Optoacoplador de resistencia ( abreviado RO ), u optoacoplador de resistencia - dispositivo semiconductor optoelectrónico , que consta de un emisor y un receptor de luz, que están conectados por comunicación óptica y galvánicamente aislados entre sí [1] . El receptor de la RO es una fotorresistencia a base de seleniuro de cadmio (CdSe) o sulfuro de cadmio (CdS), y el emisor es un LED , una lámpara incandescente en miniatura , con menos frecuencia una lámpara de neón . En RO con canal óptico cerradoEl emisor y el receptor de luz están firmemente pegados entre sí con pegamento transparente y colocados en una carcasa ópticamente opaca. En RO con un canal abierto , el emisor y el receptor están montados en una base común, y el canal óptico está cerrado a través del entorno externo.
Funcionalmente, RO es una resistencia eléctrica controlada por la corriente que fluye a través del emisor. En ausencia de corriente a través del emisor, la resistencia oscura [nota 1] del fotorresistor a la corriente continua varía desde unidades de MΩ hasta cientos de GΩ [2] . Cuando el receptor se irradia con la luz del emisor, la conductividad del fotorresistor aumenta en proporción a la iluminación de su superficie, que a su vez es proporcional a la intensidad de la luz del emisor [nota 2] . A diferencia de los fotodiodos y fototransistores , los fotorresistores son capaces de controlar circuitos lineales de corriente continua y alterna [1] , mientras que el voltaje permitido en el fotorresistor puede alcanzar cientos de V [2] . El coeficiente de distorsión no lineal (K NI ) de la corriente de salida a tensiones bajas (hasta 0,5 V) no supera el 0,1 % (-80 dB ) [3] .
El RO es históricamente el primer y más lento tipo de optoacoplador: el retardo de conmutación de los mejores ejemplos es del orden de 1 ms [4] , y el RO en lámparas incandescentes se caracteriza por retardos de cientos de ms [2] . La capacitancia parásita del fotoresistor limita el rango de frecuencia del circuito secundario a frecuencias de audio y ultrasónicas . Los fotorresistores de cadmio demuestran un efecto de memoria pronunciado: la resistencia de un fotorresistor depende no solo del valor actual de iluminación ("exposición a la luz"), sino también del "historial de luz" acumulado en el pasado. La adaptación al valor actual de la iluminación dura horas [5] , para dispositivos altamente sensibles, semanas [6] . A altas temperaturas, los fotorresistores envejecen rápida e irreversiblemente , y a temperaturas inferiores a -25 °C, el retardo de respuesta aumenta drásticamente. Por lo tanto, en la década de 1970, los optoacopladores ( optoacopladores ) de diodos y transistores de alta velocidad obligaron a los RO a salir del mercado . Debido a la combinación exitosa de aislamiento galvánico, baja distorsión y simplicidad de las soluciones de circuitos, los RO continúan usándose como elementos de control (resistencias controladas) en equipos de audio de estudio, en amplificadores de guitarra y en sintetizadores analógicos .
En 1873, Willoughby Smith descubrió la fotoconductividad en el selenio [7] . A principios del siglo XX, el estudio del efecto fotoeléctrico externo en los tubos de vacío allanó el camino para la producción comercial de células fotovoltaicas [8] . En 1918, ingenieros estadounidenses y alemanes, trabajando de forma independiente, propusieron el uso de fotocélulas de vacío para la lectura óptica de bandas sonoras en el cine [9] . Lee de Forest , Western Electric y General Electric han llevado al uso práctico tres sistemas de película sonora de la competencia [10] [11] . En 1927, se estrenó en los Estados Unidos la primera película sonora comercial , The Jazz Singer , y en 1930, las películas sonoras habían reemplazado por completo al cine mudo [10] .
El triunfo del cine sonoro estimuló la búsqueda de nuevas áreas de aplicación de las células fotovoltaicas [12] . Los ingenieros consideraron todos los tipos conocidos de fotocélulas (de vacío, de descarga de gas, fotovoltaicas, fotorresistores [13] ), pero en la práctica, el mercado de la automatización industrial y doméstica fue capturado por dispositivos de selenio lentos [14] pero baratos [15] . A mediados de la década de 1930, las células fotovoltaicas de selenio controlaban las cintas transportadoras, los ascensores [16] y los telares [17] de las fábricas . En Gran Bretaña, y luego en los EE. UU., comenzó la instalación masiva de detectores de incendios con sensores de selenio [18] . Norbert Wiener propuso usar y Truman Gray construyó un escáner óptico para la entrada e integración de datos en computadoras analógicas [19] . Kurt Kramer introdujo la fotocélula de selenio en la investigación médica. En 1940 Glenn Millikenconstruyó el primer oxímetro de selenio práctico para monitorear la condición de los pilotos de la RAF . El oxímetro Millikan era un optoacoplador, cuyo canal óptico se cerraba a través del lóbulo de la oreja del piloto [20] [21] .
