Optocoupleurs: comment choisir le mieux adapté à votre signal?

Un optocoupleur, également appelé en francais un "photocoupleur" est un dispositif électronique pouvant être utilisé pour transférer des informations entre des diodes, et ce, sans faire passer de courant électrique. Comme il n'est pas nécessaire de faire passer directement une tension ou un courant entre les entrées et les sorties d'un photocoupleur, ces composants peuvent être utilisés pour isoler électriquement deux régions d'un PCB. Les photocoupleurs agissent comme un mécanisme de protection, garantissant que des courants électriques dangereux ne puissent pas se propager à travers le dispositif.

En termes simples, un optocoupleur prend un signal électrique d'entrée qu’il convertit en un signal lumineux à l'aide d'une diode électroluminescente. Cette dernière agit généralement dans le spectre de l'infrarouge proche. Ensuite, dans le même dispositif, un élément photosensible tel qu'une photodiode, un phototransistor ou un transistor photodarlington reconvertit le signal lumineux en signal électrique. Cela constitue une barrière qui empêche une atteinte du circuit électrique à la sortie du photocoupleur par les tensions transitoires ou les niveaux de surtension qui apparaissent à l'entrée. Les composants sont scellés dans un boîtier opaque pour éviter toute interférence par la lumière extérieure.

Les optocoupleurs sont largement utilisés dans les systèmes de communication, de contrôle et de surveillance où les signaux de données peuvent constituer un point d'entrée pour des tensions nocives susceptibles d'endommager un dispositif. Ils sont particulièrement utiles lorsque des longs câbles de données sont raccordés dans un dispositif électronique contenant des composants semi-conducteurs sensibles. Ces longs câbles sont susceptibles de provoquer des tensions transitoires ou des surtensions du plan de masse.

Choix d'un octocoupleur: spécifications importantes

Il convient de mentionner que les termes optocoupleur et photocoupleur sont souvent utilisés de manière interchangeable. Toutefois, la règle dit que les optocoupleurs sont des dispositifs capables d'isoler des tensions allant jusqu'à environ 5000V, tandis que les photocoupleurs sont des dispositifs capables d'isoler des tensions supérieures à 5000V. Ne soyez pas surpris si vous voyez des exceptions à cette règle. En cas de doute, étudiez la fiche technique. L'image ci-dessous montre le schéma de circuit typique d'un photocoupleur ou d'un optocoupleur avec les entrées à gauche et les sorties à droite.

Pour l'instant, nous allons nous concentrer sur les différents types d'optocoupleurs. Lors du choix d'un photocoupleur, les paramètres clés à prendre en compte sont la tension d'isolement, la bande passante, la linéarité, le rapport de transfert de courant et la puissance requise.

Tension d’isolement

La tension d'isolement est la différence de tension nominale maximale qui peut être présente entre la LED et le capteur de lumière. Cette tension d’isolement est contrôlée par la structure de l'optocoupleur lui-même et par des facteurs extérieurs au dispositif. Une panne interne se produit lorsque la tension de l'élément lumineux forme un arc avec l'élément du capteur de lumière de l'appareil. De manière similaire, une panne externe se produit lorsque la tension de la broche d'entrée du dispositif forme un arc avec une broche de sortie.

Ce phénomène est influencé par la conception du PCB, et plus précisément, par la manière dont les pistes des entrées et des sorties sont acheminées et séparées, ainsi que par les conditions environnementales autour du dispositif. La tension à laquelle l'arc électrique se produit dépend de la température, de l'humidité, de la distance de séparation, de la pression et de la présence de contaminants dans l'air. La distance et l'humidité sont les facteurs les plus importants. Un photocoupleur standard dans le commerce peut supporter des différences de tension entrée-sortie allant jusqu'à 10 kV et des transitoires de tension d'environ 25 kV/μs.

Bande passante

Lorsqu'un optocoupleur est utilisé pour découpler des plans de masse ou des entrées de détection de tension, le taux de variation du signal isolé est relativement peu important. Cependant, lorsque le photocoupleur est utilisé pour découpler des liaisons de données et des lignes de communication, le débit du dispositif devient essentiel.

Les applications typiques vont des liaisons de données série à vitesse relativement lente, telles que I2C ou SPI qui fonctionnent à des dizaines de Mbps, aux protocoles à grande vitesse qui fonctionnent à plusieurs Gbps. Le photocoupleur le plus basique a généralement une bande passante d'environ 10 MHz (voir ci-dessous), mais il existe des dispositifs spécialement conçus pour des débits de données plus rapides.

