Noções Básicas de Optoacoplador: Função, Tipos e Aplicações Práticas

O que é um optoacoplador? Como projetista de PCB, engenheiro ou entusiasta, você tem uma grande variedade de chaves, relés e acopladores para personalizar sua PCB. Com todos os componentes e opções disponíveis no mercado, é difícil decidir qual se adapta melhor ao seu projeto.

Por exemplo, você pode estar se perguntando o que um optoacoplador faz e como ele difere de qualquer outro relé. Este guia pretende esclarecer exatamente isso. Nele, exploraremos o optoacoplador, seus diversos tipos e como ele pode beneficiar você e seu projeto.

O que é um Optoacoplador

Optoacopladores são conhecidos por muitos nomes: optoisolador, fotocoupler, acoplador óptico, isolador óptico ou simplesmente optoacoplador. Alguns até os chamam de "options". De qualquer forma, optoacopladores são componentes eletrônicos integrados. Geralmente, os tipos mais básicos consistem em um corpo retangular com quatro pinos. Cada pino é um subcomponente: o primeiro é o ânodo, o segundo é o cátodo, o terceiro é o coletor e o quarto é o emissor.

LTV-816 optoisolador de 1 canal

Fonte: Wikimedia Commons

Além disso, há uma indentação circular no canto do corpo principal próximo ao primeiro pino, que permite identificar os diferentes pinos. O corpo também contém texto com o número de peça do optoacoplador, usado para identificar seu tipo e encontrar o datasheet do fabricante.

Essencialmente, o optoacoplador é um relé de estado sólido que interconecta dois circuitos eletrônicos separados. O primeiro circuito conecta-se aos dois primeiros pinos (pinos 1 e 2), enquanto o segundo conecta-se aos dois últimos (pinos 3 e 4). Isso permite que o primeiro circuito controle o segundo.

É fácil confundir um optoacoplador com um circuito integrado (CI) devido à aparência semelhante, especialmente no caso de optoacopladores TRIAC.

Microchips eletrônicos em fundo branco

Como Funciona um Optoacoplador

Podemos usar o optoacoplador para transferir sinais eletrônicos entre dois circuitos isolados — um de seus atributos mais importantes. Às vezes, picos de tensão e ruído ocorrem em um circuito. Sem o isolamento do optoacoplador, essas perturbações poderiam se espalhar para o segundo circuito e causar danos. O optoacoplador evita que isso aconteça em ambos os circuitos.

Além disso, o optoacoplador só permite o fluxo de elétrons em uma direção devido aos seus materiais semicondutores. Consequentemente, isso permite que os dois circuitos interconectados usem tensões e correntes diferentes.

Também permite expandir as capacidades do seu dispositivo, graças ao isolamento galvânico entre dois circuitos separados. Por exemplo, poderíamos adicionar um transistor ao segundo circuito sem interferir no primeiro, em uma configuração de dois circuitos. Isso permitiria controlar quantidades ainda maiores de tensão e corrente, e potencialmente automatizar o controle do circuito adicionando componentes eletrônicos.

A Estrutura de um Optoacoplador

Optoacopladores vêm em uma ampla variedade de tipos e configurações. Para facilitar o entendimento, focaremos principalmente na versão fototransistor.

Diagrama de circuito de optoacoplador fototransistor

Fonte: Wikimedia Commons

O diagrama acima ilustra um fototransistor conectando dois circuitos. Observando cuidadosamente a parte do fototransistor, notará um símbolo de LED à esquerda:

Símbolo de LED

Fonte: Wikimedia Commons

E um símbolo de transistor à direita:

Símbolo de transistor

Fonte: Wikimedia Commons

Podemos ver facilmente que um fototransistor é uma versão modificada de um transistor normal. Entende-se por que os terminais (terceiro e quarto) no lado do transistor são chamados de coletores e emissores, e por que o primeiro e o segundo terminais são chamados de ânodo e cátodo.

