Optocoupleur

Présentation

Un optocoupleur est un composant ou un ensemble de composants qui permet le transfert d'informations entre deux parties électroniques isolées l'une de l'autre d'un point de vue électrique. La première partie est un émetteur, et la seconde partie est un récepteur. On peut l'assimiler à un composant qui a une entrée (émetteur) et une sortie (récepteur). Quand on parle d'émission, c'est en général parce que l'on émet quelque chose. Ici, il s'agit d'une émission de lumière. D'où le préfixe Opto de Optocoupleur. L'émetteur produit donc de la lumière (qui peut être visible ou invisible), et le récepteur, qui est sensible à la lumière émise par l'émetteur (sensibilité maximale à la longueur d'onde utilisée pour la partie émission), réagit plus ou moins en fonction de la quantité de lumière reçue. Le couplage entre l'émetteur et le récepteur s'effectue donc intégralement par de la lumière.
L'intégration dans un même boitier d'une source lumineuse et d'un récepteur photosensible peut être assimilé à un relais, à un amplificateur, et même à un transformateur. Il existe une quantité assez impressionnante d'optocoupleurs, je n'en mentionerai ici que quelques-uns..

Forme et représentation électronique de l'optocoupleur

Il existe plusieurs sortes de boitiers pour les optocoupleurs. Boitiers rectangulaires dont la forme est celle bien connue des circuits intégrés à 4, 6 ou 8 pattes, ou boitiers de forme un peu plus inhabituelle comme on peut le voir sur la photo en haut de cette page. Certains optocoupleurs sont réalisés artisanalement, en mettant un composant produisant de la lumière en regard d'un composant sensible à la lumière, le tout dans un manchon en plastique ou en caoutchouc pour limiter l'influence de la lumière ambiante. Il existe aussi des boitiers ronds au format TO18 à quatre pattes, mais ces derniers sont assez rares sur le marché du grand public car plutôt réservés au domaine militaire. Voici ci-dessous quelques exemples d'optocoupleurs rectangulaires, en boitier 4 broches, 6 broches, 8 broches ou 16 broches (DIL4, DIL6, DIL8 ou DIL16).



         

Les boitiers DIL6 et DIL8 sont standardisés, les brochages montrés ci-avant (DIL6 et DIL8) correspondent à ce qu'on trouve quasiment tout le temps. Le boitier DIL8 est généralement réservé aux optocoupleurs à transistors NPN darlington, aux optocoupleurs à porte NAND et  aux optocoupleurs doubles. Méfiance avec les optocoupleurs doubles et quadruples : les anode et cathode des leds, ainsi que les émetteur et collecteur des transistors, ne sont pas tous orientés dans le même sens.

Quelques exemples d'optocoupleurs

• Simples : 4N25, 4N28, SL5500, 4N33, 6N136, 6N137, 6N138, 6N139, CNY17-2, CNY70, MCT8, NSL32SR2 (LED + LDR)
• Simple DC/AC : TLP620, TLP2531 ou HCPL2531
• Doubles : TLP504A, MCT6
• Quadruples : TLP504A2

Pourquoi utiliser un optocoupleur ?

Pour isoler électriquement deux parties électroniques ou électriques entre elles (on parle d'isolation galvanique) : 

• parce que les tensions mises en jeux ne sont pas compatibles de part et d'autre (sortie logique d'un montage alimenté en 5V devant être raccordée à l'entrée logique d'un montage alimenté en 24V, par exemple). - parce que l'une des deux parties présente ou peut présenter des tensions dangeureuses et que l'utilisateur doit accéder à l'autre partie (un système de téléphonie relié à une ligne non enterrée pouvant recevoir la foudre, par exemple)
• pour éviter des boucles de masse, dans le domaine audio principalement. Côté analogique (liaison BF) ou côté numérique (liaison MIDI). - pour isoler une partie fragile d'une partie qui peut devenir dangeureuse en cas de défaillance grave (protection du port parallèle d'un ordinateur utilisé pour piloter une interface externe, par exemple). - pour permettre la détection du passage d'un objet mécanique (réflécteurs optiques, interrupteurs à fourche, principalement pour applications de comptage).

