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Optoaisladores resistivosEditar

Los primeros optoaisladores, comercializados originalmente como células de luz, surgieron en la década de 1960. Empleaban bombillas incandescentes en miniatura como fuentes de luz y fotorresistencias de sulfuro de cadmio (CdS) o seleniuro de cadmio (CdSe) (también llamadas resistencias dependientes de la luz, LDR) como receptores. En las aplicaciones en las que la linealidad del control no era importante, o en las que la corriente disponible era demasiado baja para accionar una bombilla incandescente (como ocurría en los amplificadores de tubo de vacío), se sustituía por una lámpara de neón. Estos dispositivos (o sólo su componente LDR) se denominaban comúnmente Vactrols, por una marca comercial de Vactec, Inc. Desde entonces, la marca ha sido genérica, pero los Vactrols originales siguen siendo fabricados por PerkinElmer.

El retardo de encendido y apagado de una bombilla incandescente se encuentra en el rango de cientos de milisegundos, lo que hace que la bombilla sea un eficaz filtro de paso bajo y rectificador, pero limita el rango de frecuencia de modulación práctica a unos pocos hertzios. Con la introducción de los diodos emisores de luz (LED) en 1968-1970, los fabricantes sustituyeron las bombillas incandescentes y de neón por LED y consiguieron tiempos de respuesta de 5 milisegundos y frecuencias de modulación de hasta 250 Hz. El nombre de Vactrol se trasladó a los dispositivos basados en LED que, a partir de 2010, se siguen produciendo en pequeñas cantidades.

Los fotorresistores utilizados en los optoaisladores se basan en efectos de masa en una película uniforme de semiconductor; no hay uniones p-n. Los fotorresistores son dispositivos no polares, únicos entre los fotosensores, aptos para circuitos de corriente alterna o continua. Su resistencia desciende en proporción inversa a la intensidad de la luz entrante, desde prácticamente el infinito hasta un piso residual que puede ser tan bajo como menos de cien ohmios. Estas propiedades convirtieron al Vactrol original en un control de ganancia y compresor automático cómodo y barato para las redes telefónicas. Los fotorresistores soportaban fácilmente tensiones de hasta 400 voltios, lo que los hacía ideales para accionar pantallas fluorescentes de vacío. Otras aplicaciones industriales eran las fotocopiadoras, la automatización industrial, los instrumentos profesionales de medición de luz y los medidores de autoexposición. La mayoría de estas aplicaciones han quedado obsoletas, pero los optoaisladores resistivos conservaron un nicho en el mercado del audio, en particular en el de los amplificadores de guitarra.

Los fabricantes de guitarras y órganos estadounidenses de la década de 1960 adoptaron el optoaislador resistivo como un modulador de trémolo cómodo y barato. Los primeros efectos de trémolo de Fender utilizaban dos tubos de vacío; después de 1964, uno de estos tubos se sustituyó por un optoacoplador formado por una LDR y una lámpara de neón. A día de hoy, los Vactrols que se activan al pisar el pedal del stompbox son omnipresentes en la industria musical. La escasez de Vactrols originales de PerkinElmer obligó a la comunidad de guitarristas de bricolaje a «fabricar sus propios» optoaisladores resistivos. Hasta la fecha, los guitarristas prefieren los efectos optoaislados porque su separación superior de las tierras de audio y de control da como resultado una «calidad inherente del sonido». Sin embargo, la distorsión introducida por una fotorresistencia a nivel de señal de línea es mayor que la de un amplificador profesional controlado por tensión y acoplado eléctricamente. El rendimiento se ve aún más comprometido por las lentas fluctuaciones de la resistencia debidas a la historia de la luz, un efecto de memoria inherente a los compuestos de cadmio. Tales fluctuaciones tardan horas en asentarse y sólo pueden compensarse parcialmente con la retroalimentación en el circuito de control.

Optoaisladores de fotodiodoEditar

Un optoaislador de fotodiodo rápido con un circuito amplificador en el lado de salida.

Los optoaisladores de diodo emplean LEDs como fuentes de luz y fotodiodos de silicio como sensores. Cuando el fotodiodo está en polarización inversa con una fuente de tensión externa, la luz entrante aumenta la corriente inversa que fluye a través del diodo. El propio diodo no genera energía, sino que modula el flujo de energía procedente de una fuente externa. Este modo de funcionamiento se denomina modo fotoconductor. Alternativamente, en ausencia de polarización externa, el diodo convierte la energía de la luz en energía eléctrica cargando sus terminales a una tensión de hasta 0,7 V. La velocidad de carga es proporcional a la intensidad de la luz entrante. La energía se recoge drenando la carga a través de una vía externa de alta impedancia; la relación de transferencia de corriente puede alcanzar el 0,2%. Este modo de funcionamiento se denomina modo fotovoltaico.

Los optoaisladores más rápidos emplean diodos PIN en modo fotoconductor. Los tiempos de respuesta de los diodos PIN se sitúan en el rango de los subnanosegundos; la velocidad total del sistema está limitada por los retrasos en la salida del LED y en los circuitos de polarización. Para minimizar estos retrasos, los optoaisladores digitales rápidos contienen sus propios controladores de LED y amplificadores de salida optimizados para la velocidad. Estos dispositivos se denominan optoaisladores de lógica completa: sus LED y sensores están totalmente encapsulados dentro de un circuito lógico digital. La familia de dispositivos 6N137/HPCL2601 de Hewlett-Packard, equipada con amplificadores de salida internos, se introdujo a finales de los años 70 y alcanzó velocidades de transferencia de datos de 10 MBd. Siguió siendo un estándar de la industria hasta la introducción de la familia 7723/0723 de Agilent Technologies de 50 MBd en 2002. Los optoaisladores de la serie 7723/0723 contienen controladores de LED CMOS y amplificadores con buffer CMOS, que requieren dos fuentes de alimentación externas independientes de 5 V cada una.

