Le couple « émetteur optique - récepteur optique » est utilisé depuis longtemps en électronique et électrotechnique. Un composant électronique dans lequel le récepteur et l'émetteur sont situés dans le même boîtier et il existe une liaison optique entre eux est appelé optocoupleur ou optocoupleur.
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Dispositif optocoupleur
L'optocoupleur se compose d'un émetteur optique (émetteur), d'un canal optique et d'un récepteur de signal optique. Le phototransmetteur convertit le signal électrique en un signal optique. L'émetteur est dans la plupart des cas une LED (les modèles précédents utilisaient des ampoules à incandescence ou au néon). L'utilisation de LED est sans principes, mais elles sont plus durables et fiables.
Le signal optique est transmis par un canal optique au récepteur. Le canal est fermé - lorsque la lumière émise par l'émetteur ne dépasse pas le corps de l'optocoupleur. Ensuite, le signal généré par le récepteur est synchronisé avec le signal à l'entrée de l'émetteur.Ces canaux sont aériens ou remplis d'un composé optique spécial. Il existe aussi des optocoupleurs "longs", dont le canal est fibre optique.
Si l'optocoupleur est conçu de manière à ce que le rayonnement généré, avant d'atteindre le récepteur, quitte le boîtier, un tel canal est dit ouvert. Avec lui, vous pouvez enregistrer les obstacles qui se présentent sur le trajet du faisceau lumineux.
Le photodétecteur effectue la conversion inverse du signal optique en un signal électrique. Les récepteurs les plus couramment utilisés sont :
- Photodiodes. Généralement utilisé dans les lignes de communication numériques. Leur descendance est petite.
- Photorésistances. Leur caractéristique est la conductivité bidirectionnelle du récepteur. Le courant traversant la résistance peut aller dans les deux sens.
- Phototransistors. Une caractéristique de ces dispositifs est la capacité de contrôler le courant du transistor à la fois via un optotransmetteur et via le circuit de sortie. Utilisé en modes linéaire et numérique. Un type distinct d'optocoupleurs - avec des transistors à effet de champ parallèles opposés. De tels appareils sont appelés relais statiques.
- Photothyristors. De tels optocoupleurs se distinguent par une puissance accrue des circuits de sortie et leur vitesse de commutation ; ces dispositifs sont commodément utilisés pour contrôler des éléments de l'électronique de puissance. Ces appareils sont également classés comme relais à semi-conducteurs.
Les microcircuits optocoupleurs se sont répandus - assemblages d'optocoupleurs avec cerclage dans un seul boîtier. De tels optocoupleurs sont utilisés comme dispositifs de commutation et à d'autres fins.
Avantages et inconvénients
Le premier avantage constaté dans les instruments optiques est l'absence de pièces mécaniques.Cela signifie que pendant le fonctionnement, il n'y a pas de frottement, d'usure, d'étincelles de contacts, comme dans les relais électromécaniques. Contrairement à d'autres dispositifs d'isolation galvanique de signaux (transformateurs, etc.), les optocoupleurs peuvent fonctionner à de très basses fréquences, y compris en courant continu.
De plus, l'avantage de l'isolation optique est le très faible couplage capacitif et inductif entre l'entrée et la sortie. De ce fait, la probabilité de transmission d'impulsions et d'interférences haute fréquence est réduite. L'absence de liaison mécanique et électrique entre l'entrée et la sortie offre la possibilité d'une variété de solutions techniques pour la réalisation de circuits de commande et de commutation sans contact.
Malgré la limitation des conceptions réelles en termes de tension et de courant pour l'entrée et la sortie, il n'y a en théorie aucun obstacle fondamental à l'augmentation de ces caractéristiques. Cela vous permet de créer des optocoupleurs pour presque toutes les tâches.
Les inconvénients des optocoupleurs incluent la transmission de signal unidirectionnelle - il est impossible de transmettre un signal optique du photodétecteur vers l'émetteur. Cela rend difficile l'organisation de la rétroaction en fonction de la réponse du circuit de réception au signal de l'émetteur.
La réaction de la partie réceptrice peut être influencée non seulement en modifiant le rayonnement de l'émetteur, mais également en influençant l'état du canal (l'apparition d'objets tiers, la modification des propriétés optiques du support du canal, etc.). Un tel impact peut également être de nature non électrique. Cela élargit les possibilités d'utilisation des optocoupleurs. Et l'insensibilité aux champs électromagnétiques externes vous permet de créer des canaux de transmission de données à haute immunité au bruit.