Technologies employées

La partie émission se résume en général à 

• une LED émettant dans l'infrarouge ou dans le visible. - une ampoule à incandescence (plus tellement utilisé à ce jour)
• un néon (là aussi plus tellement utilisé)

La partie réception peut être constituée 

• d'une photorésistance (LDR),
• d'un phototransistor dont seules les jonctions Emetteur et Collecteur sont accessibles (parfois la Base l'est également),
• d'un photodarlington, qui par rapport au transistor permet des taux de transfert et courant de sortie plus élevés.
• d'une circuiterie logique permettant des temps de commutation plus courts, voire aussi un courant de sortie plus élevé. Peut également permettre d'avoir une sortie 3 états.
• d'un photothyristor ou d'un phototriac, permettant la commande simplifiée d'un appareil fonctionnant sur le secteur 230V (exemple MOC3020, MOC3041).

Caractéristiques principales d'un optocoupleur

Un optocoupleur doit être choisi en fonction des caractéristiques attendues. Quelquefois, plusieurs types d'optocoupleurs peuvent convenir dans un même montage, parfois ce n'est pas le cas et il faut faire le tri.

Temps de propagation

Il s'agit du temps mis pour que l'information transmise à la partie émission se retrouve en sortie de la partie réception. Paramètre lié à la vitesse et à la fréquence maximale d'utilisation.

Vitesse de transfert (ou Débit)

Vitesse maximale d'utilisation, au delà de laquelle le signal entrant ne peut plus être correctement transmis. Par exemple 10Mbd (méga bauds). Paramètre étroitement lié au paramètre Fréquence, et pouvant donc exprimer aussi la largeur de la bande passante. Certains constructeurs précisent séparement le temps de descente (pour une variation de 90 % à 10 %) et le temps de montée (pour une variation de 10 % à 90 %). Les temps de transfert peuvent parfois varier dans d'assez grandes proportions en fonction du courant traversant l'élement émissif (LED par exemple) et en fonction de la polarisation de l'élement récepteur (transistor par exemple, dont la base, quand elle est accessible sur une patte du boitier, peut ou non être mise à contribution). 

Fréquence maximale d'utilisation

Fréquence au delà de laquelle le signal entrant ne peut plus être correctement transmis. Par exemple 5 MHz. 

Isolation (entrée / sortie)

Il s'agit de la différence de potentiel maximale qui peut exister entre l'entrée et la sortie avant déterioration du composants. Cette tension, qui dépend beaucoup des technologies employées, atteint quelques centaines ou quelques milliers de volts. On trouve des modèles spécifiques supportant plus de 10 KV (exemple CNY65) et même des modèles supportant plusieurs dizaines de KV (utilisation d'un bout de fibre optique entre émetteur et récepteur pour augmenter leur espacement sans trop de perte du flux lumineux). La tension d'isolation est spécifiée pour des broches  d'entrée court-circuitées et pour les broches de sortie également court-circuitées. Un optocoupleur peut présenter une tension d'isolation différente selon la fréquence. Un modèle CNY52 par exemple supporte 1500 V en continu, et supporte 4000 V en alternatif à 50 Hz. On lit souvent la valeur de la tension d'isolation garantie, mais on peut aussi parfois lire la résistance d'isolement à une tension donnée, par exemple 10000000 MOhms (10 millions de mégoohms) à 1000 V.

Tension d'alimentation

Si rien d'autre de précisé, désigne la tension maximale supportée par la partie émission (en général quelques volts). 

Courant d'entrée

Il s'agit en général du courant à ne pas dépasser côté émetteur. L'émetteur étant bien souvent une LED, il faut limiter le courant qui la traverse, en ajoutant une résistance en série, et en faisant bien attention à la polarité. 

Taux de transfert

Appelé aussi ratio, caractéristique (ou fonction) de transfert, et parfois assimilé à la notion de gain. En général exprimé en pourcent, il est spécifié pour un courant d'entrée donné, parce qu'il en dépend. Sa valeur peut s'étaler de quelques pourcents à quelques milliers de pourcents. Il caractérise la variation de la grandeur de sortie en fonction de celle d'entrée (rapport entre courant disponible en sortie et courant traversant l'élement émissif). Un taux de transfert de 100 % correspond à un gain de 1. Lorsque le rapport de la grandeur de sortie sur celle d'entrée est linéaire sur une large plage de fonctionnement, on peut assimiler ce rapport à la pente d'un tube électronique ou au gain (beta) d'un transistor. Exemple avec le CNY22, qui peut provoquer la naissance d'un courant collecteur de 4 mA lorsque 8 mA parcourent la led d'émission : le taux de transfert est dans ce cas de 50 %. Cette caractéristique n'est pas forcement la plus critique pour le choix du composant à utiliser, l'isolation et la vitesse possible du transfert peuvent être les caractéristiques déterminantes. 

