La interconexión entre un Arduino o cualquier otro microcontrolador como PIC, MSP430 y cualquier circuito para controlar presenta algunas dificultades técnicas que implican principalmente la seguridad. Las altas tensiones que se utilizan para alimentar a los equipos sometidos a control pueden ser peligrosos para la placa microcontroladora y cualquier descuido puede significar la quema completa de los delicados circuitos digitales de esta junta. Para aislar el circuito controlado la mejor solución es la óptica. En este artículo nos centramos en diferentes opto acopladores integrados que se pueden utilizar en proyectos de interconexión y por lo tanto el desarrollo de los shields para microcontroladores y hasta el puerto paralelo de un ordenador, si quieres usarlo en algún proyecto de control.
Los circuitos integrados que forman una placa microcontroladora, como Arduino, son extremadamente delicados y cualquier impulso de tensión más alta puede causar un daño inmediato e irreparable.
Por otro lado, los circuitos controlados, especialmente en ambientes hostiles o conectados a la red eléctrica, en experimentos de robótica y mecatrónica normalmente implican el uso de cargas inductivas tales como motores, solenoides y relés que son dispositivos que, además de operar con tensiones elevadas son responsable de la producción de impulsos de alta tensión cuando operan.
¿Cómo aislar los dos dispositivos sin, sin embargo, la pérdida de la información a transferir?
Los medios físicos, tales como circuitos incluso si se proporcionan con elementos de protección no son muy seguros, y deben evitarse. Esto significa que no se recomienda el uso de conexiones directas.
Esto conduce a una solución adoptada casi en su totalidad en todas las interfaces o shields digitales: el uso de acoplamiento óptico.
Acoplador óptico
Un acoplador óptico está formado por una fuente de luz que puede ser modulada o controlada con facilidad, por ejemplo, un LED infrarrojo y un receptor que puede recibir y producir una señal a partir de la señal de luz modulada.
Los dos elementos se ensamblan en una cámara estanca sin contacto físico, como se muestra en la Figura 1.
Esta separación física al mismo tiempo no impide que un camino de la señal a otro en forma de radiación electromagnética proporciona un aislamiento mil voltios entre los circuitos de los dos componentes.
La interconexión o escudos diseñadores de circuitos pueden contar con una gran cantidad de acoplamientos que se diferencian esencialmente por el tipo de receptor utilizado.
El tipo de señal que se transfiere desde el circuito de control (Arduino, por ejemplo) para el circuito controlado (carga externa) va a determinar las características de este elemento.
A continuación vamos a cubrir varios tipos de acopladores que se pueden utilizar en la interfaz con sus circuitos típicos.
a) Acopladores con fototransistores
Estos son los más comunes ya que las señales obtenidas en su salida se pueden recuperar en su forma original.
En la Figura 2 el símbolo utilizado para tener un acoplador de este tipo en el que tenemos un emisor de infrarrojos LED como emisor y un fototransistor (que puede ser simple o Darlington, según el tipo) que recibe las señales.
El LED está conectado a una salida digital Arduino, por ejemplo de 3,3 o 5 V que proporciona la señal de accionamiento. La resistencia utilizada en este tipo de acoplamiento es típicamente de 330 Ω a 5 V y 220 o 330 ohmios a 3,3 V.
Variaciones de este tipo de acoplador incluyen tipos de foto-transistor Darlington y tipos en lugar de LEDs que pueden operar con señales alterna. Estos tipos de acopladores tienen sus símbolos que se muestran en la Figura 3.
Con el uso de una etapa amplificadora con uno o más transistores se puede excitar directamente un relé u otro tipo de carga con este tipo de acoplador como se muestra en la Figura 4.
En la Tabla 1 se da una lista de opto acopladores con el transistor con sus características.
| Tipo | Isolamento | V(BR)CEO (del transistor) |
| TIL111 | 1500 V | 30 V |
| TIL112 | 1500 V | 20 V |
| TIL114 | 2500 V | 30 V |
| TIL115 | 2500 V | 20 V |
| TIL116 | 1500 V | 30 V |
| TIL117 | 1500 V | 30 V |
| 4N25,A | 2500 V | 30 V |
| 4N26 | 1500 V | 30 V |
| 4N27 | 1500 V | 30 V |
| 4N35 | 3500 V | 30 V |
| 4N36 | 2500 V | 30 V |
| 4N37 | 1500 V | 30 V |
| H11A2 | 1500 V | 30 V |
| H11AV3 | 7500 V | 70 V |
| MCT275 | 3000 V | 80 V |
Uno de los componentes más populares de esta familia y se puede encontrar con facilidad 4N25 que se muestra en la Figura 5.
