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Opto-isolateurs résistifsModifié

Les premiers opto-isolateurs, initialement commercialisés sous le nom de cellules lumineuses, sont apparus dans les années 1960. Ils employaient des ampoules à incandescence miniatures comme sources de lumière, et des photorésistances au sulfure de cadmium (CdS) ou au séléniure de cadmium (CdSe) (également appelées résistances dépendant de la lumière, LDR) comme récepteurs. Dans les applications où la linéarité du contrôle n’était pas importante, ou lorsque le courant disponible était trop faible pour piloter une ampoule à incandescence (comme c’était le cas dans les amplificateurs à tube à vide), on la remplaçait par une lampe au néon. Ces dispositifs (ou simplement leur composant LDR) étaient communément appelés Vactrols, d’après une marque déposée de Vactec, Inc. La marque a depuis été génériquée, mais les Vactrols originaux sont toujours fabriqués par PerkinElmer.

Le délai d’allumage et d’extinction d’une ampoule à incandescence se situe dans la gamme des centaines de millisecondes, ce qui fait de l’ampoule un filtre passe-bas et un redresseur efficaces mais limite la gamme de fréquences de modulation pratique à quelques Hertz. Avec l’introduction des diodes électroluminescentes (DEL) en 1968-1970, les fabricants ont remplacé les lampes à incandescence et au néon par des DEL et ont obtenu des temps de réponse de 5 millisecondes et des fréquences de modulation allant jusqu’à 250 Hz. Le nom Vactrol a été reporté sur les dispositifs à base de LED qui sont, en 2010, encore produits en petites quantités.

Les photocapteurs utilisés dans les opto-isolateurs reposent sur des effets de masse dans un film uniforme de semi-conducteur ; il n’y a pas de jonctions p-n. Les photorésistances sont des dispositifs non polaires, uniques parmi les photocapteurs, qui conviennent aux circuits à courant alternatif ou continu. Leur résistance diminue de façon inversement proportionnelle à l’intensité de la lumière entrante, passant de pratiquement l’infini à un plancher résiduel qui peut être inférieur à une centaine d’ohms. Ces propriétés ont fait du Vactrol original un contrôleur de gain automatique et un compresseur pratique et bon marché pour les réseaux téléphoniques. Les photorésistances supportaient facilement des tensions allant jusqu’à 400 volts, ce qui les rendait idéales pour piloter les écrans fluorescents à vide. Parmi les autres applications industrielles, citons les photocopieurs, l’automatisation industrielle, les instruments professionnels de mesure de la lumière et les posemètres automatiques. La plupart de ces applications sont aujourd’hui obsolètes, mais les opto-isolateurs résistifs ont conservé une niche sur les marchés de l’audio, en particulier les amplificateurs de guitare.

Les fabricants américains de guitares et d’orgues des années 1960 ont adopté l’opto-isolateur résistif comme modulateur de trémolo pratique et bon marché. Les premiers effets de trémolo de Fender utilisaient deux tubes à vide ; après 1964, l’un de ces tubes a été remplacé par un optocoupleur composé d’un LDR et d’une lampe au néon. À ce jour, les Vactrols activés en appuyant sur la pédale de la pédale d’effet sont omniprésents dans l’industrie musicale. La pénurie de Vactrols PerkinElmer authentiques a forcé la communauté des guitaristes bricoleurs à « fabriquer leurs propres » opto-isolateurs résistifs. Jusqu’à présent, les guitaristes préfèrent les effets opto-isolés car leur séparation supérieure des masses audio et de contrôle se traduit par une « qualité de son intrinsèquement élevée ». Cependant, la distorsion introduite par une photorésistance à un signal de niveau ligne est plus élevée que celle d’un amplificateur professionnel à couplage électrique contrôlé en tension. Les performances sont en outre compromises par les lentes fluctuations de la résistance dues à l’histoire de la lumière, un effet de mémoire inhérent aux composés de cadmium. De telles fluctuations prennent des heures à s’installer et ne peuvent être que partiellement compensées par une rétroaction dans le circuit de commande.