Gardez à l'esprit que le débit de données atteignable pour tout optocoupleur dépend de la façon dont la sortie est chargée et affectée par la température. Étudiez la fiche technique très attentivement si vous voulez isoler des liaisons de données rapides.

Il convient de mentionner que des isolateurs de réseau passifs prêts à l'emploi sont disponibles pour les réseaux Ethernet câblés. Ces derniers utilisent l'induction électromagnétique pour fournir une barrière électriquement non conductrice, sans avoir besoin d'une alimentation électrique externe. L’implémentation d'un circuit optocoupleur n'est peut-être pas toujours la solution la plus appropriée, mais cette décision dépendra de votre situation personnelle.

Linéarité

Comme tout dispositif semi-conducteur, la photodiode utilisée dans l'optocoupleur aura un élément de non-linéarité dans la relation entre l'entrée et la sortie. Cela peut déformer le signal qui passe à travers l'isolateur. En s'assurant que la photodiode est polarisée et fonctionne dans sa plage linéaire, et en évitant les zones de coupure ou de saturation, on peut réduire cet effet dans une certaine mesure. Toute non-linéarité résiduelle sera particulièrement visible lorsque les photocoupleurs sont utilisés pour découpler des signaux analogiques.

Des optocoupleurs analogiques spécialisés ont été développés avec une non-linéarité minimale. En général, ils utilisent deux photodiodes connectées à un amplificateur opérationnel. L'une des photodiodes fonctionne comme d'habitude, tandis que le second dispositif se trouve dans la boucle à réaction de l’amplificateur avec des performances de non-linéarité identiques. Le second dispositif peut compenser en annulant les non-linéarités.

Rapport de transfert de courant

Le rapport de transfert de courant (CTR) est le rapport entre les courants de la LED et du capteur, ce qui permet de renforcer le dispositif et refléter son efficacité. Un optocoupleur avec un CTR faible aura besoin de plus de courant pour piloter la LED afin de créer un courant suffisant au phototransistor pour une charge de sortie particulière.

Le CTR n'est pas constant mais dépend du courant entrant dans le composant. Le CTR varie également en fonction de l’âge et de la température de chaque composant. Il est donc essentiel de choisir un dispositif qui fournit le CTR requis à la température nominale maximale et à la durée de vie maximale du dispositif dans lequel l'optocoupleur sera utilisé.

Les tolérances de fabrication des composants peuvent entraîner de larges plages de CTR au sein d'un même lot de composants, Dès lors, la conception doit fonctionner sur la base du CTR minimum indiqué dans la fiche technique. Tous ces facteurs peuvent rendre la sélection du dispositif idéal délicate. En cas de doute, ajoutez une bonne marge d'erreur et simulez le circuit en utilisant les valeurs de composants les plus défavorables pour vous assurer que le circuit fonctionnera correctement.

Puissance

Le dernier facteur à prendre en compte est la puissance requise par l'optocoupleur lui-même et la gestion de la chaleur générée par les composants en raison des pertes. Les composants de base peuvent être relativement inefficaces et générer des niveaux d'énergie thermique importants. Ces derniers doivent être gérés de manière appropriée, surtout parce que les performances du photocoupleur lui-même seront affectées par les effets de la chaleur. Lors de l’implantation du circuit, n'oubliez pas de maintenir les pistes d'entrée du photocoupleur suffisamment séparées de toutes les autres pistes, en particulier les plans de masse et d'alimentation. C’est important pour éviter que les transitoires ne soient couplés de manière capacitive ou inductive entre les pistes.

Structure

Les optocoupleurs utilisent généralement une LED proche de l'infrarouge afin de convertir un signal d'entrée électrique en un signal lumineux équivalent. La lumière est contenue dans un canal optique fermé, également appelé canal diélectrique. Un dispositif de photodétection situé à l'extrémité du canal optique peut soit directement générer un signal électrique à partir de la lumière reçue, soit utiliser la lumière reçue pour moduler le courant électrique provenant d'une source d'alimentation externe.

Le dispositif de photodétection peut être une photorésistance, une photodiode, un phototransistor, un redresseur commandé au silicium (SCR) ou un triac. Comme les photorésistances peuvent être utilisées à la fois comme source de lumière et comme dispositif de photodétection, il est possible de former un optocoupleur bidirectionnel en utilisant deux photorésistances placées à chaque extrémité du canal optique.

Des problèmes de performance et d'efficacité limitent la disponibilité et l’usage des photocoupleurs bidirectionnels. Un circuit équivalent peut être mis en œuvre en utilisant deux photocoupleurs unidirectionnels en configuration inversée, mais il nécessite davantage de composants discrets avec un encombrement beaucoup plus important.

