Capteurs de Lumière

Capteurs Capteurs de lumière

1

Photométrie * énergie rayonnante Q (J) = énergie émise, propagée ou reçue sous forme de rayonnement.

énergétique j (J.s-1 ou W) = puissance de rayonnement, •le flux énergétique j

j = dQ / dt. •l'éclairement énergétique E (J.s-1.m-2 ou Wm-2) = puissance reçue par unité de s, E = dj / dA visuelle , grandeurs rapportées à la sensibilité de l'oeil humain. * photométrie visuelle,

2

Les photocapteurs 1. Photorésistance 2. Cellule photoélectrique 3. Photodiode / cellule photovoltaïque 4. Photo transistor

3

Les détecteurs photoniques et Photorésistance

4

Photorésistance Certains semi-conducteurs comme CdS, SeCd, PbD, SbIn, SbAs ... ont une résistance qui varie avec l'éclairement. Les photons incidents augmentent le nombre des porteurs libres et diminuent la résistance. L'efficacité est fonction de la longueur d'onde de la lumière. Pour CdS, la courbe de sensibilité est voisine de celle de l'oeil humain.

Propriétes. Propriétes. Avantages : Capteur sensible, de faible coût, facile à mettre en œuvre. Inconvénients : Non linéaire. La vitesse de variation de R avec l'éclairement est faible et non symétrique. (Temps de montée de l'ordre de 35 ms et temps de descente de l'ordre de 10 ms). Applications : Déclenchement automatique d'éclairage, détecteur de présence, relais optique ...

5

Figure 2. Efficacité quantique des pri ncipaux matériaux

utilisé pour la photodétection.

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Fig: Coefficients d’absorption a et profondeurs moyennes de pénétration ‘’1/ a'' l’ énergie des photons des matériaux semi-conducteurs usuels en fonction de l’énergie

Les détecteurs photoniques Photorésistance et

. La résistance vérifie les lois suivantes :

avec R: la résistance du matériau s : la conductivité du matériau qui dépend de l'éclairement reçu L: la largeur de la bande du semi-conducteur photo-sensible A: la surface de la bande du semi-conducteur semi-conducteur photo-sensible E l'éclairement a constante dépendant du matériau, de la température température et du spectre du rayonnement g constante généralement comprise entre 0.5 et 1 Or, la grandeur mesurée dans le cas d'une

Or,, la grandeur mesurée dans le cas d'une photo-résistance est Or le courant de sortie. Il vérifie la loi d’Ohm U=RI d'où

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Les détecteurs photoniques Photorésistance

les cellules photoconductrices ont des sensibilités de 10-1 à 102 A.W-1.

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Afin d'optimiser d'optimiser le capteur capteur et que le courant I soit assez important important pour être mesuré, la surface A d'exposition du semi-conducteur doit être grande vis-à-vis de sa largeur de bande. C’est pour cette raison que le semi-conducteur est disposé en "serpentin".

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Les détecteurs photoniques Photorésistance

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Conditionneur d’une photo-résistance C’est capteur passif qui nécessite une alimentation. Afin de pouvoir détecter l’effet de la lumière sur la résistance, on alimente la photorésistance par une tension V fixe. A l’obscurité, elle est traversée par un courant Iob. Sous éclairement, et sous la même tension elle sera traversée par un courant I écl=Iéob + DI La grandeur utile de ce capteur est donc le courant. On utlise un circuit convertisseur courant tension tel que Vsortie= K Ientrée K est la fonction de transfert homogène à une résistance. Dans le circuit ci-dessous K = -R. L’entrée du conditionneur est sous une ddp e  zéro. Cette condition est proche de celle d’un court-circuit, ce qui est favorable à une attaque en courant (tirer le maximum de courant).

R

Ie Ie

+ Vs = - R Ie

Circuit convertisseur courant tension

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R

Ie Ie

Ie

+

V

Vs = - R Ie

Photorésistance Alimentée par Une tension V

Convertisseur courant tension

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Caractéristiques Coût

Prix : 1 à 3 dinar Principales caractéristiques métrologiques •Temps de réponse : Élevé (de l'ordre de quelques millisecondes). •Puissance: De l'ordre d'une centaine de milliwatts. •Résistance d'obscurité : De l'ordre du Méga-Ohms kil o-Ohms •Résistance en mode éclairé : De l'ordre de la dizaine du kilo-Ohms •Température de fonctionnement: De -60 °C à +75 °C Utilisation

Les photorésistances sont généralement employées dans les montages permettant de détecter des seuils d'éclairement: allumage de l'éclairage public flash automatique des appareils photos Détection d'intrusion Jouets divers...

