Les bases de l'optocoupleur : fonctionnement, types et applications pratiques

Qu'est-ce qu'un optocoupleur ? En tant que concepteur de circuits imprimés, ingénieur ou passionné, vous disposez d'une grande variété de commutateurs, relais et coupleurs pour personnaliser votre PCB. Face à la multitude de composants et d'options disponibles sur le marché, il est difficile de choisir celui qui conviendra le mieux à votre projet.

Par exemple, vous vous demandez peut-être ce que fait un optocoupleur et en quoi il diffère des autres relais. Ce guide vise à éclaircir ces points. Nous y explorerons l'optocoupleur, ses différents types et ses avantages pour vos projets.

Qu'est-ce qu'un optocoupleur ?

Les optocoupleurs portent de nombreux noms : optoisolateur, photocoupleur, coupleur optique, isolateur optique, ou simplement optocoupleur. Certains les appellent même « options ». Ce sont des composants électroniques intégrés. Les types les plus basiques se présentent sous la forme d'un boîtier rectangulaire à quatre broches. Chaque broche correspond à un sous-composant : la première est l'anode, la seconde la cathode, la troisième le collecteur et la quatrième l'émetteur.

LTV-816 opto-isolateur 1 canal

Source : Wikimedia Commons

Une encoche circulaire sur le coin du boîtier, près de la première broche, permet d'identifier les broches. Le boîtier porte également le numéro de pièce de l'optocoupleur, utile pour identifier le type et trouver la fiche technique du fabricant.

L'optocoupleur est essentiellement un relais à semi-conducteurs qui interconnecte deux circuits électroniques distincts. Le premier circuit se connecte aux deux premières broches (broches 1 et 2), le second aux deux dernières (broches 3 et 4). Ainsi, le premier circuit contrôle le second.

Il est facile de confondre un optocoupleur avec un circuit intégré (CI) ou une micropuce en raison de leur apparence similaire, surtout pour les optocoupleurs TRIAC.

Microcircuits électroniques sur fond blanc

Comment fonctionne un optocoupleur ?

L'optocoupleur permet de transférer des signaux électroniques entre deux circuits isolés. C'est l'un de ses attributs les plus importants. Parfois, des pics de tension et du bruit peuvent survenir dans un circuit. Sans l'isolation de l'optocoupleur, ces perturbations pourraient se propager au second circuit et causer des dommages. L'optocoupleur empêche ce risque dans les deux circuits.

De plus, l'optocoupleur ne laisse passer les électrons que dans une seule direction grâce à ses matériaux semi-conducteurs. Par conséquent, les deux circuits interconnectés peuvent utiliser des tensions et des courants différents.

Il permet également d'étendre les capacités de votre appareil, grâce à l'isolement galvanique entre deux circuits séparés. Par exemple, on pourrait ajouter un transistor au second circuit sans interférer avec le premier, dans une configuration à deux circuits. Cela permettrait de contrôler des tensions et des courants plus élevés, et potentiellement d'automatiser le contrôle du circuit en ajoutant des composants électroniques.

Structure d'un optocoupleur

Les optocoupleurs existent en de nombreux types et configurations. Pour simplifier, nous nous concentrerons principalement sur la version phototransistor.

Schéma de circuit d'un optocoupleur phototransistor

Source : Wikimedia Commons

Le diagramme ci-dessus illustre un phototransistor reliant deux circuits. Si vous observez attentivement la partie phototransistor, vous remarquerez un symbole de LED à gauche :

Symbole de LED

Source : Wikimedia Commons

À droite, un symbole de transistor :

Symbole de transistor

Source : Wikimedia Commons

On voit aisément qu'un phototransistor est une version modifiée d'un transistor normal. On comprend pourquoi les bornes (troisième et quatrième) du côté transistor sont appelées collecteur et émetteur, et pourquoi les premières et secondes bornes sont nommées anode et cathode.