Capacité parasite entre entrée et sortie

Il s'agit de la valeur capacitive offerte par la proximité des connexions d'entrée et des connexions de sortie. Généralement, cette capacité parasite est faible mais peut toutefois devenir gênante dans des applications où les commutations ont lieu à très haute vitesse, car elle dimunue les temps de montée et de descente (la valeur des temps de montée et de descente s'exprime généralement en microsecondes). Le couplage non désiré qui nait entre sortie et entrée à cause de cette capacité parasite, et dont la valeur varie selon la fréquence des signaux traités ou reçus en parasite, peut aussi permettre de "faire passer un intrus par dessus la barrière", là où justement on attend une isolation totale.

Vce ou Vceo

Paramètre uniquement valable si le récepteur est un transistor, il désigne la différence de potentiel maximale qui peut exister entre les deux jonctions de sortie Collecteur et Emetteur. Pour faire simple, c'est la tension qu'on ne doit pas dépasser côté récepteur. Notons au passage que ce type de paramètre est valable aussi pour les transistors traditionnels de faible et forte puissance (2N2222, BC107, 2N3055, etc). La valeur est en général de quelques dizaines de volts. 

Nombre de canaux dans le même boitier

Les optocoupleurs les plus courants ne comportent qu'un seul canal, mais il existe des optocoupleurs qui en integrent deux (exemple CNY74-2) ou quatre (exemple CNY74-4). 

Logique (numérique) ou analogique ?

On pourrait penser que la grande majorité des optocoupleurs sont destinés à être utilisés avec des signaux numériques, pour des applications en tout ou rien (en servant de relais). S'il est vrai qu'il s'agit là d'un rôle qui leur sied particulièrement bien, il n'en reste pas moins vrai que certains optocoupleurs peuvent être utilisés pour transmettre des données analogiques, comme de l'audio, par exemple. Les performances de transfert ne sont en général pas extraordinaires, mais cela peut suffire dans certaines applications. 

Transmission de signaux numériques

Il existe un très grand nombre d'applications "industrielles" faisant usage d'optocoupleurs pour transmettre des données numériques (rapides ou lentes). Interface d'entrées logiques ou de sorties logiques, alarmes, commandes en environnement fortement perturbé, n'en sont que quelques exemples. L'application grand public qui fait le plus usage d'optocoupleur est sans doute l'interface MIDI. Chaque appareil (instrument) doté d'une entrée MIDI possède obligatoirement un tel composant sur l'entrée (prise DIN 5 points), cela fait partie de la norme.

Transmission de signaux audio

Utilisés par exemple dans des circuits audio où l'une des parties est reliée à un potentiel élevé (cas de certains téléviseurs par exemple). La transmission d'une information analogique (signal audio par exemple) peut être effectuée de plusieurs façons : par modulation de la tension ou du courant dans l'émetteur, par modulation de fréquence ou par conversion A/D (PCM).

Modulation de la tension aux bornes de l'élement lumineux (émetteur)

Cette façon de faire est simple mais présente l'inconvénient d'une distorsion assez élevée, du fait de la non-linéarité de l'élement émetteur. En (pré)polarisant cet élement (en le plaçant à la limite de la conduction) et en ajustant de façon précise l'amplitude du signal modulant, il est cependant possible d'obtenir des résultats assez corrects (distorsion de l'ordre de 1 %).

Modulation du courant traversant l'élement lumineux (émetteur)

Cette façon de faire est plus efficace qu'une modulation de la tension, car la quantité de lumière émise est plus proportionnelle à la valeur du courant qu'à la valeur de la tension. Que la commande s'effectue en courant ou en tension réclame dans les deux cas que la fonction de transfert soit le plus linéiare possible, ce qui n'est pas une caractéristique native de la majorité des optocoupleurs (certains optocoupleurs sont cependant conçu pour des applications audio analogique et présentent une exellente linéarité et dynamique - ces composants sont malheureusement assez rares et chers).

