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Dernière mise à jour : 21/01/2018

Présentation

Une interface "logique" permet de faire le lien entre deux équipements pour les rendre "compatibles entre eux". Par exemple, la sortie d'une porte logique CMOS dont le courant maximal ne peut excéder quelques mA, ne peut pas être directement raccordée à une ampoule qui a besoin d'une intensité de courant de 1 A pour s'allumer. Entre ces deux équipements (porte logique CMOS et ampoule) il faut insérer une interface, par exemple un transistor ou un relais. Ce sujet est abordé à la page Interface logique 001. Cette seconde page "Interfaces logique" propose quelques exemples d'interfaçages du même genre, mais cette fois avec une isolation galvanique (électrique) totale entre les deux équipements à raccorder entre eux. L'isolation peut être assurée par un relais ou un optocoupleur.

Pourquoi une isolation galvanique est-elle nécessaire ?

On peut vouloir isoler des équipements pour plusieurs raisons. Mais le plus souvent, c'est pour la sécurité des équipements et/ou de l'utilisateur. Le cas le plus fréquent est la commande par circuit logique (portes logiques ou microcontrôleur) d'un système relié sur le réseau EDF. Dans ce cas de figure, le circuit de commande est alimenté en très basse tension (généralement 5 V ou 3,3 V) et le circuit commandé est alimenté en basse tension (monophasé 230 Vac ou triphasé 400 Vac). Mais point besoin d'aller très haut en tension pour qu'une isolation soit nécessaire. Un circuit commandé en 12 V ou 24 V peut également provoquer des dégâts à un circuit de commande, en cas de mauvaise conception ou évènement imprévu. Si vous regardez de près une alimentation secteur à découpage (chargeur de batterie de téléphone, alimentation ordinateur portable), vous constaterez que la sortie très basse tension (5 V ou 19 V par exemple) est entièrement isolée de l'entrée 230 Vac, par transformateur et optocoupleur. En cas de problème sur la partie "basse tension 230 V", le problème ne se propage pas vers le circuit alimenté en "très basse tension".

Isolation par relais électromécanique

Interfacer deux équipements avec un relais électromécanique est la solution la plus simple qui puisse exister. En effet, ce type de relais ne nécessite aucune source de tension pour fonctionner, en dehors bien sûr de celle qui alimente sa bobine. La sortie du relais, qui se fait via des contacts mécaniques, est directe et assimilable à un interrupteur ou inverseur "sec". On peut trouver des relais miniatures de faible consommation et petite puissance, et des gros relais pour les applications en forte puissance. Mais, car il y a un mais, on ne peut pas toujours utiliser un relais électromécanique, pour les raisons évoquées à la page Relais (souvent à cause de ses dimensions et de son poids, de sa vitesse de réaction, de l'intensité de courant nécessaire à son activation, ou encore du nombre de manoeuvres limitées dans le temps). Voici pour rappel un exemple d'interface à relais :

Cette interface permet d'une part d'amplifier le courant de commande avec le transistor Q1, et d'autre part d'assurer l'isolation entre le circuit de commande et le circuit commandé avec le relais RL1. Dans le cas où plusieurs voies de commande sont requises, on peut utiliser un réseau de transistors (comme le ULN2803 par exemple) au lieu de plusieurs transistors indépendants. Plusieurs exemples d'interfaces à relais sont proposées à la page Relais, je ne vais donc pas m'y attarder davantage ici.

Isolation par optocoupleur

Un optocoupleur présente certains avantages par rapport au relais électromécanique (pas de bruit mécanique, et moins de perturbations électriques lors des commutations) mais il ne peut pas faire tout non plus. Dans l'idéal, on aimerait bien avoir un optocoupleur dont l'entrée de commande se contenterait d'un courant minuscule de 0,1 mA ou 1 mA, et d'une sortie isolée qui pourrait commuter des courants de plusieurs ampères sous des centaines de volts. On sait certes fabriquer des composants qui répondent en partie à ces exigences (relais statique), mais là n'est pas le sujet. Nous allons plutôt nous limiter à des contextes "amateurs" pour lesquels les besoins sont "modestes". Souvent en effet, on a juste besoin d'isoler électriquement deux équipements qui dialoguent entre eux, sans intention de transporter de la puissance. Et comme on peut aussi bien vouloir isoler des entrées que des sorties, nous aborderons les deux cas.

