TP 23 - La physique appliquée en STI

Première GE
TP n° 23
PHOTOTRANSISTOR, OPTO-COUPLEUR.
Matériel supplémentaire :
1 résistance de 100 , 1 phototransistor, 1 DEL rouge, 40 cm de fibre optique,
1 optocoupleur 4N25.
I.
Photodiode :
1) Semi-conducteurs :
Les semi-conducteurs sont des matériaux faiblement conducteurs lorsqu’ils ne sont pas dopés. Le
semi-conducteur le plus couramment utilisé est le Silicium. On dope ces semi-conducteurs en leur
injectant des corps ayant soit un électron de plus sur sa couche périphérique ( par exemple l’Arsenic
), soit un électron de moins ( par exemple le Gallium ). Une zone dopée avec un élément dont la couche
externe comporte un électron de plus porte le nom de zone N ( comme négative ), et une zone dopée
avec un élément dont la couche externe comporte un électron de moins porte le nom de zone P (
comme positive ).
Lorsque l’on juxtapose une zone P et une zone N, on réalise une jonction PN.
Les jonctions PN ont la propriété intéressante de n’être pratiquement traversées par aucun courant
lorsqu’elles sont polarisées en inverse et de n’offrir qu’une faible résistance lorsqu’elles sont
polarisées en direct. Les diodes et les transistors sont constituées de jonctions PN.
2) Photoconduction :
Certaines jonctions PN polarisées en inverse, sont parcourues par un courant inverse lorsqu’elles sont
soumises à un éclairement de longueur d’onde très précise, le plus souvent dans l’infrarouge. Ce
phénomène porte le nom de photoconduction. Les photodiodes et les phototransistors sont constitués
de telles jonctions.
3) Phototransistor :
Un phototransistor est un composant qui possède la même structure qu’un transistor bipolaire
classique, mais dont la jonction collecteur-base peut être éclairée par un rayonnement lumineux. Il
apparaît alors un courant inverse. Ce courant inverse est, dans le cas du phototransistor, amplifié d’un
facteur , ce qui rend le système beaucoup plus sensible. Le phototransistor peut être utilisé soit
base polarisée, soit base en l’air ce qui est le cas le plus fréquent. Le phototransistor permet de faire
l’économie d’un étage amplificateur.
II.
Couplage optique :
1) Caractéristique de la DEL rouge :
a ) Faire le schéma du montage qui permet de relever la caractéristique U( I ) de la DEL ( l’anode
est repérée en blanc ). On utilisera la boite à décades pour limiter le courant dans la DEL.
b ) Réaliser ce montage et relever la caractéristique U( I ) de cette DEL en veillant à ne pas
dépasser 30 mA dans la DEL. On utilisera la boite à décades réglée sur 800 .
c ) Tracer la caractéristique U( I ) et linéariser cette caractéristique
d ) Donner, pour chacun des intervalles, le modèle équivalent de la DEL. Préciser les valeurs de sa
résistance interne et de sa tension de seuil lorsqu’elle conduit.
2) Caractéristique de transfert en courant :
Nous allons utiliser la même DEL rouge et un phototransistor.
Réaliser le montage ci-dessous.
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E1 : source de tension variable.
A
R1
I1
A
E2 = 10 V
I2
R2
DE
L
R1 = 1 k( boite à décades )
R2 = 100 
La DEL est rouge, le phototransistor est
blanc. L’anode de la DEL et l’émetteur du
phototransistor sont repérés par un
point blanc.
Réaliser deux circuits électriquement indépendants et relier la DEL au phototransistor à l’aide de la
fibre optique.
E1
E2
a ) Après avoir fait vérifier votre montage relever la caractéristique I2( I1 ). Ne pas dépasser
I1 = 30 mA dans la DEL.
b ) Tracer la caractéristique I2( I1 ) sur papier millimétré.
Linéariser cette caractéristique et calculer la pente  de cette droite. Cette pente est le coefficient
d’amplification en courant de ce montage.
Conclusion : On peut transmettre de l’information d’un circuit à un autre, sans qu’il y ait de liaison
électrique entre eux. L’information circule ici sous forme lumineuse.
Applications : Transmissions de signaux à distance ( télécommandes, transmission de signaux dans les
fibres optiques), détecteurs de passage ( si un objet passe entre la diode électroluminescente et le
phototransistor on aura un échelon de tension aux bornes du phototransistor ) et isolation galvanique
entre deux circuits ( voir 2 - 3 ).
