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Acoplamiento óptico entre un sistema digital y una etapa de potencia



    1. Utilización de opto
      acopladores
    2. Ejemplo de cálculo de
      una carga según el triac
      seleccionado
    3. Conclusión
    4. Bibliografía

    INTRODUCCIÓN

    Muchos sistemas
    digitales controlan a otros sistemas o
    realizan funciones de
    control tales que
    deben ser interconectados a una etapa de manejo de potencia, con
    base en TIRISTORES (triacs, SCR, etc.) para actuar sobre cargas
    resistivas o inductivas en sistemas de iluminación, o en procesos
    industriales o en control de velocidad de
    motores, entre
    otros.

    El manejo de potencia, es decir la manipulación
    de altas corrientes, de hasta varios centenares de amperios,
    implica el tener consideraciones de seguridad
    eléctrica para los operarios y de protección para
    el sistema digital.

    Es deseable que la interconexión entre ambas
    etapas (la digital y la de potencia) se haga por un medio de
    acoplamiento que permita aislar eléctricamente los dos
    sistemas. Esto se puede lograr con los dispositivos llamados
    OPTOACOPLADORES, mediante los cuales se obtiene un acoplamiento
    óptico y, al mismo tiempo, un
    aislamiento eléctrico. Por ello también se les
    conoce como OPTOAISLADORES. El acoplamiento se efectúa en
    el rango del espectro infra-rojo a partir de dispositivos
    emisores de luz, usualmente
    IRED (infra-rojo) LEDs (diodos emisores
    de luz), actuando como emisores y utilizando dispositivos
    detectores de luz (optodetectores), actuando como
    receptores.

    La razón fundamental para llevar a cabo
    acoplamiento óptico y aislamiento eléctrico es por
    protección de la etapa o sistema digital ya que si ocurre
    un corto en la etapa de potencia, o cualquier otro tipo de
    anomalía eléctrica, el OPTOACOPLADOR protege toda
    la circuitería digital de control. El sistema digital
    puede variar entre un sistema discreto o un sistema de mayor
    integración (en escalas SSI, MSI, VLI o
    VLSI) o un sistema integrado programable a nivel de memorias
    (EPROM o EEPROM) o a nivel de dispositivos programables
    "inteligentes" (microprocesadores, microcontroladores, dispositivos lógicos
    programables, arreglos lógicos programables, controladores
    lógicos programables o computadores).

    UTILIZACIÓN
    DE OPTO ACOPLADORES

    Veamos a continuación algunos dispositivos
    OPTOAISLADORES, extraídos del manual de
    reemplazos ECG (para dispositivos semiconductores),
    en donde se pueden apreciar varias tipos de elementos de
    OPTOACOPLAMIENTO: por fototransistor, fotodarlington, fotoSCR,
    fotoTRIAC, fotoFET, etc. Todos ellos se estudian en la teoría
    de la optoelectrónica con dispositivos semiconductores
    basados en Silicio (Si) o Germanio (Ge).

    Trabajaremos, a manera de ejemplo, con el OPTOACOPLADOR
    MOC 3011 (o MOC 3010) que corresponde al caso ECG 3047 (o 3048)
    de los diagramas
    anteriores. La siguiente es la distribución de pines del circuito
    integrado (IC) optoaclopador seleccionado. NC significa que este
    pin o patilla no se conecta.

    Configuración de
    pines

    El siguiente es el diagrama de
    bloques general para la conexión de un sistema digital a
    una etapa de potencia mediante el uso de un
    optoaclopador.

    Diagrama de bloques para
    interconexión de un sistema digital y un sistema de
    potencia

    Continuando con el ejemplo, como sistema de potencia
    vamos a trabajar con un sistema de iluminación (carga
    resistiva) cuya potencia es manejada por un TRIAC. En lo que
    sigue, se expondrán las configuraciones estándar
    empleadas para hacer acoplamiento óptico entre sistemas
    digitales y etapas de potencia. El montaje requerido se
    selecciona de acuerdo con las necesidades del sistema.

    MONTAJE ESTÁNDAR BÁSICO (CON LOGICA
    DIGITAL POSITIVA)

    MONTAJE SI LA LÓGICA DIGITAL ES
    NEGATIVA.

    MONTAJE PARA ASEGURAR DISPARO Y PERMITIR MONITOREO
    ADICIONAL DE LA SALIDA

    En ocasiones hay dificultades por problemas de
    corriente para disparar el TRIAC, en cuyo caso una
    solución alterna sería con un transformador de
    IMPULSOS o de PULSOS, con el cual no hay acoplamiento
    óptico pero se logra un acoplamiento inductivo. La
    relación de espiras del transformador es 1:1.

    Un transformador de impulsos típico es el CAR
    2767A serie 07175. Se utiliza en aplicaciones industriales y en
    electromedicina.

