Existe uma infinidade de aplicações práticas para os acopladores ópticos em circuitos analógicos e de corrente contínua. Neste artigo, baseado em Application Note da Agilent technologies, focalizamos algumas dessas aplicações, principalmente aquelas em que se deseja a transferência de sinais entre circuitos com elevado grau de isolamento.
Os acopladores ópticos ou isoladores ópticos são especialmente indicados quando se deseja transferir sinais de uma etapa para outra sem contacto elétrico.
Isso pode ser importante tanto no caso em que se deseja segurança, isolando os potenciais elevados de uma das etapas de um circuito e ainda quando se deseja maior imunidade aos ruídos.
Dentre as aplicações práticas para tais circuitos podem citar os circuitos de sensoriamento com termopares, transdutores e outros, equipamento de uso médico, realimentação em fontes de alimentação, além de amplificadores de áudio e vídeo.
A Agilent Technologies possui uma ampla linha de acopladores ópticos contendo fotodetectores integrados com uma tecnologia que aumenta a linearidade e a velocidade.
Nestes circuitos são usados fotodiodos em chips separados de modo que a resposta luminosa não é afetada pela corrente e sua capacitância não influi na velocidade.
Em especial, este artigo focaliza as aplicações dos 6N135 e 6N136 para aplicações de canal único, e o HCPL-2530/31 para aplicações duplas, todos da Agilent Techologies.
No entanto, acopladores equivalentes d eoutros fabricantes seguem as mesmas leis de comportamento abordadas neste artigo, podendo ser usados da mesma forma.
Analisemos o comportamento elétrico destes optoacopladores:
Quando o transistor de saída é polarizado na região ativa, relação de transferência de corrente para o 6N135 pode ser escrita como:
Onde:
Ic é a corrente de coletor
IF é a corrente no LED de entrada
IF’ é a corrente na qual K é medido
K é a corrente de coletor quando IF = IF’
n é a dobra de Ic x Ic em coordenadas logarítmicas
O expoente n varia com a corrente IF, mas numa faixa limitada de correntes, n pode ser considerada constante.
A relação de transferência de corrente para um optoacoplador será constante se n for igual a 1.
Para a série 6N136 de optoacopladores, n varia aproximadamente de 2 (para correntes de entrada menores do que 2 mA) até aproximadamente 1 para correntes de entrada maiores do que 16 mA.
Para melhor linearidade e estabilidade técnicas de linearização diferencial ou por servo podem ser usadas.
O linearizador tipo servo força a corrente de entrada de de um optoacoplador a acompanhar a corrente de entrada do segundo acoplador pela ação de servo.
Fazendo uma analogia com os servos motores, o movimento de um força o movimento do outro na mesma proporção.
Assim, se n1 = n2 na faixa de correntes de excursão, a não linearidade vai ser cancelada.
No linearizador diferencial, um sinal de entrada faz com que a corrente de entrada de um optoacoplador aumentar na mesma proporção que a corrente do segundo optoacoplador diminui.
Se n1 = n2 = 2 então um ganho incrementado no primeiro optoacoplador vai ser balanceado por uma diminuição no ganho do segundo optoacoplador e a função média de transferência será linear.
Com estas técnicas, o casamento de K não vai afetar a linearidade total do circuito, mas vai facilitar sua realização prática evitando a necessidade potenciômetros de ajuste de zero e offset.
Em muitas aplicações práticas os circuitos precisam de uma fonte de corrente constante.
Esta fonte pode ser obtida de diversas formas.
Se Vcc é estável, a fonte de corrente constante pode ser do tipo espelho de corrente, como a mostrada na figura 1.
Se Vcc não for estável, uma fonte de corrente constante, como as mostradas na figura 2 podem ser usadas, tendo por base um LED comum como referência de tensão.
O LED vai compensar de modo aproximado o transistor na faixa de temperaturas de operação, conforme as fórmulas mostradas junto a própria figura 2.