3) Isolation galvanique :
Un signal est dit non galvanique lorsque son support n’est pas un courant électrique. On utilise
souvent le couplage d’une DEL et d’un phototransistor pour réaliser une isolation galvanique entre
deux circuits de nature et de valeurs très différentes, par exemple dans le cas d’interfaces
d’automates programmables, pour isoler électriquement les organes d’entrée et de sortie de la partie
logique de commande.
Ce couplage est en général intégré dans un boîtier que l’on appelle optocoupleur.
L’optocoupleur :
III.
L’optocoupleur que nous utiliserons est un 4N25.
1) Brochage :
1
6
2
5
3
4
1 : anode de la DEL
2 : cathode de la DEL
3 : non connectée
4 : émetteur du phototransistor
5 : collecteur du phototransistor
6 : base du phototransistor
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2) Etude de la caractéristique d’entrée :
I
Re
Ve
1
6
2
5
3
4
U
Ve : tension variable.
Re : boite à décade réglée sur 1 k.
a ) Faire le schéma du montage qui permet de relever la caractéristique d’entrée de l’optocoupleur.
b ) Après avoir fait vérifier ce montage, relever la caractéristique d’entrée de l’optocoupleur sans
que le courant d’entrée I ne dépasse 20 mA.
c ) Tracer sur papier millimétré la caractéristique U( I ). La linéariser. Que constatez-vous ?
d ) Donner le modèle équivalent de l’entrée de l’optocoupleur.
e ) Quelle est la tension de seuil et la résistance d’entrée équivalente de l’optocoupleur lorsqu’il
conduit ?
3) Caractéristique de transfert en courant.
Ie
Re
Ve
1
6
2
5
3
4
Is
Rs
Vs
Vs = 10 V
Rs = 100 
Re : boite à décade réglée sur 1 k
Ve : tension variable.
Vs
a ) Faire le schéma du montage qui permet de relever la caractéristique de transfert en courant
Is( Ie ) de l’optocoupleur.
b ) Après avoir fait vérifier votre montage, relever la caractéristique de transfert en courant de
l’optocoupleur sans que le courant d’entrée Ie ne dépasse 10 mA.
c ) Tracer cette caractéristique Is( Ie ) sur papier millimétré. Cette caractéristique est-elle linéaire ?
d ) Linéariser cette courbe et calculer sa pente. On appelle coefficient de transfert en courant  la
pente de cette droite.
Remarque : On utilise essentiellement l’opto-coupleur en régime de commutation pour véhiculer
des signaux logiques.
4) Utilisation de l’optocoupleur en binaire.
On considère le montage suivant :
R
Ve
GBF
1
6
2
5
3
4
Ve : tension de la sortie OUTPUT PULSE
du GBF.
Rs
Vcc
Vs
Vcc = 5 Volts.
Rs : boite à décade réglée sur 500 
R : rhéostat de 330 .
a ) Régler le GBF à 1 kHz. Observer simultanément ve( t ) et vs( t ) à l’oscilloscope.
b ) Relever les oscillogrammes. Le signal est-il correctement transmis ?
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c ) Régler le GBF à 300 kHz. Le signal est-il correctement transmis ?
d ) Régler le GBF à 10 kHz et relever les oscillogrammes de ve( t ) et vs( t ). On appelle temps de
retard td ( delay time ) le temps qu’il faut à la tension vs( t ) pour atteindre 10% de sa valeur finale.
Mesurer td.
e ) On appelle temps de montée tr ( rise time ) le temps nécessaire à la tension vs( t ) pour passer de
10% à 90% de la valeur finale. Mesurer tr.
f ) Le temps nécessaire pour passer de l’état bas à l’état haut est appelé temps de commutation ton
( turn on time ). ton = td + tr. Calculer ton.
g ) Régler le GBF à 15 kHz. On appelle temps d’évacuation des charges ts ( storage time ) le temps
qu’il faut à la tension vs( t ) pour passer de 100 % à 90 % de sa valeur initiale. Mesurer ts.
h ) De même on appelle temps de descente tf ( fall time ) le temps nécessaire à la tension vs( t )
pour passer de 90% à 10% de la valeur initiale. Mesurer tf.
i ) Le temps nécessaire pour passer de l’état haut à l’état bas est appelé temps de recouvrement
inverse toff ( turn off time ). toff = ts + tf.
Calculer toff. En déduire la fréquence maximum des signaux que peut transmettre l’optocoupleur.
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