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L'optocoupleur : principe de fonctionnement

L'optocoupleur : principe de fonctionnement 
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Un optocoupleur est formé d'une LED infrarouge et d'un phototransistor ou d'une photodiode. Il y a une isolement électrique entre les deux. Les caractéristiques électriques sont :

- courant maximum dans la LED
- courant maximum dans le phototransistor
- taux de transfert (CTR : current transfer ratio)
- courant de fuite dans le phototransistor (dark current)
- puissance que l'ensemble peut dissiper
- tension d'isolation de l'optocoupleur
Symbole de l'optocoupleur
Un optocoupleur se représente de la façon suivante :
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Symbole d'un optocoupleur
On reconnaît sur la gauche la LED et sur la droite, le phototransistor.
Principe de fonctionnement de l'optocoupleur
Un optocoupleur repose sur une LED et un phototransistor ou une photodiode. Lorsqu'on fait passer un courant dans la LED, elle brille (elle émet de l'infrarouge) dans un boitier bien hermétique à la lumière. La lumière émise par la LED sont captés par le phototransistor qui devient alors passant. On peut donc transmettre un courant électrique tout en isolant électriquement. Dans son principe, l'optocoupleur fait les conversions successives : courant électrique - lumière infrarouge - courant électrique.
CTR d'un optocoupleur : définition
Le courant que peut délivrer le phototransistor d'un optocoupleur augmente si le courant dans la LED augmente. Plus le courant dans la LED infrarouge est grand, plus la LED infrarouge émet d'infrarouges et plus le phototransistor est "éclairé", ce qui crée un courant plus élevé, dans la mesure où le circuit où il est le permet.
Le CTR (current transfer ratio) d'un optocoupleur est le rapport suivant :
CTR = courant de sortie dans le transistor / courant dans la LED
Si le courant de sortie était proportionnel au courant dans la LED, le CTR serait une constante. Le CTR s'exprime souvent en % : un CTR de 160% correspond un courant collecteur (phototransistor) qui vaut 1.6 fois le courant injecté dans la LED.
CTR d'un optocoupleur : exemples
Exemple 1 de CTR : calcul
Quel courant minimum dans la LED faut-il pour garantir au moins 2mA sachant que le CTR de l'optocoupleur peut aller de 160% à 320% ?
Réponse
Le pire cas est lorsque le CTR de l'optocoupleur est minimum, donc ici 160%
CTR = Ic / ILED
ILED = Ic / CTR = 2mA / 1.6 = 1.25mA
Il faut au moins 1.25mA dans la LED pour garantir 2mA.
Exemple 2 de CTR : calcul
Un circuit de commande ne peut pas délivrer plus de 15mA pour faire briller la LED de l'optocoupleur. Sachant que le CTR de l'optocoupleur peut varier (d'un optocoupleur à l'autre) de 80% à 160%. Quel courant minimum peut-on garantir en sortie de l'optocoupleur ?
Réponse
Le pire cas est lorsque le CTR de l'optocoupleur est minimum, donc ici 80%
CTR = Ic / ILED
Ic = ILED x CTR = 15mA x 0.8
On peut garantir au moins 12mA de courant collecteur.
Exemple d'optocoupleurs réels
En pratique, le CTR d'un optocoupleur peut varier du simple au double d'un optocoupleur à l'autre, comme le gain d'un transistor bipolaire. Par ailleurs, le CTR d'un optocoupleur varie beaucoup avec le courant dans la LED de l'opto. Le courant collecteur augmente avec le courant dans la LED, mais de façon non proportionnelle :


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Courant collecteur en fonction du courant dans la LED
Le CTR atteint 150% pour un courant de LED de 4mA. Le CTR de l'optocoupleur diminue lorsque le courant dans la LED devient trop grand ou trop petit.
Il s'agit d'un extrait de datasheet d'optocoupleur. On y trouve aussi l'allure du CTR en fonction du courant dans la LED. Il s'agit d'une courbe corrective, où la valeur nominale est atteinte pour un courant dans la LED de 5mA. Cela rejoint le fait que le CTR présente un optimum où il est maximal.

