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Dernière mise à jour : 31/03/2013Présentation
On a parfois besoin d'isoler d'un point de vue électrique, deux équipements électroniques entre lesquels sont véhiculées des données analogiques ou numériques (basses ou hautes fréquences) et même pourquoi pas une tension continue. La plupart du temps, une liaison de masse sert de référence aux équipements interconnectés. Comment se débarrasser de ce point commun ? Transformateurs et coupleurs optiques, voici un petit survol de méthodes classiques qui permettent d'assurer une isolation efficace entre eux...Commande de circuits branchés sur le secteur 230 V
Certains circuits alimentés par le secteur sont pilotés par une électronique de commande qui travaille en basse tension. Cette électronique de commande peut être en relation directe avec le secteur, ou en être totalement isolée. Dans le premier cas, on dispose d'un circuit qui revient moins cher à fabriquer, mais qui peut s'avérer plus "dangereux" en cas de panne ou de fausse manipulation (doigt au mauvais endroit alors que le circuit est sous tension, quelle idée). Pour limiter le risque de mauvaise surprise, on peut utiliser un relais électromécanique, un petit transformateur d'impulsion ou un optocoupleur (optotriac par exemple). Dans une alimentation à découpage par exemple, on emploie très souvent un optocoupleur pour isoler la sortie principale de la partie commande, et/ou un transformateur pour la ou les diverses tensions de sortie.Exemple avec relais électromécanique
Ce type de composant possède une bobine fixe qui quand elle est parcourue par un courant électrique, provoque le déplacement de pièces mobiles qui sont mécaniquement reliées à des contacts électriques.
Entre la bobine et les contacts d'utilisation, un isolant qui est l'air. Un relais peut être commandé par un circuit électronique quelconque, du moment que ce dernier est capable de fournir le courant nécessaire (la bobine doit créer un champ magnétique suffisant pour déplacer les parties mobiles). Parfois, on a besoin d'ajouter un composant de commande supplémentaire pour faire l'adaptation entre le faible courant disponible en sortie d'un circuit électronique et le relais. Bien souvent un transistor est suffisant.
Exemple avec transfo d'impulsion
La commande d'un circuit alimenté sous 230 V peut aussi se faire au moyen d'un composant purement électronique, sans partie mécanique. Un thyristor ou un triac, par exemple. Mais comme un tel composant ne présente en lui-même aucune isolation, on doit le commander par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement ou d'un optotriac. Le schéma suivant montre un tel circuit qui met en oeuvre un triac avec un petit transformateur d'impulsion.
L'exemple suivant fait aussi appel à un triac mais cette fois isolé de la commande grâce à un optotriac.
Un relais statique, qu'on peut assimiler à un optocoupleur associé à un triac réunis dans un seul et même boîtier, peut également être utilisé.
Adaptation de niveaux... avec ou sans isolation
Une adaptation de niveau peut s'effectuer dans un circuit sans qu'on parle pour autant d'isolation. C'est le cas par exemple d'un (pré)amplificateur qui augmente l'amplitude d'un signal électrique pour l'amener à une valeur facile à utiliser. On peut aussi parler d'adaptation de niveau pour une alimentation secteur, où l'objectif est de réduire la tension de 230 V à une valeur raisonable qui ne fait pas frémir les composants électroniques jusqu'au point de non-retour. Dans un autre registre, il peut être intéressant d'isoler de façon sérieuse un circuit "fragile" auquel on envoie des informations qui proviennent de circuits éloignés et/ou qui travaillent avec des tensions plus élevées. Dans le domaine industriel par exemple, il n'est pas rare de trouver des appareils alimentés en 24 V, voire parfois en 28 V ou 48 V (automates ou appareils de surveillance, par exemple). Si on veut relier ce genre d'appareil à un système qui fonctionne sous une tension plus réduite (par exemple un circuit à base de microcontrôleur alimenté sous une tension de 5 V), on doit obligatoirement prendre des précautions pour que ces tensions "élevées" ne détruisent pas le circuit "sous-alimenté". Pour ce faire la solution est assez simple, une diode zener de 4,7 V ou 5,1 V et une résistance de limitation de courant suffisent en général. Eventuellement, un réseau RC de filtrage peut être ajouté pour limiter le risque d'être embêté par des parasites HF (la valeur des composants RC de filtrage doit être choisie en fonction de la fréquence max du signal utile à faire transiter).