Opto-isolateurs à photodiodeEdit

Opto-isolateur à photodiode rapide avec un circuit amplificateur côté sortie.

Les opto-isolateurs à diode emploient des LED comme sources de lumière et des photodiodes en silicium comme capteurs. Lorsque la photodiode est mise en polarisation inverse avec une source de tension externe, la lumière entrante augmente le courant inverse qui traverse la diode. La diode elle-même ne produit pas d’énergie ; elle module le flux d’énergie provenant d’une source externe. Ce mode de fonctionnement est appelé mode photoconducteur. Par ailleurs, en l’absence de polarisation externe, la diode convertit l’énergie de la lumière en énergie électrique en chargeant ses bornes jusqu’à une tension de 0,7 V. Le taux de charge est proportionnel à l’intensité de la lumière. Le taux de charge est proportionnel à l’intensité de la lumière entrante. L’énergie est récupérée en drainant la charge par un chemin externe à haute impédance ; le taux de transfert de courant peut atteindre 0,2%. Ce mode de fonctionnement est appelé mode photovoltaïque.

Les opto-isolateurs les plus rapides emploient des diodes PIN en mode photoconducteur. Les temps de réponse des diodes PIN se situent dans la gamme des subnanosecondes ; la vitesse globale du système est limitée par les retards dans la sortie des LED et dans les circuits de polarisation. Pour minimiser ces délais, les opto-isolateurs numériques rapides contiennent leurs propres pilotes de DEL et amplificateurs de sortie optimisés pour la vitesse. Ces dispositifs sont appelés opto-isolateurs à logique intégrale : leurs DEL et leurs capteurs sont entièrement encapsulés dans un circuit logique numérique. La famille Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601 de dispositifs équipés d’amplificateurs de sortie internes a été introduite à la fin des années 1970 et a atteint des vitesses de transfert de données de 10 MBd. Elle est restée un standard de l’industrie jusqu’à l’introduction de la famille 7723/0723 d’Agilent Technologies (50 MBd) en 2002. Les opto-isolateurs de la série 7723/0723 contiennent des pilotes de DEL CMOS et un amplificateur tampon CMOS, qui nécessitent deux alimentations externes indépendantes de 5 V chacune.

Les opto-isolateurs à photodiode peuvent être utilisés pour interfacer des signaux analogiques, bien que leur non-linéarité déforme invariablement le signal. Une classe spéciale d’opto-isolateurs analogiques introduite par Burr-Brown utilise deux photodiodes et un amplificateur opérationnel côté entrée pour compenser la non-linéarité des diodes. L’une des deux diodes identiques est câblée dans la boucle de rétroaction de l’amplificateur, ce qui maintient le rapport de transfert de courant global à un niveau constant, indépendamment de la non-linéarité de la deuxième diode (de sortie).

Une nouvelle idée d’un isolateur de signal analogique optique particulier a été soumise le 3, juin 2011. La configuration proposée se compose de deux parties différentes. L’une d’elles transfère le signal, et l’autre établit une rétroaction négative pour s’assurer que le signal de sortie a les mêmes caractéristiques que le signal d’entrée. Cet isolateur analogique proposé est linéaire sur une large gamme de tension et de fréquence d’entrée. Cependant, des optocoupleurs linéaires utilisant ce principe sont disponibles depuis de nombreuses années, par exemple le IL300.

Les relais à semi-conducteurs construits autour de commutateurs MOSFET emploient généralement un optocoupleur à photodiode pour piloter le commutateur. La grille d’un MOSFET nécessite une charge totale relativement faible pour s’allumer et son courant de fuite en régime permanent est très faible. Une photodiode en mode photovoltaïque peut générer une charge de mise sous tension en un temps raisonnablement court, mais sa tension de sortie est plusieurs fois inférieure à la tension de seuil du MOSFET. Pour atteindre le seuil requis, les relais à semi-conducteurs contiennent des empilements de jusqu’à trente photodiodes câblées en série.

