Une première introduction à l optoélectronique :fourche optique et transmission du son.

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1 TP 9 Une première introduction à l optoélectronique :fourche optique et transmission du son. 9.1 Introduction Émise par un corps, réfléchie par une surface, rétrodiffusée ou encore modulée à diverses fréquences, la lumière peut véhiculer de l information. Pour l exploiter, les photons doivent être convertis en signaux électriques : la lumière est ainsi «détectée». La détection est au cœur de la conception d un système : à l interface Optique-Traitement électronique, c est elle qui permet d exploiter de manière optimale le signal optique portant l information. Une détection mal pensée ou mal optimisée se traduit par une perte définitive d information. Aucun traitement, aussi performant soit-il, ne permettra de retrouver de l information si cette dernière n a pas été détectée! Par exemple, si l objectif est de rechercher la présence d un corps émettant dans l infrarouge lointain (vision nocturne, détection de tumeurs en imagerie médicale, etc), le détecteur doit être adapté à ce domaine de longueur d onde spécifique. Si l information est portée par une modulation rapide de la lumière, la bande passante devra être suffisamment large pour ne pas perdre ce signal. Objectif de la séance L objectif de ce TP est d étudier deux systèmes mettant en jeu à la fois l émission de lumière, sa détection et le traitement électronique qui l accompagne pour réaliser une «fonction», une «tâche» définie. Le premier système est appelé fourche optique et sera étudié en détail. Le second consiste à transmettre du son par fibre optique. Une démonstration de ce système sera réalisée par l enseignant. Matériel Alimentation +15/-15V 43

2 44 TP 9. UNE PREMIÈRE INTRODUCTION À L OPTOÉLECTRONIQUE :FOURCHE OPTIQUE ET TRANSMISSION DU SON. Source laser : il s agit d un pointeur laser de 1 mw, émettant dans le rouge (de longueur d onde 635 nm). Il se connecte sur une alimentation +15V/0V et sera activé à l aide d un bouton poussoir situé sur le laser. Boîtier bleu " Récepteur " : il permet de détecter la lumière. Boîtier bleu " Comparateur " : il est constitué d un amplificateur opérationnel (la connaissance de son fonctionnement est hors programme). Boîtier bleu " Bascule et alarme " : il comporte une " bascule " puis, un buzzer et une diode rouge en parallèle. Boîtier " LED rouge et verte " : deux diodes électroluminescentes (LED - light-emitting diode) montées tête-bêche (voir figure 9.1). Boîtier " Diode " Boîtier de résistance variable Boîtier " Condensateur " : 2 condensateurs de 4700 µf montés en série. Un G.B.F. (générateur basse fréquence) et un oscilloscope ATTENTION!!!! Les lasers sont des sources lumineuses dangereuses. Il faut donc veiller à ne jamais regarder un faisceau laser dans l axe et à éviter toutes les réflexions parasites. Il s agit d être particulièrement vigilant lorsque vous travaillez en binôme. Il est indispensable d enlever bagues et montres durant le TP, ces objets pouvant se comporter comme des miroirs! FIGURE 9.1: Deux diodes électroluminescentes rouge et verte montées tête-bêche. Introduction Fourche optique Une fourche optique consiste en un système d émission de lumière et un système de détection placés face à face. Le faisceau définit ainsi une ligne, ou une barrière, et le passage d un objet à travers cette ligne a pour effet de couper le faisceau, coupure détectée par le système de détection. La coupure du signal peut ensuite être utilisée pour des opérations de comptage sur convoyeur, pour mesurer un déplacement (les anciennes souris d ordinateur à boule fonctionnent avec de tels systèmes), pour déclencher une alarme, pour allumer une lumière... Cette étape nécessite de traiter le signal électrique obtenu pour réaliser la fonction souhaitée. Dans le cadre de ce TP, deux

