Optoacopladores: aislamiento y CTR

01 · Punto de partida

Diez metros de cable y un motor

Hasta acá, cada vez que dos circuitos se comunicaban, compartían el negativo. Era la primera regla de todas las llaves. Hay situaciones en las que esa conexión es justamente el problema.

Un cable que une dos equipos lleva la señal, y lleva también todo lo demás: los picos de las cargas inductivas, el ruido que el cable recoge como una antena, las diferencias entre dos negativos que se suponen iguales y no lo son. El divisor reduce todo eso en la misma proporción que la señal, y nada más.

La solución de fondo es la que un programador aplica cuando dos sistemas no deben confiar el uno en el otro: no compartir memoria, pasar mensajes. Dos procesos aislados que se comunican por un canal angosto no pueden corromperse entre sí; lo único que cruza es el mensaje. En un optoacoplador, el mensaje es un bit y el canal es un haz de luz.

• ¿Qué hay adentro de un optoacoplador, y qué es lo que cruza?
• ¿Cómo se calcula el resistor del lado de la entrada?
• ¿Qué es el CTR, y por qué su rango es tan ancho?
• ¿Cómo se dimensiona el lado de la salida para que funcione con cualquier unidad?
• ¿Qué hace falta para que aísle de verdad?

02 · Identificar

Un LED y un transistor que se miran

Adentro de la cápsula hay dos componentes que ya conocés, enfrentados y separados por un plástico transparente a la luz infrarroja:

El LED es de luz infrarroja

No se ve. Se calcula como cualquier LED del Tema 17, con una tensión directa de unos 1,2 V.

El fototransistor es un transistor sin pata de base

En lugar de corriente de base recibe luz. Con más luz, deja pasar más corriente entre colector y emisor. Sin luz, queda en corte. Es el NPN del Tema 19, con otro tipo de mando.

Entre los dos no hay conexión eléctrica

La barrera de un PC817 soporta miles de volts entre un lado y el otro. Un pico de decenas de volts del lado de la entrada puede dañar el LED, pero no llega al otro lado.

Funciona en un solo sentido

La señal va del LED al transistor. Para comunicar en los dos sentidos hacen falta dos optoacopladores.

03 · Identificar

Identificarlo y probarlo

El PC817 viene en una cápsula de cuatro patas, dos de cada lado, con un punto o una muesca junto a la pata 1. Hay versiones con varios canales en una cápsula más larga, y otros modelos de seis u ocho patas con funciones adicionales. Como siempre, el orden lo confirma la hoja.

Esas mediciones descartan una pieza dañada, pero no demuestran que funcione: para eso hay que encender el LED y ver si el transistor responde. Es el primer montaje del taller.

04 · Selección

El lado de la entrada

Es un LED. Se le fija la corriente con un resistor, con la fórmula del Tema 17 y una tensión directa de 1,2 V:

La corriente habitual es de 5 a 10 mA. Con 5 mA están medidos los datos de la hoja, y es una corriente que cualquier salida entrega. El resistor se redondea hacia abajo: acá, como en la base de un transistor, lo que hay que garantizar es corriente.

Con 24 V, el resistor ya calienta

133 mW es más de lo que conviene pedirle a un resistor de 1/8 W. Va uno de 1/4 W, o mejor de 1/2 W. Es la verificación de potencia del Tema 6.

El LED no tolera la tensión inversa

Soporta unos 6 V al revés. Si la señal puede llegar invertida, o es de tensión alterna, se agrega un diodo común en paralelo con el LED, apuntando al revés: conduce él cuando la polaridad se invierte y deja al LED con solo 0,7 V en inversa.

Los máximos

50 mA para el LED de un PC817. Se trabaja muy por debajo: cuanta más corriente, más rápido envejece.

Ese resistor es, además, toda la protección que la entrada necesita. En la escena, un pico de 60 V sobre un divisor llegaba a la placa como 7,5 V. Sobre el resistor de 3,9 kΩ y el LED, el mismo pico produce 15 mA durante un instante: nada que el LED no soporte, y del otro lado solo se ve un transistor un poco más saturado.

05 · Características

El CTR

El parámetro propio de un optoacoplador es la relación de transferencia de corriente, que en todas las hojas aparece con sus siglas en inglés: CTR. Dice cuánta corriente puede dejar pasar el transistor por cada miliamper que circula por el LED.

Con un CTR del 100 %, 5 mA en el LED permiten hasta 5 mA en el colector. Es el equivalente de la ganancia de un transistor, con una diferencia de tamaño: la ganancia era de cientos; el CTR ronda el uno.