Quand la source (circuit émetteur) délivre une tension de 0 V, le circuit récepteur ne récolte rien et voit un état logique bas (0). Quand la source délivre une tension de 24 V, le récepteur ne voit qu'une tension rabotée à 4,7 V ou 5,1 V (selon diode zener employée) ce qui correspond à un état logique haut (1) pour un circuit alimenté en 5 V. La résistance ne sert qu'à limiter le courant qui circule dans la diode zener et dans l'entrée du circuit récepteur, sa valeur dépend donc des limites qu'on se fixe.
R = [U(émetteur) - U(zener)] / Imax
Pour Imax = 5 mA et zener de 4,7 V (on néglige le courant de sortie), on aurait :
R = (24 - 4,7) / 0,005 = 3860 ohms (valeur normalisée la plus proche = 3,9 kO)
Cette façon de faire est suffisante pour ne pas griller le circuit récepteur, mais pour plus de sécurité, on peut préférer isoler complètement les différents appareils en ajoutant des coupleurs optiques (optocoupleurs par exemple). Après tout, c'est le sujet du jour. Le schéma qui suit montre un exemple d'adaptation qui permet au même système alimenté sous 5 V, de recevoir des informations qui proviennent d'un appareil qui travaille sous 24 V.
Dans le schéma du haut, le transistor de l'optocoupleur est monté en émetteur commun avec une résistance de charge sur le collecteur. La "polarité" de l'état logique de la sortie est inversée par rapport à celui de l'entrée. Dans le schéma du bas, le transistor de l'optocoupleur est monté en suiveur de tension, et à un état logique haut d'entrée correspond un état logique haut en sortie. A noter que dans le premier cas la tension attendue de +5 V est un peu inférieure (par exemple 4,7 V à 4,9 V), alors que dans le second cas la tension de +5 V attendue est plutôt voisine de +4,5 V. Dans tous les cas ça ne pose pas de problème, cette tension légèrement atténuée est bien prise en compte comme un état logique haut par le circuit logique qui fait suite. La masse M1 est séparée de la masse M2, et une cellule de filtrage peut là aussi être ajoutée, d'autant que certains optocoupleurs n'ont aucun scrupule à réagir aux signaux HF...
Signaux audio, vidéo ou... autres
L'isolation entre des équipements qui travaillent avec des signaux audio, vidéo ou informatiques peut être assurée par des optocoupleurs ou par des transformateurs. Ces derniers doivent être choisis en fonction de la bande passante et de l'amplitude maximale des signaux à faire passer.Transformateurs audio
Pour l'audio analogique, les transformateurs sont de taille assez conséquente quand on veut en même temps qu'ils supportent une large bande passante (surtout dans le bas du spectre) et une amplitude élevée.
Notons l'existence de transformateurs dits "hybride téléphone" qui permettent d'assurer une conversion 2 fils / 4 fils avec une isolation totale entre ligne téléphonique et circuit d'utilisation (insert tel pour console radio par exemple).
Pour l'audio numérique (AES ou SPDIF coaxial), les transformateurs sont de plus petite taille car ils travaillent avec des signaux d'amplitude modérée et de fréquence plus élevée.
Transformateurs vidéo
La conception de transformateurs dont la bande passante dépasse les 20 kHz requis pour le domaine audio est possible, pour preuve ce transformateur dédié vidéo analogique et montant jusqu'à 11 MHz (à -3 dB, 1 V sinus sur charge 75 ohms).