Un transistor classique a trois bornes. Ici, la broche de base est absente du circuit phototransistor. En effet, le transistor d'un optocoupleur fonctionne différemment : au lieu de signaux électroniques provenant de la base, il utilise la lumière de la LED. La lumière brille de la LED et frappe le transistor, le mettant en conduction et permettant au courant de circuler dans le circuit principal. Ils réagissent à une entrée optique plutôt qu'à un courant électrique pur. Les optocoupleurs existent en deux topologies courantes : les composants internes peuvent être empilés ou placés côte à côte.

Topologies d'optocoupleurs

Source : Wikimedia Commons

Bien qu'on ne puisse pas voir le fonctionnement interne du phototransistor (sauf s'il est translucide), on peut en créer un soi-même avec un circuit simple. Nous verrons cela plus loin. Mais d'abord, examinons les autres types d'optocoupleurs.

Types d'optocoupleurs

Optocoupleur tenu par une pince à épiler

Il existe six types principaux d'optocoupleurs :

• Optocoupleur résistif : Ce sont les premiers optocoupleurs. Ils utilisent des ampoules à incandescence, des lampes néon et des LED infrarouges GaAs comme sources lumineuses, et du sulfure de cadmium comme matériau du transistor. On les appelle aussi « vactrols ». Étant des dispositifs photosensibles plus anciens, ils sont plus lents que les optocoupleurs modernes, ce qui les rend quasi obsolètes.
• Optocoupleur à diode : Ils utilisent des LED infrarouges GaAs comme sources lumineuses et des photodiodes silicium comme récepteurs. Ce sont les optocoupleurs les plus rapides, surtout avec des diodes PIN.
• Optocoupleur à transistor : Comme les optocoupleurs à diode, ils utilisent des LED infrarouges GaAs, mais emploient des phototransistors bipolaires silicium ou des phototransistors Darlington comme capteurs. Leurs taux de transfert et temps de réponse sont plus rapides que les optocoupleurs résistifs, mais plus lents que les optocoupleurs à diode.
• Optocoupleur SRC isolé : Ils utilisent des LED infrarouges avec des redresseurs commandés au silicium. Leurs vitesses de transfert varient, mais ils ne sont pas aussi rapides que les optocoupleurs à base de diodes. Ils offrent néanmoins un temps de réponse et un taux de transfert corrects.
• Optocoupleur TRIAC isolé : Ces optocoupleurs utilisent un triode pour courant alternatif (TRIAC) comme capteur, en plus de leur LED infrarouge GaAs. Bien qu'ils n'aient pas de taux de transfert rapides, ils offrent des rapports de transfert de courant très élevés.
• Relais à semi-conducteurs : Ils utilisent une pile de LED infrarouges GaAs comme sources lumineuses et une pile de photodiodes qui pilotent soit une paire de MOSFET, soit un IGBT unique comme capteurs. Ils peuvent atteindre des vitesses de transfert très élevées et des rapports de transfert de courant illimités.

Comment créer un circuit optocoupleur simple

Optocoupleur tenu par une pince à épiler devant un PCB

Liste des composants :

• Résistance dépendante de la lumière (LDR) 50-100 kΩ
• LED blanche 3V 0,02A
• LED rouge 2V 0,02A
• 2 piles 9V
• Interrupteur
• Résistance 300 Ω
• 2 résistances 150 Ω (ou 1 résistance 300 Ω)

Explications et instructions :

LED rouge et optocoupleur

Cet optocoupleur simple utilise une résistance dépendante de la lumière (LDR) et une LED blanche. La LDR fait varier sa résistance selon l'exposition à la lumière. Dans l'obscurité, sa résistance est très élevée ; sous une lumière vive, elle devient très faible. Ici, elle joue le rôle de photodiode.

Dans le circuit primaire, nous avons besoin d'une LED blanche avec une chute de tension de 3 volts et un courant de 0,02 ampère. Nous utiliserons une pile 9 volts comme alimentation et contrôlerons le circuit avec un interrupteur. Comme la LED blanche nécessite 3 volts, nous avons besoin d'une résistance avec une chute de 6 volts. La résistance doit donc être de 300 Ω ((9V – 3V) ÷ 0,02A).

