Les optocoupleurs, qui connectent des circuits en utilisant des signaux optiques comme support, sont un élément actif dans des domaines où une haute précision est indispensable, tels que l'acoustique, la médecine et l'industrie, en raison de leur grande polyvalence et de leur fiabilité, notamment leur durabilité et leur isolation.
Mais quand et dans quelles circonstances un optocoupleur fonctionne-t-il, et quel est son principe de fonctionnement ? Si vous utilisez un optocoupleur dans vos projets électroniques, vous pourriez avoir des difficultés à le choisir et à l’utiliser, car il est souvent confondu avec un phototransistor ou une photodiode. Cet article vous expliquera donc ce qu’est un optocoupleur.
Qu'est-ce qu'un photocoupleur ?
L'optocoupleur est un composant électronique dont l'étymologie est optique.
Un optocoupleur, également appelé isolateur optique ou isolation optique, est un coupleur optique composé d'un élément émetteur et d'un élément récepteur de lumière. Il relie un circuit d'entrée à un circuit de sortie par un signal optique. Aucune connexion électrique n'est établie entre ces circuits, qui sont ainsi isolés électriquement. Par conséquent, la connexion entre l'entrée et la sortie est indépendante et seul le signal est transmis. Il permet de connecter en toute sécurité des circuits présentant des niveaux de tension d'entrée et de sortie très différents, grâce à une isolation haute tension entre l'entrée et la sortie.
De plus, en transmettant ou en bloquant ce signal lumineux, il agit comme un interrupteur. Le principe et le mécanisme détaillés seront expliqués ultérieurement, mais l'élément émetteur de lumière du photocoupleur est une LED (diode électroluminescente).
Des années 1960 aux années 1970, période durant laquelle les LED ont été inventées et ont connu des progrès technologiques significatifs,optoélectroniqueest devenu un essor. À cette époque, diversdispositifs optiquesont été inventés, et le coupleur photoélectrique en faisait partie. Par la suite, l'optoélectronique s'est rapidement intégrée à notre quotidien.
① Principe/mécanisme
Le principe de l'optocoupleur repose sur la conversion du signal électrique d'entrée en lumière par l'élément émetteur, et la transmission de ce signal lumineux vers le circuit de sortie par l'élément récepteur. Ces deux éléments sont situés à l'intérieur du boîtier de transmission de la lumière et sont disposés face à face pour permettre la transmission.
Le semi-conducteur utilisé dans les éléments électroluminescents est la LED (diode électroluminescente). En revanche, il existe de nombreux types de semi-conducteurs utilisés dans les dispositifs photosensibles, selon l'environnement d'utilisation, la taille externe, le prix, etc., mais le plus courant est généralement le phototransistor.
À l'arrêt, les phototransistors conduisent un courant bien inférieur à celui des semi-conducteurs ordinaires. Lorsqu'ils sont exposés à la lumière, le phototransistor génère une force photoélectromotrice à la surface des semi-conducteurs de type P et N. Les trous du semi-conducteur de type N migrent vers la région p, les électrons libres de la région p migrent vers la région n, et un courant électrique circule.
Les phototransistors sont moins réactifs que les photodiodes, mais ils amplifient le signal de sortie de plusieurs centaines à 1 000 fois le signal d'entrée (grâce à leur champ électrique interne). Ils sont donc suffisamment sensibles pour capter même des signaux faibles, ce qui constitue un avantage.
En réalité, le « bloqueur de lumière » que nous voyons est un appareil électronique fonctionnant selon le même principe et le même mécanisme.
Cependant, les interrupteurs optiques sont généralement utilisés comme capteurs et fonctionnent en interposant un objet opaque entre l'élément émetteur et l'élément récepteur de lumière. Par exemple, ils peuvent servir à détecter les pièces et les billets dans les distributeurs automatiques et les guichets automatiques bancaires.
② Caractéristiques
L'optocoupleur transmettant les signaux par la lumière, l'isolation entre l'entrée et la sortie est primordiale. Une isolation performante le rend peu sensible aux perturbations et empêche les courants de fuite accidentels entre circuits adjacents, garantissant ainsi une sécurité optimale. De plus, sa structure est relativement simple et rationnelle.
Grâce à leur longue histoire, la vaste gamme de produits proposés par différents fabricants constitue un atout unique des optocoupleurs. L'absence de contact physique réduit l'usure entre les composants et prolonge leur durée de vie. En revanche, leur efficacité lumineuse est susceptible de fluctuer, car les LED se dégradent lentement avec le temps et les variations de température.
