Optocoupleur : Relevé des caractéristiques de transfert d'entrée et de sortie. Applications.

CAPES de physique appliquée.

1. Généralités

Un optocoupleur ou photocoupleur est un dispositif optoéléctronique qui transmet des informations logiques ou analogiques sous forme de signal électrique via une voie optique qui isole électriquement l'entrée de la sortie.

Une des fonctions principales est d'assurer l'isolement électrique donc de prévenir des perturbations de fonctionnement des équipements et matériels.

2. Description.

Un photocoupleur est constitué par l'assemblage de deux cristaux semi-conducteurs :

l'un en entrée est un émetteur de lumière.
l'autre en sortie est un photorécepteur.

Ces deux composants sont couplés dans un même boitier étanche à la lumière ambiante.

Le tableau ci-dessous décrit les différents dispositifs utilisés en entrée et sortie.

Tableau: Dispositif utilisé en entrée et sortie d'un optocoupleur.

entrée	sortie
diode	diode
diode	phototransistor
diode	darlington
diode	triac

Le dispositif d'entrée est toujours une diode. Attention, celle-ci est réalisée en AsGa, sa tension de seuil est donc légérement plus élevée que pour les diodes de redressement au silicium (1V environ). Le dispositif de sortie dépend de l'application visée (puissance pour les triacs et optocoupleurs, linéarité pour les phototransistors (transmission de signaux analogiques) ou rapidité pour les diodes (transmission de signaux logiques).

Dans ce TP, on se limite aux circuits les plus courants c'est à dire les optocoupleurs à diode en entrée et phototransistor en sortie. L'application proposée simule un système de traitement numérique dont la référence de potentiel est différente de celle des systèmes de commande et de mesure. En pratique, on utilise généralement des liaisons optocouplées pour transmettre des informations logiques entre un ordinateur et un banc de mesure.

3. Notations et fonctionnement.

3.1 Notations.

La figure (1) définit les notations pour les tensions et courants du dispositif.

**Figure:** notations utilisées. On suppose que le phototransistor de sortie est un NPN.
$\includegraphics {fig/notations.eps}$

$I_{D}$ et $V_{D}$ sont respectivement le courant et la tension de la diode d'entrée.
$I_{B}$ , $I_{C}$ et $I_{E}$ sont les courants de base, d'émetteur et de collecteur du phototransistor de sortie.
$V_{BE}$ et $V_{CE}$ sont les tensions Base-Emetteur et Base-Collecteur

3.2 Fonctionnement.

La polarisation directe de la diode d'entrée entraine l'émission d'un flux de photons captés par le phototransistor de sortie. Le courant $I_{B}$ , lié au flux de photons reçus, commande le courant de sortie $I_{C}$ de la même manière que pour un transistor bipolaire classique. Ce courant $I_{C}$ est, dans une gamme de fonctionnement restreinte, une fonction linéaire du courant $I_{D}$ d'entrée. Du point de vue électrique, les 2 élements d'entrée et de sortie sont totalement indépendants et sont maintenus à distance l'un de l'autre par des matériaux résistants sur la plan mécanique et isolants sur le plan électrique.

4. Principales caractéristiques.

L'annexe 1 présente quelques caractéristiques statiques de plusieurs optocoupleurs. Certaines ne seront pas étudiées dans ce TP et sont briévement décrites ci-dessous :

Isolation Breakdown voltage : tension maximale applicable entre le dispositif d'entrée et de sortie du phototransistor sans modification notable des paramètres électriques et optiques par effet d'ionisation.
Continuous Forward Current : courant max $I_{D}$ .
$BV_{ceo}$ : (Break Voltage) tension $V_{CE}$ ( $_{ce}$ ) de claquage du phototransistor lorsque la base est ``en l'air''( $_{o}$ ).
$I_{ceo}$ : courant collecteur lorsque la diode d'entrée n'émet pas de courant.
$V_{SE}$ Sat : tension de saturation du transistor de sortie.

