Electrónica Laboratorio Nº 8

RECONOCIMIENTO DE DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS Y ELECTRÓNICA

DIGITAL

INFORME

Integrantes:Apellidos y Nombres Sección Grupo

Iñigo de la Cruz, Juan A C4Lazo Orellana, Einsten A C4

Profesor: Rodolfo Cautín Campana

Fecha de realización: 23 de noviembre Fecha de entrega : 27 de noviembre

2015– II

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, 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 (triac, 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 Con el paso de los años la tecnología de estado sólido en la optoelectrónica ha avanzado considerablemente. Indagando en nuevos y mejorados materiales y técnicas de proceso que han permitido a los dispositivos tener mayor eficiencia, confiabilidad y disminuir su costo. Así mismo, la electrónica digital se encuentra en todo equipo orientado a la informática o todo lo que tiene que ver con las tecnologías multimedia, además emplea señales que son de un solo tipo para operar y hacer sus respectivas funciones, a esto se deduce la famosa onda cuadrada. Por ello, en este laboratorio se desarrollara la optoelectrónica y la electrónica digital.

¿QUÉ ES UN OPTOACOPLADOR?

Un optoacoplador es un componente electrónico que se utiliza como transmisor y receptor óptico (de luz); es decir, pueden transmitir de un punto a otro una señal eléctrica sin necesidad de conexión física ni cables (por el aire), mediante una señal luminosa. Por eso también se llaman Opto Interruptor.

Activamos una luz y esta luz llega a un detector que genera una tensión de salida, interruptor cerrado. Si no se activa la luz o no le llega la luz al detector, este no genera ninguna tensión de salida, es decir interruptor abierto.

Si combinamos una fuente óptica (generalmente un Led) con algún tipo de detector óptico (generalmente un semiconductor de silicio llamado fototransistor) en un solo encapsulado, el dispositivo resultante es un optoacoplador o interruptor óptico.Suelen ser elementos que sustituyen a los relés tradicionales. Se suelen utilizar para aislar dos circuitos, uno que trabaja a poco tensión (el del LED), llamado de control y otro a mucha tensión o a una tensión diferente (el del detector) llamado de potencia.

La aplicación principal es en aislamiento entre los circuitos de control y los de potencia.Esto evita que la parte de trabajo (la del led) no tenga casi riesgos para el que opera en ella, al no tener que trabajar con la parte de alta tensión o intensidad, que estaría separada.

FUNCIONAMIENTO

Tiene una salida de luz (LED) y una entrada de luz, que detecta cuando recibe la luz del LED, cuando esta rebota contra alguna superficie (fotodetector). Es similar al transistor, pero en lugar de corriente con luz.

Cuando le llega una señal eléctrica a los dos extremos del LED (emisor) este emite una señal luminosa, que recibe el receptor o detector. Este al recibir esta señal luminosa genera en sus bornes (patillas) una tensión eléctrica, que será la tensión de salida.

Podría estar el led encendido pero no llegarle luz al detector por que no rebota en ninguna superficie. El interruptor estaría abierto por que no se produce tensión a la salida.

Esquema 1. Esquema eléctrico y Aspecto externo del fotodetector

TIPOS: Fototransistor: conmuta una variación de corriente de entrada en una

variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, audio, periféricos, etc.

Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red.

Optotriac: Igual que el Optotiristor, se utiliza para aislar una circuitería de baja tensión a la red. En general pueden sustituir a los Relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como la ausencia de rebotes.

SÍMBOLO DEL OPTOTRANSISTOR

SÍMBOLO DE UN OPTOTRANSISTOR EN

CONFIGURACIÓN DARLINGTON

SÍMBOLO DE UN OPTOTRANSISTOR DE

ENCAPSULADO RANURADO

SÍMBOLO DEL OPTOTIRISTOR

SÍMBOLO OPTOTRIAC

ENCAPSULADOS

El encapsulado varía en función del tipo de optoacoplador y de su aplicación, así como del número de unidades que se encuentren en su interior. En el caso de optoacopladores sencillos la cápsula, de tipo DIL, suele tener 6 patillas, siendo estos los más utilizados. Los dobles, también de tipo DIL tienen 8 pines. Algunos pueden tener hasta cuatro unidades en cápsulas DIL de 16 patillas. Normalmente, los pines del elemento emisor están a un lado de la cápsula y los del sensor en el lado opuesto. Existen unos encapsulados diferentes en los que, físicamente se puede interrumpir el haz luminoso (usados para control de posición, nº de revoluciones, cerraduras...). De esta forma el encapsulado presenta una ranura entre el emisor y el receptor. Se les denomina de cápsula ranurada o fotocélulas de herradura.