Transistores geralmente têm três terminais. No entanto, há uma diferença: o pino de base em um circuito de transistor normal está ausente no circuito de fototransistor. Isso ocorre porque o transistor em um optoacoplador funciona de forma ligeiramente diferente. Em vez de usar sinais eletrônicos do pino de base, o transistor em um optoacoplador usa a luz do LED.

A luz brilha do LED e atinge o transistor, ligando-o e permitindo que a corrente flua no circuito elétrico principal. Eles reagem à entrada óptica, não apenas à corrente de entrada elétrica. Optoacopladores vêm em duas topologias comuns: os componentes internos podem ficar um sobre o outro ou lado a lado.

Topologias de optoacoplador

Fonte: Wikimedia Commons

Embora não possamos ver o funcionamento interno do fototransistor (a menos que seja translúcido), podemos criar o nosso próprio usando um circuito simples. Exploraremos isso mais adiante. Mas primeiro, vamos explorar os outros tipos de optoacopladores.

Tipos de Optoacopladores

Optoacoplador segurado por uma pinça

Existem seis tipos mais comuns. São eles:

• Optoacoplador Resistivo: Eram os primeiros optoacopladores. Usam lâmpadas incandescentes, lâmpadas de neônio e LEDs infravermelhos de GaAs como fontes de luz, e sulfeto de cádmio como material do transistor. Também são chamados de vactrols. Por serem dispositivos fotossensíveis mais antigos, são mais lentos que as formas modernas, estando praticamente obsoletos.
• Optoacoplador a Diodo: Usam LEDs infravermelhos de arseneto de gálio como fontes de luz e fotodiodos de silício como receptores. São o tipo mais rápido de optoacopladores, especialmente quando utilizam diodos PIN.
• Optoacoplador a Transistor: Assim como os de diodo, usam LEDs infravermelhos de GaAs como fontes de luz. No entanto, usam fototransistores bipolares de silício ou fototransistores Darlington como sensores. Suas taxas de transferência e tempos de resposta são mais rápidos que os resistivos, mas mais lentos que os de diodo.
• SRC Optoisolado: Usam LEDs infravermelhos junto com retificadores controlados de silício. Suas velocidades de transferência podem variar, mas não são tão rápidas quanto os baseados em diodo. Ainda assim, têm tempo de resposta e taxa de transferência decentes.
• TRIAC Optoisolado: Usam um triodo para corrente alternada (TRIAC) como tipo de sensor, além do LED infravermelho de GaAs como fonte de luz. Embora não tenham taxas de transferência rápidas, possuem razões de transferência de corrente muito altas.
• Relé de Estado Sólido: Usam uma pilha de LEDs infravermelhos de GaAs como fontes de luz e uma pilha de fotodiodos que aciona um par de MOSFETs ou um único IGBT como sensores. Podem ter velocidades de transferência muito altas e razões de transferência de corrente ilimitadas.

Como Criar um Circuito Simples de Optoacoplador

Optoacoplador segurado por uma pinça diante de uma PCB

Lista de Peças:

• Resistor dependente de luz (LDR) de 50-100K Ohm
• LED vermelho emissor de luz de 2V 0.02A
• Bateria 9V x 2
• Chave (switch)
• Resistor de 300 Ohm
• Resistor de 150 Ohm x 2 (ou resistor de 300 Ohm)

Explicação e Instruções:

LED vermelho e optoacoplador

Este optoacoplador simples usa um resistor dependente de luz (LDR) e um LED branco. O LDR varia sua resistência de carga com base na exposição à luz. Assim, no escuro, tem resistência muito alta. Inversamente, quando exposto a luz brilhante, tem resistência muito baixa. Neste contexto, funcionará como nosso fotodiodo.