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Effet photo-électrique

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L'effet photoélectrique correspond L'effet photoélectrique correspond à l'émission d'électrons par un matériau lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnemen rayonnementt électromagnétique de fréquence suffisamment élevée. Historiquement, la découverte de l'effet photoélectrique par Planck et son interprétation par Einstein sont à l'origine de la mécanique quantique. En effet, l'expérience liée mettait en évidence la réalité des photons en tant que particules d'énergie élémentaires associés à une onde électromagnétique. L'émission d'électrons ne se produit que si la fréquence du rayonnement est supérieure à une fréquence f réquence seuils caractéristique du métal. Elle est alors instantanée. Au cours de la collision, le métal absorbe le photon dont l'énergie l'énergie hv est fournie à un électron. Cette énergie permet à l'électron de valence de se libérer des forces qui le maintiennent dans le métal et d'acquérir,, une fois sorti du métal, une énergie cinétique. L'énergie d'acquérir fournie pour cette sortie du métal est souvent appelée énergie d'extraction.

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-le photomultiplicateur Effet photoélectrique sur des électrodes métalliques de potentiels croissants. Sensibilité 103 à 107 A.W A.W-1 La tension totale HT est typiquement 1000 V.

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Photomultiplicateur

Modèle fonctionnel du processus de mesure d’un signal de type lumineux

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Le photomultiplicateur est est basé sur le principe de la photo-multiplication. Quand la lumière pénètre dans le tube et frappe la photocathode, des photoélectrons sont arrachés et émis dans l'enceinte sous vide du tube. Ces électrons sont attirés vers des électrodes secondaires (dynodes) portées à un potentiel supérieur. Le choc mécanique entre les électrons et chaque dynode crée des électrons secondaires qui sont émis sur chacune de ces dynodes. Le signal d'entrée est ainsi amplifié et apparait en sortie sur l'anode. Soit ik le courant de cathode et ia le courant d'anode. ia est donné par la relation :

ia = G ik = n ik avec G= n d est le gain du Photomultiplicateur Photomultiplicateur.. δ est le coefficient d'émission secondaire sur chaque dynode

n est le nombre de dynodes

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Caractéristiques d’un photomultiplicateur Coût

Prix : élevé (A partir de 700 euros jusqu'à plusieurs milliers d'euros suivant les composants). Principales caractéristiques métrologiques •Rapidité élevée. •Bruit faible. •Sensibilité élevée. •Domaine d'utilisation élevé. Utilisation uv, visible et infrarouge •Spectroscopie uv, •Fluorescence X •Spectrophotométrie Raman •Diffractométrie X

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photomultiplicateur

21

PHOTODIODE

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Silicon photodiodes are semiconductor devices responsive to high-energy particles and photons. Photodiodes operate by absorption of photons or charged particles and generate a flow of current in an external circuit, proportional to the incident power. Photodiodes can be used to detect the presence or absence of minute quantities of light and can be calibrated for extremely accurate measurements from intensities below 1 pW/cm 2 to intensities above 100 mW/cm 2. Silicon photodiodes are utilized in such diverse applications as spectroscopy, photography, analytical instrumentation, optical position sensors, beam alignment, surface characterization, laser range finders, optical communications, and medical imaging instruments. instruments.

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Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Ei

Charge

R

24


- - - - - - - - - - - - - - - -

Ei

Charge

R

+ + + + + + + + + + + + +

Sous l’effet des charges photogénérées + et – accumulées sur les faces arrière et avant, la cellule est sous tension. On dit que La cellule s’auto-polarise 25


- - - - - - - - - - - - - - - -

Ei

Charge

R

+ + + + + + + + + + + + +

Étant polarisée, la jonction PN est traversée par un courant (de diode I(V)) I(V)= Is [exp (eV/kT) - 1] Ce courant passe à travers la jonction de P vers N, ce courant existe même À l’obscurité, on l’appelle courant d’obscurité Iob. Lorsque le cellule est branchée à unecharge, le courant des porteurs photogénérés Passe à travers la jonction de N vers P, donc dans le sens opposé au courant d’obscurité

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- - - - - - - - - - - - - - - -

Ei

Charge

R

+ + + + + + + + + + + + +

Le courant total sera I (V) = Iph – Iob Le sens du courant est celui de la photopile en mode générateur 27

Photographie d’une cellule photovoltaïque en silicium Une cellule photovoltaïque en silicium délivre une tension de circuit ouvert voisine de 0,55 Volts. Volts. Lorsqu’elle chargée par chargée par une charge optimale, elle donne une tension Vn de l’ordre de 0,5 Volt. L’intensité du courant d’une cellule photovoltaïque de 15 cm x15 cm est dans l’intervalle de 6 à 8 ampères sous éclairement de 1000 W/m2.