OPTOTRANSISTOR INSERTADO EN CÁPSULA TIPO DIL

DOS TIPOS DE OPTOACOPLADORES DE CÁPSULAS RANURADAS

ASPECTO DE UN ENCAPSULADO DIL DE 6 PATILLAS

ENCAPSULADOS DIP-8 Y DIP-14

ESQUEMAS DE OPTOACOPLADORES

Cuanta mayor intensidad atraviesa el fotodiodo, mayor será la cantidad de fotones emitidos y, por tanto, mayor será la corriente que recorra el fototransistor. Se trata de una manera de transmitir una señal de un circuito eléctrico a otro. Obsérvese que no existe comunicación eléctrica entre los dos circuitos, es decir existe un trasiego de información pero no existe una conexión eléctrica: la conexión es óptica.

Las implementaciones de un optoacoplador son variadas y dependen de la casa que los fabrique. Una de las más populares se ve en el esquema 2. Se puede observar como el LED, en la parte superior, emite fotones que, tras atravesar el vidrio, inciden sobre el fototransistor.

Conexión de OptoacopladoresEs importante resaltar que tanto el led como el detector deben llevar siempre una resistencia en serie con ellos para protegerlos y limitar la corriente que le llega al led.

Esquema 2. Conexión del optoacoplador

En este caso el optoacoplador encendería el led. Donde va conectado el led de salida podríamos poner un voltímetro y utilizarlo para comprobar el funcionamiento del optoacoplador.

Lógicamente donde tenemos en el esquema la Vss hay podríamos colocar el receptor como una bombilla, timbre, motor, etc. que se activaría con el optoacoplador, al llegarle tensión al LED del optoacoplador con Vs. Si ponemos un pequeño motor de c.c. o un LED en Vss este se activará con el optoacoplador. ¿Pero si queremos señales de tensiones más elevadas a la salida?

En Vss tendríamos que poner un relé por que la tensión generada no será muy alta, si queremos receptores a más tensiones. Si colocamos un relé podemos activarlo con el optoacoplador y este tener a la salida un circuito con la tensión de 220V en alterna, por ejemplo.

Normalmente en lugar de un relé se pone un triac. Veamos el circuito:

Esquema 3. Conexión del optoacoplador con tensión alterna.

Este circuito electrónico de llama interface de potencia, basado en un optoacoplador DIODO - TRIAC capaz de manejar cargas del orden de 10 amperios o más dependiendo la capacidad del triac a utilizar a la salida.

Lo primero que debemos verificar es que haya señal suficiente para activar un LED, y luego acoplar esa señal a este circuito tal cual.

ELECTRÓNICA DIGITALElectrónica digital: se trata de valores de corrientes y tensiones eléctricas que solo pueden poseer dos estados en el transcurso del tiempo. Hay o no hay corriente o tensión pero cuando hay siempre es la misma y cuando no hay siempre es de valor 0. Por ejemplo una corriente pulsatoria como en la figura 1 de abajo.

Figura 1. Corriente pulsatoria (códigos binarios)

La electrónica digital se estudia por medio de las llamadas puertas lógicas y algunas operaciones lógicas en binario. Empecemos por conocer que es una variable binaria.

Variable binaria: es toda variable que solo puede tomar 2 valores, dos dígitos (dígitos=digital) que corresponden a dos estados distintos. Estas variables las usamos para poner el estado en el que se encuentra un elemento de maniobra o entrada (por ejemplo un interruptor o un pulsador) y el de un receptor (por ejemplo una lámpara o un motor), siendo diferente el criterio que tomamos para cada uno. Veamos como son los estados en cada caso.

- Receptores o elementos de Salida (lámparas, motores, timbres, etc.): encendida (estado 1) o apagada (estado 0)

- Elementos de entrada (interruptor, pulsador, sensor, etc.): accionado (estado 1) y sin accionar (estado 0)

 Cuando decimos "accionado" quiere decir que cambia de posición comparándola cuando su posición era en reposo. Imaginemos un interruptor que su posición en reposo es abierto su estado sería 0. Si ahora le pulsamos y le cambiamos la posición, su nueva posición ahora sería un interruptor cerrado, y su nuevo estado sería 1. Podría ser al revés. Imagina que el interruptor está cerrado en reposo, pues el estado en reposo sería igualmente 0, pero el interruptor, en este caso para el estado 0 sería un interruptor cerrado y no abierto como antes.

Operaciones lógicas (álgebra de boole): son las operaciones matemáticas que se usan en el sistema binario, sistema de numeración que solo usa el 0 y el 1.

