Optocoupleurs

Optocoupleurs – Présentation

Un optocoupleur, aussi appelé opto-isolateur ou photocoupleur, est un dispositif qui sert principalement à protéger des circuits sensibles contre les effets de transitoires électriques. Dans leur forme la plus simple, un optocoupleur combine une photodiode et une diode électroluminescente ou infrarouge. Ces deux composants sont séparés par un simple écart ou autre barrière transparente.

Un optocoupleur ressemble le plus souvent à n'importe quel circuit intégré. C'est un boîtier carré d'où sort un nombre variable de fils à brancher sur le circuit avec lequel l'optocoupleur doit fonctionner.

La plupart des optocoupleurs sont numériques, et peuvent uniquement transmettre deux types de signaux : « actif » ou « inactif ». Des circuits peuvent être conçus pour que des optocoupleurs puissent fonctionner comme des dispositifs analogiques, dans certaines circonstances.

 

Fabrication

Plusieurs types d'optocoupleurs sont disponibles sur le marché, incluant des modèles anciens qui ne sont plus guère utilisés.

Les premiers modèles étaient appelés des photocoupleurs. Ils utilisaient des lampes à incandescence comme source lumineuse pour gérer la transmission des signaux électriques. Les photorésistances sont habituellement fabriqués avec du séléniure de cadmium ou du sulfure de cadmium.

Les lampes à incandescence nécessitent une certaine quantité de courant. Dans certains cas, lorsqu'un circuit ne dispose pas de l'alimentation appropriée, une lampe au néon peut être utilisée comme substitut de la lampe à incandescence.

L'une des limitations de ces premiers modèles provient du délai inhérent à l'allumage et à l'extinction des lampes à incandescence. L'avènement des composants LED a largement résolu ce problème, puisqu'ils peuvent être activés beaucoup plus rapidement qu'une lampe incandescence.

Ces premiers modèles ont été très largement utilisés dans le secteur des télécommunications, où leurs propriétés leur conféraient une grande utilité. La résistance des optocoupleurs peut présenter une grande variabilité, ce qui en fait une solution idéale dans des compresseurs et autres dispositifs couramment utilisés.

Ces dispositifs continuent d'être utilisés dans des instruments de musique.

 

Optocoupleurs LED

Grâce à leur latence relativement faible, les LED sont des options techniques naturelles pour les optocoupleurs. Ces types d'optocoupleurs sont appelés optocoupleurs à diode. Ils utilisent des composants LED pour générer la lumière – souvent proche infrarouge – et des photodiodes au silicium comme élément capteur.

Les optocoupleurs très rapides utilisent des diodes PIN qui améliorent considérablement la réactivité du dispositif. Certains de ces dispositifs incluent leurs propres pilotes LED et leurs propres amplificateurs de sortie. Ils contribuent à augmenter considérablement la vitesse des dispositifs. Les dispositifs fabriqués conformément à ces spécifications sont appelés opto-isolateurs logiques intégraux. Dans ces dispositifs, le circuit entier constitue une unité autonome intégrant toutes les LED et capteurs.

 

Vitesses et types

La réactivité d'un optocoupleur est un facteur déterminant pour choisir les composants les mieux adaptés aux besoins. Différents modèles fonctionnent à des vitesses variées, et selon l'application, certains sont capables de beaucoup mieux répondre aux besoins que d'autres.

Les optocoupleurs les plus lents incluent les optocoupleurs résistifs. Ils utilisent une lampe au néon, une lampe à incandescence ou un LED infrarouge, comme source de lumière. Leurs temps de réponse sont très longs, mais ils sont encore utilisés dans diverses applications.

Les optocoupleurs triac et les redresseurs au silicium sont également des dispositifs lents, bien qu'ils soient légèrement plus rapides que les optocoupleurs résistifs, dans certains cas. Ils utilisent des LED comme source de lumière, et soit un redresseur au silicium ou un triac, comme capteur.

Le niveau de vitesse supérieure suivant utilise des LED à infrarouge comme source de lumière. Les capteurs sont des phototransistors bipolaires au silicium ou des phototransistors Darlington. En termes de vitesse, ces modèles se situent en milieu de gamme.

Les optocoupleurs les plus rapides emploient des LED à infrarouge comme source de lumière et des photodiodes au silicium comme capteurs. Ils sont appelés optocoupleurs à diode. Offrant des temps de réponse courts, ils sont assez rapides pour les applications numériques.

