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Acopladores Ópticos em Circuitos Digitais (ART609)

Escrito e publicado em 2009 este artigo aborda o uso de um componente muito importante em equipamentos digitais, pois faz o isolamento ótico de etapas que operam com sinais de alta velocidade. Neste artigo abordamos as principais maneiras como os acopladores ópticos podem ser usados em circuitos digitais e os cuidados que devem ser tomados no seu uso. Um artigo que se encaixa no ramo da eletrônica denominado opto-eletrônica. O artigo foi escrito com base em documentação da Vishay.

Os acopladores ópticos ou opto-acopladores são dispositivos que podem ser encontrados nas aplicações que precisam de um isolamento de sinais tanto analógicos como digitais. Utilizando estes componentes, o projetista saber que as características do circuito adotado são de grande importância tanto para se garantir a transferência correta dos sinais como também levar em conta uma eventual sensibilidade à ruídos externos. Neste artigo, baseado em informações da Vishay (www.vishay.com) damos exemplos de circuitos práticos em que acopladores ópticos são utilizados no isolamento de sinais digitais.

Quando interfaceamos sinais digitais utilizando um acoplador óptico, devemos levar em conta diversas fatores. O primeiro é a sensibilidade do circuito excitado, que exige certo nível mínimo de tensão para fazer a transição lógica. O segundo é a condição em que isso deve ser feito para que tenhamos a velocidade máxima para a transferência do sinal. Finalmente, devemos nos assegurar que a configuração escolhida, além de atender à essas exigências também seja imune à eventuais ruídos que estejam presentes no ambiente de operação. Para estas soluções damos alguns exemplos de circuitos práticos:

 

1. Foto transistor com resistor de emissor

Neste circuito, o foto-transistor do acoplador óptico tem como carga um resistor em seu emissor, sendo o sinal de saída tirado da junção destes dois elementos, conforme mostra a figura 1.

 

Configuração com sinal retirado do emissor do foto-transistor e tendo um resistor como carga.
Configuração com sinal retirado do emissor do foto-transistor e tendo um resistor como carga.

 

Levando em conta que VL deve ser menor que 0,8 V e a corrente IIL deve ser no máximo de 1,6 mA, podemos calcular o valor de RL pela fórmula a seguir, obtendo então 500 ? para valor máximo do resistor.

 

 

Por outro lado, a tensão máximo ViH deve ser de 2,0 V e a corrente IL deve ser menor que 8 mA o que nos leva ao valor máximo de RL:

 

 

Esta interface pode transferir sinais numa freqüência máxima de 50 kHz.

 

2. Foto-transistor com resistor de coletor

Na figura 2 temos uma outra maneira de conectarmos o acoplador óptico a uma entrada TTL. O resistor RL é ligado ao coletor do transistor do foto-acoplador e desta junção é retirado o sinal para a porta TTL.

 

Sinal retirado do coletor do foto-transistor do acoplador óptico.
Sinal retirado do coletor do foto-transistor do acoplador óptico.

 

A fórmula para calcular o valor máxima de RL leva em conta que VIH deve ser de pelo menos 2 V e que IIH deve ser no máximo de 40 uA. Esta fórmula é dada a seguir, nos levando ao valor de 74,6 k como máximo para RL.

 

 

Pode-se trabalhar com uma margem de segurança de 20% aplicando-se então a seguinte fórmula:

 

 

Como este valor está próximo da saturação, deve-se trabalhar com uma corrente menor, conforme mostra a seguinte fórmula:

 

 

Assim, o resistor RL deve ser maior do que 1875 ? nesta aplicação.

Na faixa de valores indicado, pode-se escolher o melhor que garante o desempenho dentro da taxa de dados que se deseja transferir.

 

3. Nível Ativo Baixo (7400)

Na figura 3 temos um circuito que utiliza um resistor pull-up. Este resistor deve ter o menor valor possível para maior velocidade.

 

 Circuito TTL com resistor pull-up
Circuito TTL com resistor pull-up

 

Nesta configuração podemos encontrar algumas variações. A primeira é a mostrada na figura 4, sendo indicada para o caso de estar disponível uma fonte de tensão negativa. O resistor é calculado de modo a se obter uma corrente de 2 mA da entrada do circuito lógico que deve ser excitado.

 

Configuração recomendada quando se dispõe de uma fonte de tensão negativa.
Configuração recomendada quando se dispõe de uma fonte de tensão negativa.