3 9.2. FOURCHE OPTIQUE : DÉTECTION DE PASSAGE 45 fonctions seront mises en oeuvre : 1- La première consistera à détecter une coupure du faisceau, éteindre alors une diode verte et allumer une rouge. (Partie (9.2)) 2- La seconde fonction sera d émettre une alarme (buzzer+diode rouge) uniquement si le faisceau est coupé plus de 10 secondes. Les coupures brèves ne devront pas déclencher d alarme. (Partie (9.3)) 9.2 Fourche Optique : détection de passage Dans cette partie, l objectif est de détecter la coupure du faisceau, d éteindre une diode verte et d allumer une diode rouge pour signaler la coupure. Détection de la lumière à l aide d une photodiode Une photodiode est un dispositif semi-conducteur qui produit un courant fonction de l éclairement reçu. Ce courant est ici converti en tension à travers une résistance. Le boîtier contient ainsi une photodiode en Silicium, une pile pour «polariser» la photodiode et une résistance aux bornes de laquelle la tension est mesurée (figure (9.2)). I E R FIGURE 9.2: Le laser a une puissance de 1mW. Sachant que l énergie d un photon est donnée par hc/λ, quel est l ordre de grandeur du nombre de photons émis par seconde? (constante de Planck h=6, J s et c la vitesse de la lumière)

4 46 TP 9. UNE PREMIÈRE INTRODUCTION À L OPTOÉLECTRONIQUE :FOURCHE OPTIQUE ET TRANSMISSION DU SON. Alimenter la source laser et le boîtier " Photodiode ". Aligner le système pour que le faisceau laser parvienne sur la surface de photodiode. Connecter la sortie de ce boîtier à l oscilloscope et visualiser la tension dans le cas où le faisceau est bloqué ou non. Feuille de résultats : Compléter la seconde ligne du chronogramme I. Un chronogramme représente l évolution d une grandeur en fonction du temps. Si cette grandeur est binaire (ON/OFF), on peut représenter son évolution entre deux états 1 et 0. Etude des diodes électroluminescentes rouge et verte De manière générale, une diode est un dipôle électrique non symétrique : elle ne laisse passer le courant que dans un seul sens et à partir d une certaine tension appliquée à ses bornes (tension dite " de seuil "). Son sens de branchement est donc très important. i u u i FIGURE 9.3: Schéma d une diode et caractéristique courant-tension. Les deux diodes sont montées tête-bêche (figure 9.1). La tension à leurs bornes est donc la même. Suivant le signe de la tension appliquée, l une sera donc passante et l autre bloquante. Générer une tension continue de 0.5 V à l aide du générateur continu et le connecter aux diodes. Que constatez vous? En variant la tension de sortie du générateur, mesurer la tension de seuil. À l aide du G.B.F., générer un signal créneau variant entre 0 et 5 V. La fréquence sera de 1 Hz. Connecter aux bornes des diodes. Que constatez vous? Augmenter la fréquence. Quelle est la "fréquence de coupure " de votre œil? Mise en forme du signal de la photodiode : " Comparateur " L étude précédente a montré que les diodes rouge et verte doivent être branchées sous une tension positive ou négative suivant celle que l on souhaite allumer. Or, la tension à la sortie du montage de détection est soit nulle soit positive, donc pas adaptée à ce que l on souhaite réaliser. Pour remédier à cela, on utilise un montage " comparateur " qui permet de délivrer une tension +V ou -V suivant la valeur de la tension d entrée par rapport à une tension de référence fixée ici à 2 V. Alimenter le boîtier et connecter la sortie du montage " Photodiode " à son entrée. Visualiser alors la tension de sortie à l oscilloscope suivant la présence ou l absence de lumière sur la photodiode. Que vaut V? Feuille de résultats : Compléter la troisième ligne (ligne "comparateur") du chronogramme I.