En la segunda mitad de la década de 1950, las células solares de selenio fueron reemplazadas por fotorresistores basados en sulfuro de cadmio (CdS) y seleniuro de cadmio (CdSe). Para 1960, los optoacopladores basados en lámparas incandescentes y fotorresistores de cadmio se usaban en circuitos de retroalimentación de automatización industrial (controladores de velocidad de vehículos, estabilizadores de voltaje). A principios de la década de 1960, la introducción de fotorresistores de cadmio compactos y sensibles condujo a la producción en masa de cámaras con exposición automática, incluidas las cámaras réflex con medición a través de la lente [22] [23] . En medicina, los fotorresistores de cadmio no han echado raíces debido al excesivo efecto memoria y al rápido envejecimiento [23] . La necesidad de una calibración y corrección regulares del "historial de luz" del dispositivo resultó ser inaceptable para la práctica médica [24] [25] .
En la primera mitad de la década de 1960, Gibson y Fender comenzaron a usar RO como moduladores de trémolo [nota 3] en amplificadores de guitarra. Ambas empresas ensamblaron de forma independiente sus optoacopladores a partir de lámparas discretas, fotorresistores y tubos termorretráctiles [26] . Gibson utilizó lámparas incandescentes como emisores, lo que limitaba la frecuencia máxima del efecto. Fender reemplazó la lámpara incandescente con una lámpara de neón , lo que hizo posible aumentar la frecuencia del efecto a decenas de Hz a bajas corrientes de conducción y una "conmutación" de naturaleza no lineal de la modulación. A pesar de la ventaja de velocidad de las lámparas de neón, los fabricantes independientes de efectos de guitarra prefirieron usar lámparas incandescentes con su modulación suave y "jugosa" [27] .
En 1967 Vactec , Inc. lanzó RO compactos al mercado bajo la marca Vactrol [28] (Vactrol). A diferencia de los ensamblajes utilizados por Fender y Gibson, los vactrols estaban completamente sellados y proporcionaban una conexión mecánica rígida entre la lámpara y el fotorresistor. A principios de la década de 1970, Vactec reemplazó las bombillas incandescentes por LED . Los RO alcanzaron el límite de velocidad de conmutación, que aún era demasiado lento para las necesidades de la tecnología digital. Los fabricantes se centraron en llevar los fotodiodos y fototransistores al uso masivo , y durante la década de 1970, los nuevos dispositivos y optoacopladores basados en ellos obligaron a los optoacopladores de resistencia a salir del mercado [29] [24] . RO retuvo nichos estrechos en equipos de sonido de escenario y estudio, así como en automatización industrial, donde las deficiencias de los fotorresistores no fueron decisivas [30] [31] . vactec inc. no renovó sus derechos sobre la marca comercial Vactrol [28] a tiempo, y se convirtió en un sustantivo común en inglés , que denota cualquier RO utilizado en equipos de audio [32] (incluidos los "Vactrols" de Fender y Gibson lanzados antes de la aparición de la marca comercial Vactrol [nota 4] A principios de 2012, PerkinElmer continúa con la producción de RO bajo la marca registrada Vactrol.(EE. UU.) es el cesionario de Vactec, Inc. [33] . Silonex (EE.UU., una división de Carlyle Group ) fabrica RO bajo la marca AudiOhm [34] .
En la Unión Europea , la producción y comercialización de fotorresistores basados en compuestos de cadmio está prohibida desde el 1 de enero de 2010. La directiva RoHS original de la UE , adoptada en 2003, permitía el uso temporal de cadmio en dispositivos que no tenían alternativas seguras [35] . La industria del audio no logró convencer a los legisladores de la indispensabilidad de los optoacopladores de cadmio y, en 2009, la Comisión Europea eliminó los "fotorresistores para optoacopladores utilizados en equipos de audio profesionales" de la lista de aplicaciones de cadmio permitidas [36] .
En los optoacopladores se utilizan dos tipos de materiales fotosensibles: sulfuro de cadmio (CdS, fotorresistores de sulfuro de cadmio [37] ) y seleniuro de cadmio (CdSe, fotorresistores de selenio y cadmio [37] ).
