Acoplamiento óptico entre un sistema digital y una etapa de potencia
- Utilización de opto
acopladores - Ejemplo de cálculo de
una carga según el triac
seleccionado - Conclusión
- Bibliografía
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:
- 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.
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.
- 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.