Rappel sur la constitution d'un optocoupleur

Rappelons brièvement qu'un optocoupleur est constitué d'une source "lumineuse" (infrarouge généralement) pour l'entrée, et d'une photodiode ou d'un phototransistor pour la sortie. Entre les deux, il y a du vide ou de l'air, ce qui permet d'obtenir un degré d'isolation élevé.

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Remarque : le dessin qui précède montre un optocoupleur avec sortie de type "transistor ouvert" (collecteur ouvert et émetteur ouvert). Il existe en fait plusieurs types de sorties : sortie de type "collecteur/émetteur ouvert" (par exemple 4N25), sortie de type "collecteur ouvert" (par exemple SFH6705) ou encore sortie de type "totem-pole" (par exemple SFH6701).

La source lumineuse, qui s'apparente à une LED, réclame plusieurs mA (3 mA, 10 mA ou 20 mA par exemple) pour émettre un flux lumineux suffisant et fonctionnel. Ce courant requis pour cette "LED" peut être fourni par une porte logique TTL ou une ligne de microcontrôleur configurée en sortie "TTL" ou "Drain ouvert". Une commande venant d'une sortie CMOS peut nécessiter l'ajout d'un transistor "tampon" (monté en amplificateur de courant). Du côté de la sortie de l'optocoupleur, seule une sortie de type "totem-pole" ne nécessite pas de résistance de charge. Les sorties de type "collecteur ouvert" en nécessitent toujours une (valeur généralement comprise entre 1 kO et 10 kO).

Différents types d'optocoupleurs...

J'ai très souvent eu l'occasion de travailler avec des optocoupleurs logiques (prévus pour travailler avec des signaux tout ou rien) pour des systèmes de télécommande, télésurveillance ou alarmes, mais aussi pour des applications musicales (MIDI). C'est ainsi que dans mes mains sont passés de nombreux 4N25, MCT2, 6N137, CNY17, PC817 ou autres PC900. Tous les optocoupleurs ne se ressemblent pas, mais pour des application "lentes" (transfert d'informations à fréquence basse) beaucoup d'entre eux font l'affaire. Là où ça se corse, c'est quand on veut faire fonctionner l'optocoupleur avec des signaux de fréquence élevée : l'étage de sortie doit suivre. Mais n'allons pas plus vite que la musique, et restons-en pour l'instant aux commande simple de type On/Off - les moins critiques.

Interface d'entrée avec transistor d'optocoupleur monté en émetteur commun

Dans ce type de montage où l'on souhaite juste savoir s'il y a ou non un signal de commande à l'entrée de l'optocoupleur, on demande au transistor de sortie d'agir en tant qu'interrupteur, comme on le ferait avec un transistor "discret". Le point marqué "sortie" doit être relié sur l'entrée d'un circuit logique.

Le transistor de sortie conduit (se sature) quand l'entrée est active et donc quand le signal de commande est présent. En absence de signal de commande, le transistor de sortie ne conduit pas (il est bloqué). Cela se traduit au point marqué "sortie", d'un état logique haut en absence de signal de commande, et d'un état logique bas en présence de commande. La fonction de transfert peut donc être assimilée à un inverseur logique. La valeur de R1 est conditionnée par la tension arrivant sur l'optocoupleur (signal de commande) mais aussi par le courant requis par la source lumineuse de l'optocoupleur (pour un fonctionnement correct de ce dernier). La valeur de R2 est conditionnée par le courant max qui doit circuler dans la jonction émetteur-collecteur du transistor, quand ce dernier est passant (signal de commande présent). Application pratique : l'entrée MIDI des instruments de musique électroniques, avec sa diode inverse en entrée (protection contre inversion de polarité) :

Deux exemples d'interfaces d'entrées isolées par optocoupleur pour applications MIDI

Dans le montage suivant, on pourrait penser que la sortie est celle d'une traditionnelle porte logique (sortie totem-pole) :

Il n'en est rien, nous avons affaire à un transistor de type N-MOS à drain ouvert. Ce qui démontre une fois de plus que vous devez lire les documents techniques des fabricants pour ne pas sombrer corps et âme dans les lymbes transitoires, avec d'horribles maux de tête. La broche 7 du 6N137 est une broche de validation, qui quand elle est à l'état bas, bloque la sortie de l'optocoupleur dans un état logique "haut" (transistor de sortie toujours bloqué). Cette broche 7 de validation doit être laissée en l'air, ou mieux être raccordée au +Valim si on veut que l'optocoupleur remplisse pleinement sa fonction.

