Free Press

Optoisolatori resistiviModifica

I primi optoisolatori, originariamente commercializzati come celle di luce, sono emersi negli anni ’60. Impiegavano lampadine a incandescenza in miniatura come fonti di luce, e fotoresistori al solfuro di cadmio (CdS) o al seleniuro di cadmio (CdSe) (chiamati anche resistori dipendenti dalla luce, LDR) come ricevitori. Nelle applicazioni in cui la linearità di controllo non era importante, o dove la corrente disponibile era troppo bassa per pilotare una lampadina a incandescenza (come nel caso degli amplificatori a valvole), questa veniva sostituita con una lampada al neon. Questi dispositivi (o solo il loro componente LDR) erano comunemente chiamati Vactrols, da un marchio di Vactec, Inc. Il marchio è stato generalizzato, ma i Vactrols originali sono ancora prodotti da PerkinElmer.

Il ritardo di accensione e spegnimento di una lampadina a incandescenza si trova in centinaia di millisecondi, che rende la lampadina un efficace filtro passa-basso e raddrizzatore, ma limita la gamma di frequenza di modulazione pratica a pochi Hertz. Con l’introduzione dei diodi emettitori di luce (LED) nel 1968-1970, i produttori hanno sostituito le lampade a incandescenza e al neon con i LED e hanno raggiunto tempi di risposta di 5 millisecondi e frequenze di modulazione fino a 250 Hz. Il nome Vactrol è stato riportato sui dispositivi basati sui LED che, a partire dal 2010, sono ancora prodotti in piccole quantità.

I fotoresistori utilizzati negli optoisolatori si basano su effetti di massa in un film uniforme di semiconduttore; non ci sono giunzioni p-n. Unicamente tra i fotosensori, i fotoresistori sono dispositivi non polari adatti sia per i circuiti AC che DC. La loro resistenza scende in proporzione inversa all’intensità della luce in entrata, da praticamente infinito a un piano residuo che può essere inferiore a un centinaio di Ohm. Queste proprietà hanno fatto del Vactrol originale un comodo ed economico controllo automatico del guadagno e compressore per le reti telefoniche. I fotoresistori sopportavano facilmente tensioni fino a 400 volt, il che li rendeva ideali per pilotare display fluorescenti a vuoto. Altre applicazioni industriali includevano fotocopiatrici, automazione industriale, strumenti professionali di misurazione della luce e misuratori di auto-esposizione. La maggior parte di queste applicazioni sono ormai obsolete, ma gli optoisolatori resistivi hanno mantenuto una nicchia nel mercato dell’audio, in particolare degli amplificatori per chitarra.

I produttori americani di chitarre e organi degli anni ’60 abbracciarono l’optoisolatore resistivo come modulatore tremolo comodo ed economico. I primi effetti tremolo di Fender usavano due tubi a vuoto; dopo il 1964 uno di questi tubi fu sostituito da un optoisolatore composto da un LDR e una lampada al neon. Ad oggi, i Vactrols attivati dalla pressione del pedale dello stompbox sono onnipresenti nell’industria musicale. La scarsità di Vactrols originali PerkinElmer ha costretto la comunità di chitarristi autocostruttori a “rollare i propri” optoisolatori resistivi. I chitarristi fino ad oggi preferiscono gli effetti opto-isolati perché la loro superiore separazione dei terreni audio e di controllo si traduce in una “qualità intrinseca del suono”. Tuttavia, la distorsione introdotta da un fotoresistore a livello di segnale di linea è superiore a quella di un amplificatore professionale ad accoppiamento elettrico controllato in tensione. Le prestazioni sono ulteriormente compromesse dalle lente fluttuazioni della resistenza dovute alla storia della luce, un effetto memoria inerente ai composti di cadmio. Tali fluttuazioni impiegano ore per assestarsi e possono essere solo parzialmente compensate dal feedback nel circuito di controllo.

Optoisolatori a fotodiodoModifica

Un veloce optoisolatore a fotodiodo con un circuito amplificatore lato uscita.

Gli optoisolatori a diodo utilizzano LED come fonti di luce e fotodiodi al silicio come sensori. Quando il fotodiodo è invertito con una fonte di tensione esterna, la luce in arrivo aumenta la corrente inversa che scorre attraverso il diodo. Il diodo stesso non genera energia; modula il flusso di energia da una fonte esterna. Questa modalità di funzionamento è chiamata modalità fotoconduttiva. In alternativa, in assenza di polarizzazione esterna, il diodo converte l’energia della luce in energia elettrica caricando i suoi terminali ad una tensione fino a 0,7 V. Il tasso di carica è proporzionale all’intensità della luce in entrata. L’energia viene raccolta scaricando la carica attraverso un percorso esterno ad alta impedenza; il rapporto di trasferimento di corrente può raggiungere lo 0,2%. Questa modalità di funzionamento è chiamata modalità fotovoltaica.

Gli optoisolatori più veloci impiegano diodi PIN in modalità fotoconduttiva. I tempi di risposta dei diodi PIN sono nell’intervallo di subnanosecondi; la velocità complessiva del sistema è limitata dai ritardi nell’uscita del LED e nei circuiti di polarizzazione. Per minimizzare questi ritardi, gli optoisolatori digitali veloci contengono i propri driver LED e amplificatori di uscita ottimizzati per la velocità. Questi dispositivi sono chiamati optoisolatori a logica completa: i loro LED e sensori sono completamente incapsulati in un circuito logico digitale. La famiglia di dispositivi Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601 dotata di amplificatori di uscita interni fu introdotta alla fine degli anni ’70 e raggiunse una velocità di trasferimento dati di 10 MBd. È rimasta uno standard industriale fino all’introduzione della famiglia Agilent Technologies 7723/0723 da 50 MBd nel 2002. Gli optoisolatori della serie 7723/0723 contengono driver LED CMOS e un amplificatore con buffer CMOS, che richiedono due alimentazioni esterne indipendenti di 5 V ciascuna.

