PHOTOCOUPLEURS – OPTOCOUPLEURS
Les photocoupleurs assurent un isolement galvanique parfait entre deux circuits. Ils transmettent, grâce à des photons, des informations logiques ou analogiques entre l'entrée et la sortie de ces composants.
Principe
Cet isolement
permet de coupler des circuits ayant une grande différence de
potentiel, sans risque d'interférence par une boucle de terre,
due au câblage. Il permettent l'emploi, dans une large plage de
fréquences, entre le courant continu et la haute fréquence,
grâce à leurs caractéristiques et à leurs
faibles dimensions ;ils
sont de loin supérieurs aux transformateurs et aux
convertisseurs. L'isolation entre l'entrée et la sortie est comprise entre 2500 volts et 7500 volts. Quand à la capacité et la résistance d'isolement elle est respectivement de 0.2 à 2 pF et de 
.
CARACTERISTIQUES
Fig 1
La
figure 1 donne le schéma des différents
photocoupleurs.
La photo diode (a)
est la plus simple, elle comprend:
Une diode électroluminescente
(DEL) ou GaAlAs, ou au silicium, émettant en infrarouge, vers 950 nm. Elle est attaquée par injection de courant et produit des photons. Ils sont canalisés par voie optique, généralement une goutte de résine transparente qui réunit les deux cristaux;
Une diode photosensible
Au silicium fournit un courant de sortie proportionnel à l'éclairement des photons. Le taux de transfert est le rapport de l’intensité de sortie Is sur l'intensité entrée ie en %.
La capacité d'isolement entre l'entrée et la sortie est comprise entre 0,2 et 2pF, selon les modèles.
Fig 2
Fig 3
La
résistance d'isolement entre l'entrée et la sortie est
comprise entre 
et 
.
Cette valeur peut être diminuée par la nature et le
câblage du circuit imprimé, sur lequel le photocoupleur
est inséré.
La tension de claquage se situe entre et 10 kV. Les photocoupleurs diode —> diode sont rapides jusqu'à 500 V/us, ils peuvent être utilisés en HF ou en commutation rapide, avec une large bande passante et un bruit faible. En revanche, le taux de transfert est faible, entre 1 et 10%. •
Le phototransistor (b)
Représente 85 % de la production, avec de nombreux modèles catalogués. La DEL au silicium émet en infrarouge, les photons sont captés par la base du "transistor à gain élevé. Le gain du transistor est fonction de la polarisation de la base par les photons. Ainsi, il n'est pas nécessaire de “ sortir ” la connexion de base.
Cependant, certains modèles ont la base reliée à une broche de sortie. A ce moment, une résistance est prévue
Fig 5
Entre la base et l'émetteur, ce qui a pour avantage d'augmenter la valeur de la fréquence de cut-off, de réduire le facteur de couplage et de réduire le courant inverse entre collecteur et émetteur.
Le gain de transfert d'un phototransistor est compris entre 50% et 300%, selon le gain du transistor.
En revanche, il est moins rapide et sa bande passante est plus réduite, avec un bruit très acceptable.
Le photodarlington (c)
A pour avantage de procurer des gains de transfert très élevés, entre 300% et 800%.
fig 4
En contrepartie, il est encore moins rapide, avec un temps de commutation de l'ordre de 50 us et leur bande passante ne dépasse par 30 kHz, avec un bruit appréciable. •
Le photocoupleur diode--->triac (d)
Est catalogué sous le titre : “ Isolement réseau de distribution électrique ”, car il est utilisé, à la place d'un relais statique, pour isoler un appareil électronique du réseau, tout en commandant un circuit de puissance électrique. Le flux de photons émis par la DEL,
Fig 8
Avec une certaine intensité, déclenche le triac qui devient conducteur et commande le circuit de puissance. Il est susceptible de déclencher sur des signaux.
APPLICATIONS
Numériques
Liaison TTL inversée (fig. 2). La porte d'entrée doit être du type Schottky faible puissance.
Liaison TTL non-inversée (fig. 3). Ce circuit donne les conditions les plus favorables, aussi bien en émission qu'en
réception.•
Porte
“ OU ” (fig. 4). Les deux phototransistors
sont câblés afin d'obtenir
ce type de porte.
• Porte
“ ET ” (fig. 5). Les deux phototransistors
sont câblés afin d'obtenir
ce type de porte.
• Interface logique compatible LSTTL/TTL, spécialement prévue pour le photocouplage des circuits numériques rapides
(fig. 6).
