Mise en oeuvre d'une photodiode :
La photodiode est un semiconducteur sensible à la lumière.
Avec ses deux propriétés :
- rapidité de réaction aux changements de luminosité
- relation linéaire entre courant qui la traverse et éclairement reçu
ce composant se rencontre dans des applications variées.
La description et la réalisation d'un montage convertissant de façon linéaire la luminosité en tension vous est proposée, suivies de son utilisation dans trois applications différentes :
- un colorimètre, dans lequel est exploitée la linéarité du composant
- une analyse de code émis par une télécommande ainsi qu'une fourche optique (détecteur de passage). Dans ces deux applications, c'est la rapidité du composant qui est exploitée.
Description
La photodiode utilisée dans cette application est le modèle BPW21 :
De la "datasheet" (littéralement "feuille de données") du constructeur, on a extrait différents documents d'étude :
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Document 1 : Description générale du composant : Features : - Especially suitable for applications from 350 nm to 820 nm - Adapted to human eye sensitivity - Flat glass window with buil-in color correction for visible radiations.
Applications : - Exposure meter for daylight - For artificial light or high color temperature in photographic fields and color analysis |
Document 2 : Sensibilité relative spectrale en fonction de la longueur d'onde :
En pointillé : sensibilité de l'oeil En noir : sensibilité de la photodiode |
1- Dans quels domaines du spectre électromagnétique (UV, visible, I.R, ...) cette photodiode est-elle sensible ?
2- Pour quel domaine du spectre électromagnétique est-elle optimisée ? Par quel procédé cette optimisation a-t-elle été réalisée ?
3- Donner la longueur d'onde et la couleur de la radiation à laquelle cette photodiode est la plus sensible.
Une photodiode peut être comparée à une cellule solaire : lorsqu'elle reçoit de la lumière, elle délivre un courant électrique :
Document 3 : mesure du courant de court-circuit en fonction de l'éclairement lumineux :
Montage utilisé :
Caractéristique relevée :
4- Quelle est la valeur de l'intensité du courant délivré par la photodiode lorsque l'éclairement a pour valeur 100 lx (lx est le symbole de l'unité d'éclairement : le lux) ?
5- Un tel courant peut-il être mesuré avec le multimètre utilisé :
Une solution consiste en la conversion du courant en tension :
Document 4 : Conversion éclairement -> courant -> tension :
IC1 est un circuit intégré de type « amplificateur opérationnel » (AOP).
Les entrées E- (2) et E+ (3) de l'AOP étant considérées comme étant au même potentiel, la photodiode est donc en court-circuit.
Le courant photovoltaïque généré en fonction de l'éclairement circule à travers la résistance R.
La tension de sortie de ce montage vaut :
US = R.I
Or l'intensité du courant est proportionnelle à l'éclairement, donc la tension de sortie est de la forme :
US = k.éclairement
6- Quel appareil devra-t-on utiliser pour mesurer la tension de sortie US ?
7- Voici la liste des composants utilisés : R = 10 Mohms ; IC1 = TLC 271 ; PhD = photodiode BPW21.
Pour un éclairement de 100 lux, calculer la valeur de la tension de sortie US :
- avec le choix qui a été fait pour ce montage : R = 10 Mohms ;
-
si on avait choisi une résistance R = 10 kohms
Expliquer alors pourquoi on a choisi une résistance R de très grande valeur.
Montage
Réalisation pratique du détecteur de lumière
On trouvera dans cet onglet les éléments nécessaires (images, fichiers) à la réalisation du détecteur de lumière utilisé dans les différentes applications proposées.
(Pour revoir la fabrication d'un circuit imprimé, aller sur la page : Réalisation du circuit imprimé
Les fichiers ont été réalisés avec la suite de conception électronique Kicad
Le schéma :
Le typon :
Le fichier à télécharger (format postscript) : colorimetre-Dessous_1.ps
Ou celui-ci qui regroupe 8 typons sur un circuit au format 100x160 mm : colorimetre-Dessous_8.ps
La vue côté composant :
Pour utiliser ce montage en colorimètre, il faudra percer un évidement carré à côté de la photodiode. On commencera par percer un trou circulaire, et on finira la forme carrée à la lime.
Liste des composants :
D1 : photodiode BPW21 (attention à son orientation lors du montage : l'ergot indique la cathode)
U1 : TLC 271CP (préférer la version boîtier plastique à la version boîtier céramique)
un support DIL8 pour monter U1 dessus
R1 : 10 Mohms
P1 à P3 : trois fiches bananes à visser. Vérifier régulièrement le bon serrage des écrous.
Colorimètre
Description du montage
Ce montage permet de mesurer l'absorbance de solutions colorées et d'aboutir à la loi de Beer-Lambert pour déterminer une concentration inconnue.
Sur la partie droite du schéma on retrouve le montage détecteur de lumière décrit précédemment. Ca capacité à transcrire de façon linéaire la quantité de lumière reçue en une tension permet de l'utiliser très simplement comme un instrument de mesure, et ce, avec une grande précision.