Y como la ganancia, no es un número sino un rango. La hoja de un PC817 dice:

Sin letra, la relación entre la mejor unidad y la peor es de doce a uno. Y hay tres cosas más que lo mueven:

La corriente del LED

El CTR es máximo alrededor de 5 a 10 mA y cae con corrientes chicas: con 1 mA puede ser la mitad del valor de la hoja.

La temperatura

Baja tanto con frío como con calor intensos respecto del valor a 25 °C.

Los años

El LED emite cada vez menos luz con el uso. Después de años de funcionamiento continuo, el CTR puede haber caído a la mitad.

06 · Selección

El lado de la salida

Es la llave del lado del negativo, con una carga muy liviana: un resistor. El colector va al positivo del lado de la salida a través de ese resistor, el emisor al negativo de ese mismo lado, y la señal se toma del colector.

La salida queda invertida: señal presente, nivel bajo. Se corrige en el programa, o conectando el transistor al revés: colector directo al positivo y el resistor entre el emisor y el negativo, tomando la señal del emisor. En esa forma, señal presente es nivel alto.

Cuánto vale el resistor

Para que el nivel bajo sea realmente bajo, el transistor tiene que saturar: la corriente que el resistor le pide tiene que ser menor que la que el LED le permite.

1. 1
   Corriente disponible.

   Corriente del LED por el CTR de diseño. Con 5,8 mA y 25 %: 1,45 mA.

2. 2
   Resistor mínimo.

   Tensión del lado de la salida dividida por esa corriente. Con 3,3 V: 3,3 ÷ 0,00145 = 2,3 kΩ.

3. 3
   Redondear hacia arriba.

   Acá sí: un resistor mayor le pide menos corriente al transistor. 2,3 kΩ → 2,7 kΩ; en la práctica, 4,7 kΩ o 10 kΩ.

07 · Características

La velocidad

Un PC817 enciende en unas pocas millonésimas de segundo. Lo que tarda es apagar: el transistor, que estaba saturado, necesita un tiempo para dejar de conducir, y mientras tanto es el resistor de colector el que tiene que levantar la salida. Cuanto mayor es ese resistor, más despacio sube.

Aparece el mismo compromiso que en la compuerta del MOSFET: el resistor chico es rápido y exige más del transistor; el grande es cómodo y lento. Para leer si un equipo está encendido, cualquiera sirve. Para una comunicación de datos rápida, el PC817 no alcanza con ningún resistor: se usan optoacopladores digitales, como el 6N137, que traen un circuito de salida propio y llegan a millones de bits por segundo.

08 · Aplicación

Aislar de verdad

Que el componente tenga una barrera no significa que el circuito esté aislado. Hay tres maneras habituales de anular la aislación sin darse cuenta.

Cada lado necesita su propia alimentación

El LED se alimenta del circuito que envía la señal; el transistor y su resistor, del que la recibe. Si del lado de la entrada no hay una fuente separada, no hay nada que aislar.

Qué queda aun sin aislación

Usado con una sola fuente, el optoacoplador sigue siendo útil: adapta niveles, por ejemplo de 24 V a 3,3 V, y el resistor y el LED absorben picos que un divisor dejaría pasar. Pero una falla grave de un lado puede llegar al otro.

El puente de los módulos de relé

Es exactamente este tema. Con el puente puesto, las bobinas y la entrada comparten alimentación. Sin el puente, y con una fuente separada para las bobinas, el optoacoplador del módulo aísla de verdad a la placa.

Dónde aparece

09 · Simulador

Banco del optoacoplador

Un PC817 sin letra. Elegí la señal de entrada y su resistor, la tensión del lado de la salida y su resistor, y probá con la peor unidad, una típica, la mejor o una envejecida.

• A la izquierda, el lado de la entrada; a la derecha, el lado de la salida; en el medio, la barrera.
• La barra muestra la corriente que la peor unidad permite, contra la que pide el resistor de colector. Para un diseño firme tiene que pasar la marca de 2.
• La salida tiene que bajar del 30 % de su tensión para que la placa la lea como nivel bajo.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Una señal de 24 V con un resistor de entrada de 10 kΩ, «para cuidar el LED», y 1 kΩ en el colector. Con la unidad típica la salida baja a 0,7 V y la placa la lee bien.

2. 2
   Cambiá la unidad a la peor, y a la envejecida.

   La salida ya no baja lo suficiente. El circuito funcionaba porque le tocó una unidad con buen CTR. Con la mejor unidad sobra por todos lados.

3. 3
   Presioná «Calcular los dos resistores» y recorré las cuatro unidades.

   3,9 kΩ en la entrada y 4,7 kΩ en el colector. Las cuatro saturan, incluida la envejecida.

4. 4
   Apagá la señal con el botón.

   El LED se apaga, el transistor queda en corte y la salida sube a 3,3 V. La salida está invertida respecto de la entrada.