Interface d'entrée avec transistor d'optocoupleur monté en collecteur commun

Dans ce montage, le transistor de sortie de l'optocoupleur est cette fois câblé en collecteur commun (montage "suiveur"). Là encore, le point marqué "sortie" doit être relié sur l'entrée d'un circuit logique.

Interface de sortie "information"

Un optocoupleur peut s'ouvrir au monde du côté de son entrée, comme on l'a vu avant. Il peut aussi s'ouvrir au monde côté sortie, comme le montre le schéma suivant, destiné à fournir des informations de type "télésurveillance / état machine" (pas de commutation de puissance).

Dans la partie supérieure, l'optocoupleur U1 est activé avec une commande à l'état haut. Dans la partie inférieure, l'optocoupleur U2 est activé avec une commande à l'état bas. Dans les deux cas, les sorties emetteur et collecteur de l'optocoupleur sont mises à disposition libre, ce qui permet par la suite de les utiliser en mode "émetteur commun" ou "collecteur commun".
Remarque : pour cette interface de sortie, on ne peut pas appliquer n'importe quelle tension en sortie de l'optocoupleur. La tension maximale peut être de quelques dizaines de volts (30 V par exemple pour le 4N25) ou de seulement 5 V, point dont il faut impérativement s'assurer.

Interface de sortie "puissance"

Dans l'exemple précédent, le but de la manoeuvre était de transmettre une information de type tout ou rien, à titre "informatif" (signalisation). Quand on veut commander des circuits de puissance tels que LED de puissance ou moteurs, rien de tel que de bons gros transistors bipolaires ou MOSFET - ce ne sont pas les notes d'application et les schémas qui manquent. Mais qu'en est-il quand on veut à la fois une interface de puissance et une isolation totale ? L'emploi d'un relais revient tout de suite à l'esprit, car il est simple à mettre en oeuvre. Mais comment faire si on n'aime pas les relais ? Je veux dire, si les relais ne répondent pas à nos attentes ? On peut dans ce cas associer un optocoupleur (pour l'isolation) et un transistor de puissance (pour la puissance). Exemple :

L'optocoupleur PC817 de Sharp est un classique du genre. Il supporte une tension émetteur-collecteur Vce de 70 V (35 V seulement pour ceux fabriqués avant 2002). Il est assez souvent utilisé dans les circuits d'interface alliés à des systèmes à microprocesseur ou microcontrôleur. Ici, l'optocoupleur est utilisé à la mode "collecteur commun". Son transistor de sortie est soumis à une tension d'alimentation de 12 V (cette dernière pourrait être de 24 V), tension qui sert également à alimenter deux LED de puissance câblées en série, à travers un transistor MOSFET IRLZ44.

Quand la LED de l'optocoupleur ne reçoit pas de tension de commande, le transistor de l'optocoupleur est bloqué. De ce fait, la grille du transistor MOSFET IRLZ44 est soumise à une tension basse grâce à la présence de R2, et il est également bloqué. Les LED ne s'allument pas.
En présence d'une tension de commande sur la LED de l'optocoupleur, son transistor de sortie est saturé. La grille du transistor MOSFET IRLZ44 reçoit donc une tension positive et suffisante grâce à la présence de R1. Les LED s'allument.

Remarque : R1 et R2 forment un pont diviseur de tension limitant la tension appliquée à la grille du MOSFET. Le rapport de valeur R2/R1 peut changer en fonction de la tension maximale que vous pouvez appliquer sur la grille du MOSFET, par rapport à sa broche Source. Tension qui évidement dépend de la tension utilisée pour la partie puissance (ici 12 V).