Qu’est-ce qu’un photocoupleur ?
Un photocoupleur est un élément capable d’isoler électriquement les circuits d’entrée et de sortie lors de la transmission de signaux du côté de l’entrée vers le côté de la sortie.
Il est également appelé opto-isolateur ou isolateur optique. Dans un photocoupleur, le signal électrique d’entrée est d’abord converti en signal optique à l’aide d’un élément émetteur de lumière, puis le signal optique est reconverti en signal électrique à l’aide d’un élément récepteur de lumière pour former le signal de sortie.
Cela signifie que les signaux peuvent être transmis même lorsque le circuit du côté de la sortie n’est pas connecté électriquement au circuit du côté de l’entrée. Ce niveau élevé d’isolation est la principale raison de l’utilisation des photocoupleurs. Une autre caractéristique est leur durée de vie relativement longue en tant que moyen de transmission de signaux.
Utilisations des photocoupleurs
Les photocoupleurs sont utilisés dans les équipements où une grande fiabilité est requise en raison de leurs propriétés isolantes et de leur longue durée de vie. Il s’agit par exemple d’équipements électroniques médicaux.
Dans les équipements audio et de communication, où un faible niveau de bruit est requis, les photocoupleurs servent à transmettre les signaux des circuits numériques aux circuits analogiques, empêchant ainsi le bruit de pénétrer dans les circuits analogiques.
Les photocoupleurs sont également utilisés dans les équipements qui entraînent des moteurs. Les moteurs commandés par onduleur sont largement utilisés de nos jours, mais la génération de bruit est inévitable dans le contrôle de la vitesse de rotation. Ce bruit peut s’infiltrer dans l’équipement et provoquer des dysfonctionnements, c’est pourquoi les signaux sont transmis via des photocoupleurs afin de bloquer le bruit du moteur.
De plus, ils sont également utilisés pour la transmission de signaux entre des dispositifs fonctionnant sur des alimentations indépendantes. Le risque d’électrocution est particulièrement élevé lorsque l’appareil est connecté à des dispositifs flottants, mais s’il est connecté via un photocoupleur, la sécurité peut être assurée car l’appareil est isolé des dispositifs flottants.
Principe des photocoupleurs
Comme mentionné ci-dessus, un photocoupleur est une unité combinant un élément émetteur de lumière tel qu’une diode électroluminescente et un élément récepteur de lumière tel qu’un phototransistor, ces éléments étant enfermés dans un boîtier qui bloque la lumière de l’extérieur. Les éléments émetteurs et récepteurs de lumière sont montés à proximité les uns des autres et, lorsque l’élément émetteur de lumière est allumé, l’élément récepteur de lumière passe de l’état éteint à l’état allumé, ce qui constitue le principe de la transmission du signal par le photocoupleur.
Le dispositif émettant le signal est connecté à la borne d’entrée du photocoupleur et l’élément émetteur de lumière est allumé/éteint. Le dispositif recevant le signal est connecté à la borne de sortie du photocoupleur via une résistance pull-up de quelques kΩ à l’alimentation électrique. Avec cette configuration, la borne de sortie du photocoupleur est égale à la tension d’alimentation lorsque l’élément électroluminescent est éteint, et se situe autour de 0,1V – 0,3 lorsque l’élément électroluminescent est allumé.
En d’autres termes, des impulsions apparaissent en réponse à l’activation/désactivation de l’élément émetteur de lumière par le dispositif émettant le signal, et le dispositif du côté récepteur reçoit ces impulsions et procède au traitement du signal. De cette manière, le photocoupleur couple les circuits d’entrée et de sortie par l’intermédiaire de la lumière, mais il n’y a pas de connexion électrique entre eux et ils sont isolés.
Types de photocoupleurs
Il existe plusieurs types de photocoupleurs avec des éléments différents, en fonction de l’application. Les éléments typiques sont les suivants :
1. Photocoupleurs de sortie à transistor
Il s’agit de la configuration de base des photocoupleurs. Elle reste la plus utilisée sur le marché en raison de son faible prix et de sa grande polyvalence. Il existe des produits présentant diverses caractéristiques telles qu’un rendement de conversion élevé, une tension de tenue élevée et un faible entraînement d’entrée. Ils ont un large éventail de fonctions et leurs principales applications sont l’isolation des signaux, la détection de la rétroaction et les commutateurs isolés.
2. Photocoupleurs à sortie IC
Afin d’atteindre des vitesses élevées et des fonctions spécifiques, le photocoupleur est un circuit intégré doté d’un élément récepteur de lumière. Ils sont capables de transmettre des signaux à grande vitesse, de 1 à 50MHz, alors que les types de sortie à transistor ne peuvent transmettre que des signaux de quelques kHz à une douzaine de kHz au maximum. Les photocoupleurs à sortie IC peuvent être classés en trois catégories :
- Groupes de produits conçus pour la transmission à grande vitesse de signaux logiques
- Groupes de produits dotés d’une fonction de pilotage pour les éléments d’alimentation externes
- Groupes de produits avec fonctions de rétroaction courant/tension
3. Photocoupleurs à sortie triac
Utilisés comme interrupteurs d’isolement pour contrôler directement des charges CA telles que des moteurs et des solénoïdes directement connectés à des alimentations électriques commerciales de 100V ou 200V utilisées dans les maisons, les bureaux et les usines. En utilisant des triacs à tension de claquage élevée, il est possible de commander des charges CA ON/OFF avec des courants infimes d’environ 10mA ou plus, tout en les isolant électriquement.
L’élément seul ne peut contrôler que des courants alternatifs d’environ 100mA, mais en l’utilisant comme pilote pour un triac externe, il est possible de contrôler des courants alternatifs allant jusqu’à plusieurs A.
4. Photocoupleurs de sortie MOSFET
Ce dispositif comporte deux MOSFET connectés à la source commune dans l’étage de sortie et a la même fonctionnalité qu’un relais mécanique. La caractéristique du MOSFET est qu’il peut fonctionner non seulement comme un simple commutateur, mais aussi comme un commutateur de signaux analogiques.
Autres informations sur les photocoupleurs
Fluctuations de sortie et durée de vie des photocoupleurs
Le coefficient de transfert de courant (CRT) est un paramètre caractéristique des photocoupleurs. Le facteur de transfert de courant est le rapport entre le courant de sortie (IC) et le courant direct d’entrée (IF) et est équivalent au facteur d’amplification du courant continu (hFE) d’un transistor.
- La valeur varie en fonction de l’IF
- Influencé par la température ambiante
- Il diminue progressivement avec le temps
Il faut en tenir compte lors de la conception des circuits. Cela signifie que si le coefficient de transfert de courant fluctue en raison de changements environnementaux ou au fil du temps, le courant de sortie changera, ce qui peut entraîner un dysfonctionnement du circuit. Il est donc important d’examiner la valeur de l’IF, la valeur de la résistance d’excursion haute, etc. de manière à ce que les fluctuations du niveau du signal ne les affectent pas.
De plus, si le photocoupleur est utilisé pendant une longue période, le coefficient de transfert de courant diminuera progressivement et il ne sera plus possible d’obtenir un signal de sortie suffisant. La principale cause de la baisse du coefficient de transfert de courant est la détérioration progressive des LED, qui entraîne une diminution de l’efficacité lumineuse.
La durée de vie d’un photocoupleur est clairement indiquée dans les données du fabricant de l’appareil, il est donc nécessaire de déterminer le modèle et les conditions d’utilisation en s’y référant.