Le principal inconvénient des optocoupleurs est le faible rendement énergétique associé aux pertes de signal lors de la double conversion du signal. Un autre inconvénient est le niveau de bruit intrinsèque élevé. Cela réduit la sensibilité des optocoupleurs et limite la portée de leur application lorsqu'il est nécessaire de travailler avec des 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. De plus, les inconvénients des optocoupleurs comprennent une dégradation notable des éléments pendant le fonctionnement et un certain manque de technologie en production associé à l'utilisation de divers matériaux semi-conducteurs dans un même boîtier.
Caractéristiques des optocoupleurs
Les paramètres de l'optocoupleur se répartissent en deux catégories :
- caractériser les propriétés du dispositif pour transmettre un signal ;
- caractérisant le découplage entre entrée et sortie.
La première catégorie est le coefficient de transfert courant. Cela dépend de l'émissivité de la LED, de la sensibilité du récepteur et des propriétés du canal optique. Ce coefficient est égal au rapport du courant de sortie au courant d'entrée et pour la plupart des types d'optocoupleurs est de 0,005 ... 0,2. Pour les éléments à transistors, le coefficient de transfert peut atteindre 1.
Si nous considérons l'optocoupleur comme un quadripolaire, sa caractéristique d'entrée est entièrement déterminée par le CVC de l'opto-émetteur (LED) et la sortie - par la caractéristique du récepteur. La caractéristique de passage est généralement non linéaire, mais certains types d'optocoupleurs ont des sections linéaires. Ainsi, une partie du CVC de l'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 de la résistance à l'obscurité (avec un courant d'entrée égal à zéro) à la résistance à la lumière. Pour les optocoupleurs à thyristors, une caractéristique importante est le courant de maintien minimum à l'état ouvert. Les paramètres significatifs de l'optocoupleur incluent également la fréquence de fonctionnement la plus élevée.
La qualité de l'isolation galvanique se caractérise par :
- la tension maximale appliquée à l'entrée et à la sortie ;
- tension maximale entre l'entrée et la sortie ;
- résistance d'isolement entre l'entrée et la sortie ;
- capacité de passage.
Le dernier paramètre caractérise la capacité d'un signal électrique haute fréquence à fuir de l'entrée vers la sortie, en contournant le canal optique, à travers la capacité entre les électrodes.
Il existe des paramètres qui vous permettent de déterminer les capacités du circuit d'entrée :
- la tension la plus élevée pouvant être appliquée aux bornes d'entrée ;
- le courant maximal que la LED peut supporter ;
- chute de tension aux bornes de la LED au courant nominal ;
- Tension d'entrée inversée - Tension de polarité inversée que la LED peut supporter.
Pour le circuit de sortie, ces caractéristiques seront le courant et la tension de sortie maximum admissibles, ainsi que le courant de fuite à courant d'entrée nul.
Portée des optocoupleurs
Les optocoupleurs à canal fermé sont utilisés lorsque, pour une raison quelconque (sécurité électrique, etc.), un découplage est nécessaire entre la source du signal et le côté réception. Par exemple, dans les boucles de rétroaction alimentations à découpage - le signal est prélevé sur la sortie PSU, envoyé à l'élément rayonnant dont la luminosité dépend du niveau de tension.Un signal dépendant de la tension de sortie est prélevé du récepteur et transmis au contrôleur PWM.
Un fragment d'un circuit d'alimentation d'ordinateur avec deux optocoupleurs est illustré sur la figure. L'optocoupleur supérieur IC2 crée une rétroaction qui stabilise la tension. L'IC3 inférieur fonctionne en mode discret et alimente la puce PWM lorsque la tension de veille est présente.
L'isolation galvanique entre la source et le récepteur est également requise par certaines interfaces électriques standard.
Les appareils à canal ouvert sont utilisés pour créer des capteurs permettant de détecter d'éventuels objets (présence de papier dans l'imprimante), des fins de course, des compteurs (objets sur le convoyeur, nombre de dents d'engrenage dans les manipulateurs de souris), etc.
Les relais à semi-conducteurs sont utilisés au même endroit que les relais conventionnels - pour commuter les signaux. Mais leur propagation est gênée par la forte résistance du canal à l'état ouvert. Ils sont également utilisés comme pilotes pour des éléments de l'électronique à semi-conducteurs de puissance (transistors à effet de champ puissants ou IGBT).
L'optocoupleur a été développé il y a plus d'un demi-siècle, mais son utilisation généralisée a commencé après que les LED soient devenues abordables et peu coûteuses. Maintenant, tous les nouveaux modèles d'optocoupleurs sont en cours de développement (pour la plupart, des microcircuits basés sur eux), et leur portée ne fait que s'étendre.
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