Opto-isolateurs à phototransistorsEdit

Les phototransistors sont intrinsèquement plus lents que les photodiodes. L’opto-isolateur 4N35 le plus ancien et le plus lent, mais toujours courant, présente par exemple des temps de montée et de descente de 5 μs dans une charge de 100 Ohms et sa bande passante est limitée à environ 10 kilohertz – ce qui est suffisant pour des applications comme l’électroencéphalographie ou la commande de moteur à largeur d’impulsion. Les dispositifs comme le PC-900 ou le 6N138 recommandés dans la spécification originale de l’interface numérique pour instruments de musique de 1983 permettent des vitesses de transfert de données numériques de plusieurs dizaines de kiloBauds. Les phototransistors doivent être correctement polarisés et chargés pour atteindre leurs vitesses maximales, par exemple, le 4N28 fonctionne jusqu’à 50 kHz avec une polarisation optimale et moins de 4 kHz sans elle.

La conception avec des opto-isolateurs à transistors nécessite des allocations généreuses pour les larges fluctuations des paramètres trouvés dans les dispositifs disponibles dans le commerce. Ces fluctuations peuvent être destructives, par exemple, lorsqu’un opto-isolateur dans la boucle de rétroaction d’un convertisseur continu-continu change sa fonction de transfert et provoque des oscillations parasites, ou lorsque des retards inattendus dans les opto-isolateurs provoquent un court-circuit à travers un côté d’un pont en H. Les fiches techniques des fabricants n’indiquent généralement que les valeurs les plus défavorables pour les paramètres critiques ; les dispositifs réels dépassent ces estimations les plus défavorables de manière imprévisible. Bob Pease a observé que le rapport de transfert de courant dans un lot de 4N28 peut varier de 15% à plus de 100% ; la fiche technique ne spécifiait qu’un minimum de 10%. Le bêta des transistors dans le même lot peut varier de 300 à 3000, ce qui entraîne une variance de 10:1 de la bande passante.

Les opto-isolateurs utilisant des transistors à effet de champ (FET) comme capteurs sont rares et, comme les vactrols, peuvent être utilisés comme des potentiomètres analogiques télécommandés, à condition que la tension aux bornes de la sortie du FET ne dépasse pas quelques centaines de mV. Les opto-FET s’allument sans injecter de charge de commutation dans le circuit de sortie, ce qui est particulièrement utile dans les circuits d’échantillonnage et de maintien.

Opto-isolateurs bidirectionnelsEdit

Tous les opto-isolateurs décrits jusqu’à présent sont unidirectionnels. Le canal optique fonctionne toujours dans un sens, de la source (LED) au capteur. Les capteurs, qu’il s’agisse de photorésistances, de photodiodes ou de phototransistors, ne peuvent pas émettre de lumière. Mais les LED, comme toutes les diodes semi-conductrices, sont capables de détecter la lumière entrante, ce qui rend possible la construction d’un opto-isolateur bidirectionnel à partir d’une paire de LED. L’opto-isolateur bidirectionnel le plus simple est simplement une paire de LED placées face à face et maintenues ensemble par une gaine thermorétractable. Si nécessaire, l’espace entre deux LED peut être prolongé avec un insert en fibre de verre.

Les LED à spectre visible ont une efficacité de transfert relativement faible, donc les LED GaAs, GaAs:Si et AlGaAs:Si à spectre proche de l’infrarouge sont le choix préféré pour les dispositifs bidirectionnels. Les opto-isolateurs bidirectionnels construits autour de paires de LED GaAs:Si ont un rapport de transfert de courant d’environ 0,06% en mode photovoltaïque ou photoconducteur – moins que les isolateurs à base de photodiodes, mais suffisamment pratique pour les applications du monde réel.