Les Optocoupleurs
Photocoupleurs – Isolation galvanique par transmission optique
Transfert de signal sans connexion électrique
Qu’est-ce qu’un optocoupleur ?
Un optocoupleur (ou photocoupleur) est un composant qui transfère un signal électrique
entre deux circuits en utilisant la lumière, sans connexion électrique directe. Il combine
une LED émettrice et un photodétecteur dans un même boîtier. Cette isolation galvanique
protège les circuits sensibles des surtensions et des boucles de masse.
En radioamateur, les optocoupleurs servent à isoler les interfaces entre PC et radio (modes numériques FT8, PSK31), protéger les circuits de commande PTT, et séparer les équipements audio pour éliminer les ronflements secteur. Ils permettent aussi de commander des alimentations ou des relais depuis des circuits logiques basse tension.
Principe de fonctionnement
- Émetteur : LED infrarouge (généralement 940 nm) qui convertit le signal électrique en lumière
- Gap optique : Espace transparent isolant qui transmet la lumière
- Récepteur : Phototransistor, photodiode ou photo-triac qui reconvertit la lumière en signal électrique
- Boîtier : Opaque à la lumière externe, transparent intérieurement
La LED infrarouge émet une lumière invisible à l’œil nu lorsqu’elle est alimentée. Cette lumière traverse le gap optique et excite le photodétecteur qui produit un courant proportionnel à l’intensité lumineuse reçue. Aucun électron ne traverse physiquement entre l’entrée et la sortie : l’isolation est totale.
Côté entrée (LED) :
• Broche 1 : Anode (A) – Connecter via résistance série à +V
• Broche 2 : Cathode (K) – Connecter à la masse ou signal
Côté sortie (phototransistor) :
• Broche 4 : Collecteur (C) – Vers +V de sortie
• Broche 5 : Émetteur (E) – Vers masse de sortie
• Broche 6 : Base (B) – Optionnelle, souvent NC
Mémo : Les broches 3 et NC ne sont pas connectées en DIP-6.
La LED interne DOIT toujours être alimentée via une résistance série limitant le courant (typiquement 10-20 mA). Sans cette résistance, la LED sera détruite instantanément. Calcul : R = (Valim – VLED) / ILED
Types d’optocoupleurs
• Tension d’isolation : 2500-5000 V
• VCE(sat) : 0,2-0,4 V
• IF (LED) : 10-60 mA max
• Temps de montée : 5-50 µs
• Temps de descente : 5-80 µs
- Très répandu et bon marché
- Gain de courant élevé (CTR > 100%)
- Bonne isolation électrique
- Simple à mettre en œuvre
- Vitesse modérée (max 100 kHz)
- Linéarité limitée
- Sensible à la température
• Temps de propagation : 10-100 ns
• Sortie : TTL/CMOS compatible
• Tension d’isolation : 2500-5000 V
• Gigue (jitter) : Très faible
• Alimentation sortie : 4,5-5,5 V
Ces optocoupleurs intègrent une photodiode PIN rapide suivie d’un amplificateur et d’un étage de sortie. Ils peuvent transmettre des signaux jusqu’à 25 Mbps avec une très faible distorsion, idéal pour les communications numériques rapides.
• Courant sortie : 100 mA (direct)
• Détection zéro : Oui (MOC3041, MOC3043)
• IF (LED) : 5-15 mA typique
• dV/dt : 1000 V/µs min
• Isolation : 5000-7500 V
• Commande de charges AC : Lampes, moteurs, chauffages
• Variateurs de puissance : Gradateurs de lumière
• Contrôle secteur isolé : SSR (relais statiques)
• Commande d’électrovannes : 230V AC
• Interfaces basse tension/secteur
Ces optocoupleurs commandent des charges secteur. Utilisez TOUJOURS un snubber RC (39Ω + 10nF/630V) en parallèle sur le triac de puissance. Respectez les distances d’isolement et les normes de sécurité. Ne pas toucher les circuits sous tension !
Deux photodiodes : une pour la rétroaction (contrôle LED) et une pour la sortie. Permet un transfert linéaire précis du signal.
• Linéarité : 0,05-0,5% typique
• Bande passante : 50-350 kHz
• K1/K2 matching : ±5%
• Gain stable : ±0,5% sur température
• Distorsion : < 0,01% THD
• Isolation audio : Liaisons symétriques, élimination boucles de masse
• Mesure isolée : Capteurs de courant/tension
• Boucles de régulation : Alimentations isolées
• Amplificateurs isolés : Acquisition de données
• Transmission analogique : 4-20 mA isolé
Contrairement aux optocoupleurs standard qui ont une réponse non-linéaire, les optocoupleurs linéaires utilisent une architecture à double photodiode avec rétroaction pour maintenir une relation linéaire précise entre entrée et sortie. Parfait pour l’isolation audio en radio.