Amplificador Servo de Isolamento
O servo amplificador mostrado na figura 3 opera segundo o princípio de que dois acopladores funcionem casados de tal forma que um acompanhe as variações do outro.
Se os seus ganhos mudam na faixa de operação, U2 compara as saídas de cada optoacoplador e força IF2 através de D2 a ser igual a IF1 através de D1.
As fontes de corrente constante polarizam cada IF a um valor de 3 mA.
R1 foi selecionado de tal forma que quando IF1 varia na faixa de 2 mA a 4 mA, varia de –5 a +5 V.
R1 pode ser ajustado para acomodar qualquer faixa de correntes.
Com Vin = 0, R2 deve ser ajustado para Vout = 0.
Então com Vin no mesmo valor, R4 pode ser ajustado para um ganho unitário.
Valores de R2 e R4 deve ser tomados para o pior caso de espalhamento do optoacoplador ou de relação de correntes de transferências.
A função de transferência do amplificador é dada pela seguinte fórmula:
Depois de se ajustar o zero, esta função de transferência fica reduzida a:
As não linearidades na função de transferência onde n1 é diferente de n2 podem ser escritas como mostra a fórmula 3.
Para o exemplo, se [x] < 0,35 , n = 1,05, então o erro de linearidade será de 1% para o sinal desejado.
Performance Típica do Amplificador
1% de linearidade para 10 Vpp de faixa dinâmica
Ganho unitário de tensão
Faixa passante de 25 kHz (limitada por U1, U2)
Deslocamento de ganho: - 0,03%/oC
Deslocamento offset: +/- 1 mV/oC
Rejeição em modo comum: 46 dB em 1 kHz
Isolamento DC: 500 V (3000 V se dois acopladores separados forem usados)
Amplificador Diferencial de Isolamento
O amplificador diferencial mostrado na figura 4 opera segundo o princípio de que existe uma região de operação onde um incremento do ganho em um optoacoplador pode ser balanceado aproximado por uma diminuição de ganho num segundo optoacoplador.
Quando IF1 aumenta devido a mudanças de Vin, If2 diminui proporcional no mesmo valor.
Se n1 = n2 = 2, então o aumento de ganho causado por If1 será balanceado pela diminuição de If2.
A fonte de corrente constante polariza cada If em 3 mA de corrente quiescente.
R1 e R2 são escolhidos de tal forma que If varia na faixa de 2 mA a 4 mA quando Vin varia de –5 V a + 5 V.
Os resistores R1 e R2 podem ser ajustados para acomodar qualquer faixa dinâmica desejada.
U3 e U3 são usados como amplificadores diferenciais de corrente, conforme a fórmula dada a seguir:
Os resistores R3, R4 e R5 foram escolhidos para um amplificador com ganho unitário no pior caso de espalhamento das correntes dos optoacopladores.
A função de transferência para o amplificador diferencial é dada pela fórmula 5.
Depois do ajuste de zero, a função de transferência fica reduzida a fórmula 6.
As não linearidades na função de transferência quando n e n2 são diferentes de 2 podem ser escritas pela fórmula 7.
Se [x] < 0,35, n1 = 1,9 e n2 = 1,8 então o erro será de 1,5%.
Performance Típica do Amplificador Diferencial DC Linearizado
3% de linearidade para faixa dinâmica de 10 Vpp
Ganho de tensão unitário
Faixa passante de 25 kHz (Limitada por U1, U2, U3 e U4)
Deslizamento de ganho: - 0,4%/oC
Deslizamento de offset: -/+ 4 mV/oC
Rejeição em modo comum: 70 dB a 1 kHz
Isolamento de 3 000 V
Amplificador AC
No circuito AC, desde que não existe exigência de uma referência DC, pode ser usado um único optoacoplador para polarizar o outro optoacoplador numa região de incremento constante (CTR).
Um exemplo deste tipo de circuito é mostrado na figura 5.
O transistor Q1 é polarizado por R1, R2 e R3 para uma corrente quiescente de coletor de 20 mA.