Sur la partie gauche, une LED de longueur d'onde correctement choisie éclaire une cuve placée devant la photodiode. Cette LED est protégée par une résistance RP. On mesure au voltmètre la tension de sortie du montage. Il faudra bien sûr couvrir le montage pour éliminer la lumière ambiante :
On dispose de trois Leds de couleurs différentes :
- -bleue : 480 nm , Générateur en 6V, Rp = 220 ohms
- -verte : 560 nm , Générateur en 6V, Rp = 220 ohms
- -orange : 605 nm , Générateur en 6V, Rp = 1 kohm
Principe de la mesure d'absorbance :
Dans un colorimètre, comme dans un spectrophotomètre à simple faisceau, deux opérations successives sont nécessaires.
Dans un premier temps, on mesure (à la longueur d'onde choisie) l'intensité lumineuse reçue par la photodiode à la sortie de la cuve de blanc (on récupère en fait une tension proportionnelle à cette intensité lumineuse) :
Remarque très importante : cette intensité lumineuse I0 dépend de l'intensité lumineuse incidente.
Puis, on mesure, toujours à la même longueur d'onde, l'intensité lumineuse reçue par la photodiode à la sortie de la cuve contenant l'échantillon ( de nouveau on mesure une tension proportionnelle à cette intensité lumineuse) :
Remarques très importantes :
1- l'intensité lumineuse I dépend elle aussi de l'intensité lumineuse incidente, donc entre la mesure de I0 et celle de I, il est impératif que Iincidente reste la même. Lors de l'utilisation de ce colorimètre, on ne touchera plus à la LED ou à la photodiode après la mesure de U0.
2- la mesure est censée se faire à la même longueur d'onde que pour le blanc, ce qui reste vrai pour un colorimètre à LED, mais qui peut être source de problème pour un spectrophotomètre à réglage mécanique de la longueur d'onde.
3- la cuve utilisée doit être identique à celle utilisée pour le blanc (au minimum, prendre le même modèle, ou mieux réutiliser la même cuve)
L'absorbance étant définie par :
montrer qu'elle peut alors se calculer par la relation :
Utilisation du colorimètre pour réaliser un dosage par étalonnage d'une solution de permanganate de potassium:
Quelle est la couleur d'une solution de permanganate de potassium ?
Le cercle chromatique permet de prédire la couleur la plus absorbée par une solution colorée :
(source wikipedia)
La radiation la plus fortement absorbée par une solution colorée se trouve diamétralement opposée à la couleur de la solution sur ce cercle chromatique.
Déduire de ce cercle la couleur de la Led que l'on devra utiliser pour la réalisation de cette manipulation.
Réalisation d'une échelle de teintes :
Il s'agit d'obtenir une série de solutions de concentrations différentes mais conues avec la meilleure précision possible :
On part d'une solution mère de permanganate de potassium de concentration
C0 = 5,0.10-4 mol.L-1 dont on réalise quelques solutions diluées. On calcule leur absorbance à partir des mesures de tension de sortie relevées avec le colorimètre :
Tracer sur papier millimétré la courbe A = f(C).
Quelle relation mathématique peut-on établir entre l'absorbance A et la concentration C de la solution ? (Cette relation s'appelle la « loi de Beer-Lambert »)
Dosage d'une solution de permanganate de potassium :
Vous disposez d'une solution de permanganate de potassium de concentration inconnue CX. La déterminer.
Réception télécommande
Etude d'une transmission numérique : code émis par une télécommande infrarouge :
Les télécommandes de type téléviseur sont munies à leur extrémité d'une Led, parfois masquée par un filtre plastique sombre (mais pas opaque) comme sur la télécommande de droite :
A expérimenter à la maison : la lumière émise par cette Led est-elle visible :
- à l'oeil nu ?
-
par un appareil photo ?
-
par le module photo d'un téléphone portable ?
Rechercher dans la frise des ondes électromagnétiques disponible sur le site http://www.ostralo.net la longueur d'onde de la lumière émise par cette Led.
La photodiode utilisée par notre montage pourra-t-elle détecter cette lumière ?
Est-elle optimisée pour ce type d'application ?
On se propose d'utiliser le montage détecteur de lumière pour étudier la lumière émise par une télécommande. Le montage sera alimenté en 12V. La sortie du montage devra être connectée à un oscilloscope numérique ou à une interface EXAO (munie alors d'un adaptateur voltmètre dont on choisira correctement le calibre). La durée d'acquisition devra être de l'ordre de la centaine de milliseconde ; une synchronisation de quelques volts en sens croissant sera activée :
Exemples d'oscillogrammes obtenus lors de l'appui sur la touche "Volume +" ou "Volume -" d'une télécommande Thomson :
Détection de passage
Différentes techniques peuvent être utilisées pour détecter le passage d'une personne, d'un animal ou d'un objet.
On va utiliser ici le principe de la "fourche optique", dans laquelle l'objet à détecter doit :
- soit rompre un faisceau lumineux établi entre une source de lumière et un récepteur. La chute de luminosité indique alors le passage de l'objet.
- soit réfléchir un faisceau lumineux vers le récepteur. Cette fois, c'est l'augmentation de luminosité qui indique que l'objet est en train de passer. Cette technique est utilisée dans le montage Doppler.
Concevoir un protocole permettant de mesurer, à l'aide du détecteur de lumière, la vitesse d'un modèle réduit de voiture :