 

No caso em que uma fonte de tensão negativa não esteja disponível, temos a configuração da figura 5 e que exige uma corrente de 10 mA do transistor, além de sacrificar a margem de ruído.

 

Configuração para o caso de não haver fonte negativa disponível.
Configuração para o caso de não haver fonte negativa disponível.

 

Uma possibilidade interessante que apresenta alta sensibilidade mas que sacrifica a margem de ruído é mostrada na figura 6. Nela, um transistor adicional deve ser empregado. Lembramos que estas configurações são válidas para a excitação de portas TTL standard. Para outras lógicas, os valores dos componentes devem ser recalculados.

 

Configuração de alta sensibilidade mas com maior margem de ruído.
Configuração de alta sensibilidade mas com maior margem de ruído.

 

Ainda para obter maior sensibilidade, temos o circuito que utiliza um transistor adicional e que é mostrado na figura 7.

 

 Outra configuração de maior sensibilidade, mas utilizando componentes adicionais.
Outra configuração de maior sensibilidade, mas utilizando componentes adicionais.

 

 

4. Excitação dos LEDs

Para a excitação dos LEDs não existem muitos segredos. No primeiro caso, mostrado na figura 8, temos uma corrente de excitação de aproximadamente 10 mA, resultando numa corrente de 2 mA no foto-transistor do acoplador óptico. Esta é a configuração mais simples que podemos ter, com resultados satisfatórios na maioria dos casos. O resistor pode ser omitido para uma corrente de excitação de aproximadamente 15 mA.

 

Excitação do LED com a saída no nível alto e uma corrente de 10 mA.
Excitação do LED com a saída no nível alto e uma corrente de 10 mA.

 

Para excitação no nível baixo, podem ser utilizado o circuito da figura 9, que faz uso de dois resistores em lugar de um.

 

Excitação do diodo com a saída lógica no nível baixo.
Excitação do diodo com a saída lógica no nível baixo.

 

5. Circuitos de Corrente Alternada

Existem aplicações em que os acopladores ópticos são utilizados para monitorar sinais alternados como, por exemplo, a tensão de uma rede de energia, um sinal de toque numa linha telefônica, etc. Para estas aplicações existem diversas possibilidades, até incluindo acopladores bidirecionais, com LEDs em oposição, conforme mostra o circuito da figura 10.

 

Acoplador óptico bi-direcional para aplicações com sinais alternados.
Acoplador óptico bi-direcional para aplicações com sinais alternados.

 

O valor do resistor em série com a linha de corrente alternada deve ser esclhido de modo a resultar numa corrente RMS de aproximadamente 10 mA nos diodos emissores do acoplador..Veja que este circuito na realidade atua como um conversor AC/DC já que a tensão na saída do foto-transistor é contínua pulsante com o dobro da freqüência da rede de energia.

Na figura 11 temos uma aplicação direta do acoplador num circuito que detecta o sinal de chamada de uma linha telefônica. Os valores dos componentes são calculados de acordo com a aplicação.

 

Detector de chamada telefônica utilizando um acoplador óptico.
Detector de chamada telefônica utilizando um acoplador óptico.

 

Na figura 12 temos um circuito que detecta a presença de um sinal alternado de certa intensidade numa linha, com uma ação bidirecional. Este circuito pode ser utilizado em linhas telefônicas, linhas de alimentação e linhas de sinal em geral.

 

Circuito detector com acoplador óptico direcional para linhas de corrente alternada ou de sinais.
Circuito detector com acoplador óptico direcional para linhas de corrente alternada ou de sinais.

 

Na figura 13 temos um outro circuito que detecta a presença de uma tensão alternada numa linha, operando com retificação de meia onda. Observe que neste circuito temos ainda um filtro formado por um capacitor cujo valor deve ser escolhido de acordo com o tipo de sinal que se deseja no foto-transistor.

 

Outro circuito para detectar sinais ou tensões alternadas numa linha.
Outro circuito para detectar sinais ou tensões alternadas numa linha.

 

Conclusão

Os circuitos práticos que mostramos servem de exemplo para os leitores que desejam utilizar acopladores ópticos com sinais lógicos ou mesmo com corrente alternada. Evidentemente, com base nestes circuitos muito mais pode ser feito, principalmente em termos de melhorias que levem à velocidades maiores e também a maior segurança quanto á imunidade aos ruídos.

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