La paire émetteur optique - récepteur optique est utilisée depuis longtemps en électronique et en électrotechnique. Un composant électronique dans lequel le récepteur et l'émetteur sont situés dans la même enceinte et où il y a une communication optique entre eux est appelé un optocoupleur ou un optocoupleur.
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Optron Design
Les optrons sont constitués d'un émetteur optique (émetteur), d'un canal optique et d'un récepteur optique. L'émetteur de lumière convertit un signal électrique en un signal optique. L'émetteur est dans la plupart des cas une LED (les premiers modèles utilisaient des ampoules à incandescence ou au néon). L'utilisation des LED n'est pas cruciale, mais elles sont plus durables et plus fiables.
Le signal optique est transmis par un canal optique au récepteur. Le canal peut être fermé - lorsque la lumière émise par l'émetteur ne quitte pas le corps de l'optocoupleur. Le signal généré par le récepteur est alors synchronisé avec le signal à l'entrée de l'émetteur. Ces canaux peuvent être remplis d'air ou d'un composé optique spécial. Il existe également des optocoupleurs "longs" où le canal est fibre optique.
Si l'optocoupleur est conçu de telle sorte que le rayonnement généré quitte l'enceinte avant d'atteindre le récepteur, on parle de canal ouvert. Il peut être utilisé pour détecter des obstacles sur le chemin du faisceau lumineux.
Le photodétecteur reconvertit le signal optique en un signal électrique. Les récepteurs les plus couramment utilisés sont :
- Photodiodes. Généralement utilisé dans les lignes de communication numériques. Ils ont une petite portée linéaire.
- Photorésistances. Leur particularité est la conductivité bidirectionnelle du récepteur. Le courant peut circuler à travers la résistance dans les deux sens.
- Phototransistors. Une caractéristique de ces dispositifs est la possibilité de contrôler le courant du transistor à travers l'opto-transistor, ainsi qu'à travers le circuit de sortie. Ils sont utilisés en mode linéaire et numérique. Un autre type d'optocoupleurs est celui des transistors à effet de champ commutés en parallèle. Ces dispositifs sont appelés Relais à semi-conducteurs.
- Photothyristors. Ces optocoupleurs se caractérisent par leur puissance de sortie et leur vitesse de commutation accrues, et sont utiles pour contrôler l'électronique de puissance. Ces dispositifs sont également classés dans la catégorie des relais à semi-conducteurs.
Les microcircuits optocoupleurs couramment utilisés sont des assemblages d'optocoupleurs avec des interconnexions d'optocoupleurs dans le même boîtier. Les optocoupleurs sont utilisés comme dispositifs de commutation et à d'autres fins.
Avantages et inconvénients
Le premier avantage des optocoupleurs est qu'ils ne comportent aucune pièce mécanique. Cela signifie que, pendant le fonctionnement, il n'y a pas de frottement, d'usure ou d'étincelles sur les contacts, comme c'est le cas avec les relais électromécaniques. Contrairement aux autres dispositifs d'isolation galvanique des signaux (transformateurs, etc.), les optocoupleurs peuvent fonctionner à des fréquences très basses, y compris en courant continu.
En outre, l'avantage des isolateurs optiques est le très faible couplage capacitif et inductif entre l'entrée et la sortie. Cela réduit la probabilité de transmission d'impulsions et d'interférences à haute fréquence. L'absence de couplage mécanique et électrique entre l'entrée et la sortie offre un large éventail de solutions techniques pour les circuits de commande et de commutation sans contact.
Bien que les conceptions du monde réel soient limitées en termes de tension et de courant pour l'entrée et la sortie, il n'y a pas d'obstacles théoriques fondamentaux à l'augmentation de ces caractéristiques. Il est ainsi possible de concevoir des optocoupleurs pour presque toutes les applications.
L'un des inconvénients des optocoupleurs est la transmission unidirectionnelle des signaux - il n'est pas possible de transmettre un signal optique du photodétecteur vers l'émetteur. Il est donc difficile d'adapter le retour du circuit du récepteur au signal de l'émetteur.
La réponse de la partie réceptrice peut être influencée non seulement en modifiant l'émission de l'émetteur, mais aussi en influençant l'état du canal (apparition d'objets étrangers, modification des propriétés optiques du milieu du canal, etc.) Cette influence peut également être de nature non électrique. Cela élargit les possibilités d'utilisation des optocoupleurs. L'insensibilité aux champs électromagnétiques externes permet de créer des canaux de données avec une immunité élevée au bruit.
Le principal inconvénient des optocoupleurs est leur faible efficacité énergétique due aux pertes de signal associées à la double conversion du signal. Le niveau élevé de bruit intrinsèque est également considéré comme un inconvénient. Cela réduit la sensibilité des optocoupleurs et limite leur application aux signaux faibles.