Applications en radioamateur
Avantages :
- Protection du port USB/série contre les surtensions RF
- Élimination des boucles de masse (ronflements 50Hz)
- Isolation entre PC et radio (2500V)
- Compatible FT8, PSK31, RTTY, CW via PC
Utilisez un 4N25 ou 4N35. Côté PC : R = 470Ω-1kΩ entre RTS et LED, cathode à la masse. Côté radio : collecteur au PTT, émetteur à la masse radio. Ajoutez éventuellement une résistance de pull-up 10kΩ côté collecteur si la radio ne fournit pas de tension PTT.
1. Transformateur audio (méthode passive) :
• Isolation par couplage magnétique
• Pas d’alimentation nécessaire
• Bande passante : 300 Hz – 3 kHz (suffisant pour SSB/modes numériques)
• Rapport 1:1 ou ajustable selon niveaux
• Exemples : FT-50-43, transformateurs ligne Triad, Lundahl
2. Optocoupleur linéaire (méthode active) :
• IL300, H11F1 avec rétroaction
• Linéarité < 0,1% THD
• Bande passante : 50 kHz typique
• Nécessite alimentation ±12V isolée
• Gain ajustable par rétroaction
L’isolation audio élimine les boucles de masse qui créent un ronflement 50Hz audible. En radio, cela se traduit par une modulation parasite à 50Hz en SSB ou des artéfacts dans les modes numériques. Le transformateur audio est la solution la plus simple et la plus fiable pour les applications radioamateur.
- Protection de la logique de commande (Arduino, Raspberry Pi)
- Isolation contre les retours RF du côté antenne
- Permet d’utiliser une alimentation séparée pour le relais (12V)
- Commutation sûre de relais coaxiaux haute puissance
Toute bobine de relais DOIT avoir une diode de roue libre (1N4007 ou équivalent) en parallèle, cathode vers +V. Sans cette diode, la surtension générée à l’ouverture détruira le transistor de commande. C’est une règle absolue !
Caractéristiques et paramètres clés
| Paramètre | Symbole | Description | Valeurs typiques |
|---|---|---|---|
| Rapport de transfert | CTR | Rapport IC/IF × 100% Gain en courant de l’optocoupleur |
20-600% (100% = IC = IF) |
| Tension d’isolation | VISO | Tension max entre entrée et sortie Rigidité diélectrique |
2500-7500 V RMS 1 minute |
| Courant LED direct | IF | Courant traversant la LED Détermine la luminosité |
10-60 mA Typique: 10-20 mA |
| Tension LED directe | VF | Chute de tension aux bornes de la LED | 1,2-1,5 V (LED infrarouge) |
| VCE saturation | VCE(sat) | Tension collecteur-émetteur à saturation Transistor passant |
0,2-0,5 V @ IC nominal |
| Temps de montée | tr | Temps 10%-90% à l’enclenchement | 3-50 µs (standard) 10-100 ns (haute vitesse) |
| Temps de descente | tf | Temps 90%-10% au déclenchement | 5-80 µs (standard) 10-100 ns (haute vitesse) |
| Bande passante | BW | Fréquence max de modulation | 10-100 kHz (standard) 1-25 MHz (haute vitesse) |
| Capacité d’isolation | CISO | Capacité parasite entrée-sortie Affecte le rejet de mode commun |
0,5-2 pF Plus faible = meilleur |
Formule : R = (Valim – VF) / IF
Exemple : Alimenter un 4N25 depuis un port 5V avec IF = 15 mA
R = (5V – 1,3V) / 0,015A = 3,7V / 0,015A = 247 Ω
→ Valeur normalisée : 270 Ω (E12) ou 220 Ω
Conclusion
Les optocoupleurs sont des composants pratiques pour isoler les circuits en radioamateur.
Ils protègent les équipements sensibles (PC, microcontrôleurs) des surtensions RF et
éliminent les boucles de masse qui créent des ronflements. Vous les utiliserez
principalement pour les interfaces PTT, les commandes de relais, et parfois pour
l’isolation audio.
Choisissez le type selon l’application : optocoupleur standard (4N25/35) pour la commande
PTT et les relais, haute vitesse (6N137) pour les liaisons série rapides, ou photo-triac
(MOC30xx) pour piloter des charges secteur. Pensez toujours à la résistance série pour
la LED et à la diode de roue libre sur les bobines de relais.
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