Fonction en logique combinatoire

Systèmes DIGIAC 1750
TP N°3- SERIE 2
Fonction acquérir information lumineuse.
Objectif : Etude de la mesure d’intensité lumineuse.
1. Caractéristiques d’une cellule photovoltaïque.
Equipement:
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Cellule photovoltaïque
Résistance bobinée 10k
Amplificateur de puissance
Voltmètre numérique 2V
Voltmètre à cadre mobile -10 - 0 - 10V
1.1 Connecter le circuit comme indiqué à la fig. 42.
1.2 Mettre sous tension et régler la résistance bobinée 10k pour une tension nulle en sortie de
l'amplificateur de puissance.
1.3 Noter la tension de sortie de la cellule photovoltaïque :
En recouvrant de la main l'enceinte transparente, c.a.d. en obscurcissant la cellule.
Lorsque la cellule est exposée à la lumière ambiante.
1.4 Réaliser un tableau sous un logiciel ( type tableur ) de la tension de la cellule photovoltaïque en
fonction de la tension Vb.
1.5 Tracer sur ce logiciel la courbe caractéristique de la tension de la cellule photovoltaïque en
fonction de la tension Vb.
1.6 Conclure.
TP capteur information lumineuse
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2. Caractéristiques d’un phototransistor.
Equipement:
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Phototransistor
Résistance bobinée 10k
Résistance à curseur à piste carbone 10k
Amplificateur de puissance
Voltmètre numérique 20V
Voltmètre à cadre mobile -10 - 0 -10V
2.1 Régler la résistance à curseur à piste carbone 10k sur 2k ( utiliser un ohmmètre ).
2.2 Connecter le circuit comme indiqué à la fig. 45 .
2.3 Mettre sous tension et régler la commande de la résistance bobinée 10k afin d'obtenir une tension
nulle en sortie de l'amplificateur de puissance.
Noter la tension de sortie du collecteur du phototransistor :
En recouvrant de la main l'enceinte transparente, c.a.d. en obscurcissant la cellule.
Lorsque la cellule est exposée à la lumière ambiante.
2.4 Réaliser un tableau sous un logiciel ( type tableur ) de la tension du phototransistor en fonction de
la tension Vb.
2.5 Tracer sur ce logiciel la courbe caractéristique de la tension du phototransistor en fonction de la
tension Vb.
2.6 Conclure.
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3. Caractéristiques d’une cellule à conduction .
Equipement:
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Cellule à photoconduction
Résistance bobinée 10k
Résistance à curseur à piste carbone 10k
Amplificateur de puissance
Voltmètre numérique 20V
Voltmètre à cadre mobile -10 - 0 -10V
Câbles de raccordement.
3.1 Régler la résistance à curseur à piste carbone 10k sur 2k ( utiliser un ohmmètre ).
3.2 Connecter le circuit comme indiqué à la fig. 48 .
3.3Mettre sous tension et régler la commande de la résistance bobinée 10k afin d'obtenir une tension
nulle en sortie de l'amplificateur de puissance.
Noter la tension de sortie de la cellule à conduction :
En recouvrant de la main l'enceinte transparente, c.a.d. en obscurcissant la cellule.
Lorsque la cellule est exposée à la lumière ambiante.
3.4 Réaliser un tableau sous un logiciel ( type tableur ) de la tension de la cellule à conduction en
fonction de la tension Vb.
3.5 Tracer sur ce logiciel la courbe caractéristique de la cellule à conduction en fonction de la
tension Vb.
3.6 Conclure.
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4. Caractéristiques d’une photodiode .
Equipement:
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Photodiode P.l.N.
Amplificateur de courant
Résistance bobinée 10kQ
Amplificateur de puissance
Voltmètre numérique 2V
Voltmètre à cadre mobile -10-0-10V
Câbles de raccordement.
4.1 Connecter le circuit comme indiqué à la fig. 51 .
4.3 Noter la tension de sortie de la photodiode :
En recouvrant de la main l'enceinte transparente, c.a.d. en obscurcissant la cellule.
Lorsque la cellule est exposée à la lumière ambiante.
4.4 Réaliser un tableau sous un logiciel ( type tableur ) de la tension de la photodiode en fonction de la
tension Vb.
4.5 Tracer sur ce logiciel la courbe caractéristique de la photodiode en fonction de la tension Vb.
4.6 Conclure.
4.7 Connecter la sortie de la photodiode à un amplificateur intermédiaire et à un amplificateur à gain
variable, comme noté à la fig. 52.
Positionner sur 100 le réglage grossier de gain et 0.3 le réglage fin.
Vérifier l’offset est nul lorsque l’entrée est nulle( ajuster si nécessaire).
4.8 Répéter le test de la photodiode, puis conclure.
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5. Contrôle de connaissances .
1. Une cellule photovoltaïque fournit une sortie de 0,5V pour un certain niveau d'éclairement et peut
fournir une intensité de sortie de 5mA. Quelle serait la capacité de sortie si l'on employait deux cellules
identiques avec le même niveau d'éclairement :
Connectées en série ?
Connectées en parallèle ?
2. Un phototransistor est connecté à une alimentation 10V en courant continu via une résistance de charge
2ko.