28

Photographie d’une cellule solaire en silicium Remarquer les doigts de contacts : principaux (verticaux) et secondaires (horizontaux)

29

Photographie d’un panneau solaire en silicium

Dans un panneau photovoltaïque, toutes les cellules sont connectées en série (Ns cellules). La tension de sortie d’un panneau est égale à la somme des tensions de sortie des cellules le constituant V panneau = Ns Vcellule. L’intensité du courant d’un panneau est la même que celle qui traverse toutes les cellules

30

Photographie d’un champ d’un champ photovoltaïque

31

Photographie d’un champ d’un champ photovoltaïque avec système suiveur du soleil

32

Photovoltaïque sous concentration

Lentilles de concentration

Cellules multi jonctions

Photographie d’un panneau d’un panneau solaire en arséniure de gallium sous concentration

33

Cellule montée sur radiateur

Cellules multi jonctions

34

Principe d’une lentille de concentration de type Fresnel

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Technologie de concentrateur utilisant les lentilles de Fresnel Une lentille de Fresnel, du nom du physicien français, comprend plusieurs sections avec des angles différents, ce qui réduit le poids et l'épaisseur par rapport à un objectif standard. Avec Avec une lentille de Fresnel, il est possible de parvenir à une courte focale et grande ouverture tout en ayant une faible masse de la lentille. Les lentilles de Fresnel peuvent être construites dans une forme de cercle afin d’avoir un foyer ponctuel avec des rapport de

concentration de l'ordre de 500, ou de forme cylindrique pour fournir une orientation en ligne avec les rapports de concentration inférieurs. Avec une lentille de Fresnel de rapport de concentration concentration élevé, il est possible d'utiliser d'utiliser une cellule photovoltaïque photovoltaïque à jonction multiple multiple (multijonctions) avec une efficacité maximale.

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Caractéristique I(V) d’une photodiode en mode générateur photovoltaïque

I

Caractéristique I(V) à l’obscurité

V I ph (F)

Générateur de courant constant.

L’intensité Iph du générateur de courant constant dépend de l’éclairement incident.

Le courant total sera I (V) = Iph – Iob Le sens du courant est celui de la photopile en mode générateur

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Caractéristique I(V) d’une cellule photovoltaïque

I(V)= Id (V) (V) – – I I ph I en mode récepteur


V I ph (F)

Caractéristique I(V) Sous éclairement

Générateur de courant constant Iph( ).

L’intensité Iph du générateur de de courant constant constant dépend de l’éclairement incident.

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Schéma équivalent et équation de la caractéristique I(V) d’une cellule photovoltaïque réelle

V

Le courant délivré sur une charge par une cellule solaire éclairée s’écrit s’écrit :

Le courant de fuite à travers la résistance parallèle (shunt):

Le courant qui traverse la diode:

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Réseau de Caractéristiques I(V) d’une cellule photovoltaïque sous différents éclairements

I(V)= Id (V) (V) – – I I ph (F)

I


V F1

I ph (F1)

F2

I ph (F2)

F3

I ph (F3)

F4

I ph (F4)

Caractéristiques I(V) Sous différents éclairements

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Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque débitant sur une charge

Mode photovoltaïque Droite de charge:

I Rg

I= V / R charge Eg

V

Rcharge

Droite de pente 1/R charge

Point de Fonctionnement C’est l’intersection de la carctériqtique I(V) de la cellule avec la droite de charge

Générateur photovoltaïque

Puissance débitée par le générateur photovoltaïque Puissance P= V I

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Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque débitant sur une charge I

Mode photovoltaïque

Rg Eg

V

Rcharge

Droite de charge: I= V / R charge Droite de pente 1/R charge

I


Point de Fonctionnement C’est l’intersection de la carctériqtique I(V) de la cellule avec la droite de charge

