Classification des capteurs de lumière

• • Cellules photoémissives – Ce sont des dispositifs photoniques qui libèrent des électrons libres d’un matériau sensible à la lumière tel que le césium lorsqu’ils sont frappés par un photon d’énergie suffisante. La quantité d’énergie que possèdent les photons dépend de la fréquence de la lumière et plus la fréquence est élevée, plus les photons ont d’énergie, convertissant l’énergie lumineuse en énergie électrique.
• • Cellules photoconductrices – Ces dispositifs photoniques varient leur résistance électrique lorsqu’ils sont soumis à la lumière. La photoconductivité résulte de la lumière frappant un matériau semi-conducteur qui contrôle le flux de courant à travers lui. Ainsi, plus la lumière est forte, plus le courant augmente pour une tension appliquée donnée. Le matériau photoconducteur le plus courant est le sulfure de cadmium utilisé dans les photocells LDR.
• • Cellules photovoltaïques – Ces dispositifs photoniques génèrent une force électromotrice proportionnelle à l’énergie lumineuse radiante reçue et sont similaires en effet à la photoconductivité. L’énergie lumineuse tombe sur deux matériaux semi-conducteurs empilés ensemble, créant une tension d’environ 0,5 V. Le matériau photovoltaïque le plus couramment utilisé est le sélénium utilisé dans les cellules solaires.
• • Dispositifs à jonction photo – Ces dispositifs photoniques sont principalement de véritables dispositifs semi-conducteurs tels que le photodiode ou le phototransistor qui utilisent la lumière pour contrôler le flux d’électrons et de trous à travers leur jonction PN. Les dispositifs à jonction photo sont spécifiquement conçus pour des applications de détection et de pénétration de la lumière, leur réponse spectrale étant réglée sur la longueur d’onde de la lumière incidente.

La cellule photoconductrice en tant que capteur de lumière

Un capteur de lumière photoconducteur ne produit pas d’électricité mais change simplement ses propriétés physiques lorsqu’il est soumis à l’énergie lumineuse. Le type de dispositif photoconducteur le plus courant est la photoresistance qui change sa résistance électrique en réponse aux changements d’intensité lumineuse.

Les photoresistances sont des dispositifs semi-conducteurs qui utilisent l’énergie lumineuse pour contrôler le flux d’électrons, et donc le courant les traversant. La cellule photoconductrice couramment utilisée est appelée résistance dépendante de la lumière ou LDR.

La résistance dépendante de la lumière (LDR)

RDR Typique

Comme son nom l’indique, la résistance dépendante de la lumière (LDR) est faite d’une pièce de matériau semi-conducteur exposé tel que le sulfure de cadmium, qui change sa résistance électrique de plusieurs milliers d’Ohms dans l’obscurité à seulement quelques centaines d’Ohms lorsque la lumière tombe sur elle, en créant des paires trou-électron dans le matériau.

L’effet net est une amélioration de sa conductivité avec une diminution de la résistance en augmentant l’illumination. De plus, les cellules photo-résistives ont un long temps de réponse nécessitant plusieurs secondes pour répondre à une variation de l’intensité lumineuse.

Les matériaux utilisés comme substrat semi-conducteur incluent le sulfure de plomb (PbS), le séléniure de plomb (PbSe), l’antimonure d’indium (InSb) qui détectent la lumière dans la plage infrarouge, le matériau le plus couramment utilisé étant le sulfure de cadmium (Cds).

Le sulfure de cadmium est utilisé dans la fabrication de cellules photoconductrices car sa courbe de réponse spectrale correspond étroitement à celle de l’œil humain et peut même être contrôlé à l’aide d’une simple lampe de poche comme source de lumière. Typiquement, il a donc une longueur d’onde de sensibilité maximale (λp) d’environ 560nm à 600nm dans la plage spectrale visible.

La cellule de résistance dépendante de la lumière

Le capteur de lumière photoresistif le plus couramment utilisé est la cellule photoconductrice de sulfure de cadmium ORP12. Cette résistance dépendante de la lumière a une réponse spectrale d’environ 610nm dans la région jaune à orange de la lumière. La résistance de la cellule lorsqu’elle n’est pas illuminée (résistance dark) est très élevée à environ 10 MΩ, ce qui diminue à environ 100Ω lorsqu’elle est complètement illuminée (résistance sous lumière).

