Détecteurs de lumière

Electricité - électronique
Chapitre 5. Détecteurs de lumière.
1. La photorésistance.
Une photorésistance est un composant électronique dont la
résistance dépend de l’éclairement.
On la désigne aussi par le sigle LDR (Light Dependent Resistor :
résistance dépendant de la lumière).
Elle est constituée de semi-conducteurs, à base de cadmium et de
soufre (CdS) ou de cadmium et de sélénium (CdSe).
La conductivité d’un semi-conducteur, très faible à basse
température, augmente avec la température en raison de l’énergie
d’agitation thermique croissante qui favorise l’émission par les
R
atomes du cristal de plus en plus d’électrons participant à la
conduction.
Certains de ces semi-conducteurs, c’est en particulier le cas de ceux utilisés dans les
photorésistances, réagissent également à la lumière : l'énergie apportée par les photons (rappel :
E = h.f) peut en effet suffire à libérer certains électrons utilisés dans les liaisons covalentes entre
atomes du cristal.
1.1. Influence de l’éclairement.
a. Mesures.
Trois niveaux d’éclairement (estimés de manière qualitative). Mesurer les résistances
correspondantes à l’aide de l’ohmmètre.
Eclairement
Résistance
faible
moyen
fort
Observations.
b. Etude de cas
Le document 1 page 6 montre les caractéristiques intensité-tension d’une photorésistance pour
différents niveaux d’éclairement donnés par une lumière proche de la lumière blanche.
On y voit que le composant électronique se comporte comme un conducteur ohmique
puisqu’il s’agit de droites passant par l’origine.
De plus la comparaison de ces droites montre bien que la résistance diminue lorsque
l’éclairement augmente
Q1. D’après ce document, déterminer la résistance pour E = 100 lux.
Q2. Vous remarquez que les courbes sont limitées par « l’hyperbole de dissipation
maximale » qui relie les points correspondant à la puissance maximale P max que la
photorésistance peut dissiper par effet joule.
A l’aide de cette courbe, calculer Pmax.
1
Le document 2 représente les variations de la résistance en fonction de l’éclairement.
La figure a constitue un réseau de courbes, données par un constructeur, pour trois
photorésistances différentes.
La figure b représente une courbe idéalisée, plus lisible, qui permettra une exploitation plus
aisée.
Bien que la représentation graphique soit une droite, il n’y a pas obligatoirement de relation de
proportionnalité. En effet la graduation de chacun des axes utilise une échelle logarithmique,
avec des graduations qui ne sont pas équidistantes.
Q3. a. A l’aide du graphique, montrer que l’on peut écrire la loi de variation de la résistance
en fonction de l’éclairement sous la forme R(E) = K. E -.
b. Déterminer les valeurs des coefficients K et .
c. Compléter le tableau ci-dessous (on peut utiliser la relation précédente ou le graphique).
E (lux)
R (k)
1
6
25
50
100
150
250
350
500
700
1000
1.2. Influence de la longueur d’onde.
Le document 3 est la courbe de sensibilité d’une photorésistance introduite dans un circuit
électrique ;: cela peut représenter le rapport I/U, soit l’inverse de la résistance.
On remarque que cette courbe ressemble à la courbe de sensibilité de l’œil, avec un plus ou
moins grand décalage vers les grandes longueurs d’onde, la photorésistance CdSe présentant
même son maximum de sensibilité dans le domaine de l’infrarouge.
Q4. Rappeler le domaine de longueur d’onde de la lumière correspondant au maximum de
sensibilité de l’œil.
Evaluer celui correspondant à la cellule CdS.
1.3. Un exemple de données caractéristiques.
Puissance:maximale 250 mW
Résistance d'obscurité :1 MOhm
Résistance : de 5,4 kOhms (à 1000 lx) à 12,6 kOhms (à 10 lx)
Temps de réponse montée/descente : 120 ms
Température de fonctionnement : - 60°C à + 75°C
Tension : 320V DC
Diamètre : 10 mm
La principale utilisation de la photorésistance est la mesure de l'intensité lumineuse (appareil
photo, systèmes de détection, de comptage et d'alarme...).
Elle est fortement concurrencée par la photodiode dont le temps de réponse est beaucoup plus
court.
2
1.4. Application : réalisation d’un luxmètre (de première génération).
a. Etude théorique : conversion éclairement-tension.
VCC = + 5 V
R2
R
-
R1

+
US
U0
R0
V
On donne R0 = 2 k. R1 = 1 k et R2 = 5 k. Tension de saturation de l’Aop : 12,5 V.
 Exprimer U0 en fonction de R, R0 et VCC.
 Exprimer US en fonction de R1, R2 et UC. Préciser la condition de validité de cette relation,
relativement à US.
Définir et calculer le coefficient d’amplification en tension.
 Compléter le tableau.
