Expériences simples sur les optocoupleurs.

Petite récréation durant laquelle nous allons utiliser encore une carte Arduino en générateur basse fréquence et le mini laboratoire en instrument de test. Une plaquette d’essais va nous permettre de réaliser le schéma électronique élémentaire proposé sur la Fig.28 pour lequel l’optocoupleur est un MCT2. C’est uniquement pour des raisons de disponibilité que ce modèle a été mis en service, mais tout autre modèle du commerce conviendra. (En respectant le brochage évidemment.) Passons à l’étude de ce petit montage.

Le transistor T fonctionne comme un bipolaire NPN classique et amplifie considérablement son courant de base. Par exemple si sa base en broche 6 est reliée au +5Vcc fourni par le laboratoire à travers une résistance de 47kΩ, il passe en saturation. Entre les broches 4 et 5 la résistance devient très faible et le courant collecteur est limité par les deux résistances R1 et R2. R2 limite le courant dans la LED verte. Base alimentée, la sortie 5 donne un état « 0 ». Portons la résistance de base à la masse GND, le transistor T passe à l’état bloqué. La résistance entre les broches 4 et 5 devient très grande. La broche 5 est alors à l’état « 1 » et forcée à +5Vcc par la résistance R1. Du reste, le gain en courant β du transistor T est tellement grand, que si on se contente de toucher la broche 6 sans la réunir à quoi que ce soit, notre doigt se comporte comme une antenne, et crée une fuite de 50Hz suffisante pour faire passer T en conduction. On observe alors que la LED verte s’illumine.
Alimentons maintenant la diode D qui à l’intérieur du boitier de l’optocoupleur éclaire T. Il faut savoir que tous les transistors sont photosensibles. C’est du reste la raison qui impose de les enfermer dans des boitiers opaques à la lumière. Sur les optocoupleur on a « dopé » ce phénomène. Lorsque la LED D est illuminée, T passe en saturation, exactement comme si on avait porté sa base au +5Vcc. On peut donc piloter T « à distance » par de la lumière. Les deux entités sont électriquement isolées. Par exemple pour le MCT2 la tension d’isolement entre la partie « rouge » et la zone électronique « verte » est garantie jusqu’à 7000V. Dans la pratique, cette valeur sera d’autant plus dégradée que le circuit imprimé support sera de médiocre qualité. (Poussières conductrices, humidité …) L’optocoupleur a pour mission de réaliser une isolation galvanique entre deux circuits électroniques. L’un sert de commande, l’autre constitue la « puissance pilotée ». Exemple typique d’application : Si dans un automatisme un moteur à courant continu perturbe le microcontrôleur par les kyrielles de parasites de coupure selfique, il suffit de l’alimenter à part et de le piloter par un optocoupleur. Le transistor T agira alors sur un autre transistor plus puissant …

Première expérience d’optocouplage.

C’est toujours le mini laboratoire qui sera chargé d’observer les signaux issus du MCT2. Pour cette expérience, il faut téléversez P14_Generation_SIGNAL_sur_D12.ino sur la carte Arduino Uno qui se comportera comme un générateur B.F. Le signal issu du collecteur de T sera observé sur l’OSCILLOSCOPE. Pour qu’Arduino puisse fonctionner normalement en générateur B.F. il faut câbler sur la plaquette d’essais les deux boutons poussoir de commande sur A0 avec les trois résistances associées. Nous allons travailler à une fréquence qui ressemble à 600Hz, valeur choisie un peu au hazard mais compatible avec la fréquence d’échantillonnage de l’OSCILLOSCOPE.
À titre d’exercice, prédéterminons la valeur de la BASE DE TEMPS. On désire dans cette
manipulation visualiser deux périodes complètes. Donc la base de temps sera égale à deux fois la période divisée par seize : Le nombre de pavés affichés sur un écran. Soit encore la période divisée par huit.
Pour 600Hz la période vaut T = 1 / 600 = 0,0016666 seconde, soit environ 1666µS.
La base de temps devrait faire 1666 : 8 = 208,25µS.
La plus petite valeur possible sur la base de temps est de 200µS soit 0,2mS.
Comme on ne peut pas affiner la BASE DE TEMPS, c’est la fréquence B.F. sur laquelle nous allons agir avec doigté. Huit fois 0,2mS donne une période T de 1,6mS soit une fréquence égale à :
F = 1 / 0.0016 = 625Hz. Il ne reste plus qu’à concrétiser.
• Sur Arduino on ajuste le potentiomètre branché sur A1 pour avoir entre 624Hz et 626Hz.
• Sur le mini laboratoire on active l’OSCILLOSCOPE.
• Synchronisation sur front montant avec une tension de seuil de +2,5V.
• Imposer 0.2mS par échantillon pour la BASE DE TEMPS.
• Conserver la simple définition.

