Le Optocoupleur est un composant électronique pouvant être utilisé dans de nombreuses applications comme interface entre des circuits numériques ou de contrôle basse tension et des dispositifs électroniques de puissance élevée.

Nous savons d’après nos tutoriels sur les transformateurs qu’ils peuvent non seulement fournir une tension diminuée (ou amplifiée), mais qu’ils offrent également une “isolation électrique” entre la tension plus élevée du côté primaire et la tension plus faible du côté secondaire.

En d’autres termes, les transformateurs isolent la tension d’entrée primaire de la tension de sortie secondaire grâce à un couplage électromagnétique, réalisé par le flux magnétique circulant dans leur noyau en fer laminé.

Cependant, nous pouvons également fournir une isolation électrique entre une source d’entrée et une charge de sortie en utilisant simplement la lumière grâce à un composant électronique très commun et précieux appelé un Optocoupleur.

La conception de base d’un optocoupleur, également connu sous le nom d’opt-isolateur, consiste en une LED qui produit de la lumière infrarouge et un dispositif photo-sensible à semi-conducteur qui est utilisé pour détecter le faisceau infrarouge émis. La LED et le dispositif photo-sensible sont tous deux enfermés dans un boîtier ou un package hermétique à la lumière, avec des pattes métalliques pour les connexions électriques.

Un optocoupleur ou opto-isolateur se compose d’un émetteur de lumière, la LED, et d’un récepteur sensible à la lumière qui peut être une diode photo, un phototransistor, une photorésistance, un photo-SCR ou un photo-TRIAC, le fonctionnement de base de l’optocoupleur étant très simple à comprendre.

Supposons un dispositif phototransistor comme montré. Le courant provenant du signal source passe par la LED d’entrée qui émet une lumière infrarouge dont l’intensité est proportionnelle au signal électrique.

Cette lumière émise tombe sur la base du phototransistor, provoquant sa mise en marche et sa conduction de manière similaire à un transistor bipolaire normal.

La connexion de base du phototransistor peut être laissée ouverte (non connectée) pour une sensibilité maximale à l’énergie lumineuse infrarouge de la LED ou connectée à la terre via une résistance externe de grande valeur appropriée pour contrôler la sensibilité de commutation, rendant le système plus stable et résistant aux déclenchements intempestifs causés par le bruit électrique ou les transitoires de tension.

Lorsque le courant circulant à travers la LED est interrompu, la lumière infrarouge émise est coupée, provoquant l’arrêt de la conduction du phototransistor. Le phototransistor peut être utilisé pour commuter le courant dans le circuit de sortie. La réponse spectrale de la LED et du dispositif photo-sensible est étroitement appariée, étant séparée par un milieu transparent tel que le verre, le plastique ou l’air. Puisqu’il n’y a pas de connexion électrique directe entre l’entrée et la sortie d’un optocoupleur, une isolation électrique pouvant atteindre 10kV est réalisée.

Les optocoupleurs sont disponibles en quatre types généraux, chacun ayant une source LED infrarouge mais avec différents dispositifs photo-sensibles. Les quatre optocoupleurs se nomment : Phototransistor, Photo-darlington, Photo-SCR et Photo-TRIAC comme montré ci-dessous.

Les dispositifs phototransistor et photo-darlington sont principalement utilisés dans des circuits DC, tandis que les photo-SCR et photo-TRIAC permettent de contrôler des circuits alimentés en AC. Il existe de nombreuses autres combinaisons source-capteur, telles que LED-diode photo, LED-LASER, lampes-phtoresistance, ainsi que des optocoupleurs réfléchissants et fendus.

Des optocoupleurs faits maison simples peuvent être construits en utilisant des composants individuels. Une LED et un phototransistor sont insérés dans un tube en plastique rigide ou enfermés dans un tube thermorétractable. L’avantage de cet optocoupleur fait maison est que le tube peut être coupé à la longueur désirée et même plié autour de coins. Évidemment, un tube avec un intérieur réfléchissant serait plus efficace qu’un tube noir.