Este componente tiene una tensión de aislamiento de 7.500 voltios y se presenta en el cubierta DIP de 6 pines.
En la figura 6 tenemos un circuito de aplicación para 4N25 con un amplificador externo que puede ser utilizado para excitar cargas de potencia, o un relé.
Circuitos sugeridas por Texas Instruments usando un TIP102 / 103 o TIL120 o TIL121 se muestran en la Figura 7.
La Figura 8 muestra el uso de un amplificador operacional 741 junto con un acoplador óptico con el fin de obtener una señal de intensidad más alta para la excitación externa. Este circuito debe ser alimentado por fuente de 15 voltios.
Los circuitos de interfaz TTL se muestran en la Figura 9.
En la Tabla 2 se da una lista de opto acopladores con transistores Darlington.
| Componente | Tensión de Pico de Bloqueo | Corriente no LED Para disparo |
| MOC3009 | 250 V | 30 mA |
| MOC3010 | 250 V | 15 mA |
| MOC3011 | 250 V | 10 mA |
| MOC3012 | 250 V | 5 mA |
| MOC3020 | 400 V | 30 mA |
| MOC3021 | 400 V | 15 mA |
| MOC3021 | 400 V | 10 mA |
| MOC3023 | 400 V | 5 mA |
(Todos tienen tensión de isolamento de 7500 V)
Como podemos ver en las tensiones de aislamiento también son altos. La ventaja de este sistema es la posibilidad de tener una señal de intensidad más alta en la salida, con menos etapas de amplificación para accionar el dispositivo controlado.
Un circuito con la foto-transistor Darlington se muestra en la Figura 10.
La resistencia que se usa como carga para el transistor (R1) puede variar mucho dependiendo de la ganancia, tensión de alimentación utilizada y el transistor utilizado en el siguiente paso. El valor que se muestra en el diagrama es típico.
DISPARADORES OPTO
Un número importante de acopladores que se pueden utilizar para la interconexión con cargas de potencia PCs es el que permite el control directo de triacs.
La serie MOC de Motorola, tiene dos componentes muy importantes en esta serie que son los MOC3010 para disparar triacs red de 110 V y MOC3020 para disparar en la red de 220 V.
La cubierta de estos dos circuitos integrados se muestra en la Figura 11.
Con voltajes típicos de 7.500 voltios de aislamiento ambos dispositivos proporcionan seguridad al circuito del PC en relación con los circuitos controlados.
El MOC3020, en realidad es el primero de una serie que tiene como elementos adicionales los acopladores MOC3021, 3022 y 3023. La principal diferencia entre los tipos es que la última de las series necesitan corrientes más pequeñas en el LED para disparar.
Así tenemos el siguiente disparo actual típico:
| Tipo | Corriente em el LED (max) |
| MOC3020 | 30 mA |
| MOC3021 | 15 mA |
| MOC3022 | 10 mA |
| MOC3023 | 5 mA |
Los valores mostrados en la tabla son importantes para el correcto dimensionamiento de la resistencia en serie con el LED.
SALIDA CON LA SCHMITT DISPARADORES
Las salidas con Schmitt disparadores son interesantes cuando se hace el acoplamiento PC a un circuito de control digital que requiere señales libres de transitorios con un ascenso y caída de tensión muy rápido.
Para ello dispositivos como MOC5007, MOC5008 Motorola y MOC5009, que pin que se muestran en la Figura 12.
Como podemos ver en estos circuitos contiene un receptor equipado con una función de histéresis bastante fuerte con plena compatibilidad con TTL y CMOS circuitos externos.
Lo que distingue a los tres tipos de la serie es la intensidad de la corriente en el LED que hace que el circuito de disparo que oscila entre 1,6 mA y 10 mA para el MOC5007 MOC5009 (max).
Esto aumenta los valores de las resistencias en serie para el entusiasmo. Podemos utilizar 1k para 5 V y 680 ohmios a 3,3 V en el caso de Arduino.
Construcción Shields e Interfaces
Aprovechando la circuitería básica y componentes que se muestra es fácil de diseñar una interfaz de control o escudo con optoaisladores o acopladores-ópticos.
Sólo tiene que repetir en cualquiera de la placa de circuito se muestra o incluso hacer que su mezcla de acuerdo con la aplicación y el control de ellos por Arduino emite número u otro microcontrolador, como se sugiere en la figura 13.
Los principales puntos a tener en cuenta en el proyecto son el dimensionamiento correcto de los resistores limitadores de las puertas y la separación de las pistas de la placa de los circuitos controlados por el circuito de control.
La fuente para el sistema de control también debe estar bien planificada de manera que no hay problemas de corrientes de alta intensidad en pistas estrechas.