Electricité - électronique Chapitre 5. Détecteurs de lumière. 1. La photorésistance. ne photorésistance est un composant électronique dont la résistance dépend de l éclairement. On la désigne aussi par le sigle LD (Light Dependent esistor : 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 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. ésistance 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 P max. 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 (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) 1 6 25 50 100 150 250 350 500 700 1000 (k ) 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/, 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. appeler 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. n exemple de données caractéristiques. Puissance:maximale 250 mw ésistance d'obscurité :1 MOhm ésistance : 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. V CC = + 5 V 2 1 - + 0 S 0 V On donne 0 = 2 k. 1 = 1 k et 2 = 5 k. Tension de saturation de l Aop : 12,5 V. Exprimer 0 en fonction de, 0 et V CC. Exprimer S en fonction de 1, 2 et C. Préciser la condition de validité de cette relation, relativement à S. Définir et calculer le coefficient d amplification en tension. Compléter le tableau. E (lux) 1 6 25 50 100 150 250 350 500 700 1000 (k ) 0 (V) S (V) Effectuer la représentation graphique S = 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. éalisation pratique. Adapter les valeurs des résistances au dispositif expérimental et faire l essai. S (V) 2. La photodiode. 2.1. Principe. I 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(), 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 I D 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. I D G Secteur 2. La photodiode se comporte comme un I générateur et impose le sens du courant, en sens inverse du précédent (intensité I : comme «reverse»). Pas besoin de générateur extérieur. 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. Dans le secteur 3. La photodiode est polarisée en inverse ; elle laisse cependant passer un courant inverse qui est néanmoins très faible. Cette intensité dépend peu de la tension : la photodiode se comporte comme une source de courant. Par contre, elle dépend notablement de l éclairement : c est pourquoi ce courant est aussi appelé G photocourant. Il y a même une relation de proportionnalité entre l intensité I et l éclairement E (document 2).. Les variations de ce faible courant en fonction peuvent être converties en variations de tension aux bornes de la résistance, en choisissant une valeur importante (par exemple = 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. I Q5. echercher 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. tilisation de la photodiode BPW34. a. echercher à l aide du multimètre utilisé en testeur de diode le sens direct et le sens inverse. b. tilisation en mode photovoltaïque.. elier directement la photodiode au multimètre en mode µa. Faire ci-contre un schéma permettant de repérer le sens du courant. I (µa) c. Photocourant. Faire ci-contre un schéma du montage permettant la polarisation en inverse, par l intermédiaire d une résistance de 100 k. éaliser le montage avec une tension d alimentation de 12 V. Mesurer la tension aux bornes de la résistance pour différents éclairements. (V) 3. Le phototransistor. C C : collecteur G 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 ouge, l autre pour le Vert, le dernier pour le Bleu) : ces groupes forment des pixels. 5