Los fotorresistores de sulfuro de cadmio tienen una alta sensibilidad, alcanzando un máximo en la región roja del espectro visible ( longitud de onda λ = 640 nm ) y capturando la región del infrarrojo cercano hasta λ = 900 nm [38] . Son capaces de controlar corrientes relativamente grandes (del orden de varios mA), mientras que su característica de transferencia de lux-amperios (dependencia de la fotocorriente en la iluminación a un voltaje constante) es casi lineal [37] . La alta resistencia a la oscuridad [nota 1] , que alcanza decenas de GOhm [37] , garantiza el rango dinámico máximo posible en términos de iluminación y la distorsión de señal no lineal más baja [39] . Sin embargo, la velocidad de tales fotorresistores es baja: la constante de tiempo de respuesta a un cambio en la iluminación alcanza los 140 ms a +25 °C [37] .
Los fotorresistores de seleniuro de cadmio tienen la mayor sensibilidad posible, de 5 a 100 veces mayor que la sensibilidad de los dispositivos de sulfuro de cadmio [37] . La sensibilidad máxima se encuentra en la región roja del espectro visible o en la región del infrarrojo cercano (λ de 670 a 850 nm), el límite de sensibilidad de longitud de onda larga alcanza los 1100 nm [38] . Con un rango dinámico relativamente estrecho y peor linealidad, el seleniuro de cadmio proporciona un mejor rendimiento: la constante de tiempo no supera los 20 ms [37] .
Los emisores óptimos para los fotorresistores de cadmio son los LED rojos basados en heteroestructuras AlGaAs ( longitud de onda λ = 660 nm ) o GaP/GaP (λ = 697 nm), que tienen espectros de emisión relativamente amplios [40] . El coeficiente de correlación espectral [nota 5] de dichos optoacopladores alcanza el 35 % y el 47 %, respectivamente [41] .
La luminosidad del LED es prácticamente proporcional a la corriente de excitación [nota 6] . El espectro de emisión depende de la temperatura del cristal (que, a su vez, aumenta con el aumento de la corriente), pero el cambio de temperatura del espectro dentro de la región de operación segura es demasiado pequeño para interrumpir la coincidencia espectral del LED y la fotorresistencia [42] [43] . Para garantizar la constancia del acoplamiento óptico, el emisor y el fotorresistor se pegan rígidamente con un compuesto transparente a base de resina epoxi , pegamento óptico o polímeros similares a la vaselina [44] . El enfoque y la directividad estrecha de la radiación, característicos de los LED, no están permitidos en los optoacopladores: si un haz de luz estrecho cae sobre el borde de la metalización y la superficie abierta de la fotorresistencia, el más mínimo desplazamiento del emisor en relación con la interfaz cambia significativamente. el flujo de luz captado por la fotorresistencia [45] . Por tanto, en los optoacopladores LED, el adhesivo realiza una función adicional de dispersión de la luz.
La característica de transferencia de un RO ideal, generalmente representada como la dependencia de la resistencia del fotorresistor de la corriente a través del emisor, es una derivada de la característica amperlux del emisor, el coeficiente de acoplamiento óptico del emisor y el fotorresistor, la coincidencia espectral de el emisor y el fotorresistor, y la característica luxómica del fotorresistor [nota 7] . La iluminación efectiva del cristal fotorresistor por el LED es proporcional a la corriente de control en todo el rango de corrientes de operación. Para las lámparas incandescentes, la relación entre la corriente y la iluminación útil solo puede establecerse empíricamente: la luminosidad de la lámpara depende de la corriente de forma no lineal, mientras que el espectro de radiación cambia continuamente con el aumento de la corriente. Las propiedades de un fotorresistor también dependen de la temperatura, el voltaje en sus terminales, la vida útil, pero especialmente de la "historia de luz" acumulada (efecto memoria). Por lo tanto, en la práctica, la característica de transferencia es una banda de valores probables.
El circuito equivalente de una fotorresistencia consta de tres resistencias:
R T y R f (pero no R OST ) disminuyen al aumentar el voltaje en los pines del fotorresistor, lo que da lugar a distorsiones no lineales de la señal de salida [45] . A bajos niveles de luz, la impedancia de un fotorresistor de cadmio tiene un coeficiente de resistencia de temperatura (TCC) positivo, que aumenta aproximadamente un 1 % con un aumento de la temperatura de 1 °C [47] [48] . Con un aumento en la iluminación, el TCS puede aumentar y disminuir, y cambiar de signo de positivo a negativo [49] .