Puissance débitée par le générateur photovoltaïque Puissance P= V I

VQ

Caractéristique I(V Sous éclairement

V

PQ=VQ IQ

IQ

Q

1/R charge

Caractéristique I(V) à l’obscurité et sous éclairement d’un cellule photovoltaïque

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Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque débitant sur une charge I Caractéristique I(V) à l’obscurité

Recherche de la charge optimale VQ

Puissance P= V I La puissance débitée par un générateur dépend du point de Fonctionnement Q, qui lui dépend de la valeur de la résistance de charge


V

PQ=VQ IQ

IQ

Icc =I ph

Q

1/R charge

Q’ 1/R’ 1/R’charge

43


I

Puissance maximale Pm= Vm Im Correspond au point de fonctionnement M, donc à une charge optimale:


(Rcharge optimale = ?????) Vm

V

Puissance Pm= Vm Im

Im

M

1/Rcharge optimale

Icc =I ph Droite de charge Correspondant à la charge optimale

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I


Puissance maximale Pm= Vm Im correspond au point de fonctionnement M

Vm1 V

V

m2


P1m= Vm1 Im1

éclairement

Im1 Im2

éclairement

M1 P2m= Vm2 Im2 M2

Le point de fonctionnement optimal, qui correspond à une puissance débitée maximale change lorsque l’éclairement incident varie. Il faut, à chaque changement, trouver le point de fonctionnement optimal.

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I

Puissance maximale P m= Vm Im


dépend du point de Fonctionnement M

Vm1

Vm2


P1m= Vm1 Im1 éclairement

Im1 P2m= Vm2 Im2

Im2 éclairement

V

M1 M2

L’intensité Iph du générateur de courant constant dépend de l’éclairement incident. Le point de fonctionnement optimum change avec l’éclairement, la charge doit être changée en conséquence. Le rôle du conditionneur c’est de se positionner sur le point de fonctionnement optimum : point de puissance maximum (c’est un ond

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I

Puissance maximale P m= Vm Im


dépend du point de Fonctionnement M

Vm1

Vm2


P1m= Vm1 Im1 éclairement

Im1 P2m= Vm2 Im2

Im2 éclairement

V

M1 M2

Le conditionneur d’un générateur de puissance est un système dont l’impédance d’entrée joue le rôle de la charge au générateur. Il doit en conséquence adapter son impédance d’entrée au générateur chaque fois qu’il y a un changement de la puissance disponible en sortie du générateur quelque soit la

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Mode photovoltaïque Puissance maximale P m= Vm Im dépond du point de Fonctionnement M

I Rg Eg(F,T)

Générateur photovoltaïque

V

R charge (Impédance qui s’adapte aux variations de puissance du générateur photovoltaïque

Le conditionneur d’un générateur de puissance est un système dont l’impédance d’entrée joue le rôle de la charge au générateur. Il doit en conséquence adapter son impédance d’entrée au générateur chaque fois qu’il y a un changement de la puissance disponible en sortie du générateur quelque soit la cause.

48

Puissance maximale P m= Vm Im dépend du point de Fonctionnement M

Réseau de caractéristiques I(V) d’une photopile en silicium à différents éclairement La ligne en pointillée correspond au points de puissance maximale.

49

Caractéristiques I(V) et P(V) d’un générateur photovoltaïque Puissance maximale P m= Vm Im dépend du point de fonctionnement M. La caractéristique P(V) présente un maximum qui permet de se positionner Sur le point de fonctionnement correspondant sur la caractéristique caract éristique I(V)

Point de puissance maximale

Coordonnées Vm et Im du point de puissance maximale

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Mode photovoltaïque Puissance maximale P m= Vm Im dépend du point de Fonctionnement M

A chaque chaque éclairement, il correspond un point de puissance maximum maxi mum et donc une droite de charge de pente différente. Le conditionneur doit adapter son impédance d’entrée au générateur.

