7 serve para aplicar um sinal de áudio a um amplificador operacional de modo completamente isolado.

 

Acoplador para sinais AC.
Acoplador para sinais AC.

 

 

O sinal aplicado ao LED como modulador é depois amplificado pelo amplificador operacional. O ganho deste amplificador é dado pelo resistor de 100 k em relação ao resistor de 10 k e é no caso 10 vezes. Este resistor pode ser alterado conforme a aplicação.

Para que a passagem do sinal de um circuito para outro ocorra com um mínimo de distorção é preciso polarizar convenientemente o LED o que significa fixar sua corrente em repouso em algo em torno de 10 mA.

Como o sinal do sensor é acoplado capacitivamente ao amplificador operacional somente a componente alternada aparece no circuito.

 

5. Acoplador Diodo-Diodo

O circuito mostrado na figura 8 utiliza o sensor do 4N26 não como um foto-transistor mas sim como um foto-diodo.

 

Acoplador diodo-diodo
Acoplador diodo-diodo

 

 

Aproveita-se a junção coletor-base do transistor nesta função obtendo-se desta forma uma resposta muito mais rápida. De fato, o circuito tem seu tempo de resposta reduzido de 2 a 3 us para apenas 100 ns com esta configuração. Trata-se, portanto de circuito ideal para o trabalho com sinais de frequência mais elevada já que a velocidade do acoplador pode ser multiplicada por mais de 10 vezes.

 

6. Esticador de Pulsos

Na aplicação mostrada na figura 9 "estica-se" a duração de um pulso aplicado a entrada que passa a ter duração constante que depende do capacitor C e do resistor R.

 

Esticador de pulso.
Esticador de pulso.

 

 

A duração do pulso de saída é dada por 0,7 x R x C mais a duração do pulso de entrada.

Para disparar o circuito necessita-se de um pulso de 3 us de duração com 15 mA de corrente no LED. Com isso pode-se obter um pulso de 6 us de duração com os valores indicados no diagrama.

 

7. Schmitt Trigger Óptico

Esta é uma aplicação interessante onde a partir de um pulso de entrada obtemos uma saída de duração constante conforme mostram os gráficos junto ao diagrama da figura 10.

 

Schimitt-trigger óptico.
Schimitt-trigger óptico.

 

 

O resistor de 100 k Ω aumenta a sensibilidade do circuito mas por outro lado reduz sua velocidade de resposta. Podem ser usados resistores de menor valor para uma resposta mais rápida, mas por outro lado isso vai significar a necessidade de uma corrente maior de disparo.

 

8. Flip-Flop R-S Óptico

Na figura 11 temos um flip-flop que é disparado pelo acionamento dos LEDs de dois acopladores do tipo 4N26.

 

Flip-flop R-S óptico.
Flip-flop R-S óptico.

 

Os pulsos aplicados as entradas para setar e ressetar o circuito devem ter 2 V de amplitude para os valores de componentes usados, conforme mostram as curvas junto ao diagrama.

A duração mínima dos pulsos que podem comandar este flip-flop é de 3 us.

 

9. Amplificador de Pulsos

O circuito mostrado na figura 12 aumenta a intensidade dos pulsos aplicados ao LED de um opto acoplador do tipo 4N26 que passam de 2 para 5 V. A entrada e saída do circuito são representadas junto ao diagrama para que se observe as distorções e atrasos introduzidos no processo de amplificação.

 

Amplificador de pulso
Amplificador de pulso

 

 

CONCLUSÃO

Em todas as aplicações é preciso ter em mente sempre as características tanto dinâmicas como os limites de tensão e corrente dos componentes usados.

De qualquer maneira uma solução para quem deseja transferir sinais entre circuitos com isolamento total é o isolador óptico.

As configurações mostradas neste artigo podem servir de base para os projetos que o leitor tem em mente.

 

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N° do componente 

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