L.P.O. AVRIL 2003 : Optoélectronique NOM :

Transcription

1 1 PHOTODIODE BPW34 Soit une photodiode de type BPW34 dont la caractéristique est donnée en annexe. PD01: A partir de l ensemble des documents, rechercher les différentes caractéristiques des composants recopier et compléter le tableau suivant. BPW34 Demi-angle de «vision» Surface du capteur Tension inverse max Courant inverse d obscurité Capacité de la diode Condition de mesure PD02 : La sensibilité du capteur n est pas directement exprimée en A/W (courant/flux). Sous quelle forme la sensibilité de la photodiode est-elle exprimée? Donner la valeur et la condition de mesure. A partir de ces informations, convertir cette donnée pour l exprimer en A/W. 1.1 Etude théorique Cette photodiode est utilisée suivant deux types de montages. (les circuits sont alimentés sous Cc = 10 volts). PD03 : La photodiode est utilisée avec les deux montages suivants. L un des montages utilise la photodiode en mode photovoltaïque et l autre en mode photoconducteur. Quelle différence y-a-t il entre les deux modes de fonctionnement de la photodiode? A quel type d utilisation correspondent ces deux montages? +VCC 10 kω V Vs Vs PD04 : Analyser le montage 1. Donner la relation simplifiée qui lie la tension de sortie Vs au flux d entrée φ. PD05 : En utilisant les caractéristiques du composant données par le constructeur construire, à l échelle la courbe Vs en fonction de l éclairement. PD06 : Pour le montage de la figure 2, quel doit être l allure de la courbe Vs = f(f). Ir Io Cd

2 2 PD07 : Le schéma électrique ci-dessus représente le modèle électrique équivalent, mais simplifié, d une photodiode en régime dynamique. A quoi correspondent les différents constituants de ce schéma et quelles sont leurs influences sur le fonctionnement du composant? PD08 : Rechercher la caractéristique qui exprime la variation de la capacité en fonction de la tension inverse. Donner les conditions de polarisation de la photodiode pour que la capacité C d soit la plus faible possible. Quelle est l'influence de cette capacité C d sur la bande passante du montage? Justifiez la polarisation à +Vcc de la photodiode dans le premier montage. Le montage n 1 reçoit d une part le signal infrarouge issu de la LED mais également certaines lumières «parasites» issues du Soleil ou de l éclairage artificiel. La réponse en fréquence de l ensemble de cette structure, représentée par le graphe suivant, montre que la bande passante disponible est limitée aux basses fréquences. G(Vs) in db Fréquence de coupure Frequence PD09 : A quoi est dû le pic de surtension situé au niveau de la fréquence de coupure? Proposer une solution technologique permettant d atténuer ce pic. PD10 : Comment atténuer les éventuelles perturbations issues du soleil et/ou de l éclairage ambiant? PD11 : Comment sont repérées l anode et la cathode sur le composant photodiode?

3 3 PHOTOMETRIE Une source lumineuse émet un flux homogène φ dans l ensemble d un cône d émission. Un récepteur, d une surface S de 1 mm², est séparé de la source par une distance de 50 cm il reçoit dans ce cas un flux de 0,5 mw. Source Récepteur.d d PH01 : Calculer l angle solide Ω correspondant au cas ci-dessus. PH02 : Donner l expression puis calculer l éclairement E reçu par la source à cette distance. (la valeur numérique de l éclairement doit être exprimé en mw/mm²). PH03 : Le récepteur se déplace maintenant le long de l axe, donner l expression de la variation de l éclairement au niveau du récepteur en fonction de la distance E = f(d). Construire cette courbe à l échelle pour 0 < d < 1m. PH04 : On désire mesurer un flux lumineux d environ 0,5 nw. Quel type de détecteur faut-il utiliser sachant que la longueur d onde du signal est dans le domaine visible? Justifiez votre réponse.