Le circuit primaire se compose de la pile connectée positivement à l'interrupteur, à la résistance et à la LED blanche. Vous pouvez utiliser une plaque d'essai ou des fils pour relier les composants. L'ensemble agit comme circuit de commande.

Le circuit secondaire comporte une LED rouge avec une chute de tension de 2 volts et un courant de 0,02 ampère.

Elle sert d'indicateur pour montrer quand le circuit fonctionne. De plus, nous connecterons la LDR à ce circuit. Évidemment, la LDR doit être placée à côté de la LED blanche.

La LDR fournira une résistance d'environ 70 Ω lorsqu'elle est exposée à la lumière de la LED. Vous devrez connecter la LDR à la LED rouge. Pour alimenter le circuit secondaire, nous utiliserons une autre pile 9 volts. Encore une fois, une résistance est nécessaire pour abaisser la tension afin que la LED fonctionne efficacement. Nous suggérons d'utiliser deux résistances de 150 Ω, mais une seule résistance de 300 Ω convient aussi.

Une fois le circuit construit, vous devrez envelopper du ruban adhésif noir autour de la LDR et de la LED blanche, en veillant à ce qu'elles restent connectées. Cela bloquera la lumière ambiante. Alternativement, vous pouvez tester le circuit dans une pièce complètement sombre.

Lorsque vous appuyez sur le bouton du circuit primaire (circuit d'entrée), la LED blanche s'allume. Elle éclaire alors la LDR, ce qui allume la LED rouge dans le circuit de sortie. La lumière de la LED blanche fonctionne comme un signal électrique dans un interrupteur. Ce projet est assez simple pour illustrer le fonctionnement interne d'un optocoupleur. Vous pouvez l'améliorer en utilisant un émetteur infrarouge avec un récepteur, remplaçant la lumière visible par de la lumière infrarouge.

Applications des optocoupleurs

Petit assemblage PCB avec CI, condensateur, optocoupleur et autres semi-conducteurs

Maintenant que nous comprenons le fonctionnement des optocoupleurs, voyons où les appliquer. Ils peuvent servir d'interrupteurs activés par la lumière. Mais quels équipements et appareils électroniques leur conviennent le mieux ? Voici une liste d'applications :

• Commandes de solénoïdes
• Commandes de moteurs
• Variateurs pour lampes à incandescence
• Microprocesseurs
• Ballasts de lampes
• Détection CA
• Isolation de tension
• Interrupteur électromagnétique
• Microcontrôleurs

Avantages des optocoupleurs

Un ensemble d'optocoupleurs

Pourquoi utiliser des optocoupleurs plutôt que des relais ou interrupteurs électromécaniques ? Voici quelques avantages :

• Ils assurent une transmission unidirectionnelle des signaux électriques
• Les optocoupleurs rendent vos projets plus fiables en les protégeant contre les interférences
• Ils permettent l'isolation électrique entre plusieurs circuits
• Les optocoupleurs séparent les sections d'entrée et de sortie, facilitant le dépannage
• Ils réduisent les signaux de sortie parasites sur la section d'entrée
• Les optocoupleurs permettent de contrôler de grands circuits CA avec de petits signaux numériques
• Ils autorisent le transfert d'un signal analogique entre deux circuits séparés
• Ils permettent d'interfacer des composants haute tension avec des dispositifs basse tension
• Les optocoupleurs aident à réduire ou éliminer le bruit électrique des signaux
• Ils permettent de concevoir des appareils électroniques plus résistants aux pics d'alimentation, surtensions et coups de foudre

Conclusion

Dans ce guide, nous avons fourni une explication approfondie et accessible sur les optocoupleurs. Si vous avez lu jusqu'ici, vous avez une compréhension plus profonde de ces composants. Nous espérons que ce guide vous a été utile. Merci de votre lecture.