5. 5
   Con la señal presente, probá los cuatro resistores de colector.

   Con 470 Ω y 1 kΩ, la peor unidad no satura. Con 47 kΩ satura con enorme margen, y la última casilla muestra el costo: señales de apenas unos cientos de hertz.

6. 6
   Cambiá la señal a 3,3 V sin tocar el resistor de entrada.

   Con 3,9 kΩ, el LED recibe medio miliamper: no alcanza. El resistor de entrada se calcula para cada tensión. Recalculá.

7. 7
   Con 24 V, probá un resistor de entrada de 220 Ω.

   El LED recibiría más de 100 mA, el doble de su máximo, y el resistor disiparía 2,4 W. Es lo que pasa al conectar 24 V a un circuito pensado para 5 V.

Preguntas para pensar

1. En el paso 1, ¿qué tiene de malo un resistor de entrada grande, si protege mejor al LED?
2. ¿Por qué el resistor de entrada se redondea hacia abajo y el de colector hacia arriba?
3. ¿En qué se parece este diseño al de la llave con transistor del Tema 20?

10 · Taller

Montar y medir

Hacen falta un PC817, resistores de 1,5 kΩ, 4,7 kΩ, 100 Ω y 47 kΩ, una batería de 9 V para el lado de la entrada, una fuente de 5 V para el lado de la salida y el multímetro.

El diseño

1. 1
   Entrada.

   (9 − 1,2) ÷ 0,005 = 1,56 kΩ → 1,5 kΩ. Corriente del LED: 5,2 mA. Batería positiva al resistor, resistor a la pata 1, pata 2 al negativo de la batería.

2. 2
   Salida.

   Con el CTR de diseño, 25 %, hay 1,3 mA disponibles. Con 5 V, el resistor mínimo es de 3,8 kΩ → 4,7 kΩ, que pide 1,06 mA. Positivo de 5 V al resistor, resistor a la pata 4, pata 3 al negativo de los 5 V.

Cuatro montajes

1. A
   La transferencia.

   Tomá las mediciones de la tabla. Conectá y desconectá la batería mirando la salida: sigue a la entrada, invertida.

2. B
   Medir el CTR de tu unidad.

   Reemplazá el resistor de 4,7 kΩ por el de 100 Ω. Ahora el transistor no llega a saturar y deja pasar todo lo que la luz le permite. Medí la tensión sobre los 100 Ω y dividila por 100: es la corriente de colector. Dividila por la corriente del LED. Si leés 0,62 V: 6,2 mA ÷ 5,2 mA = 119 %.

3. C
   Un LED con poca corriente.

   Volvé al resistor de 4,7 kΩ y cambiá el de entrada por el de 47 kΩ. El LED recibe 0,17 mA. La salida queda en un valor intermedio, de 1 a 4,5 V según tu unidad: ni alto ni bajo. Es la zona activa, otra vez.

4. D
   La aislación.

   Con el montaje A funcionando, medí resistencia entre el negativo de la batería y el negativo de la fuente de 5 V: tiene que dar «OL». Después medí tensión entre esos dos puntos: vas a ver un valor chico e inestable. No hay nada que los vincule, y sin embargo la señal pasa.

El dictamen

11 · El optoacoplador en código

Diseñar, verificar y medir

Los dos resistores

E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]
SERIE = sorted(b * 10 ** d for d in range(6) for b in E12)
V_LED = 1.2


def disenar(v_entrada, v_salida, ctr_min=50, i_led_ma=5):
    r_entrada = max(r for r in SERIE if r <= (v_entrada - V_LED) / (i_led_ma / 1000))
    i_led = (v_entrada - V_LED) / r_entrada
    disponible = i_led * (ctr_min / 2) / 100           # mitad del mínimo: margen de diseño
    r_colector = min(r for r in SERIE if r >= v_salida / disponible)
    calor = (v_entrada - V_LED) ** 2 / r_entrada
    print(f"De {v_entrada} V a {v_salida} V, CTR mínimo {ctr_min} %")
    print(f"  Entrada: {r_entrada} ohm -> {i_led * 1000:.1f} mA en el LED, {calor * 1000:.0f} mW "
          f"en el resistor{' (usar 1/2 W)' if calor > 0.1 else ''}")
    print(f"  Disponible con margen: {disponible * 1000:.2f} mA")
    print(f"  Colector: {r_colector} ohm como mínimo; en la práctica, 4,7 o 10 kohm")
    return r_entrada, r_colector


disenar(24, 3.3)
disenar(12, 5)
disenar(3.3, 5)
disenar(24, 3.3, ctr_min=200)

El último caso usa un PC817C: con más CTR garantizado, el resistor de colector puede ser menor y la salida, más rápida.