Gli optoisolatori a fotodiodi possono essere utilizzati per interfacciare segnali analogici, anche se la loro non linearità distorce invariabilmente il segnale. Una classe speciale di optoisolatori analogici introdotta da Burr-Brown utilizza due fotodiodi e un amplificatore operativo lato ingresso per compensare la non linearità dei diodi. Uno dei due diodi identici è cablato nel ciclo di feedback dell’amplificatore, che mantiene il rapporto di trasferimento di corrente complessivo a un livello costante indipendentemente dalla non linearità nel secondo diodo (di uscita).

Un’idea nuova di un particolare isolatore di segnale analogico ottico è stata presentata il 3, giugno 2011. La configurazione proposta consiste di due parti diverse. Una di esse trasferisce il segnale, e l’altra stabilisce un feedback negativo per assicurare che il segnale di uscita abbia le stesse caratteristiche del segnale di ingresso. Questo isolatore analogico proposto è lineare su un’ampia gamma di tensione d’ingresso e frequenza. Tuttavia gli opto-accoppiatori lineari che utilizzano questo principio sono disponibili da molti anni, per esempio l’IL300.

I relè a stato solido costruiti intorno agli interruttori MOSFET di solito impiegano un opto-isolatore a fotodiodo per pilotare l’interruttore. Il gate di un MOSFET richiede una carica totale relativamente piccola per accendersi e la sua corrente di perdita in stato stazionario è molto bassa. Un fotodiodo in modalità fotovoltaica può generare una carica di accensione in un tempo ragionevolmente breve, ma la sua tensione di uscita è molte volte inferiore alla tensione di soglia del MOSFET. Per raggiungere la soglia richiesta, i relè a stato solido contengono pile di fino a trenta fotodiodi collegati in serie.

Fototransistor optoisolatoriModifica

I fototransistor sono intrinsecamente più lenti dei fotodiodi. Il primo e il più lento ma ancora comune optoisolatore 4N35, per esempio, ha tempi di salita e discesa di 5 μs in un carico di 100 Ohm e la sua larghezza di banda è limitata a circa 10 kilohertz – sufficiente per applicazioni come l’elettroencefalografia o il controllo motore a larghezza di impulso. Dispositivi come PC-900 o 6N138 raccomandati nella specifica originale del 1983 Musical Instrument Digital Interface permettono velocità di trasferimento dati digitali di decine di kiloBauds. I fototransistor devono essere correttamente polarizzati e caricati per raggiungere le loro velocità massime, per esempio, il 4N28 opera fino a 50 kHz con polarizzazione ottimale e meno di 4 kHz senza di essa.

La progettazione con optoisolatori a transistor richiede generose tolleranze per ampie fluttuazioni di parametri che si trovano nei dispositivi disponibili in commercio. Tali fluttuazioni possono essere distruttive, per esempio, quando un optoisolatore nel ciclo di feedback di un convertitore DC-to-DC cambia la sua funzione di trasferimento e causa oscillazioni spurie, o quando ritardi imprevisti negli optoisolatori causano un corto circuito attraverso un lato di un ponte H. Le schede tecniche dei produttori elencano tipicamente solo i valori del caso peggiore per i parametri critici; i dispositivi reali superano queste stime del caso peggiore in modo imprevedibile. Bob Pease ha osservato che il rapporto di trasferimento di corrente in un lotto di 4N28 può variare dal 15% a più del 100%; il datasheet specificava solo un minimo del 10%. Il beta del transistor nello stesso lotto può variare da 300 a 3000, risultando in una varianza di 10:1 nella larghezza di banda.

Gli optoisolatori che usano transistor a effetto campo (FET) come sensori sono rari e, come i vactrol, possono essere usati come potenziometri analogici controllati a distanza a condizione che la tensione attraverso il terminale di uscita del FET non superi poche centinaia di mV. Gli opto-FET si accendono senza iniettare carica di commutazione nel circuito di uscita, il che è particolarmente utile nei circuiti sample and hold.

Optoisolatori bidirezionaliModifica

Tutti gli optoisolatori descritti finora sono monodirezionali. Il canale ottico funziona sempre a senso unico, dalla sorgente (LED) al sensore. I sensori, siano essi fotoresistori, fotodiodi o fototransistor, non possono emettere luce. Ma i LED, come tutti i diodi semiconduttori, sono in grado di rilevare la luce in entrata, il che rende possibile la costruzione di un optoisolatore bidirezionale da una coppia di LED. Il più semplice optoisolatore bidirezionale è semplicemente una coppia di LED messi faccia a faccia e tenuti insieme con un tubo termorestringente. Se necessario, lo spazio tra due LED può essere esteso con un inserto in fibra di vetro.

I LED a spettro visibile hanno un’efficienza di trasferimento relativamente scarsa, quindi i LED GaAs, GaAs:Si e AlGaAs:Si a spettro quasi infrarosso sono la scelta preferita per i dispositivi bidirezionali. Gli optoisolatori bidirezionali costruiti intorno a coppie di LED GaAs:Si hanno un rapporto di trasferimento di corrente di circa 0,06% in modalità fotovoltaica o fotoconduttiva – meno degli isolatori basati su fotodiodi, ma sufficientemente pratico per le applicazioni del mondo reale.