Les optocoupleurs et opto-isolateurs peuvent être utilisés seuls, ou pour commuter une gamme d’autres dispositifs électroniques plus grands comme des transistors et des TRIAC, fournissant l’isolation électrique requise entre un signal de contrôle de basse tension, par exemple celui d’un Arduino ou d’un micro-contrôleur, et un signal de sortie de tension ou courant alternatif beaucoup plus élevé.

Les applications courantes des optocoupleurs comprennent : le switching d’entrée/sortie de microprocesseurs, le contrôle de l’alimentation DC et AC, les communications PC, l’isolation de signal et la régulation d’alimentation, qui souffrent de boucles de courant à la terre, etc. Le signal électrique transmis peut être soit analogique (linéaire) soit numérique (impulsions).

Dans cette application, l’optocoupleur est utilisé pour détecter le fonctionnement de l’interrupteur ou d’un autre type de signal d’entrée numérique. Ceci est utile si l’interrupteur ou le signal détecté se trouve dans un environnement électroniquement bruyant. La sortie peut être utilisée pour faire fonctionner un circuit externe, une lumière ou comme entrée pour un PC ou un microprocesseur.

Dans cet exemple, la résistance de 270kΩ connectée à l’extérieur est utilisée pour contrôler la sensibilité de la région de base du phototransistor. La valeur de la résistance peut être choisie pour convenir au dispositif optocoupleur sélectionné et à la quantité de sensibilité de commutation requise. Le condensateur stoppe tout pic ou transitoire non désiré qui pourrait déclencher le phototransistor.

Outre la détection de signaux et de données DC, des isolateurs opto-TRIAC sont également disponibles, permettant le contrôle d’équipements alimentés en AC et d’ampoules de courant alternatif. Les TRIAC optocouplés, tels que le MOC 3020, ont une tension nominale d’environ 400 volts, ce qui les rend idéaux pour une connexion directe au réseau et un courant maximum d’environ 100mA. Pour des charges plus puissantes, l’optocoupleur TRIAC peut être utilisé pour fournir l’impulsion de commande à un autre triac plus grand via une résistance de limitation de courant comme montré.

Ce type de configuration d’optocoupleur est à la base d’une application très simple de relais à état solide, qui peut être utilisée pour contrôler toute charge alimentée par le réseau alternatif, comme des lampes et des moteurs. De plus, contrairement à un thyristor (SCR), un TRIAC est capable de conduire lors des deux phases du cycle AC du réseau avec détection de passage à zéro, permettant à la charge de recevoir la pleine puissance sans les courants de démarrage importants lors de la commutation des charges inductives.

Les optocoupleurs et opto-isolateurs sont d’excellents dispositifs électroniques permettant de contrôler des dispositifs comme des transistors de puissance et des TRIAC à partir d’un port de sortie d’un PC, d’un interrupteur numérique ou à partir d’un signal de données de basse tension tel que celui d’une porte logique. Le principal avantage des optocoupleurs est leur haute isolation électrique entre les bornes d’entrée et de sortie, permettant à des signaux numériques relativement petits de contrôler des tensions, des courants et de la puissance AC beaucoup plus importants.

Un optocoupleur peut être utilisé avec des signaux DC et AC, les optocoupleurs utilisant un SCR (thyristor) ou un TRIAC comme dispositif de détection photo étant principalement conçus pour des applications de contrôle de puissance AC. L’avantage principal des photo-SCR et des photo-TRIAC est l’isolation complète de tout bruit ou pic de tension présent sur la ligne d’alimentation AC ainsi que la détection de passage à zéro de la forme d’onde sinusoïdale, ce qui réduit les courants de commutation et d’inrush, protégeant ainsi tous les semi-conducteurs de puissance utilisés contre le stress et le choc thermiques.