El mismo circuito con distintas unidades

La tensión de salida con la señal presente, para el circuito de la escena y para el corregido.

def salida(v_entrada, r_entrada, v_salida, r_colector, ctr):
    i_led = (v_entrada - 1.2) / r_entrada
    rinde = min(1.2, (i_led / 0.005) ** 0.35)          # el CTR baja con poca corriente
    disponible = i_led * ctr / 100 * rinde
    pedida = v_salida / r_colector
    volts = 0.15 if disponible >= pedida else v_salida - disponible * r_colector
    return volts, disponible / pedida


UNIDADES = (("envejecida", 25), ("la peor", 50), ("típica", 150), ("la mejor", 600))
for nombre, r_entrada, r_colector in (("Escena", 10_000, 1_000), ("Corregido", 3_900, 4_700)):
    print(f"{nombre}: 24 V, {r_entrada} ohm en la entrada, {r_colector} ohm en el colector")
    for unidad, ctr in UNIDADES:
        volts, margen = salida(24, r_entrada, 3.3, r_colector, ctr)
        lectura = "nivel bajo" if volts < 0.3 * 3.3 else "NO ES NIVEL BAJO"
        print(f"   {unidad:11} CTR {ctr:3} %: salida {volts:.2f} V, margen {margen:5.1f}  {lectura}")

Un margen menor que 1 significa que el transistor no satura. El diseño es correcto cuando la peor unidad tiene margen 2 o más.

El CTR de tu unidad

def medir_ctr(v_sobre_r_entrada, r_entrada, v_sobre_r_colector, r_colector, v_fuente_salida):
    i_led = v_sobre_r_entrada / r_entrada * 1000
    i_colector = v_sobre_r_colector / r_colector * 1000
    print(f"LED {i_led:.2f} mA, colector {i_colector:.2f} mA")
    if v_fuente_salida - v_sobre_r_colector < 0.5:
        print("  El transistor saturó: esta medición no da el CTR. Bajá la corriente del LED.")
        return None
    ctr = 100 * i_colector / i_led
    grupo = next((letra for letra, (lo, hi) in
                  {"A": (80, 160), "B": (130, 260), "C": (200, 400), "D": (300, 600)}.items()
                  if lo <= ctr <= hi), "fuera de los grupos")
    print(f"  CTR = {ctr:.0f} %  (compatible con el grupo {grupo})")
    return ctr


medir_ctr(7.8, 1500, 0.62, 100, 5.0)     # montaje B del taller
medir_ctr(7.8, 1500, 4.85, 4700, 5.0)    # montaje A: saturado

Reemplazá los valores por tus mediciones. Si tenés dos PC817, medí los dos: es raro que coincidan.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: leer 12 V

Una placa de 3,3 V tiene que detectar si un equipo de 12 V está encendido, con un PC817 sin letra. Calculá los dos resistores y decí qué nivel lee la placa en cada estado.

Ejercicio 2: ¿satura?

Un circuito tiene 2 mA en el LED y 2,2 kΩ en el colector, con 5 V. ¿Satura con un PC817 sin letra? ¿Y con un PC817C?

Ejercicio 3: la escena

Explicá por qué el divisor de la escena dejaba pasar los picos y el optoacoplador no, y qué habría que hacer en la instalación para que además quede aislado.

Ejercicio 4: velocidad

Un sensor entrega 500 pulsos por segundo a través de un PC817. Con la tabla de la sección 7, ¿qué resistor de colector usarías? ¿Qué implica para la corriente del LED?

Ejercicio 5: en el simulador

Con la señal de 5 V y el lado de la salida en 5 V, encontrá el mayor resistor de entrada de la lista para el cual la peor unidad satura con margen 2, usando 4,7 kΩ en el colector.

Ejercicio 6: el taller completo

Con las piezas reales. Hacé los cuatro montajes de la sección 10 y calculá el CTR de tu unidad con el montaje B.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 27?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir qué hay entre las patas 1 y 2 de un PC817, y entre la 3 y la 4.
• Calcular el resistor de entrada para una señal de 12 V.
• Decir qué es el CTR y qué valor se usa para diseñar.
• Explicar por qué la salida queda invertida.
• Decir qué pasa con un resistor de colector demasiado chico.
• Explicar qué se pierde al alimentar los dos lados con la misma fuente.
• Decir cuándo usarías un optoacoplador y cuándo un relé.

Con el relé y el optoacoplador termina el recorrido de las llaves: todo lo que enciende, apaga y separa. Queda un componente que no conmuta nada y sin el cual un microcontrolador no ejecuta una sola instrucción a tiempo: el que marca el ritmo. En el próximo tema, cristales y resonadores.