Capteurs de lumière

Un capteur de lumière génère un signal de sortie indiquant l’intensité de la lumière en mesurant l’énergie rayonnante qui existe dans une gamme très étroite de fréquences appelée fondamentalement « lumière », et dont la fréquence varie de l' »infrarouge » au « visible » jusqu’au spectre lumineux « ultraviolet ».

Le capteur de lumière est un dispositif passif qui convertit cette « énergie lumineuse », qu’elle soit visible ou dans les parties infrarouges du spectre, en une sortie de signal électrique. Les capteurs de lumière sont plus communément appelés « dispositifs photoélectriques » ou « photo-capteurs » parce qu’ils convertissent l’énergie lumineuse (photons) en électricité (électrons).

Les dispositifs photoélectriques peuvent être regroupés en deux catégories principales, ceux qui génèrent de l’électricité lorsqu’ils sont éclairés, comme les Photo-voltaïques ou les Photo-émissives etc, et ceux qui modifient leurs propriétés électriques d’une manière ou d’une autre comme les Photo-résistances ou les Photo-conducteurs. Cela conduit à la classification suivante des dispositifs.

• – Cellules photoémissives – Ce sont des dispositifs photoélectriques qui libèrent des électrons libres d’un matériau sensible à la lumière, comme le césium, lorsqu’ils sont frappés par un photon d’énergie suffisante. La quantité d’énergie des 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 photo-conductrices – Ces photodispositifs font varier leur résistance électrique lorsqu’ils sont soumis à la lumière. La photoconductivité résulte de la lumière qui frappe un matériau semi-conducteur qui contrôle le flux de courant qui le traverse. Ainsi, plus la lumière augmente le courant pour une tension appliquée donnée. Le matériau photoconducteur le plus courant est le sulfure de cadmium utilisé dans les cellules photoélectriques LDR.
• – Cellules photo-voltaïques – Ces dispositifs photoélectriques génèrent une emf proportionnelle à l’énergie lumineuse rayonnante reçue et ont un effet similaire à la photoconductivité. L’énergie lumineuse tombe sur deux matériaux semi-conducteurs pris en sandwich créant une tension d’environ 0,5V. Le matériau photovoltaïque le plus courant est le sélénium utilisé dans les cellules solaires.
• – Dispositifs à photo-jonction – Ces photodispositifs sont principalement de véritables dispositifs à semi-conducteurs tels que la 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 photojonction sont spécifiquement conçus pour l’application de détecteur et la pénétration de la lumière avec leur réponse spectrale accordée à la longueur d’onde de la lumière incidente.

La cellule photoconductrice

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 photorésistance qui modifie sa résistance électrique en réponse aux changements d’intensité lumineuse.

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

La résistance dépendante de la lumière

Comme son nom l’indique , la résistance dépendant de la lumière (LDR) est fabriquée à partir d’un morceau de matériau semi-conducteur exposé, tel que le sulfure de cadmium, qui modifie sa résistance électrique de plusieurs milliers d’Ohms dans l’obscurité à seulement quelques centaines d’Ohms lorsque la lumière tombe dessus en créant des paires trou-électron dans le matériau.

L’effet net est une amélioration de sa conductivité avec une diminution de la résistance pour une augmentation de l’illumination. De plus, les cellules photorésistives ont un long temps de réponse nécessitant plusieurs secondes pour répondre à un changement d’intensité lumineuse.

Les matériaux utilisés comme substrat semi-conducteur comprennent, le sulfure de plomb (PbS), le séléniure de plomb (PbSe), l’antimoniure d’indium (InSb) qui détectent la lumière dans la gamme infrarouge, le plus utilisé de tous les capteurs de lumière photorésistifs étant le sulfure de cadmium (Cds).

Le sulfure de cadmium est utilisé dans la fabrication des cellules photoconductrices car sa courbe de réponse spectrale correspond étroitement à celle de l’œil humain et peut même être contrôlée en utilisant une simple torche comme source de lumière. Typiquement donc, il présente une longueur d’onde de sensibilité maximale (λp) d’environ 560nm à 600nm dans la gamme spectrale visible.

La cellule à résistance dépendant de la lumière

Le capteur de lumière photorésistif le plus couramment utilisé est la cellule photoconductrice au 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 éclairée (résistance à l’obscurité) est très élevée à environ 10MΩ’s qui tombe à environ 100Ω’s lorsqu’elle est entièrement éclairée (résistance à l’éclairage).

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

Connecter une résistance dépendant de la lumière en série avec une résistance standard comme celle-ci à travers une tension d’alimentation continue unique a un avantage majeur, une tension différente apparaîtra à leur jonction pour différents niveaux de lumière.

La quantité de chute de tension à travers la résistance en série, R2 est déterminée par la valeur résistive de la résistance dépendant de la lumière, RLDR. 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 à travers un circuit en série est commun et comme la LDR change sa valeur résistive en raison de l’intensité lumineuse, la tension présente à VOUT sera déterminée par la formule du diviseur de tension. La résistance d’un LDR, RLDR peut varier d’environ 100Ω à la lumière du soleil, à plus de 10MΩ dans l’obscurité absolue, cette variation de résistance étant convertie en une variation de tension à VOUT comme indiqué.

