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Ingénierie et isolement : ce n'est pas ce que vous croyez

En tant qu'ingénieurs, nous devons nous préoccuper de l'isolement. Tôt ou tard, nous devons y faire face. Ce n'est pas votre faute. Ce n'est la faute de personne. Parfois, deux circuits sont tellement incompatibles qu'il n'y a pas d'autre choix que de les isoler pour la sécurité de tous les éléments concernés.

Bien sûr, tout le monde connaît les excuses habituelles. Nous devons éviter les boucles de masse. Il faut améliorer l'immunité au bruit. L'une des plus courantes concerne la nécessité de tenir les hautes tensions à l'écart.

Optons pour l'isolement optique. Vous connaissez la formule : « Ce n'est pas toi, c'est moi ». On peut l'adapter : « Vraiment, tu es trop haute tension pour moi. Ou bien est-ce moi qui suis haute tension ? » Ne vous en faites pas, l'isolement optique ne signifie pas qu'il faut une séparation radicale. Bien au contraire. L'isolement optique revient à dire : « Vous pouvez regarder, mais ne touchez pas ».

Voilà donc nos deux circuits unis par les liens sacrés de l'isolement optique. Laissez-moi vous expliquer.

Avec l'isolement optique, même si deux circuits sont physiquement séparés, la technique utilisée pour transmettre les données tout en réalisant l'isolement est optique (« Vous pouvez regarder, mais ne touchez pas »). Ainsi, l'isolement optique est en fait une lumière LED brillante (qui représente des données numériques transmises à travers un matériau isolant transparent) reçue par un photorécepteur physiquement séparé (Figure 1). En effet, la méthode de transmission optique des données entre les deux circuits indépendants isole également ces deux circuits indépendants l'un de l'autre.

Figure 1 : Un isolateur optique utilise une LED à gauche pour transmettre optiquement des données numériques sous forme de lumière à une photodiode à droite. Les deux circuits communiquent de manière optique tout en étant isolés. (Source de l'image : Bill Giovino)

Ainsi, lorsque l'on parle d'isolement, le mécanisme qui sépare les deux circuits représente également la façon dont les deux circuits communiquent. Le terme « isolation galvanique » est certainement le cas le plus déroutant.

Tout comme l'isolement optique fait référence à la transmission optique de données tout en maintenant l'isolement entre les deux circuits, l'isolation galvanique fait référence à la transmission galvanique de données (par charge électrique induite) tout en maintenant l'isolement. Certes, ce n'est peut-être pas la définition exacte du mot « galvanique », mais c'est surtout l'utilisation étrange du mot « isolation » qui perturbe les ingénieurs, les rédacteurs techniques, les éditeurs et les distributeurs, ce qui rend les équipes marketing techniques complètement folles, car (soyons honnêtes) les ingénieurs adorent jouer sur les détails.

Le mot « galvanique » vient de l'excellent physicien italien Luigi Galvani, qui a découvert que le passage d'une charge électrique à travers une cuisse de grenouille la faisait trembler, tout en lui conservant son bon goût de poulet. Les isolateurs galvaniques sont parfois appelés « isolateurs numériques ». Les isolateurs optiques sont eux aussi parfois appelés « isolateurs numériques », et au cas où ce n'était pas déjà assez déroutant, on les appelle aussi parfois « isolateurs galvaniques », ce qui est parfaitement incorrect.

Les isolateurs galvaniques à semi-conducteurs induisent une charge électrique de deux manières : soit entre les deux plaques d'un condensateur, soit entre les bobines de deux inductances. Les isolateurs galvaniques à semi-conducteurs et à boîtier simple sont disponibles en couplage capacitif ou en couplage inductif. Le diélectrique utilisé pour le condensateur est le dioxyde de silicium. Les deux inductances se trouvent à proximité l'une de l'autre à l'intérieur du boîtier et sont également séparées par du dioxyde de silicium. Les isolateurs galvaniques à semi-conducteurs ont été testés pour gérer des tensions pouvant atteindre 6000 Vrms et des températures jusqu'à 150°C.

Texas Instruments fabrique une gamme d'isolateurs galvaniques au dioxyde de silicium qui utilisent un couplage capacitif pour séparer les deux circuits. L'ISO7810FDWR est un isolateur galvanique monocanal qui est spécifié pour gérer jusqu'à 5700 Vrms et qui résiste à des surtensions pouvant atteindre 8000 V (Figure 2).

Figure 2 : Ce schéma fonctionnel simplifié de l'ISO7810F de Texas Instruments montre comment les deux circuits sont séparés et isolés. Chaque côté a son propre domaine de puissance séparé. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'ISO7810F illustré utilise la modulation par tout ou rien (OOK) pour transmettre des données à travers le condensateur d'isolement où un état logique haut est un signal haute fréquence et un état logique bas correspond à 0 V. La broche OUT reflète toujours l'état logique de la broche IN. L'ISO7810F cible les applications critiques où les personnes doivent être maintenues isolées des tensions électriques dangereusement élevées pour éviter les blessures.

Un équipement médical est un bon exemple où la sécurité est importante. Les sondes placées sur la peau utilisent des tensions très basses, généralement inférieures à 5 V. Ces sondes doivent être maintenues isolées de la prise murale de 110 VCA ou 220 VCA qui alimente l'équipement de diagnostic. Une puce d'isolateur galvanique sépare les circuits des sondes alimentés par batterie de l'équipement de diagnostic haute tension, de sorte que si un dysfonctionnement de l'équipement survient ou si celui-ci est endommagé, l'alimentation secteur ne nuira pas au patient.

En fin de compte, il s'agit de lire attentivement les spécifications techniques. Quel que soit son nom, lorsque vous utilisez un isolateur à boîtier simple, assurez-vous que les spécifications de tension nominale dépassent la tension de l'application, pour une marge de sécurité. Cette consigne est valable pour tout le monde.

À propos de l'auteur

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Bill Giovino est un ingénieur en électronique titulaire d'un BSEE de l'Université de Syracuse, et l'une des rares personnes à avoir réussi à passer de l'ingénierie de conception à l'ingénierie des applications sur le terrain et au marketing technologique.

Depuis plus de 25 ans, Bill œuvre à la promotion des nouvelles technologies devant un public technique et non technique pour de nombreuses entreprises, notamment STMicroelectronics, Intel et Maxim Integrated. Chez STMicroelectronics, Bill a contribué aux premiers succès de l'entreprise dans l'industrie des microcontrôleurs. Chez Infineon, Bill a orchestré les premiers succès de l'entreprise en matière de conception de microcontrôleurs dans l'industrie automobile américaine. En tant que consultant marketing pour son entreprise CPU Technologies, Bill a aidé de nombreuses entreprises à transformer des produits sous-performants en réussites.

Bill a été l'un des premiers à adopter l'Internet des objets, notamment en mettant la première pile TCP/IP complète sur un microcontrôleur. Bill pense que les ventes passent par l'éducation et accorde une importance croissante à une communication claire et bien écrite pour la promotion des produits en ligne. Il est modérateur du groupe populaire LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing et parle couramment le B2E.

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