Los fotorresistores de cadmio tienen un efecto de memoria pronunciado: la resistencia del fotorresistor, en igualdad de condiciones, depende de la "historia de luz" acumulada [50] . Un fotorresistor mantenido en la oscuridad durante un tiempo suficientemente largo muestra una respuesta excesiva a la luz. Inmediatamente después de irradiar el fotorresistor con luz de intensidad constante Ф , su resistencia cae a un valor inicial bajo R MIN (Ф) . Luego, la resistencia aumenta lentamente hasta un valor constante R (F) . En el caso contrario, cuando la fotorresistencia se irradió con luz de alta intensidad durante mucho tiempo ( Ф 0 >> Ф KR ), con la transición a un nivel de iluminación más bajo Ф , la resistencia aumenta a R MAX (Ф) , y luego lentamente cae al nivel R (Ф) . Los cambios en la potencia disipada por el emisor y la fotorresistencia afectan inevitablemente a la temperatura de esta última, por lo que en la práctica la adaptación a la luz va acompañada de una deriva térmica de la resistencia.
La velocidad de adaptación a la luz aumenta de forma no lineal con el nivel de iluminación, y el tiempo de adaptación a un nuevo nivel de iluminación se mide en minutos u horas. Después de apagar la fuente de luz, la resistencia del fotorresistor aumenta a R T , sin embargo, el fotorresistor "recuerda" el "historial de luz" acumulado. La adaptación a la oscuridad (volver al estado de oscuridad original) suele tardar unas ocho horas, pero en algunos instrumentos, los efectos residuales pueden durar semanas [6] . En la práctica, el tiempo de adaptación total garantizada se equipara a 24 horas [5] .
La profundidad del efecto memoria, expresada como la relación R MAX / R MIN , es mayor en niveles de luz bajos. Para los fotorresistores de OI modernos fabricados por PerkinElmer, esta relación es de 1,5 a 1,6 con una iluminación de 0,1 lux ; con una iluminación de 1000 lux, disminuye a 1,05-1,10 ( R MAX y R MIN se acercan asintóticamente a R OST ) [50] . Allá por el año 2001 se producían en EE. UU. fotorresistores rápidos de baja resistencia, en los que la relación R MAX /R MIN alcanzaba un valor de 5,5 [50] , pero para el año 2009 se retiraron de las ventas [51] . Los fotorresistores de alta resistencia tienden a tener un efecto de memoria menos pronunciado, dependen menos de la temperatura y son más lineales que los dispositivos de baja resistencia, pero los pierden en velocidad [52] . En la década de 1960, se propusieron fotorresistores que prácticamente no tenían efecto memoria [nota 8] , pero a altos niveles de luz estos dispositivos exhibían una distorsión no lineal inaceptablemente alta [53] .
RO: dispositivos lentos, que se caracterizan por dos tipos de restricciones de frecuencia: en la entrada y en la salida.
El rango de frecuencia efectivo de la señal de entrada (control, modulación ) está limitado por los retrasos en la respuesta de la fuente de luz a los cambios en la corriente de entrada y los retrasos en la respuesta del fotorresistor a los cambios en la iluminación. El límite superior de la frecuencia de la señal de control RO es de 1 a 250 Hz, y el tiempo de respuesta del fotorresistor a una disminución de la iluminación (apagando el emisor) es de 2,5 ms a más de 1 segundo [4] [nota 9] . La respuesta a un aumento de la iluminación es significativamente (hasta diez veces) más rápida, pero en la práctica el rango de frecuencia está limitado por el mayor de los retrasos, es decir, la respuesta a una disminución de la iluminación. Con un aumento en el nivel promedio de iluminación, los retrasos en la respuesta disminuyen ligeramente [4] . Los datos de pasaporte sobre el retraso de la respuesta de la RO soviética, por regla general, son más conservadores que los datos de los dispositivos estadounidenses. Según GOST [54] , el tiempo de caída se define como “el intervalo de tiempo mínimo entre los puntos de la característica normalizada transitoria inversa con los valores de [corriente normalizada o conductividad normalizada] 0,9 y 0,1, respectivamente” [55] . De acuerdo con las especificaciones , el retraso al apagar el RO se equiparó al tiempo durante el cual la corriente a través del fotorresistor disminuyó al 20% de la corriente inicial (luz) [56] . Los estadounidenses operan con una constante de tiempo : el tiempo durante el cual la conductividad o corriente cae al 27% ( 1/e ) del valor inicial [45] [57] .