La structure physique d'un optocoupleur dépend principalement de la tension d'isolement souhaitée. Les dispositifs conçus pour une tension inférieure à quelques kV sont généralement de construction plane. La puce du capteur est recouverte d'une feuille de verre ou de plastique transparent, sur laquelle se trouve la puce LED. Le spectre d'absorption du capteur sera adapté au spectre de sortie de la LED.

L'épaisseur du canal optique détermine la tension de rupture nominale du dispositif. Les dispositifs conçus pour des tensions de rupture plus élevées ont généralement un dôme en silicone. Les puces de la LED et du capteur sont placées sur les côtés opposés du boîtier et séparées d’un espace formé par un dôme en silicone transparent. Le dôme est fabriqué de manière à diriger la plus grande quantité possible de lumière de la LED vers le capteur.

Application d'un octocoupleur

Les équipements électroniques et les lignes de transmission de signaux et d'énergie peuvent être régulièrement soumis à des surtensions provoquées par la foudre, les décharges électrostatiques, les interférences de radiofréquence et les impulsions générées par les changements de charge. Comme nous l'avons vu dans un article précédent, les coups de foudre éloignés peuvent induire des surtensions de plusieurs kV dans les longues lignes de communication et d'alimentation.

Les optocoupleurs peuvent fournir une solution qui empêche les surtensions présentes aux entrées d'un dispositif d'affecter les composants plus sensibles de ce dispositif. Il existe également des exemples où un dispositif intègre des éléments qui utilisent des tensions élevées dans le cadre de sa conception. La conception peut nécessiter une interface entre les éléments haute tension du circuit et les éléments basse tension standard. Dans ce cas, les photocoupleurs peuvent également contribuer à séparer les différents éléments en toute sécurité.

Lorsque des optocoupleurs sont utilisés pour piloter des niveaux logiques numériques, la configuration de la sortie doit être prise en compte. Si la sortie des photocoupleurs doit osciller entre zéro volt et le rail d'alimentation pour s'adapter au circuit de charge, un optocoupleur avec une configuration de sortie Totem-Pole sera nécessaire. Sinon, la configuration Push-Pull, plus courante, peut être choisie.

La principale caractéristique des optocoupleurs, qui les différencie des transformateurs d'isolement équivalents, est qu'aucune énergie ne circule à travers le dispositif. Ils fonctionnent en modulant l'énergie électrique fournie à la sortie pour refléter le niveau d'énergie atteignant l'entrée.

Par ailleurs, les photocoupleurs présentent un avantage important par rapport aux transformateurs d'isolement : ils peuvent transférer des signaux de très basse fréquence jusqu'à des niveaux de courant continu. Ils sont également plus simples à implémenter dans une conception de circuit. Les impédances d'entrée et de sortie sont indépendantes et ne nécessitent pas de composants supplémentaires pour la correspondance d'impédance.

Types de capteurs dans les photocopieurs

Photorésistances

Les photorésistances sont des dispositifs non polaires qui peuvent être utilisés dans des circuits à courant continu ou alternatif. Elles fonctionnent en modifiant leur résistance de manière inversement proportionnelle à l'intensité de l'énergie lumineuse reçue. La plage de fonctionnement de la résistance peut aller de quelques centaines d'ohms jusqu'à un circuit ouvert.

Traditionnellement utilisées dans la téléphonie et l'automatisation industrielle, elles sont aujourd’hui utilisées dans la plupart des domaines, à l'exception de rares exemples dans l'amplification des instruments de musique.

Photodiodes

Lorsque l'énergie lumineuse tombe sur une photodiode, une charge proportionnelle à l'intensité de l'énergie lumineuse reçue est générée. Cette petite charge peut être utilisée pour alimenter une charge à haute impédance et la photodiode fonctionne en mode photovoltaïque.

Lorsqu'une photodiode est polarisée en inverse à l'aide d'une source de tension externe, l'énergie lumineuse reçue augmente le courant inverse qui traverse la diode, modulant ainsi le flux d'énergie provenant de la source externe. Le débit d'énergie est directement proportionnel à l'intensité de l'énergie lumineuse reçue lorsqu'elle fonctionne dans ce mode photoconducteur.

En incorporant des pilotes LED et des amplificateurs de sortie dans l'optocoupleur, la photodiode fonctionnant dans ce mode photoconducteur peut être optimisée pour fonctionner à des vitesses relativement élevées.