Une utilisation simple d’une résistance dépendant de la lumière, est en tant qu’interrupteur sensible à la lumière comme illustré ci-dessous.

Ce circuit de détection de lumière de base est d’un interrupteur activé par la lumière à sortie relais. Un circuit diviseur de potentiel est formé entre la photorésistance, la LDR et la résistance R1. Lorsqu’il n’y a pas de lumière, c’est-à-dire dans l’obscurité, la résistance du LDR est très élevée dans la gamme des mégaohms (MΩ), de sorte qu’une polarisation de base nulle est appliquée au transistor TR1 et le relais est désexcité ou « OFF ».

A mesure que le niveau de lumière augmente, la résistance du LDR commence à diminuer, ce qui entraîne une augmentation de la tension de polarisation de base à V1. À un certain point déterminé par le réseau diviseur de potentiel formé avec la résistance R1, la tension de polarisation de base est suffisamment élevée pour mettre le transistor TR1 « ON » et donc activer le relais qui, à son tour, est utilisé pour commander certains circuits externes. Lorsque le niveau de lumière retombe à nouveau dans l’obscurité, la résistance de la LDR augmente, ce qui entraîne une diminution de la tension de base du transistor, rendant le transistor et le relais « OFF » à un niveau de lumière fixe déterminé à nouveau par le réseau diviseur de potentiel.

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

Circuit de détection du niveau de lumière

Dans ce circuit basique de détection de l’obscurité, la résistance dépendant de la lumière LDR1 et le potentiomètre VR1 forment un bras ajustable d’un réseau de pont de résistance simple, également connu communément comme un 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 aux bornes de la tension d’alimentation dont les sorties V1 et V2 sont connectées aux entrées de tension non inverseuse et inverseuse respectivement de l’amplificateur opérationnel.

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

Comme pour le circuit précédent, la sortie de l’amplificateur opérationnel est utilisée pour commander un relais, qui est protégé par une diode à roue libre, D1. Lorsque le niveau de lumière détecté par la LDR et sa tension de sortie descendent en dessous de 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, lorsque le niveau de lumière augmente, la sortie revient en arrière désactivant « OFF » le relais. L’hystérésis des deux points de commutation est fixée par la résistance de retour Rf peut être choisie pour donner n’importe quel gain de tension approprié de l’amplificateur.

Le fonctionnement de ce type de circuit de capteur de lumière peut également être inversé pour commuter 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 n’importe quel niveau de lumière particulier, ce qui le rend idéal comme circuit de projet de capteur de lumière simple.

Dispositifs à photo-jonction

Les dispositifs à photo-jonction sont essentiellement des capteurs ou des détecteurs de lumière à jonction PN fabriqués à partir de jonctions PN de semi-conducteurs en silicium qui sont sensibles à la lumière et qui peuvent détecter les niveaux de lumière visible et infrarouge. Les dispositifs à photo-jonction sont spécifiquement faits pour détecter la lumière et cette classe de capteurs de lumière photoélectriques comprend la Photodiode et le Phototransistor.

La Photodiode.

La construction du capteur de lumière Photodiode est similaire à celle d’une diode à jonction PN classique, sauf que le boîtier extérieur des diodes est soit transparent, soit doté d’une lentille claire pour focaliser la lumière sur la jonction PN pour une sensibilité accrue. La jonction répondra à la lumière en particulier à des longueurs d’onde plus grandes telles que le rouge et l’infrarouge plutôt qu’à la lumière visible.

Cette caractéristique peut être un problème pour les diodes avec des corps transparents ou en perles de verre comme la diode de 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 dans un mode de tension non biaisé photoconducteur, la jonction PN de la photodiode étant toujours « polarisée en inverse » de sorte que seul le courant de fuite ou d’obscurité des diodes puisse circuler.

La caractéristique courant-tension (courbes I/V) d’une photodiode sans lumière sur sa jonction (mode sombre) est très similaire à une diode de signal ou de redressement normale. Lorsque la photodiode est polarisée en sens direct, il y a une augmentation exponentielle du courant, comme pour une diode normale. Lorsqu’une polarisation inverse est appliquée, un petit courant de saturation inverse apparaît, ce qui entraîne une augmentation de la région de déplétion, qui est la partie sensible de la jonction. Les photodiodes peuvent également être connectées en mode courant en utilisant une tension de polarisation fixe aux bornes de la jonction. Le mode courant est très linéaire sur une large gamme.

Construction et caractéristiques des photodiodes

Lorsqu’elle est utilisée comme capteur de lumière, le courant d’obscurité des photodiodes (0 lux) est d’environ 10uA pour les diodes de type géranium et 1uA pour les diodes de type silicium. Lorsque la lumière tombe sur la jonction, plus de paires trou/électron sont formées et le courant de fuite augmente. Ce courant de fuite augmente lorsque l’éclairement de la jonction augmente.