El retraso de encendido del LED es de unos pocos o decenas de nanosegundos; en la práctica, se descuida. Los retrasos de encendido y apagado de una lámpara incandescente se miden en decenas y cientos de milisegundos, respectivamente, por lo que el rango de frecuencia de la RO en lámparas incandescentes está limitado a unidades de Hz. A frecuencias de tensión de red y superiores, tales RO son detectores efectivos del valor rms de la corriente a través de la lámpara [30] . Los microcontroladores de un solo chip con salidas de ancho modulado pueden controlar todo tipo de RO sin filtrado adicional de señales PWM .
El rango de frecuencia de la señal de salida (controlada, modulada) está limitado por la fuga de corriente a través de la capacitancia parásita RO. Los electrodos metalizados formados en la superficie del fotorresistor tienen un área significativa y, como resultado, una capacitancia parásita que desvía la resistencia óhmica del fotorresistor, lo que reduce el rango dinámico de la RO [58] . La capacitancia oscura entre electrodos del fotorresistor de las OI de tamaño pequeño es de aproximadamente 3 pF (a niveles de iluminación altos correspondientes a un fotorresistor completamente abierto, la capacitancia es de 2 a 10 veces mayor) [58] . Con valores de iluminación bajos, la resistencia total en oscuridad de tal fotorresistencia cae a 3 MΩ en el límite superior del rango de audio (20 kHz) y a 12 kΩ en la frecuencia de la subportadora de la señal de video PAL (4,43 MHz) [58] . Por lo tanto, el rango de frecuencia práctico de la señal modulada por RO está limitado a frecuencias de audio y ultrasónicas.
La firma de ruido de los fotorresistores, así como de los resistores macroscópicos convencionales , está determinada por tres tipos de ruido: ruido térmico (Johnson), ruido de disparo y ruido de parpadeo [59] . En el rango de frecuencias de audio, se observa predominantemente ruido de disparo y parpadeo; a frecuencias superiores a 10 kHz, predomina el ruido térmico [60] . En la práctica, la contribución de ruido del fotorresistor a la señal útil se desprecia si el voltaje en sus terminales no supera los 80 V [59] . Cuando se supera el umbral de 80..100 V, se nota un aumento significativo del ruido [59] .
La distorsión no lineal generada por un fotorresistor depende del voltaje que se le aplica y de la iluminación. Según PerkinElmer, el KNI para un voltaje determinado es mínimo con mucha iluminación y baja resistencia del fotorresistor. Con una disminución en la iluminación y un aumento en la resistencia , KNI aumenta varias veces. La diferencia relativa entre los valores KNI mínimo y máximo para cada tipo de fotorresistencia es prácticamente independiente del voltaje aplicado [61] .
Si el voltaje en el fotorresistor no supera el umbral, que varía de 100 a 300 mV para diferentes materiales [61] , entonces el KNI es prácticamente independiente del voltaje y es inferior al 0,01 % [61] . La naturaleza de estas distorsiones residuales, cuyo espectro está dominado por el segundo armónico , no ha sido establecida [59] . Cuando se supera el umbral, aparece el tercer armónico en el espectro, KNI aumenta en proporción al cuadrado de la tensión [61] . Aceptable para el coeficiente de reproducción de sonido de alta calidad de distorsión no lineal de 0,1% (-80 dB), por regla general, se proporciona a voltajes de señal de hasta 500 mV [59] . La proporción de armónicos pares e impares se puede controlar aplicando un voltaje de polarización constante a los electrodos de la fotorresistencia [61] .
Superar el voltaje máximo entre las salidas del fotorresistor, incluso a corto plazo, es inaceptable [62] . El voltaje máximo permitido de los fotorresistores de alta resistencia de tamaño pequeño está limitado por la fuga de corriente sobre la superficie del cristal y oscila entre 100 y 300 V [62] . El voltaje máximo permitido de los fotorresistores de bajo voltaje se establece en niveles más bajos, determinados por la disipación de calor permitida en el cristal [62] . En ambos casos, la sobretensión provoca una destrucción irreversible catastrófica de la metalización [62] .
La vida útil de la RO está determinada por la vida útil del emisor (lámpara o LED) y el rango permitido de cambios en las propiedades del fotorresistor [62] . En la práctica, la vida útil de un LED puede despreciarse: es de 10 a 20 mil horas (de 1 a 7 años de funcionamiento continuo), después de lo cual comienza una disminución gradual de la salida óptica [62] . Trabajar en los límites de corriente acelera el envejecimiento de los LED, por lo tanto, cuando se encienden constantemente, se recomienda limitar la corriente a la mitad del máximo permitido [63] . El tiempo medio entre fallas de una lámpara incandescente no excede las 20 mil horas, y la falla en sí ocurre casi instantánea e irreversiblemente: la bobina de la lámpara se quema [64] . Debido a la baja eficiencia, las lámparas incandescentes requieren más potencia que los LED y, como resultado, el fotorresistor de un optoacoplador con una lámpara incandescente opera en las peores condiciones térmicas [65] .