51

Photodiode polarisée en inverse inverse

Mode Photoconducteur : Photodiode Id U

R

la photodiode est polarisée en inverse

Equation de la maille :

U = Vd + R Id

52

Mode Photoconducteur : Photodiode Le courant d’une photodiode est la somme du courant d’obscurité Iobs et du photo-courant I ph

I d = I obs + I ph

53

Mode Photoconducteur : Photodiode Caractéristique I(V) de la photodiode Sous différents éclairements

F1

I ph (F1)

F2

I ph (F2)

F3

I ph (F3)

F4

I ph (F4)

I

V

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Mode Photoconducteur : Photodiode Photodiode en court-circuit

Courant de court- circuit en fonction de l’éclairement

55

Mode Photoconducteur : Photodiode Structure d’une Photodiode

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Mode Photoconducteur : Photodiode Zone active d’une Photodiode

P

N

Il est important que les photons soient absorbés dans la région d'appauvrissement. Ainsi, il est possible par exemple en diminuant le dopage dans la zone zone n d’élargir la largeur de la région d'appauvrissement de la photodiode (1-3 m). Avec une tension inverse à travers la jonction, la largeur de la zce s’élargit et la capacité de jonction diminue.

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Mode photoconducteur : photodiode Caractéristiques Caractéristiques optiques :

Rendement quantique

:

On définit le rendement quantique par le rapport du nombre d’électrons photogénérés Par le nombre de photons incidents:

Sensibilité spectrale: La sensibilité spectrale quantifie le rapport entre le courant produit par la photodiode et l'intensité lumineuse qu'elle a reçue. Ce paramètre se mesure en A.W -1 et dépend fondamentalement de la longueur d'onde.

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Mode photoconducteur : photodiode Caractéristiques Caractéristiques optiques :

Sensibilité spectrale

Sensibilité spectrale du Silicium et de l’œil

Sensibilité spectrale d’une photodiode en silicium

59

Sensibilité spectrale d’une photodiode en s ilicium

Sensibilité spectrale et rendement quantique des photodiodes en silicium, germanium et arséniure indium gallium

60

Efficacité quantique quantique des principaux matériaux utilisés pour la photo-détection.

Plusieurs semi-conducteurs sont utilisés pour réaliser de telles cellules. Chaque type est spécialisé dans une gamme de rayonnement : par exemple CdS est utilisé pour le visible, PbS pour le proche l’infrarouge, l’alliage ternaire Hgx Cd1-x Te pour les longueurs d’onde supérieures à 5µm. 61

Mode Photoconducteur : Photodiode Photocourant d’une photodiode

I ph = S d ( l l ) F (l)

Courant total d’une photodiode

Le courant d’une photodiode est la somme du courant d’obscurité I0 et du photocourant I ph

I d = I 0 + I ph = I 0 + S d F

62

Typical Spectral Responsivity of Several Different Types of Planar Diffused Photodiodes

63

Mode Photoconducteur : Photodiode

Droite de charge

Equation de la maille: Droite de charge U = R Id + Vd Id = – 1/R Vd + U / R

U

C’est l’équation d’une droite de pente

-1/R

R

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Mode Photoconducteur : Photodiode

Droite de charge

I

U

F1

I ph (F1)

F2

I ph (F2)

F3

I ph (F3)

F4

I ph (F4)

V

Icc =U/R

droite de charge de la photodiode

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Mode Photoconducteur : Photodiode Circuit équivalent d’une photodiode La photodiode se comporte comme un générateur de courant. Son schéma équivalent est donc celui d’un générateur de courant réel (avec Une impédance interne Z c). La photodiode fonctionne en inverse, son impédance Z c est composée d’une résistance Rc et une capacité de la jonction C j, qui dépend de la tension inverse Appliquée : C c=e S/ W(Vapp)

Capteur



ic(F)

R c

Cc

vm

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Mode Photoconducteur : Photodiode Circuit équivalent d’une photodiode Capteur

ic(F)

R c

Cc

vm

En régime dynamique de fréquence f, La photodiode présente une impédance Zc = Rc // Cc=e S/ W(Vapp). La fréquence de coupure de ce composant est :

f c= 1/2 R Cc 67

Mode Photoconducteur : Photodiode Circuit équivalent d’une photodiode Photodiode PIN: x p

P I

xn

WI

N

La zone I (intrinsèque) d’une jonction PIN est supposée isolante. L’épaisseur de la zone de charge d’espace d’espace est égale à : W = xn+ xp+ WI ce qui correspond à un élargissement de la zce , d’où d’où amélioration du rendement de la conversion et diminution de la capacité de la diode et donc une augmentation de la fréquence de coupure.

68

Mode Photoconducteur : Photodiode Circuit équivalent d’une photodiode Photodiode PIN:

La zone I (intrinsèque) d’une jonction PIN est supposée isolante. L’épaisseur de la zone de charge d’espace d’espace est égale à : W = xn+ xp+ WI ce qui correspond à un élargissement de la zce , d’où d’où amélioration du rendement de la conversion et diminution de la capacité de la diode et donc une augmentation de la fréquence de coupure.