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Evolution du CTR en fonction du courant dans la LED de l'optocoupleur
Durée de vie, LED et phototransistor de l'optocoupleur
La durée de vie et la fiabilité d'un optocoupleur ne sont pas des données accessibles facilement. Elles ne figurent jamais dans la fiche technique des optocoupleurs, contrairement aux condensateurs chimiques par exemple. De là, peut-on affirmer qu'un optocoupleur soit éternel, ou du moins que sa durée de vie s'étendre à des millénaires ? A des siècles ?
Certains facteurs dégradent fortement la durée de vie d'un optocoupleur. Pour prolonger sa durée de vie et espérer que celle ci couvre des décennies (pas besoin de faire plus que la durée de vie du produit !), il faut :
- alimenter la LED de l'optocoupleur avec un courant faible
- éviter une tension trop élevée entre LED et phototransistor
- éviter les environnements trop chauds (la température, c'est l'ennemi)
On a donc tout intérêt à dimensionner le circuit pour limiter au maximum le courant dans la LED. Plus on peut se contenter d'un faible courant au collecteur, mieux c'est.
On a aussi intérêt à dimensionner le circuit avec une bonne marge sur le CTR. En effet, le CTR de l'optocoupleur diminuera progressivement au cours de sa vie et on souhaite que le circuit fonctionne toujours avec un CTR réduit par rapport à sa valeur initiale. Une marge d'un facteur 2 est suffisante.
Tension d'isolation de l'optocoupleur
Certaines applications nécessitent une isolation entre une partie basse tension qu'on manipule (carte Arduino, etc) et le secteur. Dans ce cas, il faut faire spécialement attention au choix de l'optocoupleur qui doit présenter une isolation renforcée (reinforced insulation). L'optocoupleur doit présenter au moins ces caractéristiques :
VIORM (maximum repetitive peak voltage input-output) : 800V
Le VIORM est la tension crête que peut supporter l'optocoupleur sur le long terme. Si on souhaite isoler du 230V, la tension crête atteint 325V.
Les optocoupleurs sont aussi testés en isolation pendant 1 minute. La tension appliquée par le fabricant pour le test est de 5000 Volts efficaces ou 5300 Volts efficaces pendant une minute :
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tension d'isolation : cet optocoupleur supporte 5000V pendant 1 minute
Une autre méthode de test consiste à envoyer une impulsion de tension qui peut monter à 8kV sur l'optocoupleur qui doit la supporter sans claquer.

La distance entre les pattes de la LED et les pattes du phototransistor garantissent aussi l'isolation électrique. Il faut 6mm minimum.
Optocoupleur en commutation
Le principe d'un optocoupleur permet d'utiliser la LED et le phototransistor en tout ou rien. Il fonctionne alors en commutation, avec temps de montée, temps de descente, temps de stockage, etc.
L'optocoupleur ne doit pas saturer pour être le plus rapide possible. S'il sature, l'ouverture du phototransistor se fera avec un retard supplémentaire, l'optocoupleur est alors moins rapide. Voici un exemple de caractéristiques d'un optocoupleur en commutation :
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Caractéristiques d'un optocoupleur en commutation
L'optocoupleur est le plus lent à l'ouverture (turn off time et fall time). Ceci est dû à l'évacuation des charges résiduelles qui commandent le phototransistor. Les durées de quelques microsecondes sont typiques des optocoupleurs standard.
Il existe des optocoupleurs plus rapides mais plus chers pour transmettre des données numériques de façon isolée, jusqu'à plusieurs MBits/seconde.
Caractéristiques électriques de la LED
La partie LED infrarouge se comporte comme une LED infrarouge classique, avec une tension de seuil, un courant maximum, une tension inverse maximum. L'ordre de grandeur est un courant maximum dans la LED de 50mA (mais 0.1 à 1mA peuvent suffire pour le montage)
Caractéristiques électriques du phototransistor
Le phototransistor de l'optocoupleur possède lui aussi ses caractéristiques : Vce max, Ic max, Ptot, etc. En revanche, son courant collecteur est égal à son courant d'émetteur : il n'y a pas de courant de base ! La base, c'est la lumière infrarouge...
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Caractéristiques de la LED et du phototransistor de l'optocoupleur : des valeurs habituelles
Ici, il s'agit d'un optocoupleur TCLT100 de Vishay.
Exemples d'optocoupleurs classiques et standard
Pour vos montages : 4N35, PC817, TCLT100, SFH6156, etc
Applications des optocoupleurs
Les optocoupleurs se rencontrent dans des domaines variés :
- alimentations à découpage (régulation de la tension de sortie)
- données numériques isolées
- pilotage de charges secteur à partir d'un circuit accessible basse tension
Conclusion
Les optocoupleurs sont des composants prévus pour isoler des signaux électriques et peuvent être utilisés en commutation. L'isolation électrique assure la sécurité si une partie de l'optocoupleur est reliée au secteur. Plus le courant dans la LED est élevé, plus le courant dans le collecteur est élevé aussi, le rapport des deux étant le CTR.


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