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Resistivos opto-isoladoresEditar

Artigo principal: O primeiro opto-isolador, originalmente comercializado como células leves, surgiu na década de 1960. Eles empregavam como fontes de luz lâmpadas incandescentes miniatura, e como receptores os fotorresistores de sulfato de cádmio (CdS) ou selenieto de cádmio (CdSe) (também chamados de resistores dependentes de luz, LDRs). Em aplicações onde a linearidade de controle não era importante, ou onde a corrente disponível era muito baixa para dirigir uma lâmpada incandescente (como era o caso em amplificadores de tubo de vácuo), ela foi substituída por uma lâmpada de néon. Estes dispositivos (ou apenas o seu componente LDR) receberam o nome comum de Vactrols, após uma marca registrada da Vactec, Inc., que é uma lâmpada de néon. A marca registrada foi desde então genérica, mas os Vactrols originais ainda estão sendo fabricados pela PerkinElmer.

O tempo de ligação e desligamento de uma lâmpada incandescente está na faixa de centenas de milissegundos, o que torna a lâmpada um filtro e retificador de baixa passagem eficaz, mas limita a faixa de frequência de modulação prática a alguns Hertz. Com a introdução dos díodos emissores de luz (LEDs) em 1968-1970, os fabricantes substituíram as lâmpadas incandescentes e de néon por LEDs e alcançaram tempos de resposta de 5 milissegundos e frequências de modulação até 250 Hz. O nome Vactrol foi transferido para dispositivos baseados em LEDs que, a partir de 2010, ainda são produzidos em pequenas quantidades.

Os fotorresistores utilizados em opto-isoladores dependem de efeitos a granel em uma película uniforme de semicondutor; não há junções p-n. Exclusivamente entre os fotossensores, os fotossistores são dispositivos não-polares adequados tanto para circuitos AC como DC. Sua resistência cai na proporção inversa à intensidade da luz de entrada, desde o praticamente infinito até um piso residual que pode ser tão baixo quanto menos de cem Ohms. Estas propriedades tornaram o Vactrol original um conveniente e barato controle de ganho automático e compressor para redes telefônicas. Os fotossistores resistem facilmente a tensões até 400 volts, o que os torna ideais para a condução de visores fluorescentes a vácuo. Outras aplicações industriais incluem fotocopiadoras, automação industrial, instrumentos profissionais de medição de luz e medidores de exposição automática. A maioria destas aplicações são agora obsoletas, mas os opto-isoladores resistivos mantiveram um nicho no áudio, em particular o amplificador de guitarra, mercados.

Os fabricantes americanos de guitarras e órgãos dos anos 60 abraçaram o opto-isolador resistivo como um modulador de tremolo conveniente e barato. Os primeiros efeitos de tremolo de Fender usavam dois tubos de vácuo; após 1964 um destes tubos foi substituído por um optoacoplador feito de um LDR e uma lâmpada de néon. Até hoje, os Vactrols ativados por pressão no pedal do stompbox são onipresentes na indústria musical. A escassez de Vactrols PerkinElmer genuínos forçou a comunidade de guitarras DIY a “rolar seus próprios” opto-isoladores resistivos. Os guitarristas até hoje preferem os efeitos opto-isoladores porque sua separação superior dos solos de áudio e controle resulta em “qualidade de som inerentemente alta”. No entanto, a distorção introduzida por um fotossistor ao nível do sinal de linha é mais elevada do que a de um amplificador profissional com controlo de tensão acoplado electricamente. O desempenho é ainda comprometido por flutuações lentas de resistência devido ao histórico de luz, um efeito de memória inerente aos compostos de cádmio. Tais flutuações levam horas a assentar e podem ser apenas parcialmente compensadas com feedback no circuito de controlo.

Fotodiodo opto-isoladoresEditar

Um fotodiodo rápido opto-isolador com um circuito amplificador de saída.

Os fotodiodos opto-isoladores empregam LEDs como fontes de luz e fotodiodos de silício como sensores. Quando o fotodíodo é polarizado com uma fonte de tensão externa, a luz de entrada aumenta a corrente inversa que flui através do diodo. O próprio diodo não gera energia; ele modula o fluxo de energia de uma fonte externa. Este modo de operação é chamado modo fotocondutivo. Alternativamente, na ausência de polarização externa, o diodo converte a energia da luz em energia elétrica carregando seus terminais para uma tensão de até 0,7 V. A taxa de carga é proporcional à intensidade da luz de entrada. A energia é captada através da drenagem da carga por um caminho externo de alta impedância; a taxa de transferência de corrente pode chegar a 0,2%. Este modo de operação é chamado de modo fotovoltaico.

Os opto-isoladores mais rápidos empregam díodos PIN no modo fotocondutor. Os tempos de resposta dos díodos PIN estão na faixa de subnanossegundos; a velocidade geral do sistema é limitada por atrasos na saída de LEDs e em circuitos de polarização. Para minimizar esses atrasos, os opto-isoladores digitais rápidos contêm seus próprios drivers LED e amplificadores de saída otimizados para velocidade. Estes dispositivos são chamados de opto-isoladores lógicos completos: seus LEDs e sensores são totalmente encapsulados dentro de um circuito lógico digital. A família Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601 de dispositivos equipados com amplificadores de saída internos foi introduzida no final dos anos 70 e atingiu velocidades de transferência de dados de 10 MBd. Ela permaneceu um padrão da indústria até a introdução da família 50 MBd Agilent Technologies 7723/0723, em 2002. Os opto-isoladores da série 7723/0723 contêm drivers CMOS LED e um amplificador CMOS com buffer, que requerem duas fontes de alimentação externas independentes de 5 V cada.