69

Mode Photoconducteur : Photodiode Conditionneur d’une source de courant Quand le capteur actif est équivalent à une source de courant ic (m) en parallèle avec une impédance interne Z c, il doit attaquer une charge (élément suivant de la chaîne de mesure: dispositif de mesure) d’impédance d’entrée Z i négligeable devant Z c. Le courant im (mesuré) est donné par (diviseur de courant):

Schéma équivalent d’une photodiode sous éclairement attaquant un appareil de mesure de son courant

70

Mode Photoconducteur : Photodiode Conditionneur d’une source de courant Remarque: La tension vm aux bornes de Zc peut dans certains cas être très faible L’emploi d’un conve convertisseur rtisseur couran courant-tension t-tension permet à la fois de réduire l’influence de Zc et d’obtenir d’obtenir une tension vs importante

ic (m)

vs= - R ic (m)

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Mode Photoconducteur : Photodiode Conditionneur d’une photodiode (source de courant) Le capteur capteur (photodiode) est une source de courant courant (caractéristique I-V, I-V, I=cte qui ne dépend que du mesurande F). Le conditionneur est un convertisseur courant-tension. Le courant de sortie du capteur est converti en courant par l’ampli op. La tension en sortie du capteur est pratiquement nulle (capteur en court- circuit), il en résulte qu’aucun courant ne circule dans les éléments en parallèle du générateur de courant.

R

im Capteur

Câble

im -

ic(F)

R c

Cc

Photodiode alimentée par une tension inverse

vm

+ Vs = - R i m


72

Mode Photoconducteur : Photodiode Conditionneur d’une photodiode

Effet du câble de transport du signal

Constitution d’un câble, circuit équivalent d’un câble

73


Effet du câble de transport du signal


74

75

Constitution d’un câble, circuit équivalent d’un câble Cas : expressions des constantes linéiques d'une ligne idéale 1. Capacité linéique

(8.1)

capacité linéique d'un câble coaxial

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Constitution d’un câble, circuit équivalent d’un câble Capacité linéique d’un câble coaxial

Capacité répartie On trouve dans les catalogues la capacité par mètre (en pF/m) pour un câble coaxial mais on peut aussi la calculer à l'aide de la formule formule suivante:

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Constitution d’un câble, circuit équivalent d’un câble Cas : expressions expressions des constantes linéiques d'une ligne idéale 2. Inductance linéique

inductance linéique d'un câble coaxial Le champ magnétique H créé à la distance r d'un conducteur parcouru par un courant I a pour expression:

et le flux F correspondant, à travers une surface (8.1) S, est:

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Constitution d’un câble, circuit équivalent d’un câble Cas : expressions expressions des constantes linéiques d'une ligne idéale 2. Inductance linéique

Inductance répartie

L'inductance par mètre (en µH/m) d'un câble coaxial peut être calculée avec :

79

Constitution d’un câble, circuit équivalent d’un câble Cas : expressions expressions des constantes constantes linéiques d'une ligne 3. Pertes métalliques Elles sont liées à l'effet de peau : pénétration sur une profondeur d de l'onde électromagnétique dans les conducteurs métalliques. L'épaisseur de peau pour un conducteur de conductivité s est :

et la résistance d'un conducteur de longueur L et de section S est :

80


R est la résistance série linéique l inéique (en Ω/m) L est l'inductance série linéique (en H/m) C est la capacité parallèle linéique (en F/m) G est la conductance parallèle linéique (en S/m) Dans une ligne supposée sans pertes : R=0;G=∞

La ligne est supposée parfaite. Le coefficient de réflexion en bout de ligne est donné par : ρ = (Rload – Z0)/(Rload + Z0) Z0 est l'impédance caractéristique de la ligne.

81

R est la résistance série linéique (en Ω/m) L est l'inductance série linéique (en H/m) C est la capacité parallèle linéique (en F/m) G est la conductance parallèle linéique (en S/m) Dans une ligne supposée sans pertes : R=0;G=∞

82

Ccâble

83


Effet du câble de transport du signal, fréquence de coupure En amont du convertisseur, convertisseur, on trouve la photodiode avec son circuit équivalent (R c,Cc) Suivie du câble de transport avec son circuit équivalent (C câble).