Analogiques
Transmission audio
Pour obtenir un faible taux de distorsion, il est nécessaire que l'intensité du signal audio soit
beaucoup plus petite que l'intensité d'alimentation. Le point de fonctionnement doit se trouver sur la partie linéaire de la
caractéristique de la DEL.
Par exemple: I audio=1 mA, I alim= 10 mA.
Isolement secteur
II s'agit de commander la mise sous tension d'une charge réunie au secteur, tout en maintenant isolée la partie électronique de l'appareil (fig 8).
Ce schéma se rencontre souvent dans vos réalisations. La commande peut être assurée par des créneaux de tension positive ou par une tension alternative modulée. Par exemple, l'allumage des lampes de différentes couleurs commandées par la modulation des graves, du médium ou des aigus d'un amplificateur de sonorisation; l'éclat lumineux des lampes suit l'amplitude de la modulation correspondante.
La commande par un créneau de tension positive permet de remplacer relais par un photocoupleur die -> triac.
La durée d'application du créneau peut être très longue ou rapide, selon l'application.
Le principe du déclenchement d'un triac par une diode est donné suit la figure (9).
Le diac est un composant à trois couches p.n.p possédant deux sorties p, la zone intermédiaire n n'est pas accessible. Il est commuté de l'état bloque à l'état passant par dépassement de sa tension de claquage (fig. 9a). La caractéristique à résistance négative lors du retournement, permet de l'utiliser dans un montage relaxateur. Le principe du déclencheur est donnée en fig 9b.
Fig 9
Optocoupleurs (ou Photocoupleurs)
Ils permettent de multiples applications nécessitant une isolation galvanique parfaite entre les circuits de commande et les étages de sortie, séparation des masses ou des circuits d'alimentation.
Les avantages d'un optocoupleur.
Est son encombrement, il présente une isolation galvanique trés importante. L'isolation entre l'entrée et la sortie est comprise entre 2500v et 7500v. Quant à la capacité et la résistance d'isolement, elle est respectivement de 0,2 à 2 pF et 10 puissance 10 à 10 puissance 13 ohms.
Structure
Un optocoupleur rassemble dans un même boîtier une diode électroluminescente infrarouge IRED et un photdétecteur, dont l'étage de sortie peut être une diode, un transistor, un dorlington, un triac et un FET, ou enfin une sortie logique.
La diode IRED, diode électroluminescente, rayonne en infrarouge entre 700 nm et 1100 nm, lorsqu'elle est parcourue par un courant de quelques milliampères ( entre 1 et 2 mA ). Le photodétecteur de l'étage de sortie passera de l'état bloqué à l'état saturé ( ou passant ), lorsqu'il captera le rayonnement émis par la LED IRED. Le courant d'un phototransistor sera alors proportionnel à l'intensité du rayonnementt, lequel est fonction du courant traversant la IRED ( désigné par IF ). Le taux de transfert est un critère prépondéérant dans le choix d'un modèle.
Choix d'un modèle
Différentes familles:
A SORTIE TRANSISTOR
Certains modèles ont une broche de sortie reliée à la base du phototransistor. Cette connexion est utilisée pour des applications spécifiques, mais surtout pour améliorer le comportement dynamique de la sortie et réduire le taux de distorsion du signal.
A SORTIE DARLINGTON ( ou optodarlington )
Similaire au phototransistor mais son taux de transfert est meilleur et peut atteindre 1000%. Le taux minimal est garantie à 100%, mais il est moins rapide.
A SORTIE THYRISTOR
Conçus pour la commande d'applications secteurs, mesures de sécurité.
A SORTIE TRIAC (optotriacs )
Utilisés pour les interfaces entre un circuit logique et application secteur, 2 types:
- l'un s'amorce dés qu'un courant suffisant traverse IRED;
- L'autre au passage par zéro de la tension secteur, pour éviter les pics de courant et limiter les parasites secteur. Permet aussi la croissance progressive du courant dans la charge.
A SORTIE LOGIQUE.
Rapide, avec des temps de montée et de descente inférieur à 4 uS, les optocoupleurs ont leurs étages de sortie constitués d'un détecteur intégré trés rapide à trigger de Schmitt, sortie généralement à collecteur ouvert.
APPLICATIONS
On peut réaliser différentes fonctions logiques qui sont:
- Suiveur
- Inverseur
- Fonction ET/OU
- Fonction NAND/NOR
- Bascule RS
- Monostable
Et aussi utilisés en liaison radio.
Exemple de monostable
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