L'introduction des relais à semi-conducteur apporte une autre option aux optocoupleurs. Ces dispositifs peuvent fonctionner à des vitesses basses et élevées. Leur taux de transfert est fondamentalement illimité. Des LED infrarouges servent de source de lumière. Les capteurs se composent de photodiodes, qui sont connectées soit à un transistor IGBT ou deux MOSFET.

 

Taux de transfert actuel

Le taux de transfert est un facteur important de la sélection des optocoupleurs. Dans la pratique, le taux de transfert (ou CTR pour « current transfer ratio ») a une fonctionnalité similaire à la spécification du taux d'amplification CC dans un transformateur.

Cette spécification est un pourcentage qui exprime le rapport entre le courant de sortie et le courant d'entrée. La température ambiante et l'âge du composant peuvent avoir un impact sur le taux de transfert. Différents types d'optocoupleurs se caractérisent par différents taux de transfert.

Parmi les types précédemment mentionnés, les opto-isolateurs résistifs ont un taux de transfert variable, qui est inférieur à 100%. Les optocoupleurs SCR ont un taux de transfert supérieurs à 100%. Les modèles Triac offrent des taux de transfert très élevés.

Les optocoupleurs à diode (les plus rapides) ont un taux de transfert de 0,1% à 0,2%. Les optocoupleurs à transistors qui incluent les optocoupleurs Darlington et les modèles bipolaires au silicium ont un taux de transfert variant de 2 à 120% (Darlington) et de 100 à 600% (bipolaires au silicium).

Le taux de transfert des relais à semi-conducteur offre le plus faible niveau de limitation.

 

Types à phototransistors

Un opto-isolateur à phototransistor est un design relativement ancien pour ce type de composant et il est légèrement plus lent que les modèles à photodiodes. Par conséquent, un opto-isolateur à phototransistor doit être configuré avec le biais et la charge appropriés pour compenser les vitesses lentes.

La performance des optocoupleurs à phototransistors offre une variabilité élevée qui peut devenir problématique dans certaines applications.

 

Optocoupleurs bidirectionnels

Les optocoupleurs bidirectionnels exploitent la double propriété des LED à émettre et détecter de la lumière. De ce fait, la conception des optocoupleurs bidirectionnels peut inclure deux LED. Un de ces LED est utilisé comme photodétecteur.

Deux ‎LED face à face forment donc un optocoupleur bidirectionnel. La plupart des dispositifs ainsi configurés utilisent des LED au proche infrarouge, puisque ce type de lumière offre des niveaux d'efficacité supérieurs à la lumière visible.

 

Symbole schématique

Le symbole schématique de l'optocoupleur est un carré qui inclut les numéros des fils et les composants internes. Le carré représente le boîtier qui protège le dispositif. Une ligne pointillée coupe le symbole en deux, symbolisant la barrière diélectrique.

Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Optoisolator_Pinout.svg

 

Caractéristiques électriques

Les composants opto-isolateurs assurent une excellente isolation, protégeant une partie du circuit contre les surtensions existantes dans une autre partie du circuit.

Les optocoupleurs offrent l'important avantage de fournir une protection renforcée. Le terme de « protection renforcée » signifie que l'opto-isolateur protège l'équipement dans lequel il est installé et son opérateur en les isolants des surtensions.

L'opto-isolateur utilise la lumière pour transmettre des signaux électriques. Dans le cas d'un modèle monodirectionnel, par exemple, le côté LED du dispositif reçoit un signal électrique et le transforme en signal lumineux par l'intermédiaire d'une LED. Ce signal lumineux traverse la barrière diélectrique pour être reçu par le détecteur, qui le transforme en signal électrique. Ces dispositifs ne transmettent aucune énergie.

Un transformateur peut aussi être utilisé dans ce rôle. Mais contrairement à un transformateur, l'optocoupleur peut fonctionner avec du courant continu. Ces dispositifs sont aussi particulièrement efficaces pour éliminer les boucles de masse. Ils sont donc particulièrement utiles dans les applications industrielles, où ces boucles sont des problèmes fréquents.

Les optocoupleurs ont aussi l'avantage de ne pas avoir besoin de résistance entre l'entrée et la sortie du circuit. Ils offrent donc une meilleure flexibilité.