4.1 Taux de transfert.

En annexe 1 (et comme dans toutes les documents techniques en anglais), ce paramètre est noté le TCR.

A un courant $I_{D}$ à l'entrée correspond un courant $I_{C}$ en sortie dépendant du type de composants utilisés, de la technologie employée, etc. Le taux de transfert $\tau$ est le rapport de ces deux courants exprimés en pourcentage soit :

$\begin{displaymath} \tau =\frac{I_{C}}{I_{D}}\end{displaymath}$

Pour augmenter ce taux de transfert, certains optocoupleurs utilisent un transistor darlington en sortie.

Pour un composant donné, il dépend bien évidemment des conditions de polarisation du phototransistor de sortie, et dans une moindre mesure de la température. Les caractéristiques statiques doivent donc être étudiées avec attention pour pouvoir déterminer ce paramètre. Cette remarque nous amène à la définition de la linéarité entrée-sortie.

4.2 Linéarité entrée-sortie.

Ce paramètre donne une indication sur la gamme de courant où le transfert $I_{C}/I_{D}$ est une fonction linéaire. Il dépend de la caractéristique $I_{C}=f(I_{B})$ du phototransistor de sortie et de la caractéristisque d'émission de la diode d'entrée. Cette notion de linéarité intervient de manière fondamentale dans toutes les applications analogiques (introduction de distorsion). Elle est moins critique pour les applications logiques.

4.3 Temps de commutation.

Ce paramètre traduit le temps de réponse d'un photocoupleur pour transmettre une impulsion logique. A un signal carré à l'entrée correspond un signal carré en sortie retardé et déformé. Ce retard dépend du temps de blocage et de déblocage de la diode d'entrée et du phototransistor de sortie. Cette grandeur est fondamentale pour les applications logiques où la transmission d'informations nécessite une bande passante élevée. Les notations utilisées sont définies plus loin (figure 10).

5. Travail préparatoire et manipulations.

Le photocoupleur étudié est un 4N25. Le brochage de ce composant est fourni en annexe. Les montages sont réalisés sur une plaquette d'expérimentation permettant l'étude de la diode d'entrée et du transistor de sortie. Deux montages à AOP sont également cablés (figure 4 et 7). Un photocoupleur se comporte comme une diode et un transistor bipolaire. Ces deux éléments seront donc préalablement caractérisés avant la caractérisation du dispositif complet.

5.1 Caractéristiques statiques d'entrée et de sortie.

5.1.1 Caractéristique de la diode d'entrée.

On cherche à mesurer l'évolution du courant $I_{D}$ en fonction de la tension $V_{D}$ . On utilise pour cela le montage décrit sur la figure (2).

**Figure:** montage utilisé pour mesurer la caractéristique de la diode d'entrée. R est une boite de résistance et V un voltmètre.
$\includegraphics {fig/diodemes.eps}$

Le voltmètre mesure la tension $V_{D}$ . Déterminer la valeur du courant $I_{D}$ en fonction de $E$ , $V_{D}$ et $R$ :

$\begin{displaymath} I_{D}=\end{displaymath}$

On cherche à faire les mesures pour un courant $I_{D}$ variant entre $200\mu A$ et $20mA$ . Déterminer les valeurs limites de la résistance R pour E=5V en supposant que la tension $V_{D}$ est de l'ordre de 1V.

$\begin{displaymath} R_{min}=\end{displaymath}$

$\begin{displaymath} R_{max}=\end{displaymath}$

** Manipulation.

Le seul point critique dans cette partie consiste à ne pas afficher une résistance nulle pour ne pas dégrader la diode éméttrice. Une résistance de 100 $\Omega$ est précablée en série avec R pour assurer cette protection.

Relever la caractéristique de la diode et représenter les mesures sur le papier semi-logarithmique fournie (figure 3).

$R$ ( $\Omega$ )

$V_{D}$ (V)

$I_{D}$ (A)

R ( $\Omega$ )

$V_{D}$ (V)

$I_{D}$ (A)

Qu'elle est l'allure de la caractéristique dans cette représentation.

