Les optocoupleurs, qui connectent des circuits en utilisant des signaux optiques comme support, sont un élément actif dans les domaines où une haute précision est indispensable, comme l'acoustique, la médecine et l'industrie, en raison de leur grande polyvalence et fiabilité, comme la durabilité et l'isolation.
Mais quand et dans quelles circonstances l'optocoupleur fonctionne-t-il, et quel est son principe ? Lorsque vous utilisez un photocoupleur dans vos propres appareils électroniques, vous ne savez peut-être pas comment le choisir et l'utiliser. L'optocoupleur est souvent confondu avec le « phototransistor » et la « photodiode ». C'est pourquoi cet article explique ce qu'est un photocoupleur.
Qu'est-ce qu'un photocoupleur ?
L'optocoupleur est un composant électronique dont l'étymologie est optique
Coupleur, qui signifie « couplage avec la lumière ». Parfois aussi appelé optocoupleur, isolateur optique, isolation optique, etc. Il est composé d'un élément émetteur et d'un élément récepteur de lumière, et relie les circuits d'entrée et de sortie par un signal optique. Il n'y a aucune connexion électrique entre ces circuits, autrement dit, ils sont isolés. Par conséquent, la connexion entre l'entrée et la sortie est séparée et seul le signal est transmis. Connectez solidement les circuits présentant des niveaux de tension d'entrée et de sortie très différents, avec 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, lorsque les LED ont été inventées et que leurs avancées technologiques ont été significatives,optoélectroniqueconnut un essor considérable. À cette époque, diversdispositifs optiquesont été inventés, et le coupleur photoélectrique en faisait partie. Par la suite, l'optoélectronique a rapidement fait son entrée dans nos vies.
1 Principe/mécanisme
Le principe de l'optocoupleur est le suivant : l'élément émetteur de lumière convertit le signal électrique d'entrée en lumière, tandis que l'élément récepteur de lumière retransmet ce signal électrique au circuit de sortie. L'élément émetteur et l'élément récepteur de lumière sont situés à l'intérieur du bloc de lumière externe et sont opposés l'un à l'autre afin de transmettre la lumière.
Le semi-conducteur utilisé dans les éléments émetteurs de lumière est la LED (diode électroluminescente). D'autre part, de nombreux types de semi-conducteurs sont utilisés dans les dispositifs récepteurs de lumière, selon l'environnement d'utilisation, la taille externe, le prix, etc., mais en général, le plus couramment utilisé est le phototransistor.
Hors fonctionnement, les phototransistors transportent un courant inférieur à celui des semi-conducteurs ordinaires. Lorsque la lumière les atteint, ils génèrent une force photoélectromotrice à la surface des semi-conducteurs de type P et N. Les trous du semi-conducteur de type N s'infiltrent dans la région P, tandis que le semi-conducteur à électrons libres de la région P s'infiltre dans la région N, et le courant circule.
Les phototransistors ne sont pas aussi réactifs que les photodiodes, mais ils ont également pour effet d'amplifier le signal de sortie jusqu'à des centaines, voire des milliers de fois, le signal d'entrée (en raison du champ électrique interne). Ils sont donc suffisamment sensibles pour capter même les signaux faibles, ce qui constitue un avantage.
En fait, le « bloqueur de lumière » que nous voyons est un appareil électronique doté du même principe et du même mécanisme.
Cependant, les interrupteurs de lumière sont généralement utilisés comme capteurs et remplissent leur fonction en faisant passer un objet bloquant la lumière entre l'élément émetteur et l'élément récepteur. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour détecter les pièces et les billets dans les distributeurs automatiques de billets et les distributeurs automatiques de billets.
② Caractéristiques
L'optocoupleur transmettant des signaux par la lumière, l'isolation entre l'entrée et la sortie est un élément essentiel. Cette isolation élevée est peu sensible au bruit et empêche également les courants accidentels entre circuits adjacents, ce qui est extrêmement efficace en termes de sécurité. De plus, la structure elle-même est relativement simple et rationnelle.
Grâce à leur longue histoire et à la richesse de leur gamme de produits, les optocoupleurs présentent un avantage unique. L'absence de contact physique réduit l'usure entre les pièces et prolonge leur durée de vie. En revanche, leur efficacité lumineuse fluctue facilement, car la LED se dégrade progressivement avec le temps et les variations de température.