    Ahora bien, si la carga no es resistiva, es necesario
    adicionar una red RC o
    RL para garantizar el disparo del TRIAC. Esta red tiene cierta
    complejidad, pero permite asegurar precisión en los
    disparos y, además, protege contra disparos aleatorios e
    indeseados producidos por ruidos
    electromagnéticos.

    Para obviar los problemas de corriente también
    puede utilizarse un amplificador con transistor, pero
    en este caso ya no se tiene aislamiento
    eléctrico.

    Para finalizar este artículo, se da un ejemplo de
    cálculo
    para una etapa de potencia basada en un Triac.

    EJEMPLO DE
    CÁLCULO DE UNA CARGA SEGÚN EL TRIAC
    SELECCIONADO

    En este ejemplo partimos de dos hechos: la potencia se
    controlará con un TRIAC, y la carga a manejar será
    resistiva como en el caso de las lámparas para un sistema
    de luces secuenciales en arreglos de navidad
    (lámparas exteriores) o en una discoteca o en un teatro. El Triac
    se selecciona de acuerdo a la corriente de operación y
    esta dependerá del número de lámparas a
    utilizar. Los pasos para el cálculo son como
    sigue:

    1. Definición de parámetros:

    1. Sean N= Número de lámparas a utilizar
      por cada TRIAC.

    W= El Vatiaje o potencia de cada una de las
    lámparas (40 W, 60 W, 100 W,etc.)

    V= Voltaje de la red (110 V ó 220 V). Este
    voltaje es RMS

    I= La corriente consumida por cada
    lámpara

    I’ = La corriente especificada del TRIAC
    (según el manual del fabricante)

    2. Cálculo de la corriente que consume cada
    lámpara: I= W/V.

    3. Cálculo de N: N= I’/I.

    NOTA 1: Por seguridad, es conveniente disminuir N en un
    30% aproximadamente. Recuerde que nunca se debe trabajar cerca
    del límite del regímen máximo especificado
    por el fabricante.

    NOTA 2: Cada TRIAC debe llevar su buen disipador de
    calor. No
    olvide que cuando se manejan altas corrientes, hay tendencia a
    fuerte disipación de potencia en forma de calor y este es
    el principal enemigo de los semiconductores.

    Continuando con el ejemplo, supongamos que se
    tiene:

    V= 110 V (de la línea de alimentación de
    voltaje)

    W= 40 Watts (potencia nominal de cada una de las
    lámparas)

    I’= 6 A (corriente del Triac, según las
    especificaciones del manual)

    Aplicando el paso 2, se tiene: I = 40/110 = 0.363 A =
    363 mA

    Luego, aplicando el paso 3, se tiene N = 6/0.363
    Þ N=16.5
    Lámparas

    En forma práctica y teniendo en cuenta la Nota 1,
    Tomar N= 10 Lámparas.

    Otro ejemplo puede ser a la inversa, es decir partir del
    número de lámparas y hallar la corriente I’,
    del TRIAC, necesaria para operar el sistema. Una vez hallada se
    tiene en cuenta el criterio del 30% más para seleccionar
    el Triac comercial que cumpla con el requerimiento.

    CONCLUSIÓN

    Siempre que se vaya a interconectar un sistema digital
    cualquiera a un sistema de potencia, es necesario hacer
    optoacoplamiento, para garantizar aislamiento eléctrico.
    De no hacerlo se corren enormes riesgos que se
    traducirán en problemas de seguridad eléctrica,
    daños costosos en los sistemas de
    control digitales y perjuicios al proceso de
    producción sobre el cual se está
    operando.

    El optoaclopador es un dispositivo relativamente simple,
    muy fácil de usar, con una amplia variedad de tipos de
    acoplamiento y de muy bajo costo. Por ello
    sería imperdonable no hacer uso de él cuando se va
    a controlar potencia.

    En cuanto al cálculo de la carga o del
    dispositivo de manejo de corriente en la etapa de potencia
    siempre será absolutamente recomendable hacer uso del
    criterio de seguridad del 30% respecto de los regímenes
    máximos señalados por el fabricante. Es la
    única manera de evitar dolores de cabeza, algunas veces
    irreversible, en el manejo de dispositivos de
    potencia.

    BIBLIOGRAFÍA

    • Boylestad Robert y Nashelsky Louis.
      Electrónica. Teoría de Circuitos. Editorial Prentice Hall
      Hispanoamericana, México, 1998.
    • Maloney J. Timothy. Electrónica Industrial.
      Dispositivos y Sistemas
      . Editorial Prentice Hall
      Hispanoamericana, México, 2000
    • Manual de reemplazos ECG. Silvania,
      USA, 2000
    • Williams, Arthur. Microprocesadores, dispositivos
      optoelectrónicos, periféricos y de interfaz. Serie de
      circuitos integrados
      . Mc Graw Hill, México,
      1989.

     

    Por

    Ing. Nelson Rúa Ceballos

    Decano de las tecnologías en Electrónica y en Mantenimiento de Equipo
    Biomédico.

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