Pour augmenter la résistance sombre et donc réduire le courant sombre, le chemin résistif forme un motif en zigzag sur le substrat céramique. La cellule CdS est un dispositif à très faible coût souvent utilisé dans le réglage automatique de la luminosité, la détection de l’obscurité ou du crépuscule pour allumer et éteindre les lampadaires, et pour les applications de type exposition photographique.

Connecter une résistance dépendante de la lumière en série avec une résistance standard comme ceci à travers une seule tension d’alimentation continue a un grand avantage, une tension différente apparaîtra à leur jonction pour différents niveaux de lumière.

La quantité de chute de tension à travers la résistance de série, R₂, est déterminée par la valeur résistive de la résistance dépendante de la lumière, R_LDR. Cette capacité à générer différentes tensions produit un circuit très pratique appelé « Diviseur de potentiel » ou réseau diviseur de tension.

Comme nous le savons, le courant dans un circuit en série est commun et lorsque la LDR change sa valeur résistive en raison de l’intensité lumineuse, la tension présente à V_OUT sera déterminée par la formule du diviseur de tension. La résistance d’une LDR, R_LDR, peut varier d’environ 100Ω à la lumière du soleil à plus de 10 MΩ dans l’obscurité totale, cette variation de résistance étant convertie en une variation de tension à V_OUT comme indiqué.

Une utilisation simple d’une résistance dépendante de la lumière est comme un interrupteur sensible à la lumière comme montré ci-dessous.

Interrupteur LDR

Ce circuit de capteur de lumière de base est un interrupteur activé par la lumière avec sortie relais. Un circuit de diviseur de potentiel est formé entre la photoresistance, LDR et la résistance R1. Lorsque aucune lumière n’est présente, c’est-à-dire dans l’obscurité, la résistance de la LDR est très élevée dans les mégaohms (MΩ) so zéro polarisation de base est appliquée au transistor TR1 et le relais est désénergisé ou « ÉTEINT ».

À mesure que le niveau de lumière augmente, la résistance de la LDR commence à diminuer, provoquant une augmentation de la tension de polarisation de base à V1. À un certain point déterminé par le réseau de diviseur de potentiel formé avec la résistance R1, la tension de polarisation de base est suffisamment élevée pour activer le transistor TR1 et ainsi activer le relais qui est utilisé pour contrôler un circuit externe. Lorsque le niveau de lumière redescend dans l’obscurité, la résistance de la LDR augmente, provoquant une baisse de la tension de base du transistor, éteignant le transistor et le relais à un niveau de lumière fixe déterminé à nouveau par le réseau de diviseur de tension.

En remplaçant la résistance fixe R1 par un potentiomètre VR1, le point auquel le relais s’allume ou s’éteint peut être préréglé à un niveau de lumière particulier. Ce type de circuit simple présenté ci-dessus a une sensibilité relativement faible et son point de commutation peut ne pas être constant en raison des variations de la température ou de la tension d’alimentation. Un circuit activé par la lumière plus sensible et de précision peut être facilement réalisé en incorporant la LDR dans une arrangement de pont de Wheatstone et en remplaçant le transistor par un amplificateur opérationnel comme montré.

Circuit de détection du niveau de lumière

Dans ce circuit de détection d’obscurité basique, la résistance dépendante de la lumière LDR1 et le potentiomètre VR1 forment un bras ajustable d’un réseau de résistance simple, également connu sous le nom de pont de Wheatstone, tandis que les deux résistances fixes R1 et R2 forment l’autre bras. Les deux côtés du pont forment des réseaux diviseurs de potentiel à travers la tension d’alimentation dont les sorties V1 et V2 sont connectées respectivement aux entrées voltage non-inversantes et inversantes de l’amplificateur opérationnel.

L’amplificateur opérationnel est configuré comme un amplificateur différentiel également connu sous le nom de comparateur de tension avec rétroaction dont la condition de tension de sortie est déterminée par la différence entre les deux signaux d’entrée ou tensions, V1 et V2. La combinaison de résistances R1 et R2 forme une référence de tension fixe à l’entrée V2, déterminée par le ratio des deux résistances. La combinaison LDR – VR1 fournit une entrée de tension variable V1 proportionnelle au niveau de lumière détecté par le photo-résistor.