El proceso de envejecimiento de la fotorresistencia es irreversible y dura toda la vida útil del dispositivo. Si la temperatura del cristal del fotorresistor no excede el límite permisible (por regla general, no más de +75 °C), entonces, durante cada año de funcionamiento continuo, la resistencia oscura del fotorresistor cae un 10 % [66] . Cuando se supera el umbral, el envejecimiento se acelera; a una temperatura de +150 °C, se pueden observar cambios irreversibles (pero no catastróficos) en la resistencia en la pantalla del osciloscopio: en pocos minutos, la resistencia del fotorresistor cae varias veces [6 ] . La disipación de potencia límite en una fotorresistencia generalmente se especifica para una temperatura ambiente de +25 °C; para temperaturas más altas, el límite de potencia se reduce en un 2 % por cada grado adicional por encima de +25 °C (es decir, a +75 °C, la potencia permitida se reduce a cero; el funcionamiento del dispositivo está prohibido) [67] . Cabe señalar que, debido al área más grande del cristal, los fotorresistores son más resistentes al exceso a corto plazo de la potencia admisible que los transistores de silicio modernos con el mismo valor nominal de la potencia admisible [62] .
A bajas temperaturas (aproximadamente -25 °C para dispositivos de baja resistencia y aproximadamente -40 °C para dispositivos de alta resistencia), la velocidad de respuesta de los fotorresistores disminuye drásticamente [6] : los fotorresistores literalmente se "congelan". Después de la descongelación, sus propiedades eléctricas se restablecen por completo, sin embargo, los procesos de expansión térmica de las cajas de plástico pueden provocar daños mecánicos irreversibles. Los optoacopladores soviéticos en cajas de metal, por regla general, estaban clasificados para funcionar a temperaturas de hasta -60 °C [68] , pero a tales temperaturas el retraso de la respuesta del pasaporte se amplía a 4 segundos [69] .
Los optoacopladores con fotoresistores de alta resistencia, capaces de operar en circuitos de 220 V CA, se pueden utilizar como relés de CC o CA de baja potencia con "contactos" normalmente abiertos . Dichos RO son "dispositivos casi ideales" [56] para activar indicadores electroluminiscentes : un circuito en serie de un fotorresistor optoacoplador y una carga conmutada se conectan directamente a la red eléctrica de CA [70] .
En los circuitos reguladores de nivel de señal más sencillos, la fotorresistencia del optoacoplador se incluye en el brazo superior (conexión en serie) o inferior (conexión en derivación) del divisor de tensión [71] .
La conexión en serie proporciona un rango de control más amplio (hasta -80 dB) en CC y bajas frecuencias. El control se ve obstaculizado por la extrema no linealidad de la dependencia de la resistencia de la corriente de control [72] . El estrechamiento del rango dinámico debido a la capacitancia parásita ya se nota a frecuencias de cientos de Hz [72] . La tasa de aumento del coeficiente de transferencia del divisor (respuesta a un aumento en la corriente de control) es significativamente mayor que la tasa de su disminución (reacción a una disminución o apagado de la corriente de control) [72] . Con ganancias de divisor bajas (-10 dB e inferiores), casi todo el voltaje de la fuente de señal cae sobre el fotorresistor, lo que genera distorsiones no lineales relativamente altas [72] .
La conexión de derivación tiene una característica de transferencia más suave, un nivel más bajo de distorsión no lineal, pero la profundidad de ajuste del coeficiente de transferencia está limitada a -60 dB [73] . Esta limitación se elimina conectando dos divisores de derivación en serie [73] . La característica de transferencia de una derivación de dos etapas sigue siendo bastante uniforme si la corriente de control se establece mediante un potenciómetro antilogarítmico [73] . La tasa de aumento en el coeficiente de transmisión (respuesta a una disminución o apagado de la corriente de control) es mucho más lenta que la tasa de su disminución (respuesta a un aumento en la corriente de control) [73] .