Lors de l'utilisation d'optocoupleurs, l'influence de la température sur leurs paramètres doit également être prise en compte - elle est importante. En outre, les inconvénients des optocoupleurs comprennent une dégradation notable des éléments en cours de fonctionnement et un certain manque de technologie dans la production lié à l'utilisation de différents matériaux semi-conducteurs dans le même boîtier.
Caractéristiques de l'optocoupleur
Les spécifications des optocoupleurs sont divisées en deux catégories :
- Caractériser les propriétés du dispositif pour transmettre un signal ;
- caractérisant le découplage entre l'entrée et la sortie.
La première catégorie est le coefficient de transfert de courant. Elle dépend de l'émissivité de la LED, de la sensibilité du récepteur et des propriétés du canal optique. C'est le rapport entre le courant de sortie et le courant d'entrée, et pour la plupart des types d'optocoupleurs, il est de 0,005 à 0,2. Les transistors peuvent avoir un gain aussi élevé que 1.
Si l'on considère un optocoupleur comme un quadripôle, sa caractéristique d'entrée est entièrement déterminée par la caractéristique de sortie de l'opto-émetteur (LED) et la caractéristique de sortie du récepteur. La caractéristique de sortie est non linéaire en général, mais certains types d'optocoupleurs ont des sections linéaires. Par exemple, un optocoupleur à diode a une bonne linéarité, mais cette section n'est pas très grande.
Les éléments de résistance sont également évalués par le rapport entre la résistance à l'obscurité (pour un courant d'entrée égal à zéro) et la résistance à la lumière. Pour les optocoupleurs à thyristor, une caractéristique importante est le courant de maintien minimal à l'état ouvert. La fréquence de fonctionnement la plus élevée est également une caractéristique importante de l'optocoupleur.
La qualité de l'isolation galvanique est caractérisée par :
- la plus grande tension appliquée à l'entrée et à la sortie ;
- la tension la plus élevée entre l'entrée et la sortie ;
- résistance d'isolement entre l'entrée et la sortie ;
- Capacité de passage.
Ce dernier paramètre caractérise la capacité d'un signal électrique à haute fréquence à passer de l'entrée à la sortie, en contournant le canal optique, à travers la capacité entre les électrodes.
Il existe des paramètres permettant de déterminer la capacité du circuit d'entrée :
- La plus grande tension qui peut être appliquée aux fils d'entrée ;
- Le courant le plus élevé que la LED peut supporter ;
- La chute de tension aux bornes de la LED au courant nominal ;
- Tension d'entrée inverse - la tension de polarité inverse que la DEL peut supporter.
Pour le circuit de sortie, ces caractéristiques seront le courant et la tension de sortie les plus élevés autorisés, ainsi que le courant de fuite à courant d'entrée nul.
Applications des optocoupleurs
Les optocoupleurs à canal fermé sont utilisés lorsque, pour une raison quelconque (sécurité électrique, etc.), un découplage entre la source du signal et le récepteur est nécessaire. Par exemple, dans les circuits de rétroaction de des alimentations à découpage - Le signal est prélevé à la sortie du bloc d'alimentation et transmis à l'élément émetteur, dont la luminosité dépend du niveau de tension. Un signal dépendant de la tension de sortie est prélevé sur le récepteur et envoyé au contrôleur PWM.
Le schéma d'un bloc d'alimentation d'ordinateur avec deux optocoupleurs est présenté dans la figure. L'optocoupleur supérieur IC2 fournit la rétroaction de stabilisation de la tension. Le circuit inférieur IC3 fonctionne en mode discret et alimente le circuit PWM lorsque la tension de veille est présente.
Une isolation galvanique entre la source et le récepteur est également requise par certaines interfaces électriques standard.
Les dispositifs à canal ouvert sont utilisés pour créer des capteurs de détection d'objets (présence de papier dans une imprimante), des interrupteurs de fin de course, des compteurs (articles sur un tapis roulant, nombre de dents d'engrenage dans une souris, etc.
Les relais statiques sont utilisés de la même manière que les relais classiques - pour commuter des signaux. Cependant, leur utilisation est limitée par la résistance élevée du canal à l'état ouvert. Ils sont également utilisés comme pilotes pour les éléments de l'électronique de puissance à semi-conducteurs (transistors à effet de champ ou IGBT de forte puissance).
L'optron a été mis au point il y a plus d'un demi-siècle, mais son utilisation s'est généralisée après que les LED sont devenues disponibles et peu coûteuses. Aujourd'hui, tous les nouveaux modèles d'optocoupleurs (et surtout les microcircuits basés sur eux) sont développés, et le champ d'application ne fait que s'étendre.
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