Os opto-isoladores com fotodiodo podem ser usados para interfacear sinais analógicos, embora a sua não-linearidade distorça invariavelmente o sinal. Uma classe especial de opto-isoladores analógicos introduzidos pela Burr-Brown usa dois fotodiodos e um amplificador operacional de entrada para compensar a não-linearidade dos diodos. Um de dois diodos idênticos é conectado ao loop de realimentação do amplificador, que mantém a relação de transferência de corrente global a um nível constante independentemente da não-linearidade no segundo diodo (de saída).

Uma nova idéia de um determinado isolador de sinal óptico analógico foi apresentada em 3 de junho de 2011. A configuração proposta consiste em duas partes diferentes. Uma delas transfere o sinal, e a outra estabelece uma realimentação negativa para garantir que o sinal de saída tenha as mesmas características que o sinal de entrada. Este isolador analógico proposto é linear em uma ampla faixa de tensão e freqüência de entrada. No entanto, os acopladores ópticos lineares que usam este princípio estão disponíveis há muitos anos, por exemplo o IL300.

Relés de estado sólido construídos em torno de interruptores MOSFET geralmente empregam um fotodiodo opto-isolador para acionar o interruptor. A porta de um MOSFET requer uma carga total relativamente pequena para se ligar e sua corrente de fuga em estado estável é muito baixa. Um fotodíodo em modo fotovoltaico pode gerar carga de ativação em um tempo razoavelmente curto, mas sua tensão de saída é muitas vezes menor do que a tensão limite do MOSFET. Para atingir o limiar requerido, os relés de estado sólido contêm pilhas de até trinta fotodíodos ligados em série.

Fototransistor opto-isoladoresEditar

Fototransistores são inerentemente mais lentos que os fotodíodos. O mais antigo e mais lento, mas ainda comum opto-isolador 4N35, por exemplo, tem tempos de subida e descida de 5 μs em uma carga de 100 Ohm e sua largura de banda é limitada em cerca de 10 kilohertz – suficiente para aplicações como eletroencefalografia ou controle de motores de largura de pulso. Dispositivos como PC-900 ou 6N138 recomendados na especificação original 1983 da Interface Digital de Instrumentos Musicais permitem velocidades de transferência de dados digitais de dezenas de kiloBauds. Os fototransistores devem ser adequadamente polarizados e carregados para atingir suas velocidades máximas, por exemplo, o 4N28 opera a até 50 kHz com polarização ótima e menos de 4 kHz sem ele.

Design com transistor opto-isoladores requer generosas permissões para grandes flutuações de parâmetros encontrados em dispositivos comercialmente disponíveis. Tais flutuações podem ser destrutivas, por exemplo, quando um opto-isolador no loop de realimentação de um conversor DC-to-DC muda sua função de transferência e causa oscilações espúrias, ou quando atrasos inesperados em opto-isoladores causam um curto-circuito através de um lado de uma ponte H. As folhas de dados dos fabricantes normalmente listam apenas valores do pior caso para parâmetros críticos; os dispositivos reais ultrapassam essas estimativas do pior caso de uma forma imprevisível. Bob Pease observou que a taxa de transferência de corrente em um lote de 4N28 pode variar de 15% a mais de 100%; a folha de dados especificou apenas um mínimo de 10%. O transistor beta no mesmo lote pode variar de 300 a 3000, resultando em uma variação de 10:1 na largura de banda.

Opto-isoladores usando transistores de efeito de campo (FETs) como sensores são raros e, como os vactroles, podem ser usados como potenciômetros analógicos controlados remotamente, desde que a tensão através do terminal de saída do FET não exceda algumas centenas de mV. Os Opto-FETs ligam-se sem injectar carga de comutação no circuito de saída, o que é particularmente útil em circuitos de amostragem e de retenção.

Opto-isoladores bidireccionaisEditar

Todos os opto-isoladores descritos até agora são uni-direccionais. O canal óptico funciona sempre de uma só forma, desde a fonte (LED) até ao sensor. Os sensores, sejam fotoresistores, fotodiodos ou fototransistores, não podem emitir luz. Mas os LEDs, como todos os diodos semicondutores, são capazes de detectar a entrada de luz, o que torna possível a construção de um opto-isolador bidireccional a partir de um par de LEDs. O mais simples opto-isolador bidirecional é apenas um par de LEDs colocados face a face e mantidos juntos com tubos termoretrácteis. Se necessário, a distância entre dois LEDs pode ser estendida com uma inserção de fibra de vidro.

LEDs de espectro visível têm uma eficiência de transferência relativamente pobre, assim perto de GaAs de espectro infravermelho, GaAs:Si e AlGaAs:Si LEDs são a escolha preferida para dispositivos bidirecionais. Os LEDs opto-isoladores bidirecionais construídos em torno de pares de GaAs:Si têm uma taxa de transferência de corrente de cerca de 0,06% em modo fotovoltaico ou fotocondutor – menos que os isoladores baseados em fotodiodos, mas suficientemente práticos para aplicações no mundo real.