Modules isolés: pourquoi ?

Modules isolés: pourquoi ?

Cette semaine, on vous propose de discuter à propos des modules Yoctopuce isolés. Qu'est-ce que cette fameuse isolation? Comment est-elle faite? A quoi sert-elle? Quelles en sont les conséquences?





En électronique, une isolation, c'est quoi?

Les modules Yoctopuce isolés sont des modules divisés en deux parties: la partie USB et le processeur d'un côté, et la partie "utile" comme un senseur ou un actuateur de l'autre. Entre les deux, il y a une barrière d'isolation qui empêche le courant de passer directement d'une partie à l'autre. On appelle cela une isolation galvanique.


Dessus  Dessous
Exemple: le Yocto-Amp, il est facile de deviner où se trouve la barrière d'isolation


Comment ça marche?

Bien que le but d'une isolation galvanique est d'empêcher le courant électrique de passer d'un côté vers l'autre, il faut quand même faire passer des signaux électriques à travers cette barrière, et ce pour deux raisons:

Pour communiquer entre les deux parties

La partie isolée contient souvent soit un capteur qui doit transmettre ses mesures à la partie qui contient le microprocesseur, soit un actuateur qui doit recevoir des commandes du microprocesseur. Pour cela, on peut utiliser des opto-coupleurs, qui passent les informations d'un côté à l'autre sous forme de lumière. Chez Yoctopuce, on utilise souvent des isolateurs Silicon Lab de la série Si8600 qui utilisent des signaux radio pour communiquer à travers la barrière d'isolation.

Vous trouverez cet isolateur pour signaux sur beaucoup de modules Yoctopuce isolés
Vous trouverez cet isolateur pour signaux sur beaucoup de modules Yoctopuce isolés


Pour alimenter la partie isolée

Assez logiquement, la partie senseur a besoin d'une alimentation électrique. Les isolateurs ont aussi besoin d'une alimentation de chaque côté de la barrière pour fonctionner. La méthode traditionnelle pour faire passer une alimentation à travers une isolation galvanique consiste à utiliser un transformateur. Un transformateur est constitué de deux bobines entrelacées, un courant alternatif passant dans une des bobines induit un courant alternatif dans la seconde bobine. Cependant, l'électronique USB fonctionne en continu, c'est pourquoi Yoctopuce utilise des modules DC/DC isolés qui, schématiquement, génèrent du courant alternatif à partir du courant continu, le fait passer dans un mini-transformateur, et redresse le courant alternatif qui sort de l'autre côté en courant continu.

Les convertisseurs DC/DC isolés qui sont souvent utilisés sur les modules Yoctopuce
Les convertisseurs DC/DC isolés qui sont souvent utilisés sur les modules Yoctopuce


Notez qu'une barrière d'isolation ne remplit son rôle que jusqu'à une tension donnée, si la différence de potentiel entre les deux parties dépasse la limite, l'électricité va sauter d'une partie à l'autre, généralement sous la forme d'un arc électrique, quand cela arrive, ce n'est jamais très bon.

Isolation, pourquoi faire?

Il y a deux raisons principales qui peuvent inciter à mettre une isolation galvanique dans un module Yoctopuce.

Sécurité

La sécurité de l'utilisateur est la principale raison qui va pousser un fabricant à concevoir un produit isolé. Par exemple, sur un module Yoctopuce qui peut être connecté à un circuit lui-même directement connecté au secteur, il est indispensable que, quoi qu'il arrive, le courant du secteur ne se retrouve pas sur la partie USB: personne n'a envie de se faire électrocuter par sa propre souris.
C'est pourquoi lorsque la partie isolée est susceptible d'être connectée au secteur, non seulement il doit y avoir une distance minimale entre les composants placés de part et d'autre de la barrière, mais la barrière d'isolation doit être conçue pour tenir 3000V pendant au moins une minute. Notez que cela ne veut pas dire que le module va fonctionner jusqu'à 3000V, l'électronique dans la partie isolée sera très certainement détruite, mais par contre la surtension ne passera pas du côté de la partie l'USB.

Courants de terre

La seconde raison qui peut pousser à concevoir une barrière d'isolation sont les courants de terre. Si le circuit doit être connecté à une terre dont le potentiel est différent de celui de la terre de l'USB, des courants de terre vont apparaître. Ces courant risquent de perturber le bon fonctionnement de l'électronique, et dans les cas extrêmes la griller. On a déjà eu l'occasion de décrire l'effet des courants de terre sur le Yocto-Thermocouple. En revanche, lorsque les deux parties sont isolées, chaque côté de la barrière peut avoir sa propre masse indépendante. Dans le cas d'une isolation destinée à simplement garantir le bon fonctionnement du produit, on parle d'une isolation fonctionnelle.

Le cas des relais

Par construction, les relais électro-magnétiques sont isolés: la partie commande est électriquement isolée de la partie commutée. Mais il y a un piège, ce n'est pas parce qu'un relais électro-magnétique affiche fièrement 250V sur son boîtier qu'on peut l'utiliser pour commuter du courant du secteur en toute sécurité. Rappelez-vous: dans le cas du secteur, la barrière d'isolation doit tenir 3000V pendant une minute et il y a une distance à respecter entre les deux côtés de la barrière, même à l'intérieur du relais. C'est la raison pour laquelle on recommande plutôt d'utiliser les Yocto-PowerRelay-V3 et Yocto-MaxiPowerRelay pour commuter des circuits directement connectés au secteur.

A puissance quasi équivalente, il y a une bonne raison pour laquelle le relais noir est plus long que le orange
A puissance quasi équivalente, il y a une bonne raison pour laquelle le relais noir est plus long que le orange


Quelques inconvénients

Sur un circuit électronique, une barrière d'isolation présente pas mal d'avantages, mais aussi quelques inconvénients. Les composants électroniques nécessaires pour faire passer les signaux et une alimentation à travers une barrière d'isolation sont assez chers et volumineux. De plus, les DC/DC sont des composants qui fonctionnent à des fréquences élevées, ce qui tend à générer des EMI et oblige à utiliser des filtres, ce qui augmente encore la taille et le prix du produit final. Enfin, les DC/DC ont rarement un rendement supérieur à 90%, par conséquent un circuit isolé consommera toujours plus que sa version non isolée.

Conclusion

Il existe des catégories entières de produits électroniques isolés, mais on peut souvent les classer dans deux catégories: ceux où une isolation de sécurité n'est tout simplement pas négociable, typiquement tous ceux qui se branchent directement sur secteur. Et ceux où la présence d'une simple barrière d'isolation fonctionnelle est un gage de qualité, par exemple les produits qui servent à interfacer deux systèmes, qui peuvent être alimentés par des sources différentes, ou simplement raccordés à des masses différentes.

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