No circuito primário, precisamos de um LED branco com queda de tensão de 3 volts e corrente de 0.02 amperes. Usaremos uma bateria de 9 volts como fonte de alimentação e controlaremos o circuito com uma chave. Como o LED branco requer 3 volts, precisamos de um resistor com queda de 6 volts. Portanto, o resistor deve ter 300 Ohms de resistência ((9V - 3V) ÷ 0.02A).

Seu circuito primário consistirá na bateria, conectada positivamente à chave, resistor e LED branco. Você pode usar uma protoboard ou fios para conectar os componentes. Juntos, isso atuará como nosso circuito de controle.

No circuito secundário, teremos um LED vermelho com queda de tensão de 2 Volts e corrente elétrica de 0.02 Amperes.

Usaremos como indicador para mostrar quando o circuito está funcionando. Além disso, conectaremos o LDR a este circuito. Obviamente, o LDR deve ficar adjacente ao LED branco.

O LDR fornecerá uma resistência de aproximadamente 70 Ohms quando exposto à luz do LED. Você precisará conectar o LDR ao LED vermelho. Para alimentar o circuito secundário, usaremos outra bateria de 9 volts. Novamente, precisaremos de um resistor para reduzir a tensão para que o LED funcione efetivamente. Sugerimos usar dois resistores de 150 Ohms, mas um resistor de 300 Ohms também serve.

Ao terminar a construção do circuito, você precisará envolver fita preta ao redor do LDR e do LED branco, garantindo que fiquem conectados. Isso bloqueará a luz ambiente da sala. Alternativamente, você pode testar o circuito em uma sala completamente escura.

Quando você pressionar o botão do circuito primário (circuito de entrada), o LED branco acenderá. Ele então brilhará contra o LDR, que ligará o LED vermelho no circuito de saída. A luz do LED branco funciona como um sinal elétrico em uma chave. Este projeto é simples o suficiente para ilustrar o funcionamento interno de um optoacoplador. No entanto, você pode melhorá-lo implementando um emissor infravermelho junto com um receptor. Em vez de luz visível, este projeto usaria luz infravermelha.

Aplicações de Optoacopladores

Montagem pequena de PCB com CI, capacitor, optoacoplador e outros semicondutores

Agora que entendemos como os optoacopladores funcionam, podemos explorar onde aplicá-los. Podemos usar optoacopladores como chaves simples ativadas por luz. Mas quais equipamentos e dispositivos eletrônicos se adequam melhor? Aqui está uma lista de onde poderíamos usar optoacopladores:

• Controles de solenoide
• Controles de motor
• Dimmers de lâmpadas incandescentes
• Microprocessadores
• Reatores de lâmpadas
• Detecção CA
• Isolamento de tensão
• Chave eletromagnética
• Microcontroladores

Benefícios dos Optoacopladores

Conjunto de optoacopladores

Por que usar optoacopladores em vez de relés ou chaves eletromecânicos? Aqui estão algumas vantagens:

• Facilitam a transmissão unidirecional de sinais elétricos
• Tornam seus projetos mais confiáveis, resistentes a interferências
• Podem facilitar isolamento elétrico entre múltiplos circuitos
• Separam as seções de entrada e saída do seu projeto, facilitando a solução de problemas
• Reduzem sinais de saída externos na seção de entrada do seu circuito
• Permitem controlar grandes circuitos CA usando pequenos sinais digitais
• Permitem transferir um sinal analógico entre dois circuitos separados
• Permitem interligar componentes de alta tensão com dispositivos de baixa tensão
• Ajudam a reduzir ou eliminar completamente ruído elétrico dos sinais
• Permitem projetar e construir dispositivos eletrônicos mais resistentes a picos de fonte de alimentação, surtos de tensão e raios

Conclusão

No texto acima, fornecemos um guia aprofundado e fácil de entender sobre optoacopladores. Se você chegou a esta seção, tem uma compreensão mais profunda sobre eles. Esperamos que este guia tenha sido útil. Como sempre, obrigado por ler.