5 9.3. FOURCHE OPTIQUE : DÉTECTION DE COUPURE LONGUE 47 Montage final Associer les éléments précédents et vérifier le fonctionnement. La diode rouge doit s allumer lorsque le faisceau est coupé. Feuille de résultats : Terminer le chronogramme de cette partie en remplissant la dernière ligne (diode rouge allumée ou éteinte). 9.3 Fourche Optique : détection de coupure longue La fonction souhaitée est désormais plus compliquée : une alarme doit être émise quand le faisceau est coupé plus de 10 secondes. Les coupures plus brèves ne doivent donc pas être détectées. De plus, le système doit être opérationnel à tout moment, même après une coupure brève. Réalisation d un circuit RC La constante de temps sera réalisée à l aide d un circuit RC. On utilise le boîtier transparent " Condensateur " qui comporte 2 condensateurs en série, de capacité C=4700 µf chacun. Quelle valeur donner à R pour obtenir une constante de temps de 10 secondes? Réaliser le montage et caractériser la réponse indicielle du circuit (c est-à-dire la réponse du circuit à un saut de tension) à l aide du G.B.F., du voltmètre et d un chronomètre (la constante de temps est trop longue pour être mesurée à l oscilloscope). On mesure la tension aux bornes du condensateur. Circuit RC à charge rapide et décharge lente La constante de temps de la décharge est de 10 secondes. Cependant, si le faisceau est bloqué plus de 10 secondes puis relâché, il faudra un temps long (de l ordre de 10 secondes) pour que le circuit puisse à nouveau répondre à une coupure du faisceau. Pour éviter ce phénomène, on réalise un circuit à décharge lente mais à charge rapide. Les deux constantes de temps seront ainsi différentes. Pour cela, la résistance doit être différente suivant le sens du courant dans le circuit. On utilise le boîtier transparent " Diode ". La diode est placée en parallèle avec la résistance R (voir figure 9.4). Dessiner le schéma électrique du circuit RC suivant le sens du courant, c est-à-dire suivant le signe de la tension en entrée du circuit. Sachant qu une diode passante a une petite résistance, en conclure que ce circuit réalise la fonction souhaitée. Caractériser à l aide de l oscilloscope les régimes de charge et décharge du circuit. Montage final La sortie du comparateur est branchée à l entrée du circuit RC, lui-même connecté au boîtier "Bascule et alarme ". Ce dernier boîtier est constitué d un amplificateur opérationnel monté de telle sorte que sa tension de sortie soit +V si la tension d entrée est positive et -V si elle est négative : il

6 48 TP 9. UNE PREMIÈRE INTRODUCTION À L OPTOÉLECTRONIQUE :FOURCHE OPTIQUE ET TRANSMISSION DU SON. u i R C FIGURE 9.4: réalise donc la même fonction que le comparateur de la partie (9.3) mais la valeur de référence est ici nulle. La tension est alors appliquée à une alarme et à une diode rouge. Vérifier le fonctionnement du système. Adapter la valeur de R pour obtenir exactement 10 secondes entre la coupure et le déclenchement de l alarme. Feuille de résultats : Compléter le chronogramme II. 9.4 Transmission du son par fibre optique Cette partie permet d illustrer le principe, sous sa forme rudimentaire, des télécommunications optiques. Il s agit ici de transmissions purement analogiques. Principe L information contenue dans le signal électrique issu d un lecteur de musique (le signal qu on envoie d habitude vers un haut parleur ou des écouteurs!) est convertie en information lumineuse. La lumière est ensuite transportée par fibre optique puis détectée. Après détection, l information est à nouveau électrique et peut être envoyée vers un haut parleur. Dans le cas idéal, le signal électrique initial se retrouve en bout de chaîne. Qu appelle-t-on ici «information»? Quelle bande passante est nécessaire pour transmettre du son? Description du montage On dispose d un lecteur de musique, d un haut-parleur associé à un amplificateur audio, d une fibre optique plastique de diamètre de cœur 1mm, d une diode électroluminescente et de son alimentation. La sortie jack du lecteur de musique est envoyée sur l entrée " Modulation " de l alimentation de la diode électroluminescente. Le courant d alimentation de la diode est alors modulé autour

7 9.4. TRANSMISSION DU SON PAR FIBRE OPTIQUE 49 d une valeur fixe. Si la bande passante est suffisamment large, cette modulation est transmise à la lumière : en d autres termes, l intensité de la lumière fluctue suivant le rythme de la musique! Tout comme dans la partie II où la diode clignotait lorsqu une tension créneau était envoyée à ses bornes. Ici, la modulation est plus faible, elle n est pas " tout ou rien ". La lumière est ensuite guidée dans une fibre optique, sur plusieurs dizaines de mètres. À la sortie de la fibre, la lumière est détectée à l aide d une photodiode similaire à celle utilisée au cours de ce TP. Si la bande passante cette fois-ci de la détection est suffisamment large, la modulation de la lumière engendre une modulation du signal électrique. Dans le cas idéal, cette modulation est identique à celle qui sortait du lecteur de musique. Ce signal est finalement branché sur un haut-parleur : on retrouve la musique de départ!

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