Los optoaisladores de fotodiodo pueden utilizarse para interconectar señales analógicas, aunque su no linealidad distorsiona invariablemente la señal. Una clase especial de optoaisladores analógicos introducida por Burr-Brown utiliza dos fotodiodos y un amplificador operacional del lado de entrada para compensar la no linealidad de los diodos. Uno de los dos diodos idénticos está conectado al bucle de realimentación del amplificador, que mantiene la relación de transferencia de corriente global a un nivel constante independientemente de la no linealidad en el segundo diodo (de salida).

El 3 de junio de 2011 se presentó una idea novedosa de un aislador de señal analógica óptica particular. La configuración propuesta consiste en dos partes diferentes. Una de ellas transfiere la señal, y la otra establece una retroalimentación negativa para garantizar que la señal de salida tenga las mismas características que la señal de entrada. Este aislador analógico propuesto es lineal en un amplio rango de tensión y frecuencia de entrada. Sin embargo, los optoacopladores lineales que utilizan este principio han estado disponibles durante muchos años, por ejemplo el IL300.

Los relés de estado sólido construidos alrededor de interruptores MOSFET suelen emplear un optoaislador de fotodiodo para accionar el interruptor. La puerta de un MOSFET requiere una carga total relativamente pequeña para encenderse y su corriente de fuga en estado estacionario es muy baja. Un fotodiodo en modo fotovoltaico puede generar carga de encendido en un tiempo razonablemente corto, pero su tensión de salida es muchas veces inferior a la tensión umbral del MOSFET. Para alcanzar el umbral necesario, los relés de estado sólido contienen pilas de hasta treinta fotodiodos conectados en serie.

Optoaisladores de fototransistoresEditar

Los fototransistores son intrínsecamente más lentos que los fotodiodos. El primer y más lento optoaislador 4N35, por ejemplo, tiene tiempos de subida y bajada de 5 μs en una carga de 100 ohmios y su ancho de banda está limitado a unos 10 kilohercios, lo que es suficiente para aplicaciones como la electroencefalografía o el control de motores por ancho de pulso. Dispositivos como el PC-900 o el 6N138, recomendados en la especificación original de 1983 sobre la interfaz digital para instrumentos musicales, permiten velocidades de transferencia de datos digitales de decenas de kiloBaudios. Los fototransistores deben estar correctamente polarizados y cargados para alcanzar sus velocidades máximas; por ejemplo, el 4N28 funciona hasta 50 kHz con una polarización óptima y menos de 4 kHz sin ella.

El diseño con optoaisladores de transistores requiere generosas concesiones para las amplias fluctuaciones de los parámetros que se encuentran en los dispositivos disponibles en el mercado. Estas fluctuaciones pueden ser destructivas, por ejemplo, cuando un optoaislador en el bucle de realimentación de un convertidor CC-CC cambia su función de transferencia y provoca oscilaciones espurias, o cuando retrasos inesperados en los optoaisladores provocan un cortocircuito a través de un lado de un puente H. Las hojas de datos de los fabricantes suelen indicar sólo los peores valores para los parámetros críticos; los dispositivos reales superan estas estimaciones de los peores casos de forma impredecible. Bob Pease observó que la relación de transferencia de corriente en un lote de 4N28 puede variar del 15% a más del 100%; la hoja de datos sólo especificaba un mínimo del 10%. La beta del transistor en el mismo lote puede variar de 300 a 3000, lo que da lugar a una variación de 10:1 en el ancho de banda.

Los optoaisladores que utilizan transistores de efecto de campo (FET) como sensores son poco frecuentes y, al igual que los vactrols, pueden utilizarse como potenciómetros analógicos por control remoto siempre que la tensión a través del terminal de salida del FET no supere unos cientos de mV. Los opto-FET se encienden sin inyectar carga de conmutación en el circuito de salida, lo que resulta especialmente útil en los circuitos de muestreo y retención.

Optoaisladores bidireccionalesEditar

Todos los optoaisladores descritos hasta ahora son unidireccionales. El canal óptico siempre funciona en un sentido, desde la fuente (LED) hasta el sensor. Los sensores, ya sean fotorresistencias, fotodiodos o fototransistores, no pueden emitir luz. Pero los LED, como todos los diodos semiconductores, son capaces de detectar la luz entrante, lo que hace posible la construcción de un optoaislador bidireccional a partir de un par de LED. El optoaislador bidireccional más sencillo es simplemente un par de LEDs colocados frente a frente y mantenidos juntos con tubos termorretráctiles. Si es necesario, el espacio entre dos LEDs puede ampliarse con un inserto de fibra de vidrio.

Los LEDs del espectro visible tienen una eficiencia de transferencia relativamente pobre, por lo que los LEDs de GaAs, GaAs:Si y AlGaAs:Si del espectro infrarrojo cercano son la opción preferida para los dispositivos bidireccionales. Los optoaisladores bidireccionales construidos en torno a pares de LEDs de GaAs:Si tienen una relación de transferencia de corriente de alrededor del 0,06% en modo fotovoltaico o fotoconductor, menos que los aisladores basados en fotodiodos, pero suficientemente prácticos para las aplicaciones del mundo real.