La mejor combinación de características de transferencia suave, baja distorsión, amplio rango de ajuste y velocidades de rotación y caída casi iguales se logra en circuitos en serie-paralelo compuestos por dos optoacopladores y una resistencia en serie [74] . Los emisores de la RO superior e inferior en dicho circuito son alimentados por corrientes complementarias de un divisor de diodo-resistencia, seleccionado por las características de los optoacopladores utilizados. Las limitaciones de frecuencia de tales circuitos son similares a la conexión en serie del RO [74] .
Los circuitos de voltaje de control del divisor pueden compensar efectivamente la deriva térmica de un LED PO [75] pero no pueden compensar el efecto de memoria y la deriva térmica de una fotorresistencia. Para compensar los procesos que ocurren en el fotorresistor, se necesita un segundo fotorresistor (de control), que se encuentra en las mismas condiciones (iluminación, temperatura) que el dispositivo principal (modulador). Si el voltaje a través de cada uno de los dos fotorresistores es relativamente pequeño, podemos suponer que las temperaturas de sus cristales son iguales, la "historia de la luz" es idéntica y, como resultado, sus resistencias son iguales entre sí [76] .
La mejor precisión de seguimiento la proporcionan los optoacopladores de dos resistencias, en los que los fotorresistores principal y de control se forman en un chip común. También es posible utilizar dos optoacopladores convencionales, cuyos emisores están conectados en serie (en este caso, los fotorresistores principal y de control pueden estar aislados galvánicamente entre sí).
La fotorresistencia de control está incluida en un divisor de voltaje estabilizado o puente de medición. El amplificador de error compara el voltaje en el punto medio del divisor con el valor objetivo y ajusta la corriente del emisor para que el voltaje en el punto medio sea igual al objetivo. Varios esquemas de bucle de retroalimentación le permiten implementar características de transferencia proporcionales, inversamente proporcionales, lineales por partes , logarítmicas , etc. del circuito. Con una característica de control lineal, el optoacoplador se convierte en un multiplicador analógico : la corriente a través de la fotorresistencia es proporcional al producto del voltaje a través de la fotorresistencia y el voltaje de control [77] [78] .
En la URSS, se utilizaron RO de pequeño tamaño en compresores de señales de sonido en comunicaciones telefónicas de larga distancia. La lámpara incandescente RO se conectó a la salida del amplificador operacional (op-amp), la fotorresistencia se conectó al divisor de voltaje de retroalimentación del amplificador no inversor al op-amp . Dependiendo del voltaje de salida, la ganancia del circuito varió de 1:1 a 1:10 [79] .
Circuitos similares con constantes de tiempo ajustables del circuito de control todavía se utilizan en equipos de audio profesionales ( limitadores y compresores de señal , circuitos de supresión de ruido ). Según Applied Research & Technology (ART Audio), los compresores de tubo de vacío con optoacopladores Vactrol proporcionan tiempos de subida tan bajos como 0,25 ms, tiempos de caída tan bajos como 150 ms a 0,1 % KHP y −99 dBu [80] .
En los EE. UU., los RO fabricados por General Electric se utilizan en estabilizadores de voltaje de CA para fines industriales y militares [30] . Los estabilizadores de GE se construyen sobre la base de un autotransformador , controlado por un par de conjuntos de tiristores de potencia . La lámpara incandescente del optoacoplador, protegida por una resistencia de balasto , se conecta a la salida de CA. La lámpara asigna el valor RMS de la tensión de salida, prácticamente sin reaccionar a las sobretensiones de corta duración y la distorsión a largo plazo de la forma sinusoidal, característica de las redes eléctricas industriales [30] . El fotorresistor de cadmio del optoacoplador está incluido en uno de los brazos del puente de medición , el cual resalta la señal de error en el circuito de realimentación [30] .
En el primer amplificador de trémolo de Fender [ nota 3] , lanzado en 1955 [81] , el oscilador de trémolo controlaba la tensión de polarización de la etapa de presalida. La señal del oscilador pasó inevitablemente a la salida del amplificador, generando sobretonos perceptibles [82] . A principios de la década de 1960, Fender y Gibson utilizaron un optoacoplador como modulador de trémolo, con una fotorresistencia conectada a través de un condensador de bloqueo y un potenciómetro de control entre la salida del preamplificador y tierra. Cuando la corriente fluyó a través de la lámpara, el fotorresistor desvió la salida del preamplificador a tierra y el nivel de salida cayó. En este esquema se excluyó el paso de la señal de control a la salida [82] . La profundidad de modulación fue controlada por un potenciómetro de resistencia relativamente baja [nota 10] colocado en el panel frontal. Independientemente de la posición del potenciómetro, el modulador redujo significativamente la ganancia de la etapa anterior, por lo que el preamplificador debía tener un margen de ganancia, y una ruptura física en el circuito del modulador cambió no solo el nivel, sino también el timbre del amplificador . [26] .
