Cuanto se presenta la exigencia de conectar dispositivos externos a un microcontrolador como por ejemplo sensores, a menudo se opta simplemente por la conexión directa, es decir, el cable de señal de salida del sensor a la entrada del micro.

Este modo es valido solamente cuando la distancia entre ambos se reduce a unos pocos centímetros, cuando los niveles de señal son compatibles y cuando la alimentación es única. Si una de estas tres condiciones no se cumplen, el sistema obtenido puede funcionar en modo incorrecto, con falsos señales o inclusive, con el bloqueo del microcontrolador debido a interferencias o a diferencias de potencial entre los dispositivos.

Un caso común donde se presenta este tipo de problemas es Arduino, piedra filosofal de una amplia comunidad de DIYers. Desde un punto de vista electrónico, Arduino consiste simplemente en una tarjeta con a bordo un microcontrolador Atmel, un convertidor RS232 a USB y un regulador de alimentación. Las entradas y las salidas del micro se encuentran disponibles directamente en los conectores de entrada/salida (in/out) si ningún tipo de aislamiento o filtro. Por lo tanto, si se usa Arduino en instalaciones complejas, con largos cables de conexión entre dispositivos, la cosa mas probable es que el microcontrolador se bloquee frecuentemente o no funcione como es debido.

Se pueden intercalar filtros RC, generalmente compuestos por condensadores y resistencias. Estos tienen las desventaja de una reducción de la banda pasante (la velocidad de la información que puede pasar en el tiempo) y por otro lado no resuelven el problema de las diferencias de potencial entre sistemas.

Sinking (NPN) y Sourcing (PNP)

Una de las nociones menos consideradas cuando se trabaja en la conexión de sistemas electrónicos es el concepto de "Sinking and Sourcing" o, mas conocido como NPN y PNP. Sinking (NPN) y Sourcing (PNP) son términos que definen el tipo de conexión digital entre unidades de control cuando se trabaja en corriente continua (DC) independientemente del tipo de dispositivo usado para la conexión (relé, transistor, etc.).

En la primer figura podemos observar una conexión del tipo Sinking o NPN en la cual la salida del dispositivo se conecta a masa cuando es activa, es decir cuando el transistor conduce. En este caso, la carga del dispositivo receptor se encuentra conectada a positivo para permitir un pasaje de corriente.

En la segunda figura se encuentra representada una conexión del tipo Sourcing o PNP en la cual el transistor de salida está conectado al positivo mientras que la carga del dispositivo receptor está conectada a masa.

Observen que en el primer caso (Sinking) el transistor es del tipo NPN mientras que en el segundo (Sourcing) el transistor es del tipo PNP. Este es el motivo por el cual las dos configuraciones se llaman también NPN y PNP. Generalmente los dispositivos industriales disponen salidas de un tipo o del otro.

Fotoacopladores

Un fotoacoplador es un dispositivo compuesto por un fotoemisor como (por ejemplo un led) y un fotoreceptor encapsulados en un único chip. El fotoacoplador permite pasar un señal lógico a través de un "puente" luminoso y sin contacto eléctrico entre entrada y salida. Existen muchos tipos de fotoacopladores pero los mas comunes están constituidos simplemente por un led y un fototransistor come se observa en la figura. Cuando el led se enciende, el transistor pasa al estado de saturación.

En la figura siguiente se puede observar el uso de un fotoacoplador para aislar la entrada de un microcontrolador. En estado de reposo, el interruptor está abierto y el led del fotoacoplador está apagado mientras el transistor, no recibiendo luz se encuentra en estado de corte. La entrada del micro se encuentra a nivel alto gracias a la resistencia de pull-up R2. Cuando se cierra el interruptor, empieza a pasar corriente por el led del fotoacoplador que se enciende, el transistor del fotoacoplador recibe la luz del led y pasa al estado de conducción llevando la entrada del micro a masa (estado bajo).

Se puede ver que los dos circuitos (el del led y el del micro) se encuentran alimentados por dos fuentes distintas (V1 y V2) y están completamente separados eléctricamente. Dadas las características del led (conduce en un solo sentido), este tipo de conexión se realiza solamente con entradas digitales con polaridad única. En el caso de corriente alternada o niveles de tensión analógicos, existen otras soluciones que no trataremos en este artículo.

Uso de fotoacopladores para la conexión Sourcing o PNP

Ahora veremos un ejemplo práctico de proyectación en el cual conectaremos un sensor con salida PNP a una tarjeta con microcontrolador con entrada fotoacoplada. Como se puede observar en la figura, tenemos el sensor con salida PNP a la izquierda mientras que la tarjeta con microcontrolador está a la derecha. La conexión se efectúa con dos cables, el primero es la salida del transistor mientras el segundo es la masa del sensor. Para mantener perfectamente aislado el microcontrolador, las alimentaciones y las masas deben ser distintas.

Para calcular el valor de las resistencia R1 deberíamos conocer las características del fotoacoplador. En general, los modelos mas comunes necesitan de una corriente de led entre 2mA y 10mA mientras que, gracias a la alta impedancia de entrada del micro, R2 puede ser un valor entre 4,7K y 47K. En el caso el sensor sea alimentado con 12V y con una corriente por el led del fotoacoplador de 5mA obtenemos:

R1 = (V - Vpnp -Vled) / I
R1 = (12V- 0,2 - 1,2V) / 5mA
R1 = 2120 ohm (aprox. 2,2K).

La tolerancia de los fotoacopladores nos permite de mantener la resistencia de 2,2K aunque si la tensión de alimentación del sensor fuera entre 9V y 15V.

Fotoacopladores con conexión semi-aislada

Cuando sensores y tarjeta con microcontrolador se alimentan con una sola fuente de alimentación, podemos usar una configuración Sinking (NPN) en la cual la masa es común a todos los dispositivos. No obstante, el aislamiento es parcial porque la alimentación es compartida, el optoacoplador "filtra" la entrada del micro que es el punto mas vulnerable respecto a las interferencias. Por lo tanto, este tipo de conexión es muy eficiente. La figura representa un sistema de este tipo.

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