Phototransistors

Les phototransistors sont intrinsèquement plus lents que les photodiodes, et doivent être correctement polarisés et chargés pour atteindre des vitesses de l'ordre de quelques dizaines de kHz. Cependant, leur sortie à collecteur ouvert signifie qu'ils ont l'avantage de pouvoir générer des courants de sortie plus importants et sont plus sensibles.

Ils sont plus adaptés à une utilisation dans des circuits DC, où le temps de réponse plus lent n'aura pas d'impact. L'utilisation d'une diode Schottky sur la sortie ouverte du collecteur du phototransistor permet d'obtenir une linéarité relativement bonne dans la réponse du dispositif.

Le photodarlington est une variante du phototransistor, où une paire de transistors en configuration Darlington fournit des niveaux de rendement et de sensibilité beaucoup plus élevés qu'un phototransistor standard. En contrepartie, le temps de réponse est plus lent.

Redresseurs contrôlés au silicium

Les optocoupleurs à redresseur contrôlé au silicium (SCR) sont un type d'isolateur à thyristor conçu pour le contrôle de l'alimentation en courant alternatif. Ils assurent une isolation complète du bruit et des transitoires de tension présents sur la ligne d'alimentation en courant alternatif. Les limitations de performance dues au fait qu'ils ne fonctionnent que sur la moitié positive du cycle de courant alternatif du secteur rendent leur utilisation moins courante que celle des dispositifs phototriac.

Octocoupleurs Phototriac

Les optocoupleurs phototriac (triode pour le courant alternatif) sont, comme les photocoupleurs à redresseur contrôlé au silicium, optimisés pour être utilisés avec des relais à semi-conducteurs pour contrôler les charges alimentées par le secteur en courant alternatif. Le phototriac peut fonctionner à partir d'une simple entrée DC commutée pour faire fonctionner en toute sécurité une alimentation AC haute tension.

Contrairement aux photocoupleurs, un phototriac peut fonctionner sur l'ensemble du cycle de courant alternatif du secteur avec une détection de passage à zéro. Cela permet au circuit de fournir la pleine puissance à la charge avec un courant d'appel minimal lors de la commutation de charges inductives.

Photo-MOSFET

Les relais photo-MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) sont un type moins courant de photoconducteur conçu pour les applications de commutation rapide, où une grande fiabilité et une longue durée de vie sont requises dans des conditions environnementales difficiles.

Capables de commuter efficacement 1,5 kV et de gérer des courants allant jusqu'à 5 A sans rebondissement de contact, ces dispositifs à semi-conducteurs sont utilisés dans la dernière génération de systèmes de gestion de batteries pour les centrales solaires et les véhicules électriques.

Conclusion sur les optocoupleurs

Lorsque vous choisissez un optocoupleur, ne vous contentez pas de l'appareil qui correspond à votre budget et qui est en stock chez votre fournisseur préféré. Les photocoupleurs se déclinent dans une large gamme de produits différents qui sont optimisés pour des applications particulières.

Tenez compte de ces facteurs clé pour faire votre choix:

• Quelle est la tension la plus élevée à laquelle vous serez confronté ?
• Quelle est la bande passante du signal que vous cherchez à isoler ?
• Avez-vous besoin d'isoler un courant continu ou alternatif, ou cherchez-vous à isoler une ligne de données à grande vitesse ?
• Comment alimentez-vous la sortie et quelle charge alimente-t-elle ?
• Sachant cela et les caractéristiques de l'entrée, quel est le rapport de transfert de courant dont vous aurez besoin ?
• Ensuite, comment allez-vous intégrer le ou les optocoupleurs dans votre conception et quelles mesures de gestion thermique devrez-vous inclure ?

Ce qu’il faut retenir est que le simple fait d'ajouter un optocoupleur sur votre circuit n'est pas aussi simple qu'il n'y paraît. Il doit être considéré comme une partie intégrante de la conception globale dès le premier jour pour garantir le bon fonctionnement de votre circuit.

Les photocoupleurs sont parfaits pour découpler les signaux DC et à basse fréquence du reste du circuit, mais ils nécessitent une alimentation externe et ont généralement une mauvaise réponse en haute fréquence.

Les isolateurs à transformateur sont excellents à haute fréquence, mais ne peuvent pas gérer les signaux DC. Cependant, les calculs pour gérer l'inductance qui s'ajoute au circuit et l'exigence d'adaptation d'impédance peuvent les rendre inadaptés à certaines applications. Il faut également tenir compte du fait que la puce du photocoupleur sera nettement plus petite qu'un isolateur à transformateur équivalent et qu'elle sera beaucoup plus simple à intégrer sur un circuit imprimé.

Enfin, n'oubliez pas la grande utilité des outils de simulation pour vous aider à faire les bons choix.

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