R

im Capteur Photodiode

Câble

im -

ic(F)

R c

Cc

+

vm

Vs = - R i m

Ccâble


La fréquence de coupure du système (capteur + câble) est donnée par :

f c= 1/2 R (Ccapteur + Ccâble ) 84

Mesure de la fréquence de coupure d’une photodiode Le montage utilisant une photodiode polarisée en inverse comme photo détecteur permet d‘étudier la rapidité du capteur, capteur, c'est-à-dire sa bande passante. On utilise une tension d'offset de manière à ce que le courant passe dans le bon sens dans la LED (sinon, ( sinon, elle serait éteinte au moins la moitie du temps).

Voffset Montage de mesure de la bande passante

Réponse en fréquence de la diode

Observation rapide du type de filtre

Expérimentalement, on obtient comme résultat de la superposition de la tension délivrée en entrée (bleu) et de celle reçue en sortie (rouge) :

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Mesure de la fréquence de coupure d’une photodiode

En utilisant le balayage en fréquence du GBF, on peut repérer rapidement la bande passante. Le signal de sortie s'attenue pour les hautes fréquences c'est donc un filtre passe-bas. On regarde alors la valeur de la tension maximale en sortie pour une faible fréquence, puis on divise cette valeur par 2 et on augmente la fréquence jusqu‘à ce que notre maximum atteigne cette valeur. On relève ainsi la valeur de la bande passante à -3 dB. En répétant la manipulation avec des valeurs de R PhD, on remarque que la bande passante diminue avec l'augmentation de la résistance de charge. On peut comprendre ce phénomène en modélisant la photodiode comme une source de courant en parallèle avec une capacité parasite Cp. On a alors :

86

La fréquence f 0 est inversement proportionnelle a R. La présence d'un câble coaxial peut se modéliser par le rajout d'une capacité C câble en dérivation. On a alors : f 0 =1 / 2 p R(Cphotodiode + Ccâble) avec Ccâble la capacité du câble coaxial

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Phototransistor: Un phototransistor est un transistor bipolaire dont la base est accessible à la lumière. Cette base est flottante, figure(8), sont courant est donc nul. Lorsqu'on la soumet à un rayonnement, le courant de l’émetteur s’écrit : Ie = (1+ b) Ic0 + Iph) = b Iph, I c0 est le courant de saturation de la jonction collecteur-base et I ph est le photo-courant créé par les photo-porteurs. Le courant est ainsi multiplié par le facteur b qui n’est autre que le gain en émetteur commun du transistor. La sensibilité du phototransistor est situé entre celle de la photodiode PIN et celle de la photodiode à avalanche. Cependant ce dispositif admet des inconvénients tel que sa linéarité, sa termo-sensibilité et surtout sa constante de temps qui très élevée ( de l’ordre de 10 -5 s).

Coupe transversale d’un phototransistor et circuit équivalent.

88

Symbole d’un photo-transistor

89

Les applications les plus fréquentes pour les phototransistors se trouvé dans les interrupteurs, les isolateurs, détecteur de signaux faible, lecteurs de code.

Quelques circuits utilisant les phototransistors phototransistors Phototransistor en émetteur émetteur commun : Le circuit ci-dessous ci-desso us décrit un phototransistor en mode émetteur commun. Dans le noir, le transistor est bloqué donc la sortie Vs est à Vcc. En éclairant le phototransistor par la base, le potentiel Vc décroît au fur et à mesure que l'intensité de lumière augmente puisque le courant du collecteur est égal à b Ibase .

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Amplificateur utilisant un phototransisto ph ototransistorr Pour amplifier le courant issu du phototransitor on peut utiliser le schéma ci dessous : Le courant de l'émetteur du phototransistor contrôle le courant de base du transistor. le photo-courant est amplifié et la sortie Vs Vs sera proportionnelle à l'intensité de la lumière.

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Détection d'un signal modulé ou d'un pulse soit le schéma ci-dessous, La tension de la base du phototransistor est fixé par les deux résistance R1 et R2 ( VB=R2/(R1+R1)Vcc ). Sans excitation du phototransistor, le montage fonctionne comme un simple transistor en émetteur commun polarisé. dès qu'il y a qu'on illumine la base du phototransistor avec une lumière alternative, le courant de base se comporte comme une source de courant à petits signaux, ce courant est amplifié et la sortie Vs traduit cette variation en tension.

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Capteurs de Lumière

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