E (lux)
R (k)
U0 (V)
US (V)
1
6
25
50
100
150
250
350
500
700
1000
Effectuer la représentation graphique US = f(E). On peut
utiliser la calculatrice ou un tableur : donner ci-contre
l’allure de la courbe.
 Préciser le domaine de valeurs de l’éclairement
mesurables par le dispositif.
b. Réalisation pratique.
Adapter les valeurs des résistances au dispositif expérimental et faire l’essai.
Eclairement
US (V)
faible
moyen
fort
2. La photodiode.
I
2.1. Principe.
U
3
Il s’agit d’une diode un peu « améliorée » sur le plan de la composition, mais aussi de la forme
afin de permettre une bonne réception de la lumière. La surface est en général vitrée (protection).
Si l’on trace la caractéristique intensité-tension I = f(U), on obtient le réseau de courbes du
document 1 page 7.
Le graphique se décompose en trois secteurs.
Secteur 1, la photodiode est polarisée en direct et se
laisse traverser par un courant d’intensité ID qui peut être
relativement importante.
Ce comportement est celui d'une diode au silicium
classique et dépend peu de l'éclairement. La tension aux
bornes de la diode reste voisine de la tension de seuil
(environ 1,5 V) et dépend peu de l’intensité.
ID
U
R
UG
Secteur 2. La photodiode se comporte comme un
IR
générateur et impose le sens du courant, en sens
inverse du précédent (intensité IR : R comme
U
« reverse »). Pas besoin de générateur extérieur.
R
Le mode correspondant est qualifié de mode
photovoltaïque.
C'est dans ces conditions que fonctionnent les panneaux photovoltaïques destinés à produire de
l'énergie électrique à partir de l'énergie rayonnante solaire.
Dans ce secteur 2, la tension est une fonction croissante de l’éclairement.
Elle dépend également de l’intensité : générateur donc, mais de résistance interne non
négligeable.
IR
Dans le secteur 3. La photodiode est polarisée en
inverse ; elle laisse cependant passer un courant inverse
qui est néanmoins très faible.
U
Cette intensité dépend peu de la tension : la photodiode
R
se comporte comme une source de courant.
Par contre, elle dépend notablement de l’éclairement :
UR
UG
c’est pourquoi ce courant est aussi appelé
photocourant.
Il y a même une relation de proportionnalité entre l’intensité I R et l’éclairement E
(document 2)..
Les variations de ce faible courant en fonction peuvent être converties en variations de tension
UR aux bornes de la résistance R, en choisissant une valeur importante (par exemple R = 100
k). Cette tension peut de plus facilement être amplifiée.
Le document 3 donne la courbe de « sensibilité spectrale » : sensibilité maximale dans
l’infrarouge pour la photodiode BPW34.
Plus sensibles, plus rapides, plus fiables que les photorésistances les photodiodes les remplacent
avantageusement.
Elles sont aussi utilisées pour les détecteurs de présence (photodiodes à infrarouge, afin d’éviter
les alertes intempestives)
Le constructeur joint souvent un diagramme de directivité, que l’on peut exploiter de deux
façons (document 4). Efficacité de 1 pour un éclairement normal (perpendiculaire) à la surface
de la photodiode : angle d’incidence i = 0.
Q5. Rechercher par ces deux moyens :
a. pour quel angle d’incidence on a une efficacité relative comprise entre 90 et 100%.
b. l’efficacité relative pour un angle d’incidence de 60°.
4
2.1. Manipulation.
Utilisation de la photodiode BPW34.
a. Rechercher à l’aide du multimètre utilisé en testeur de diode le sens direct et le sens inverse.
b. Utilisation en mode photovoltaïque.. Relier directement la
photodiode au multimètre en mode µA. Faire ci-contre un
schéma permettant de repérer le sens du courant.
Eclairement
IR (µA)
faible
moyen
fort
c. Photocourant.
Faire ci-contre un schéma du montage permettant la
polarisation en inverse, par l’intermédiaire d’une résistance
de 100 k.
Réaliser le montage avec une tension d’alimentation de
12 V.
Mesurer la tension UR aux bornes de la résistance pour
différents éclairements.
Eclairement
UR (V)
faible
moyen
fort
3. Le phototransistor.
C : collecteur
C
UG
E
E : émetteur
Fonctionnement sur le même principe que la photodiode, il permet de laisser passer une intensité
plus grande. On peut ainsi commander la fermeture d’un circuit par une information lumineuse
4. Capteurs photovoltaïques. Capteurs CCD.
Le capteur photovoltaïque fonctionne sur le même principe que la photodiode utilisée en
générateur photovoltaïque. Sa surface importante permet de délivrer une intensité plus forte.
Le capteur CCD (Charge-Coupled Device : dispositif à transfert de charges) est un circuit
électronique dont la fonction est de capter une image. Il est constitué d’un grand nombre de
petits capteurs photosensibles regroupés par trois (un pour le Rouge, l’autre pour le Vert, le
dernier pour le Bleu) : ces groupes forment des pixels.
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