Comme dans le circuit précédent, la sortie de l’amplificateur opérationnel est utilisée pour contrôler un relais, qui est protégé par une diode de roue libre, D1. Lorsque le niveau de lumière détecté par la LDR et sa tension de sortie deviennent inférieurs à la tension de référence fixée à V2, la sortie de l’amplificateur opérationnel change d’état, activant le relais et commutant la charge connectée.

De même, à mesure que le niveau de lumière augmente, la sortie se rétablira, éteignant le relais. L’hystérésis des deux points de commutation est définie par la résistance de rétroaction Rf qui peut être choisie pour donner un gain de tension approprié à l’amplificateur.

Le fonctionnement de ce type de circuit de capteur de lumière peut également être inversé pour activer le relais « ON » lorsque le niveau de lumière dépasse le niveau de tension de référence et vice versa en inversant les positions du capteur de lumière LDR et du potentiomètre VR1. Le potentiomètre peut être utilisé pour « prérégler » le point de commutation de l’amplificateur différentiel à un niveau de lumière particulier, ce qui le rend idéal comme projet simple de capteur de lumière.

Dispositifs à jonction photo

Les dispositifs à jonction photo sont essentiellement des capteurs ou détecteurs de lumière à jonction PN fabriqués à partir de jonctions semi-conductrices en silicium intelligentes à la lumière et qui peuvent détecter à la fois des niveaux de lumière visible et infrarouge. Les dispositifs à jonction photo sont spécifiquement conçus pour détecter la lumière, et cette classe de capteurs photoélectriques inclut le photodiode et le phototransistor.

Le photodiode.

Photodiode

La construction du capteur de lumière photodiode est similaire à celle d’une diode classique à jonction PN, sauf que l’enveloppe extérieure de la diode est soit transparente, soit a une lentille claire pour concentrer la lumière sur la jonction PN pour une sensibilité accrue. La jonction répond à la lumière, notamment à des longueurs d’onde plus longues telles que le rouge et l’infrarouge plutôt qu’à la lumière visible.

Cette caractéristique peut poser problème pour les diodes avec des boîtiers transparents ou des perles de verre, comme la diode signal 1N4148. Les LED peuvent également être utilisées comme photodiodes car elles peuvent à la fois émettre et détecter la lumière de leur jonction. Toutes les jonctions PN sont sensibles à la lumière et peuvent être utilisées en mode de tension non polarisée photo-conducteur, la jonction PN de la photodiode étant toujours « inversement polarisée » afin que seule la fuite ou le courant sombre de la diode puisse circuler.

La caractéristique courant-tension (Courbes I/V) d’une photodiode sans lumière sur sa jonction (mode sombre) est très similaire à celle d’une diode normale de signal ou de redressement. Lorsque la photodiode est polarisée en direct, il y a une augmentation exponentielle du courant, semblable à celui d’une diode normale. Une fois qu’une polarisation inverse est appliquée, un petit courant de saturation inverse apparaît, ce qui entraîne une augmentation de la zone d’appauvrissement, qui est la partie sensible de la jonction. Les photodiod

es peuvent également être connectées en mode courant à l’aide d’une tension de polarisation fixe à travers la jonction. Le mode courant est très linéaire sur une large plage.

Construction et caractéristiques de la photodiode

Lorsqu’elle est utilisée comme capteur de lumière, le courant sombre d’une photodiode (0 lux) est d’environ 10 μA pour les diodes à germanium et 1 μA pour les diodes de type silicium. Lorsque la lumière frappe la jonction, plus de paires trou/électron se forment et le courant de fuite augmente. Ce courant de fuite augmente à mesure que l’illumination de la jonction augmente.

Ainsi, le courant d’une photodiode est directement proportionnel à l’intensité lumineuse tombant sur la jonction PN. Un des avantages principaux des photodiodes lorsqu’elles sont utilisées comme capteurs lumineux est leur réponse rapide aux changements d’intensité lumineuse, mais un inconvénient de ce type de photodevice est le flux de courant relativement faible même lorsqu’il est complètement éclairé.

