Photocoupleur

Un photocoupleur est un composant électronique capable de transmettre un signal d'un circuit électrique à un autre, sans qu'il y ait de contact galvanique entre eux.



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  • pour moi, la diode du photocoupleur est a l'envers, ... si le courant dans les diodes augmente, le courant dans le photo transistor... (source : niouzes)

Un photocoupleur (ou optocoupleur) est un composant électronique capable de transmettre un signal d'un circuit électrique à un autre, sans qu'il y ait de contact galvanique entre eux[1].

Le terme de photocoupleur est traduit de l'anglais optocoupler ou optoisolator[2].

Composition

Schéma d'un photocoupleur

La diode électroluminescente est une diode émettant de la lumière infrarouge (émission spontanée) quand elle est soumise à une polarisation directe. Quand un courant passe dans la DEL, ainsi qu'à partir d'une certaine tension (en général 1, 5 Volt), la DEL s'allume.

Le phototransistor se compose de 3 zones : l'émetteur, la base et le collecteur. Le phototransistor est une variante du transistor NPN : le courant passe du collecteur vers l'émetteur, mais à condition que la base reçoive, non plus du courant, mais de la lumière visible ou infrarouge. Dans la majorité des applications, le phototransistor fonctionne en Commutation. Quand la DEL éclaire (traversée par un courant), alors le courant peut traverser le transistor. On peut alors considérer le transistor comme un interrupteur fermé. Sur le schéma de droite, la diode est représentée entre les broches 1 et 2 alors que le phototransistor est localisé entre les broches 3 (collecteur) et 4 (émetteur). Le phototransistor a un CTR[3] élevé (de 10% à 150% ou plus[4]), mais une vitesse de commutation moyenne (0, 1ms typique).

La photodiode est , à l'instar du phototransistor, un récepteur de lumière. Comme ce dernier, elle ne laisse passer le courant que si elle est éclairée. Son avantage est d'être bien plus rapide (0, 1 microseconde à 1 microseconde) que le phototransistor. Par contre le courant qu'elle commute est plus petit, c'est-à-dire son CTR est plus petit (de 0, 1% à 10%). De nombreux phototransistors sont équipés de photodiode suivis par un transistor (ou une électronique plus complexe) qui augmente le courant apporté par la photodiode, ce qui allie une vitesse de commutation rapide avec un CTR élevé.

Le photo-relais est un photocoupleur dont le récepteur se compose de plusieurs photodiodes en série, qui génèrent une tension quand elles sont illuminées. Cette tension est appliquée sur la (les) grille (s) d'un ou plusieurs transistor (s) à effet de champ intégrés dans l'optocoupleur. Ce composant se comporte ainsi comme un relais à semi-conducteurs. La vitesse de commutation est lente (comparée aux autres opto-coupleurs), mais légèrement plus rapide comparée au relais électro-mécaniques. (1ms à 10ms).

Le photo-darlington se compose d'un phototransistor, suivi d'un transistor normal qui augmente le courant. Ce photocoupleur a un CTR particulièrement élevé, mais une vitesse de commutation moyenne.

Le photocoupleur analogique est utilisé pour reproduire un courant précis à travers une isolation galvanique. Il se compose d'un emetteur (une DEL) et de deux récepteurs de caractéristiques aussi semblables que envisageable. L'un des récepteurs apporte un courant qui est comparé au courant de référence à transmettre. L'autre récepteur se trouve du côté à isoler.

L'isolation : Il s'agit de la tension de mode commun entre l'entrée et la sortie de l'optocoupleur. Le constructeur spécifie généralement une tension maximale continue et/ou alternative pour laquelle aucun claquage ne se produit. Cette tension doit pour le test être appliquée durant un temps minimum (1 seconde ou 1 minute). Pour obtenir une bonne isolation, les composants optiques sont scindés par un écran transparent, ou alors dans certains optocoupleurs coulés dans la même résine.

Évolutions

Photocoupleur double

Bien que passés de mode depuis la naissance du photocoupleur, des coupleurs optiques ont existé et se conçoivent toujours facilement, mettant en œuvre par exemple une ampoule à incandescence et une photorésistance (LDR) ou une diode électroluminescente et une cellule photoélectrique, peut-être à travers un conduit optique.

En pratique, on applique un courant à l'entrée (comprenant une diode électroluminescente) du photocoupleur. La diode irradie vers un capteur localisé à petite distance, dans le même boîtier. Les photons incidents y libèrent des électrons donnant la possibilité la naissance d'un courant dans le circuit de sortie. Il sera représentatif, sous une forme déterminée, du signal émis.

Il existe de nombreuses variantes de photocoupleurs, dont certains sont plus adaptés au numérique, d'autres aux signaux analogiques. Il en existe à une diode émettrice, ainsi qu'à deux diodes montées tête-bêche pour rendre la totalité insensible à la polarité ou à l'alternance de la tension de commande.

Côté récepteur, on peut trouver une photodiode, un phototransistor, peut-être FET, un photo-Darlington, un photothyristor, ou alors un phototriac, avec ou sans détecteur de passage par zéro. L'un ou l'autre de ces composants peut aussi précéder le composant de puissance, à même la puce : un amplificateur, un trigger de Schmitt[5] (comparateur à hystérésis) ou une porte logique.

Applications

Exemple d'implémentation d'un opto-coupleur

Leurs applications sont innombrables. Celle qui vient immédiatement à l'esprit est le couplage de deux circuits qui ont des alimentations différentes, sans aucun contact électrique entre eux, ce qui évite les boucles de masse, mais sert aussi de protection des circuits à basse tension, comme les microprocesseurs, ou les humains à l'égard de tensions dangereuses, comme celle du secteur de distribution électrique. Ils font alors office de relais entre le circuit de commande et les circuit de puissance, mais avec un gain énorme de place et d'énergie. Le photocoupleur est inévitable dans le dispositif MIDI Musical Instrument Digital Interface des instruments de musique électronique.

Voici aussi les interrupteurs optiques, ils détectent le passage d'un écran dans une fente entre émetteur et récepteur ou les détecteurs de proximité, qui fonctionnent par réflexion.

Notes et références

  1. Paul Horowitz & Winfield Hill, Traité de l'électronique analogique et numérique, Elektor/Publitronic, Roissy 1996, (ISBN 978-2-86661-071-5) , Vol 2, Chapitre 9
  2. Michel Fleutry, Dictionnaire encyclopédique de l'électronique – anglais / français, La Maison du dictionnaire, Paris 1991- (ISBN 2-85608-043-X)
  3. Courant Transfert Ratio, Taux de Transfert en Courant, c'est à dire le rapport entre le courant d'entrée sur la diode et celui de sortie sur le transistor.
  4. Par exemple le 4N35 de Motorola a un CTR de 30mA/10mA soit 300% sous 10 Volts. Cf sa datasheet pages 2 et 3.
  5. Paul Horowitz & Winfield Hill, Traité de l'électronique analogique et numérique (traduit de The art of electronics), Elektor/Publitronic SARL, Roissy 1996, (ISBN 978-2-86661-070-8) , Vol 1, Chapitre 4

Voir aussi

Liens externes

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