4 4 Code à barres Le schéma fonctionnel d un lecteur de code à barres est le suivant. Le détecteur noté PD sur le schéma a pour référence APD 50. Il est composé d une photodiode à avalanche de 0,5 mm² associée à un amplificateur à transimpédance ainsi qu un convertisseur haute tension qui assure la polarisation de la PDA. Dans les limites de fonctionnement préconisées par le constructeur, la tension de sortie est proportionnelle au flux lumineux reçu. CAB01 : A partir des caractéristiques du composant APD 50 données en annexe, il est demandé de compléter le tableau suivant. Tension de fonctionnement préconisée par le constructeur Ordre de grandeur du flux correspondant à l obscurité Facteur d amplification du détecteur Sensibilité à 830 nm Sensibilité à 650 nm Analyse photométrique : Le Laser utilisé émet une puissance de 2 mw pour une longueur d onde de 635 nm. On suppose tout d abord que la bande noire (du code à barres) est parfaitement absorbante et la bande blanche parfaitement diffusante. Le facteur de transmission du cube séparateur est de 50 %. Le détecteur PD est séparé du code à barres d une distance de 20 cm. CAB02 : Calculer l ordre de grandeur du flux reçu sur le code à barres. Dans le cas d une barre blanche, le flux diffusé par cette surface est de type Lambertien. Donc le flux reçu sur le détecteur est fonction : du flux diffusé par le code à barres et du demi-angle du cône d émission entre le code et la surface du détecteur sans oublier le cube séparateur qui intervient ici. CAB03 : Calculer l ordre de grandeur du flux reçu sur le détecteur. CAB04 : Déduire de la question précédente la valeur de la tension Vs en sortie du détecteur pour une barre noire puis une barre blanche.

5 5 APD50 Avalanche Photodiode Preamplifier APD 0.5mm or 2.5mm diameter APD R Vpol Sortie Principe A Si avalanche photodiode and low noise preamplifier module. A FET input stage ensures low HF noise and wide bandwidth. The bias voltage supply has température compensation to maintain the APD gain constant 100 ma DC to 25 MHz (100 MHz for large detector) Fully DC coupled with good puise response Varous detector sizes are available TheAPD50 is fully DC coupled with dark offset < lmv and good DC stability for detecting low signal levels Dimensions Length - 80 mm Width - 56 mm Height - 28 mm Overall Length - 92 mm Weight g Alimentation : The amplifier comes with a 1,5 meter supply and requires ± 15 V at < Specification Diamètre 0,5 mm detector 2,5 mm detector Amplification par avalanche M : Réponse à 800 nm (figure 1) 2, V/W 1, V/W Bande passante 25 MHz 15 MHZ Temps de monté 14 ns 23 ns Dark noise (NSD) 30 fw/hz 1/2 300 fw/hz 1/2 Figure 1. Réponse du détecteur en fonction de la longueur d onde

6 6 MODULE DIODE LASER SONY SLD 104 U La caractéristique de ce composant est donnée en annexe. Ce module est composé d'une diode d'émission laser associée à une photodiode de monitoring qui génère un courant Imon image de la puissance Po DL01 : Pour obtenir une puissance d émission Po de 3 mw, avec cette diode Laser, il est nécessaire de fixer la valeur du courant Iforward défini par les caractéristiques. Rechercher les valeurs des deux courants de I F et I M pour cette puissance. Le schéma suivant représente l asservissement de cette diode LASER. Consigne Po ε A If DL R Im PD Afin de calculer cet asservissement, il est nécessaire d établir les deux équations Po = f(i FOR ) pour la diode LASER et I MON = f(po) pour la photodiode pour une variation de puissance comprise uniquement entre 1mW et 5 mw.

7 7 DL02 : En utilisant les courbes des caractéristiques constructeurs, établir les deux équations de fonctionnement dynamique simplifiées de la DL : Po = f(i FOR ) et de la PD Po = f(imon) DL03 : En fonctionnement, la température du composant augmente. Cette élévation de température modifie les caractéristiques de fonctionnement du composant. Quelles sont ces modifications? (Justifiez votre réponse à l aide des documents constructeurs.) DL03 : Le schéma suivant représente la structure électronique qui réalise l asservissement. En comparant les deux schémas, identifiez sur le schéma structurel, les 5 fonctions du schéma fonctionnel. (Justifiez votre réponse.)