**Figure:** Caractéristique de la diode d'entrée.
$\resizebox* {12cm}{8.4cm}{\rotatebox{-90}{\includegraphics{plt/diode.eps}}}$

On admet que le courant $I_{D}$ est donné par l'équation :

$\begin{displaymath} I_{D}=I_{S}exp(\frac{q\cdot V_{D}}{k\cdot T})\end{displaymath}$

A partir de vos mesures (figure 3), déterminer la valeur de $I_{S}$ (on donne $q=1.6\cdot 10^{-19}$ C, $k=1.38\cdot 10^{-23}$ J/K et T=300 K).

$\begin{displaymath} I_{S}=\end{displaymath}$

5.1.2 Caractéristique du phototransistor de sortie.

On cherche à mesurer le courant $I_{C}$ en fonction de la tension $V_{CE}$ pour différentes valeurs du courant $I_{B}$ . On utilisera pour cela le montage présenté sur la figure (4). Celui-ci sera amélioré par la suite pour tracer l'allure des caractéristiques à l'oscilloscope.

**Figure:** Mesure de la caractéristique du phototransistor de sortie.
$\resizebox* {12cm}{!}{\includegraphics{fig/transmes.eps}}$

Deux sources de tensions continues sont nécessaires( $V_{B}^{'}$ et $V_{CE}$ ). Le courant $I_{C}$ est mesuré à l'aide du montage autour de l'AOP. Ce montage fonctionne correctement si l'AOP ne sature pas.

On suppose l'AOP parfait et le transistor correctement polarisé.

Quelle est la tension appliquée entre le collecteur et l'émetteur du phototransistor ?
Quel est le courant circulant dans la résistance $R_{C}$ ?
Calculer la tension continue en sortie de l'AOP :

$\begin{displaymath} V_{S}=\end{displaymath}$

En déduire la valeur du courant $I_{C}$ en fonction de E et $V_{CE}$ .

$\begin{displaymath} I_{C}=\end{displaymath}$

Déterminer la valeur du courant $I_{B}$ en fonction de $V_{B'}$ , $R_{B}$ et $V_{BE}$ .

$\begin{displaymath} I_{B}=\end{displaymath}$

Déterminer à l'aide des caractéristiques fournies en annexe, la valeur du gain en courant $\beta =h_{fe}=\frac{I_{C}}{I_{B}}$ .

On impose la tension $V_{CE}$ entre 0 et 5V et on souhaite que la gamme de mesures du courant $I_{C}$ s'étende de $50\mu A$ à 10mA.

Calculer la valeur max de la résistance $R_{C}$ permettant d'éviter la saturation de l'AOP.

$\begin{displaymath} R_{C}=\end{displaymath}$

Calculer le courant $I_{Bmin}$ de mesure. $I_{Bmin}=$
Sachant que la résistance $R_{B}$ est inférieure à $1M\Omega ,$ déduire la valeur de la tension $V_{B}'$ permettant d'effectuer la mesure pour ce courant $I_{B}$ min.

$\begin{displaymath} V_{B'}=\end{displaymath}$

** Manipulations.

Réaliser le montage. Ajuster la tension $V_{B'}$ à la valeur préalablement calculée lors de l'étude théorique.

$\begin{displaymath} V_{B'mes}=\end{displaymath}$

Pour 5 valeurs de $I_{B}$ , réparties pour couvrir la gamme de courants collecteurs $I_{C}$ $50\mu A$ à 10mA, mesurer la caractéristique $I_{C}$ en fonction de $V_{CE}$ pour 6 valeurs de cette tension entre 0 et 5V( Il faut mesurer cette tension !). Représenter cette caractéristique sur la figure (5). Déduire de ces mesures la valeur du gain en courant du transistor $\beta$ et représenter son évolution en fonction de $I_{C}$ sur la figure (6).