Le circuit suivant montre un circuit de convertisseur courant-tension utilisant un amplificateur opérationnel comme dispositif amplificateur. La tension de sortie (Vout) est donnée par Vout = I_P*Rƒ et qui est proportionnelle aux caractéristiques d’intensité lumineuse de la photodiode.

Ce type de circuit utilise également les caractéristiques d’un amplificateur opérationnel avec deux terminaux d’entrée à environ zéro volt pour faire fonctionner la photodiode sans polarisation. Cette configuration op-amp à polarisation nulle donne une impédance élevée pour la photodiode, entraînant moins d’influence par le courant sombre et une plage linéaire plus large du photocourant par rapport à l’intensité lumineuse radiante. Un condensateur C_f est utilisé pour éviter les oscillations ou les pics de gain et pour définir la largeur de bande de sortie (1/2πRC).

Circuit de capteur de lumière avec photodiode

Les photodiodess sont des capteurs de lumière très polyvalents qui peuvent activer et désactiver leur flux de courant en quelques nanosecondes et sont couramment utilisés dans les caméras, les exposants de lumière, les lecteurs CD et DVD-ROM, les télécommandes TV, les scanners, les télécopieurs et les photocopieurs, etc. Lorsqu’ils sont intégrés dans des circuits amplificateurs opérationnels en tant que détecteurs de spectre infrarouge pour les communications par fibre optique, les circuits de détection de mouvement d’alarmes anti-intrusion et de nombreux systèmes de numérisation d’images, de balayage laser et de positionnement, etc.

Le capteur de lumière phototransistor

Phototransistor

Un dispositif à jonction photo alternative au photodiode est le phototransistor qui est essentiellement une photodiode avec amplification. Le capteur de lumière phototransistor a sa jonction de collecteur-base PN inversement polarisée l’exposant à la source lumineuse radiante.

Les phototransistors fonctionnent de la même manière que les photodiodes, sauf qu’ils peuvent fournir un gain de courant et sont beaucoup plus sensibles que le photodiode, les courants étant 50 à 100 fois supérieurs à ceux de la photodiode standard, et tout transistor normal peut être facilement converti en capteur phototransistor en connectant une photodiode entre le collecteur et la base.

Les phototransistors sont principalement constitués d’un transistor NPN bipolaire avec sa grande région de base non connectée électriquement, bien que certains phototransistors permettent une connexion de base pour contrôler la sensibilité, et qui utilise les photons de lumière pour générer un courant de base qui à son tour provoque un courant collecteur à émetteur. La plupart des phototransistors sont de type NPN, dont l’enveloppe extérieure est soit transparente, soit a une lentille claire pour concentrer la lumière sur la jonction de base pour une sensibilité accrue.

Construction et caractéristiques du phototransistor

Dans le transistor NPN, le collecteur est polarisé positivement par rapport à l’émetteur afin que la jonction base/collecteur soit inversée. Donc, sans lumière sur la jonction, un courant normal de fuite ou sombre circule, qui est très faible. Lorsque la lumière frappe la base, plus de paires électron/trou se forment dans cette région et le courant produit par cette action est amplifié par le transistor.

En général, la sensibilité d’un phototransistor dépend du gain de courant DC du transistor. Par conséquent, la sensibilité globale dépend du courant collecteur et peut être contrôlée en connectant une résistance entre la base et l’émetteur, mais pour des applications de type optocoupleur à très haute sensibilité, les phototransistors Darlington sont généralement utilisés.

Photodarlington

Les transistors photodarlington utilisent un second transistor NPN bipolaire pour fournir une amplification supplémentaire ou lorsque nécessité de sensibilité plus élevée d’un photodétecteur est requise en raison de niveaux lumineux faibles ou de sensibilité sélective, mais leur réponse est généralement plus lente que celle d’un phototransistor NPN ordinaire.

Les dispositifs photodarlington consistent en un phototransistor normal dont la sortie émetteur est couplée à la base d’un gros transistor NPN bipolaire. Comme une configuration de transistor Darlington donne un gain de courant égal au produit des gains de courant de deux transistors individuels, un dispositif photodarlington produit un détecteur très sensible.