 

Options de construction

Les optocoupleurs sont des dispositifs très polyvalents et peuvent être sélectionnés en fonction de nombreuses spécifications. Elles incluent la tension directe maximale, le courant d'entrée maximal, la tension d'isolation, et un dispositif de sortie.

Les dispositifs de sortie incluent les transistors Darlington, les transistors bipolaires à porte isolée (IGBT), les LED à infrarouge, les options CMOS, etc. Des sorties triac et transistors, des sorties photovoltaïques et d'autres options sont aussi disponibles.

Les autres variables importantes incluent le type de montage, tels que le montage traversant, les options de montage PCB, les options de montage sur rail, et bien d'autres. Le nombre de broches varie généralement entre quatre et 16 broches. Pour ces composants, un grand nombre de types de packages sont disponibles, incluant DIP, LSOP, DIP-LF.

 

Applications

Du fait de leurs caractéristiques électriques, les optocoupleurs trouvent leur principale utilisation dans des applications d'isolation. Outre leur excellente capacité de protection contre les surtensions, ils apportent une protection renforcée qui garantit que les opérateurs sont aussi à l'abri des risques posés par les surtensions.

Ces avantages leur donnent des applications évidentes dans le secteur de l'électronique numérique. Les systèmes électroniques numériques sont très sensibles aux surtensions. Grâce à une isolation appropriée, ils sont à l'abri des risques posés par la foudre, la variabilité de l'alimentation par le secteur, et d'autres risques susceptibles de causer des dégâts ou même d'exposer les opérateurs à des risques graves.

N'ayant pas besoin d'une alimentation CA, comme les transformateurs, les optocoupleurs sont la solution évidente pour isoler les circuits CC.

Mais toutes les applications d'isolation ne sont pas conçues pour offrir une protection contre des conditions électriques imprévues. Sur certains circuits, une section utilise une très haute tension et une autre section utilise uniquement des basses tensions. Dans des conditions aussi prévisibles, les propriétés d'isolation des optocoupleurs sont remarquablement utiles. Elles constituent des solutions très fiables pour garantir que les différentes tensions présentes sur un même circuit restent totalement séparées et que les composants ne pourront pas être endommagés, évitant aussi tous les risques d'accident aux opérateurs et aux équipements.

Jusqu'à récemment, la lenteur de ces composants ne permettait pas de les utiliser dans des applications numériques. Mais les récentes améliorations apportées à leur conception en font des outils parfaitement adaptés à de telles applications. Les optocoupleurs peuvent maintenant gérer des taux de transfert de données très élevés, offrant une excellente évolutivité matérielle, qui augmente encore leur utilisation et leur flexibilité opérationnelle.

 

Achat

Les optocoupleurs sont des composants relativement peu coûteux, souvent vendus dans des packages de plusieurs unités. Ils peuvent donc être aisément disponibles en grand nombre pour faciliter des expérimentations, des tests ou assurer des remplacements rapides.

Ils sont produits par de grands fabricants, tels que Panasonic, Fairchild Semiconductor, Grayhill, International Rectifier, Sharp, Siemens, Toshiba et bien d'autres marques. Les anciens designs plus lents sont encore largement disponibles et utilisés dans certaines applications demandant de telles caractéristiques, comme l'amplification audio.

Ces composants peuvent gérer des tensions élevées, les tensions directes maximales atteignant la gamme des 200 V. Les tensions d'isolation sont aussi très élevées, certains dispositifs étant capables d'isoler des milliers de volts.

Ces dispositifs offrent en outre des options de sortie logiques, qui sont très utilisées. Les designs vont de 1 à 4 canaux, avec différents types de montage et des nombres de broches variés. Ils sont suffisamment polyvalents pour fonctionner avec la plupart, voire toutes les applications. Les fournisseurs sont généralement capables de répondre à tous les besoins.

Les optocoupleurs font partie des meilleurs composants dans le domaine de l'isolation. La plupart sont protégés dans un boîtier, mais certains modèles incluent des écarts répondant à des utilisations spécifiques. Les optocoupleurs sont extrêmement durables et ont une très longue durée de vie utile, en conservant les mêmes performances fiables. Lorsque les équipements et les opérateurs doivent être protégés contre des surtensions imprévisibles, que la réactivité requise soit élevée ou basse, les optocoupleurs font partie des solutions les plus exploitables et les plus souples du marché. Leur popularité est toujours restée très forte dès leur introduction dans les années 1960, d'autant plus qu'ils bénéficient depuis d'une amélioration continue.