En los amplificadores Gibson, el fotorresistor estaba controlado por una lámpara incandescente, que requería corrientes relativamente grandes (para la tecnología de lámparas). La construcción del optoacoplador estuvo a cargo del triodo "actual" 6C4 o la mitad del doble triodo 12AU7(pasaporte de corriente de funcionamiento de hasta 20mA). Fender reemplazó la lámpara incandescente con una lámpara de neón, lo que hizo posible aumentar la frecuencia de modulación [83] y controlar el optoacoplador con un triodo de baja potencia (la mitad de 12AX7 ). Sin embargo, a diferencia del suave vibrato de los amplificadores Gibson, la lámpara de neón del Fender se encendía/apagaba, lo que hacía que el efecto fuera menos melodioso [84] . Por este motivo, los fabricantes independientes de efectos de guitarra (Univibe) han optado por utilizar lámparas incandescentes [85] .
En 1968, Darr llamó al modulador optoacoplador un "nuevo método" de acoplar un oscilador de trémolo a un amplificador [82] , pero los días del optoacoplador en la producción en masa estaban contados. La música rock exigía potencias de salida prácticamente inalcanzables en los circuitos de válvulas, y en 1967 los principales fabricantes de amplificadores de guitarra habían cambiado a circuitos transistorizados . Durante varios años, Gibson siguió utilizando el optoacoplador de trémolo en los amplificadores de transistores (la tarea se vio facilitada por el uso de transistores de efecto de campo en las etapas de preamplificación , que se acoplaban bien con el fotorresistor de derivación) [87] . En el amplificador de transistor Gibson G100A de 1973, el optoacoplador se usó en una capacidad diferente: allí, a la señal del pedal o de un generador externo, conectó suavemente el limitador de señal de diodo [88] . También en 1973, Gibson abandonó el uso de optoacopladores, reemplazándolos con FET en modo de resistencia controlada [89] .
RO es una herramienta simple y conveniente para la sintonización de frecuencia de osciladores, filtros y amplificadores en sintetizadores analógicos . La implementación de filtros RC controlados por voltaje de Sallen-Kee es especialmente simple : el optoacoplador proporciona una dependencia casi exponencial de la frecuencia de corte en la corriente de control, incluso sin el uso de retroalimentación de banda base [90] . Sin embargo, debido al rango de frecuencia limitado del RO, la mayoría de los diseñadores de sintetizadores de las décadas de 1970 y 1980 ( ARP, Korg , Moog , Roland y otros) prefirieron usar otras soluciones de circuito [nota 11] . A partir de febrero de 2012, el lanzamiento de módulos de sintetizador RO continúa con EAR[91] (EE. UU.) y Doepfer(Alemania) los vende de existencias antiguas [92] .
La conexión en serie del LED [nota 12] y un fotorresistor de baja resistencia convierte el optoacoplador en una celda biestable controlada por pulsos de corriente (pestillo, celda de memoria), un análogo de un pestillo en relés electromecánicos . El LED del optoacoplador puede servir como indicador visual del estado del pestillo. Cuando se enciende la alimentación, la corriente a través del LED y el fotorresistor es cero, el voltaje en la salida de la celda se acerca al voltaje de suministro. Cuando se aplica un pulso de corriente entrante al LED, el LED se enciende, la resistencia del fotorresistor cae, el voltaje de salida cae a un nivel de aproximadamente 2 V. La celda se engancha en el estado encendido. Para apagarlo, cortocircuite brevemente el LED a tierra. La resistencia del fotoresistor aumenta, la salida vuelve a ser alta [93] [94] .
Los RO se utilizan en las comunicaciones de radioaficionados como terminadores de antena Beveridge ajustables de forma remota y de precisión .y líneas de alimentación . En una configuración típica, el RO se coloca en una caja sellada en el extremo lejano (de la estación de radio) de la antena [95] [96] . Al ajustar la corriente a través del emisor de RO, el operador ajusta la antena para suprimir al máximo el cero de la radiación cardioide . Según Connelly, el ajuste del optoacoplador suprime el nulo con más eficacia que el ajuste de la resistencia fija [97] . Durante una tormenta eléctrica, los cables a través de los cuales fluye la corriente de control del RO están sujetos a sobretensiones peligrosas . Deben derivarse a tierra con luces de neón o pararrayos similares [96] .