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Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable
Les composants de l'opto-électronique
Ter
STI2D
Cours
Les sources :
On utilise actuellement pour des applications électroniques 2 sources principales : les diodes
électroluminescentes (LED) et les diodes laser.
Les LEDs : puisqu'il y a émission d'ondes électromagnétiques lors des transitions électroniques
entre niveaux d'énergie, la recombinaison d'un
électron et d'un trou dans une jonction PN se
traduit suivant la nature du matériau utilisé soit
par l'émission d'un phonon (particule élémentaire
d'agitation thermique) soit d'un photon. Les
avantages sont nombreux : faible temps de
réponse (nS) d'où modulation à des fréquences élevées, spectre lumineux défini et limité, fiabilité.
L'inconvénient majeur est lié au flux faible (ordre de grandeur 100mW).
Le laser : la lumière émise est monochromatique et cohérente ce qui entraine un flux lumineux
très important et un faisceau ponctuel.
Les récepteurs :
Cellule photoconductrice LDR :
Une LDR (Light Dependent Resistance) se comporte comme une résistance dont la résistivité décroît en
fonction de l'éclairement. La résistance ne varie pas linéairement par rapport à l'éclairement et la
sensibilité dépend de la fréquence du flux lumineux auquel est soumis l'élément. On en réserve l'usage
pour réaliser des luxmètres élémentaires (mesure de l'éclairement d'une pièce ou d'un atelier) ou des
appareils de détection de niveau d'éclairement (schéma ci-contre : commande d'un relais lorsque
l'éclairement devient supérieur à un seuil).
Photodiode : une photodiode voit ses caractéristiques de conduction varier en fonction de
l'éclairement auquel elle est soumise suivant deux modes de fonctionnement particulier.
Mode photoconducteur :
Dans ce mode de fonctionnement il faut polariser la photodiode en inverse et ce sont les
caractéristiques de conduction inverse qui dépendent de l'éclairement.
Il apparaît que le courant I est pratiquement proportionnel au flux lumineux reçu.
Les avantages principaux sont la linéarité, le temps de réponse court et une bande passante étendue
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Mode photovoltaïque : la photodiode fonctionne en convertisseur d'énergie et par
conséquent aucune source d'énergie est nécessaire (exemple : les panneaux solaires).
Les deux montages les plus courants sont donnés ci-dessous :
Montage à réponse linéaire
Montage à réponse logarithmique
Phototransistor : dans un phototransistor la région voisine de la jonction base collecteur se
comporte comme une photodiode en mode photoconducteur. Soumis à un éclairement elle conduit en
inverse et rend alors le transistor passant.
Les opto-coupleurs : un opto-coupleur résulte de l'intégration dans un même boîtier d'une LED
et d'un phototransistor. Lorsque la transmission de la lumière se fait à l'intérieur même du boîtier
l'opto-coupleur a un rôle d'isolateur galvanique ; l'information étant transmise sous forme de lumière
(et non sous forme électrique) il est possible d'utiliser des alimentations différentes pour l'émetteur et
pour le récepteur. Lorsque la transmission de lumière se fait à l'extérieur du boîtier l'opto-coupleur sert
d'interrupteur optique (capteur de position ou détecteur de présence d'objet réfléchissant ou non).
Utilisation des opto-coupleurs en interrupteur optique :
Opto-coupleur à transmission :
Principe :
"entrefer"
Lorsque la LED est alimentée le phototransistor est
normalement commandé et conduit. Toute pièce placée
dans "l'entrefer" interrompt la transmission de lumière
et bloque le phototransistor.
On obtient ainsi deux états pour le phototransistor
suivant qu'il y a présence ou non d'objet dans
"l'entrefer".
Utilisation :
L'utilisation la plus courante est l'acquisition de vitesse d'un moteur ou la détection de la rotation d'un
axe. On fixe sur le rotor du moteur un disque à encoches. A chaque encoche le phototransistor conduit,
à chaque partie pleine il est bloqué. La rupture du faisceau lumineux étant progressive le signal Vce est
mis en forme par un inverseur à entrée "trigger". La fréquence du signal logique V est proportionnelle à
la fréquence de rotation donc à la vitesse du moteur. La valeur de la vitesse sera obtenue par mesure
avec un compteur ou un µcontroleur (en utilisant le timer pour réaliser un fréquencemètre).
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Opto-coupleur à réflexion :
Le phototransistor ne peut être commandé que si une surface réfléchissante renvoie la lumière émise
par la LED.
L'inclinaison relative de l'émetteur par rapport au récepteur détermine la position optimum de la pièce
à détecter par rapport à l'opto-coupleur (de 0,1mm à quelques mm suivant les types).
Le rayonnement lumineux est généralement infrarouge.
La lumière ambiante comprenant un rayonnement infrarouge le phototransistor est soumis au
rayonnement réfléchi lors de la présence d'une pièce et à la lumière ambiante lors de l'absence de
pièce. Il peut être alors nécessaire de faire une discrimination entre la lumière réfléchie et la lumière
ambiante (par exemple en effectuant une commande périodique de la LED).
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