Figura 2. Operaciones Lógicas

  LAS PUERTAS LÓGICAS

Son componentes electrónicos representados por un símbolo con una o dos entradas (pueden ser de mas) y una sola salida que realizan una función (ecuación con variables binarias), y que toman unos valores de salida en función de los que tenga en los de entrada.

Las puertas lógicas también representan un circuito eléctrico y tienen cada una su propia tabla de la verdad, en la que vienen representados todos los posibles valores de entrada que puede tener y los que les corresponden de

salida según su función.

PUERTA LÓGICA IGUALDAD (FUNCIÓN IGUALDAD)

    Figura 3. Puerta Lógica de igualdad

   Como vemos la función que representa esta puerta es que el valor de la salida (motor o lámpara) es siempre igual al del estado del de entrada (pulsador o interruptor). En el esquema vemos que se cumple. El pulsador en estado 0 (sin  pulsar) la lámpara está apagada, o lo que es lo mismo en estado también 0. Si ahora pulsamos el pulsador, estado 1, la lámpara se enciende y pasará también al estado 1. La tabla de la verdad nos da los estado de la salida para los posibles estados de entrada, que este caso solo son dos 0 o 1.

   

PUERTA NO O NOT (NEGACIÓN)

   Es una puerta que la entrada siempre es contraria al valor de la salida. En las funciones una barra sobre una variable significa que tomará el valor contrario (valor invertido).  Veamos su función, el símbolo, el circuito eléctrico y su tabla de la verdad. 

Figura 4. Puerta Lógica NOT

   La función nos dice que el estado de la salida S, es el de la entrada a pero invertida, es decir la salida es lo contrario de la entrada. si a es 0, a invertida será 1. Si a es 1 a invertida será 0. Como vemos el pulsador está en estado 0 cerrado (sin pulsar) y la lámpara en estado 0 del pulsador estará encendida, estado 1. Cuando pulsamos el pulsador (estado 1) la lámpara se apaga y estará en estado 0.

   Todas las puertas lógicas que se invierten a la salida su símbolo lleva un circulito en el extremo.

 PUERTA O o OR (función suma)

Figura 5. Puerta Lógica OR

En este caso hay dos elementos de entrada (dos pulsadores). Para que la lámpara esté encendida (estado1) debe de estar un pulsador cualquiera pulsado (estado 1) o los dos.

 PUERTA AND (FUNCIÓN MULTIPLICACIÓN)

Figura 6. Puerta Lógica OR

   En este caso para que la lámpara este encendida es necesario que estén pulsador (estado 1) los dos pulsadores a la vez.

Con estas 4 puertas podríamos hacer casi todos los circuitos electrónicos, pero también es recomendable conocer otras dos puertas lógicas más para simplificar circuitos.

   PUERTA NOR (función suma invertida)

Figura 7. Puerta Lógica NOR

   Aquí vemos que la función viene representada en el propio símbolo. Además a la salida le llamamos Y, se pude llamar con cualquier letra en mayúsculas. Las entradas son A y B pero invertidas. Solo hay posibilidad de salida 1 cuando los dos pulsadores, cerrados en reposo, están sin accionar (estado 1). Si cualquiera de los dos pulsadores lo accionamos lo abriríamos y la lámpara estaría apagada.

  PUERTA NAND (función producto invertido)

  

Figura 8. Puerta Lógica NAND

   Como están en paralelo los dos pulsadores sin accionar (estado 0) la lámpara estará encendida (estado 1) y aunque pulsemos y abramos un pulsador la lámpara seguirá encendida. Solo en el caso de que pulsemos los dos pulsadores (los dos abiertos) y estén en estado 1 la lámpara se apagará (estado 0).

   A partir de que nos planteen un problema lo primero que deberemos saber es el número de variables (sensores, pulsadores, interruptores, etc.) que vamos a utilizar y a cada uno de ellos le asignamos una letra de una variable lógica (a, b, c, etc.). Al elemento de salida le llamamos S, y a continuación sacamos la tabla de la verdad poniendo los posibles valores de las variables (0 o 1) y el valor que tomará la salida para esos valores (tabla de la verdad del problema o circuito).

EJEMPLO:

Figura 9. Ejercicio de puertas lógicas

CONCLUSIONES En 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.

En suma, la electrónica digital se basa, como su nombre lo insinúa, en las señales binarias que se envían a través de compuertas lógicas y otros circuitos integrados, se aplica en la construcción de múltiples circuitos para diferentes aparatos de uso común como computadoras, refrigeradores, televisiones, estéreos, celulares, dispositivos MP3, etc.