Les applications typiques des capteurs de lumière phototransistors sont dans les opto-isolateurs, les commutateurs optiques fendus, les capteurs de faisceau lumineux, les fibres optiques, et les télécommandes de type TV, etc. Des filtres infrarouges sont parfois requis lors de la détection de lumière visible.

Un autre type de capteur de lumière à jonction photo qui mérite mention est le photothyristor. C’est un thyristor activé par la lumière ou un redresseur contrôlé par silicium, SCR, qui peut être utilisé comme un interrupteur activé par la lumière dans des applications AC. Cependant, leur sensibilité est généralement très faible par rapport aux photodiodes ou phototransistors équivalents.

Pour aider à augmenter leur sensibilité à la lumière, les photothyristors sont fabriqués plus fins autour de la jonction de gâchette. Le revers de ce processus est qu’il limite la quantité de courant d’anode qu’ils peuvent commuter. Ensuite, pour des applications AC à courant plus élevé, ils sont utilisés comme dispositifs pilotes dans des optocoupleurs pour commuter des thyristors plus grands et plus conventionnels.

Cellules photovoltaïques

Le type de capteur de lumière photovoltaïque le plus courant est la cellule solaire. Les cellules solaires convertissent directement l’énergie lumineuse en énergie électrique continue sous forme de tension ou de courant pour alimenter une charge résistive comme une lumière, une batterie ou un moteur. Les cellules photovoltaïques sont similaires de nombreuses manières à une batterie car elles fournissent de l’énergie DC.

Cependant, contrairement aux autres dispositifs photo que nous avons examinés ci-dessus, qui utilisent l’intensité lumineuse même d’une lampe de poche pour fonctionner, les cellules solaires photovoltaïques fonctionnent le mieux en utilisant l’énergie radiante du soleil.

Les cellules solaires sont utilisées dans de nombreux types d’applications pour offrir une source d’énergie alternative aux batteries conventionnelles, telles que dans les calculatrices, les satellites et désormais dans les maisons, offrant une forme d’énergie renouvelable.

Cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de jonctions PN en silicium monocristallin, de même que les photodiodes, avec une très grande région sensible à la lumière, mais sont utilisées sans polarisation inverse. Ils ont les mêmes caractéristiques qu’une très grande photodiode dans l’obscurité.

Lorsque illuminées, l’énergie lumineuse fait circuler des électrons à travers la jonction PN, et une cellule solaire individuelle peut générer une tension de circuit ouvert d’environ 0,58V (580mV). Les cellules solaires ont un côté « positif » et un côté « négatif » tout comme une batterie.

Les cellules solaires individuelles peuvent être connectées en série pour former des panneaux solaires, ce qui augmente la tension de sortie ou connectées en parallèle pour augmenter le courant disponible. Les panneaux solaires commercialement disponibles sont notés en Watts, qui est le produit de la tension de sortie et du courant (Volts fois Amps) lorsqu’ils sont entièrement éclairés.

Caractéristiques d’une cellule solaire photovoltaïque typique.

La quantité de courant disponible d’une cellule solaire dépend de l’intensité lumineuse, de la taille de la cellule et de son efficacité qui est généralement très faible, autour de 15 à 20 %. Pour augmenter l’efficacité globale de la cellule, les cellules solaires commercialement disponibles utilisent du silicium polycristallin ou du silicium amorphe, qui n’ont pas de structure cristalline, et peuvent générer des courants de 20 à 40mA par cm².

D’autres matériaux utilisés dans la construction de cellules photovoltaïques comprennent l’arséniure de gallium, le diséléniure de cuivre-indium et le tellurure de cadmium. Ces différents matériaux ont chacun une réponse spectrale de bande différente, et peuvent donc être « réglés » pour produire une tension de sortie à différentes longueurs d’onde de lumière.

Dans ce didacticiel sur les capteurs de lumière, nous avons examiné plusieurs exemples de dispositifs classés comme des capteurs de lumière. Cela inclut ceux ayant et ceux n’ayant pas de jonctions PN pouvant être utilisés pour mesurer l’intensité de la lumière.

Dans le prochain tutoriel, nous examinerons des dispositifs de sortie appelés Actionneurs. Les actionneurs convertissent un signal électrique en une quantité physique correspondante telle que le mouvement, la force ou le son. Un tel dispositif de sortie couramment utilisé est le relais électromagnétique.