ATTENTION : Le schéma de la Fig.28 est dangereux, car il peut laisser croire qu’il n’y a pas de résistance de limitation de courant pour D. C’est parce que j’ai utilisé le SHIELD qui incorpore la résistance de 220Ω. Mais si vous employez une carte Arduino UNO associée à une plaque à essai de branchements, il faut impérativement intercaler une résistance de 220Ω entre D12 et D en broche 1.

x
Avant de chercher à peaufiner la valeur de 625Hz, commencer par générer la fréquence la plus faible disponible, soit 31Hz. On doit observer le clignotement de la LED verte. Ce préambule nous assure que le transistor T passe bien entre saturé et bloqué, et qu’il peut suivre au moins jusqu’à 31Hz. En 1 de la Fig.29 on voit la plaque à essais avec en 2 le MCT2. La zone 3 reçoit les fils issus d’Arduino qui amènent le signal de pilotage de la LED D. Enfin en 4 se trouvent les deux résistances de charge et la LED jaune qui sur la Fig.28 est coloriée en vert. La Fig.30 en A montre que l’on peut aisément arriver à ajuster la fréquence désirée à ± 1Hz prés. (Au passage je ne trouve pas élégant ce « a » sans son accent. Il faudra revoir le programme pour améliorer cet affichage.) Sur l’écran B on vérifie que la période fait bien ses huit fois 0,2mS soit une valeur de T = 1,6mS. Cette observation confirme la fréquence de 1 / 0.0016 ce qui donne 625Hz. Prenez garde toutefois à ne pas vous laisser leurrer, car nous savons que la BASE DE TEMPS affichée sur l’écran LCD est « numérisée », donc approximative. On ne peut en déduire que l’ordre de grandeur de la période du signal observé. En revanche, si le signal optiquement découpé monte bien jusqu’à +5Vcc attesté par les « pavés longs », par contre on constate que les créneaux ne descendent pas jusqu’à zéro. On en déduit qu’avec les valeurs adoptées sur notre montage le transistor T n’est pas totalement saturé quand il est conducteur. Du reste, l’oscillogramme atteste d’un rapport cyclique égal à 0,5. La tension devrait avoisiner les 2,5V efficace si T se saturait complètement. La mesure avec le voltmètre analogique ou numérique donne environ 3V ce qui prouve la présence d’une tension continue résiduelle.

Fig30page18

Deuxième expérience : Optocouplage à 50Hz.

Cette technique était fréquemment utilisée pour générer facilement une base de temps dans des montages électroniques dont l’alimentation basse tension s’obtenait avec un transformateur secteur suivi de redressement, de filtrage et de régulation. La fréquence du réseau électrique 50Hz est relativement bonne sur le court terme. De plus, sur le long terme EDF assure une très grande précision. Cette caractéristique incite fortement à cadencer le temps à partir du courant du secteur, d’innombrables appareils se synchronisant sur ce dernier. On peut citer certains réveils, les programmateurs en électroménager, les dispositifs avec moteurs synchrones etc.
L’électronique a elle aussi bénéficié de cette possibilité, avec pour corollaire l’obligation d’assurer une isolation galvanique. L’optocoupleur s’impose alors pour extraire un signal étalon.
Représenté sur la Fig.31 le montage à réaliser oblige une fois de plus la possibilité de disposer d’une tension alternative et le transformateur de la Fig.12 va reprendre du service. La LED D est excitée par un courant pulsé à 50Hz car la sinusoïde alternative issue du transformateur TR est redressée par la diode Dr. Le courant dans D est limité par la résistance R dont la valeur doit être choisie pour laisser passer un courant moyen d’environ 20mA. Ce montage engendre par rapport au secteur 220V~ une double isolation galvanique. La première barrière d’isolation électrique se trouve entre les deux enroulements du transformateur abaisseur de tension TR. La deuxième frontière est cachée dans le boitier de l’optocoupleur.

La Fig.32 présente l’écran LCD de l’OSCILLOSCOPE :
• Simple définition.
• 2mS par échantillon pour la BASE DE TEMPS.
• Synchronisation sur front montant avec une tension de seuil de +2,5V.
Sur ce graphe enregistré, on a environ une période et demi affichée sur l’écran. Quand le transistor T est bloqué on retrouve les +5Vcc sur son collecteur. Par contre, la résistance R étant volontairement choisie avec une valeur trop grande, le transistor ne passe pas totalement en saturation. On retrouve une composante continue résiduelle. Manifestement l’onde présente une apparence sinusoïdale, le courant traversant la LED D présentant ce type d’évolution. En comptant les « pavés » pour un cycle on retrouve bien une période de dix fois 2mS soit les 20mS correspondant aux 50Hz. Configurez le mini laboratoire en PÉRIODEMÈTRE. Nous savons qu’à ces fréquences la mesure sera bien
 plus précise qu’en FRÉQUENCEMÈTRE où nous n’aurions que deux chiffres significatifs avec un ±1 sur le chiffre des unités. Le manuel annonce une précision de ±1µS en dessous de 1000Hz. (Voir l’information plus avant.) En tenant compte de la fluctuation numérique de ±1 sur le chiffre des unités, la valeur réelle doit se situer entre 19981µS et 19985µS. La valeur instantanée de l’écart en fréquence du secteur est inférieure à 0.00025%.

Troisième expérience : Optocouplage à 100Hz.

Grand classique des années « transformateur », les techniciens préféraient disposer d’un signal d’horloge à 100Hz plus commode pour piloter des décades logiques et ainsi disposer du centième de seconde. Comme montré sur la Fig.34 en B on note qu’il suffit de redresser en double alternance avec un pont de diodes P. Le résultat visualisé en A confirme à 3 pour 10000 près la valeur de la période pour 100Hz. Enfin en C la photographie présente le câblage du pont de diodes de redressement double alternance P sur la plaque à essais.

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