En particulier, lorsque les composants internes du plastique transparent deviennent opaques pendant une longue période, la lumière peut être moins efficace. Cependant, dans tous les cas, la durée de vie est bien supérieure à celle du contact mécanique.
Les phototransistors sont généralement plus lents que les photodiodes ; ils ne sont donc pas utilisés pour les communications à haut débit. Cependant, cela ne constitue pas un inconvénient, car certains composants sont dotés de circuits d'amplification en sortie pour augmenter la vitesse. En réalité, tous les circuits électroniques n'ont pas besoin d'augmenter leur vitesse.
③ Utilisation
Coupleurs photoélectriquesIls sont principalement utilisés pour les opérations de commutation. Le circuit est alimenté par la mise sous tension de l'interrupteur, mais compte tenu de leurs caractéristiques, notamment leur isolation et leur longue durée de vie, ils sont parfaitement adaptés aux applications exigeant une fiabilité élevée. Par exemple, le bruit est l'ennemi de l'électronique médicale et des équipements audio et de communication.
Il est également utilisé dans les systèmes d'entraînement de moteurs. La raison d'être de ce moteur est que sa vitesse est contrôlée par le variateur lorsqu'il est entraîné, mais il génère du bruit en raison de sa puissance de sortie élevée. Ce bruit peut non seulement entraîner une panne du moteur lui-même, mais aussi se propager à la terre et affecter les périphériques. Les équipements dotés de câbles longs sont particulièrement sensibles à ce bruit de sortie élevé. Si cela se produit en usine, cela peut entraîner des pertes importantes et parfois des accidents graves. L'utilisation d'optocoupleurs hautement isolés pour la commutation permet de minimiser l'impact sur les autres circuits et appareils.
Deuxièmement, comment choisir et utiliser les optocoupleurs
Comment utiliser le bon optocoupleur pour la conception de produits ? Les ingénieurs en développement de microcontrôleurs suivants vous expliqueront comment sélectionner et utiliser les optocoupleurs.
1 Toujours ouvrir et toujours fermer
Il existe deux types de photocoupleurs : un type dans lequel l'interrupteur est désactivé (off) lorsqu'aucune tension n'est appliquée, un type dans lequel l'interrupteur est activé (off) lorsqu'une tension est appliquée, et un type dans lequel l'interrupteur est activé lorsqu'aucune tension n'est appliquée. L'interrupteur est activé et désactivé lorsqu'une tension est appliquée.
Le premier est appelé normalement ouvert, le second normalement fermé. Le choix dépend avant tout du type de circuit dont vous avez besoin.
2. Vérifiez le courant de sortie et la tension appliquée
Les photocoupleurs ont la propriété d'amplifier le signal, mais ne transmettent pas toujours la tension et le courant à volonté. Bien sûr, leur valeur nominale est établie, mais une tension doit être appliquée en entrée en fonction du courant de sortie souhaité.
Si l'on consulte la fiche technique du produit, on peut voir 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 varie en fonction de l'intensité lumineuse de la LED ; il faut donc appliquer la tension en fonction du courant de sortie souhaité.
Cependant, on pourrait penser que le courant de sortie calculé ici est étonnamment faible. Il s'agit de la valeur de courant qui peut encore être délivrée de manière fiable après prise en compte de la détérioration de la LED au fil du temps ; elle est donc inférieure à la valeur nominale maximale.
À l'inverse, il existe des cas où le courant de sortie est faible. Par conséquent, lors du choix de l'optocoupleur, veillez à vérifier attentivement le courant de sortie et à choisir le produit adapté.
③ Courant maximal
Le courant de conduction maximal est la valeur maximale que l'optocoupleur peut supporter en conduction. Encore une fois, il est important de connaître la puissance de sortie nécessaire au projet et la tension d'entrée avant l'achat. Assurez-vous que la valeur maximale et le courant utilisé ne constituent pas des limites, mais qu'il existe une marge.
④ Réglez correctement le photocoupleur
Après avoir choisi le bon optocoupleur, utilisons-le dans un projet réel. L'installation est simple : il suffit de connecter les bornes de chaque circuit d'entrée et de chaque circuit de sortie. Cependant, veillez à ne pas orienter les deux côtés. Par conséquent, vérifiez également les symboles dans le tableau de données afin d'éviter tout problème de pied de photocoupleur après avoir dessiné le circuit imprimé.
Date de publication : 29 juillet 2023