En modulant en fréquence une porteuse HF

C'est le principe adopté pour les casques sans fil à infrarouge. La porteuse HF représente simplement un découpage régulier de la tension appliquée à l'élement émetteur : on coupe, on rétablie, on coupe, etc., et ce à une vitesse très élevée et qui dépend de la tension du signal analogique à transmettre : on a affaire ici à une convertion tension / fréquence. L'élement émetteur travaille donc uniquement en tout ou rien et le problème de la linéarité ne se pose quasiment plus. La partie réception "démodule" le signal reçu, c'est à dire qu'il ne conserve que les variations de fréquence. On parle bien ici d'une transmission sur courte distance puisque tout se fait dans un même boitier (l'optocoupleur), mais le principe est applicable à une liaison grande distance (plusieurs mètres via leds à infrarouges, ou plusieurs km par leds associées à une fibre optique).

Modulation PCM

Ici, c'est un cas un peu à part car on repasse dans le domaine numérique, plus facilement "accepté" par les optocoupleurs. Le principe consiste à moduler la largeur d'impulsion d'un signal de fréquence fixe, en fonction de l'amplitude du signal d'entrée, et à transmettre ce signal à l'optocoupleur. A la réception, un intégrateur restitue les variations d'amplitudes à partir des variations de largeur d'impulsion.

Limitations

Dans la majorité des cas, et même si une modulation à 100 % est possible, cela se fait souvent au détriment d'une distorsion assez importante. Il est toutefois possible d'améliorer les performances de la transmission analogique (en distorsion et en bande passante), en procédant à de petites "corrections de transfert" sur le signal appliqué à l'émetteur. Par exemple, on peut effectuer un bouclage du signal de sortie vers l'entrée avec un second opto-coupleur, afin d'annuler le défaut produit par le premier (voyez cela comme un ajout de "distorsion inversée"). Bien entendu, ces petites corrections compliquent le montage, mais comme bien souvent, on n'a rien sans rien.
L'opto-coupleur peut aussi être utilisé en remplacement d'un transformateur BF pour effectuer une liaison entre la sortie d'un amplificateur BF et un modulateur de lumière directement relié au secteur (cest ce que fait le fabricant Welleman pour au moins un de ses kits de jeux de lumière, en utilisant un optocoupleur de type K3020P).

Transmission d'une tension continue (analogique)

S'il est possible de transmettre une tension continue directement en appliquant celle-ci à la partie émission d'un optocoupleur, cela n'est pas conseillé (dommage, c'est tellement simple). Ceci pour la simple raison qu'il est plus difficile de garantir une bonne stabilité avec une tension continue qu'avec une tension alternative. Aussi, on préfère utiliser un signal porteur alternatif dont la fréquence est proportionnelle à la valeur de la tension à transmettre (on parle alors de modulation). Côté réception, on opère dans l'autre sens, en "convertissant" les variations de fréquence en une tension continue proportionnelle à la variation (on parle de démodulation).

Contre-réaction / protection, en audio

Un optocoupleur peut être utilisé dans les compresseurs de modulation (à juste titre appelés "optiques"). La partie émission est commandée par le signal audio lui-même, et la partie réception est prise dans la boucle de contre-réaction d'un ampli, ou est utilisé comme élement d'un pont diviseur de tension résistif. On peut aussi utiliser un optocoupleur pour protéger un étage de sortie à tube, en vue de le protéger en cas de rupture de la charge (HP). Ou encore pour protéger contre une saturation excessive en enregistrement magnétique (compression ou limitation de la dynamique). A ne lire que ces exemples, on peut facilement imaginer toutes les possibilités offertes dans le domaine de l'asservissement ou de la régulation (régulation de courant, de luminosité, etc).

Alimentation à découpage

Souvent, un optocoupleur est utilisé pour assurer une contre réaction entre la sortie basse tension et la partie haute tension d'entrée (vers la commande de découpage).

Peut-on fabriquer soi-même un optocoupleur ?

On pourrait dire que la réponse est dans la question. Oui, on peut. Mais il est rarement nécessaire d'en arriver là, tellement le choix des optocoupleurs existants est grand. A ma connaissance, le besoin de fabriquer soi-même un optocoupleur peut être dicté par :

• un montage dédié "audio" (compresseur de modulation, effets spéciaux);
• un détecteur de fumée fait maison (on veut que la fumée puisse passer entre émetteur optique et récepteur optique);
• un montage dans lequel il faut pouvoir ajuster la distance entre émetteur optique et récepteur optique (clignotant doux)