L'intensité du collecteur est de 1 mA pour un certain niveau d'éclairement. Quelle est la tension de sortie
du collecteur ?
Quelles seraient l'intensité et la tension de sortie du collecteur si l'on doublait le niveau d'éclairement.
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6. Annexe.
6.1 la cellule photovoltaïque
La fig. 40 montre la construction élémentaire d'un semi-conducteur à cellule photovoltaïque,
principalement constitué de deux couches de silicium.
Une fiche couche de matériau type P recouvre un substrat type N.
Lorsque la lumière éclaire la jonction des deux matériaux, une différence de potentiel se
développe avec le matériau de type N positif par rapport au matériau de type P.
La tension de sortie est fonction du flux de lumière éclairant le dispositif, avec un maximum de
l'ordre de 6V. Lorsque l'on connecte une résistance de charge à la sortie, un courant passe.
L'intensité du courant dépend du flux de lumière et de la surface de jonction du dispositif.
Un raccordement série-parallèle des cellules peut être effectué afin d'augmenter la tension
et l'intensité.
Les dispositifs employés pour produire de l'énergie sont appelés "Cellules solaires".
Caractéristiques : type MS5B.
Tension circuit ouvert (éclairé) 500mV.
Courant ce court circuit (éclairé) 10 mA.
Longueur onde de réponse max 840 nm ( infra-rouge ).
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6.2 Le phototransistor.
La construction élémentaire d'un phototransistor et le circuit employé sont présentés à la fig. 43.
Le dispositif est principalement constitué d'un semi-conducteur NPN, comme un transistor normal. Les
connexions aux couches N,P & N sont appelées e (émetteur), b (base) et c (collecteur).
Le dispositif diffère d'un transistor normal en ce qu'il permet à la lumière d'éclairer la jonction collecteurbase. Un circuit élémentaire où le collecteur est connecté au plus de l'alimentation en courant continu via
une résistance de charge R est présenté à la fig. 43. La base n'est pas connectée dans ce circuit mais, si
nécessaire, peut l'être dans d'autre circuits.
Lorque le dispositif n'est pas éclairé, le flux de courant est faible, en raison de la génération thermique de
paires trou-électron. La tension de sortie du circuit sera légèrement inférieure à la tension d'alimentation,
en raison de la chute de tension dans la résistance de charge R.
Lorsque la lumière éclaire la jonction collecteur-base, le flux de courant augmente. La base n'étant pas
connectée, le courant collecteur-base passe dans le circuit base-émetteur et est donc amplifié comme dans
un transistor normal. Le dispositif est donc plus sensible qu'une photodiode.
La tension de sortie du circuit chute au fur et à mesure que l'intensité augmente. La tension de sortie
dépend donc du flux lumineux éclairant le dispositif.
V sortie = V - IcR
où
V = Tension d'alim.
Ic= Courant collecteur
R = Résist. de charge du collecteur
Les principales caractéristiques du dispositif sont les suivantes :
Type MEL 12
Courant collecteur Noir 100µA
(Vice = 5V) Eclairage ambiant
3,5mA
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6.3 La cellule à photoconduction.
La fig. 46 montre la construction élémentaire d'une cellule à photoconduction, constituée d'un disque
semi-conducteur possédant des éléments en or faisant contact avec le matériau semi-conducteur.
La résistance du semi-conducteur entre les contacts dorés change lorsque la lumière l'éclaire.
Lorsque le matériau n'est pas éclairé, la résistance est élevée. La lumière éclairant le matériau produit une
paire trou-électron et diminue la résistance.
Différents matériaux semi-conducteurs existent. Le dispositif fourni avec le banc DIGIAC 1750 utilise du
sulfure de cadmium, dont la réponse de fréquence est similaire à celle de l'oeil humain.
La fig 47 montre le circuit du banc DIGIAC 1750.
Les principales caractéristiques du dispositif sont les suivantes :
Résistance de la cellule
Noir
50 Lux
10MS2
2,4k52
Eclairage ambiant 50052
Temps de réponse
100 Lux
13052
Montée
75ms
Descente
350ms
Longueur d'onde optimale
610nm
Lorsque la lumière n'éclaire plus le dispositif, les paires trou-électron se reforment lentement et la réponse
est lente. Ceci est indiqué par la lenteur du temps de réponse en descente.
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6.4 La photodiode.
La fig. 49 montre la construction de la photodiode P.I.N. Celle-ci diffère d'une diode PN normale car elle
possède une couche de silicium intrinsèque ou légèrement dopée placée entre les couches P et N. Ceci
réduit la capacité du dispositif et le temps de réponse est donc moins long.
Ce dispositif peut être employé de deux manières :
Comme cellule photovoltaïque, pour mesurer la tension de sortie
Pour mesurer une petite intensité de sortie et la convertir en tension.
Les principales caractéristiques du dispositif sont les suivantes:
Type
BPX 65
Courant sans éclairage
1 nA
Courant avec éclairage
10nA/Lux
Capacité
15pF
Temps de réponse
50ns (Avec résist. charge 5kl2)
Réponse spectrale de crête
850nm (I.R.)
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