O resistor R3 é selecionado de tal forma que If varia de 15 mA a 25 mA para uma tensão de entrada de 1 Vpp.
Nestas condições de operação, o 6N136 opera numa região quase constante de CTR incremental.
A linearidade pode ser obtida às custas da relação sinal-ruído reduzindo as excursões de If.
Isso pode ser obtido pelo aumento de R3, e colocando-se um resistor do coletor de Q1 à terra para obter a corrente quiescente desejada de 20 mA.
Q2 e Q3 formam um amplificador em cascata com realimentação aplicada através de R4 e R6.
O resistor R6 é selecionado para que Vbe/Is com I3 selecionada para permitir a máxima excursão da tensão de saída Vout sem ceifamento.
O resistor R5 proporciona polarização DC para Q3.
O ganho com realimentação pode ser ajustado em R4.
A função de transferência deste amplificador é dada pela fórmula 8.
Performance Típica do Amplificador AC de Banda Larga
Linearidade de 2% na faixa dinâmica de 1 Vpp
Ganho de tensão unitário
Faixa passante de 10 MHz
Deslizamento de ganho: 0,6%/oC
Rejeição em modo comum: 22 dB em 1 MHz
Isolamento de 3000 Vdc
Técnicas de Isolamento Digital
As técnicas de conversão digital podem ser usadas para transferir um sinal analógico entre dois sistemas isolados.
Com estas técnicas o sinal analógico é convertido para alguma forma digital e transmitido pelo acoplador óptico.
Esta informação digital pode então ser convertida de volta para a forma analógica e aplicada à saída.
Como o optoacoplador é usado apenas como uma chave a linearidade total do circuito depende apenas da precisão com que o sinal analógico pode ser convertido para a forma digital e depois para a forma original analógica.
Entretanto, é preciso levar em conta que a faixa passante do circuito é limitada pelos tempos de propagação do optoacoplador.
A figura 6 mostra um sistema baseado na modulação de largura de pulso, para isolamento de sinais.
O oscilador opera numa frequência fixa (f) e o multivibrador monoestável varia o ciclo ativo do oscilador proporcionalmente à intensidade Vin do sinal de entrada.
A frequência máxima em que o oscilador pode operar é determinada pela linearidade necessária do circuito e pelo tempo de propagação pelo optoacoplador, conforme a fórmula 9.
Na saída, a largura do pulso modulador em largura é convertida de volta para o sinal analógico de entrada.
Isso pode ser feito com um circuito integrador seguido de um filtro passa-baixas ou algum tipo de circuito demodulador que forneça uma tensão de saída proporcional ao ciclo ativo do oscilador.
Na figura 7 mostramos um processo de conversão de tensão para frequência que pode ser utilizado para isolar um sinal digital.
O conversor tensão/freqüência fornece uma freqüência de saída proporcional à Vin.
A frequência máxima que pode ser transmitido através do acoplador óptico pode ser calculada de modo aproximado pela fórmula 10.
Onde t = tPLH ou tPHL, dependendo de qual for maior.
Na saída, a freqüência é convertida de volta para tensão.
A linearidade final do circuito depende apenas da linearidade dos conversores V-F e F-V.
Um outro esquema simular de conversão tensão/freqüência e obtido através de modulação em freqüência (FM).
Uma portadora de freqüência fo é modulada de tal forma que as variações de freqüência sejam proporcionais à Vin.
Na saída, Vout é reconstruída com um circuito PLL ou similar.
Um esquema mais para isolar um sinal analógico é usando conversores A/D e D/A e transferindo a informação binária ou BCD através do optoisolador.
A informação pode ser transmitida tanto no modo serial como paralelo dependendo do número de saídas disponíveis no conversor A/D.
Se saídas seriais não estiverem disponíveis, as saídas do A/D podem ser convertida em sinais seriais com um shift register tipo PISO e transmitida através de um único optoisolador de alta velocidade.
Esta solução é especialmente econômica onde alta resiolução é necessária caso em que diversos optoisoladores podem ser substituídos por um único de alta velocidade.