En particulier, lorsque la partie interne du plastique transparent s'opacifie avec le temps, la luminosité devient fortement altérée. Cependant, dans tous les cas, sa durée de vie reste bien supérieure à celle d'un contact mécanique.
Les phototransistors sont généralement plus lents que les photodiodes et ne sont donc pas utilisés pour les communications à haut débit. Cependant, cela ne constitue pas un inconvénient, car certains composants intègrent des circuits d'amplification en sortie pour augmenter leur vitesse. En réalité, tous les circuits électroniques n'ont pas besoin d'une vitesse accrue.
③ Utilisation
coupleurs photoélectriquesCes interrupteurs sont principalement utilisés pour les opérations de commutation. Le circuit est alimenté par l'activation de l'interrupteur, mais compte tenu de leurs caractéristiques, notamment l'isolation et la longue durée de vie, ils sont parfaitement adaptés aux applications exigeant une grande fiabilité. Par exemple, le bruit est un ennemi pour l'électronique médicale et les équipements audio/de communication.
Il est également utilisé dans les systèmes d'entraînement de moteurs. Le moteur, dont la vitesse est contrôlée par l'onduleur lors de son fonctionnement, génère du bruit en raison de sa forte intensité de sortie. Ce bruit peut non seulement endommager le moteur lui-même, mais aussi se propager par la masse et affecter les périphériques. Les équipements comportant de longs câblages sont particulièrement sensibles à ce bruit, ce qui, en usine, peut engendrer des pertes importantes et parfois même des accidents graves. L'utilisation d'optocoupleurs à isolation renforcée pour la commutation permet de minimiser l'impact sur les autres circuits et appareils.
Deuxièmement, comment choisir et utiliser les optocoupleurs
Comment choisir l'optocoupleur adapté à une application de conception de produit ? Les ingénieurs en développement de microcontrôleurs suivants vous expliqueront comment sélectionner et utiliser les optocoupleurs.
① Toujours ouvert et toujours fermé
Il existe deux types de photocoupleurs : ceux qui sont ouverts (position ouverte) en l’absence de tension, ceux qui sont fermés (position fermée) lorsqu’une tension est appliquée, et ceux qui sont fermés (position fermée) en l’absence de tension. Ils s’ouvrent et se ferment lorsqu’une tension est appliquée.
Le premier est dit normalement ouvert, et le second normalement fermé. Le choix dépend avant tout du type de circuit nécessaire.
② Vérifiez le courant de sortie et la tension appliquée
Les photocoupleurs amplifient le signal, mais ne laissent pas toujours passer la tension et le courant à volonté. Bien qu'ils soient dimensionnés, une tension doit être appliquée à l'entrée en fonction du courant de sortie souhaité.
Si l'on consulte la fiche technique du produit, on trouve un graphique où l'axe vertical représente le courant de sortie (courant de collecteur) et l'axe horizontal la tension d'entrée (tension collecteur-émetteur). Le courant de collecteur variant en fonction de l'intensité lumineuse de la LED, il convient d'appliquer la tension appropriée pour obtenir le courant de sortie souhaité.
Cependant, le courant de sortie calculé ici peut paraître étonnamment faible. Il s'agit de la valeur de courant qui peut encore être fournie de manière fiable malgré la dégradation de la LED au fil du temps ; elle est donc inférieure à la valeur maximale.
Au contraire, il existe des cas où le courant de sortie est faible. Par conséquent, lors du choix d'un optocoupleur, veillez à bien vérifier le courant de sortie et à sélectionner le produit adapté.
③ Courant maximal
Le courant de conduction maximal correspond à l'intensité maximale que l'optocoupleur peut supporter en conduction. Il est donc essentiel de bien connaître la tension de sortie et la tension d'entrée requises par le projet avant tout achat. Assurez-vous que la valeur maximale et l'intensité consommée ne constituent pas des limites, mais qu'une marge de sécurité est prévue.
④ Réglez correctement le photocoupleur
Après avoir choisi l'optocoupleur adéquat, utilisons-le dans un projet concret. L'installation est simple : il suffit de connecter les bornes aux circuits d'entrée et de sortie. Attention toutefois à ne pas inverser le sens de polarité. Il est donc indispensable de vérifier les symboles dans le tableau de données afin d'éviter toute erreur de branchement de l'optocoupleur sur le circuit imprimé.
Date de publication : 29 juillet 2023