Donc, le courant des photodiodes est directement proportionnel à l’intensité lumineuse tombant sur la jonction PN. L’un des principaux avantages des photodiodes lorsqu’elles sont utilisées comme capteurs de lumière est leur réponse rapide aux changements des niveaux de lumière, mais l’un des inconvénients de ce type de photodispositif est le flux de courant relativement faible, même lorsqu’il est entièrement allumé.

Le circuit suivant montre un circuit convertisseur de photo-courant en tension utilisant un amplificateur opérationnel comme dispositif d’amplification. La tension de sortie (Vout) est donnée par Vout = IP*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 bornes d’entrée à environ zéro tension pour faire fonctionner la photodiode sans polarisation. Cette configuration d’amplificateur opérationnel à polarisation nulle donne une charge d’impédance élevée à la photodiode, ce qui entraîne une influence moindre du courant d’obscurité et une plage linéaire plus large du photocourant par rapport à l’intensité lumineuse rayonnante. Le condensateur Cf est utilisé pour empêcher l’oscillation ou le pic de gain et pour définir la bande passante de sortie (1/2πRC).

Circuit amplificateur à photodiode

Les photodiodes sont des capteurs de lumière très polyvalents qui peuvent rendre son flux de courant à la fois « ON » et « OFF » en nanosecondes et sont couramment utilisés dans les appareils photo, les posemètres, les lecteurs de CD et de DVD-ROM, les télécommandes de télévision, les scanners, les télécopieurs et les copieurs, etc. et lorsqu’elles sont intégrées dans des circuits amplificateurs opérationnels comme détecteurs de spectre infrarouge pour les communications par fibre optique, les circuits de détection de mouvement des alarmes antivol et de nombreux systèmes d’imagerie, de balayage laser et de positionnement, etc.

Le Phototransistor

Un dispositif à photo-jonction alternatif à la photodiode est le Phototransistor qui est essentiellement une photodiode avec amplification. Le capteur de lumière Phototransistor a sa jonction PN collecteur-base polarisée en inverse l’exposant à la source de lumière rayonnante.

Les phototransistors fonctionnent de la même manière que la photodiode sauf qu’ils peuvent fournir un gain de courant et sont beaucoup plus sensibles que la photodiode avec des courants sont 50 à 100 fois plus grands que ceux de la photodiode standard et n’importe quel transistor normal peut être facilement converti en un capteur de lumière phototransistor en connectant une photodiode entre le collecteur et la base.

Les phototransistors sont principalement constitués d’un transistor bipolaire NPN dont la grande région de base n’est pas connectée électriquement, bien que certains phototransistors permettent une connexion de base pour contrôler la sensibilité, et qui utilise les photons de la lumière pour générer un courant de base qui provoque à son tour le passage d’un courant collecteur-émetteur. La plupart des phototransistors sont de type NPN dont le boîtier extérieur est soit transparent, soit doté d’une lentille transparente permettant de focaliser 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 de sorte que la jonction base/collecteur est polarisée en inverse. Par conséquent, en l’absence de lumière sur la jonction, un courant de fuite normal ou courant d’obscurité circule, qui est très faible. Lorsque la lumière tombe sur la base, plus de paires électron/trou sont formées dans cette région et le courant produit par cette action est amplifié par le transistor.

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

Les transistors photo-darlington utilisent un second transistor bipolaire NPN pour fournir une amplification supplémentaire ou lorsqu’une sensibilité plus élevée d’un photodétecteur est requise en raison de faibles niveaux de lumière ou d’une sensibilité sélective, mais sa réponse est plus lente que celle d’un phototransistor NPN ordinaire.

Les dispositifs photo darlington sont constitués d’un phototransistor normal dont la sortie de l’émetteur est couplée à la base d’un transistor bipolaire NPN plus grand. Parce qu’une configuration de transistors 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 opto fendus, les capteurs de faisceaux lumineux, les fibres optiques et les télécommandes de type TV, etc. Des filtres infrarouges sont parfois nécessaires lors de la détection de la lumière visible.

Un autre type de capteur de lumière à semi-conducteur à photojonction qui mérite d’être mentionné est le Photo-thyristor. Il s’agit d’un thyristor ou d’un redresseur contrôlé au silicium, SCR, activé par la lumière qui peut être utilisé comme un interrupteur activé par la lumière dans les applications à courant alternatif. Cependant, leur sensibilité est généralement très faible par rapport aux photodiodes ou aux phototransistors équivalents.

Pour aider à augmenter leur sensibilité à la lumière, les photo-thyristors sont rendus plus fins autour de la jonction de grille. L’inconvénient de ce procédé est qu’il limite la quantité de courant anodique qu’ils peuvent commuter. Alors pour les applications de courant alternatif plus élevé, ils sont utilisés comme dispositifs pilotes dans les opto-coupleurs pour commuter des thyristors plus grands et plus conventionnels.

Cellules photovoltaïques.

Le type le plus commun de capteur de lumière photovoltaïque 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 telle qu’une lampe, une batterie ou un moteur. Ensuite, les cellules photovoltaïques sont similaires à bien des égards à une batterie car elles fournissent une alimentation en courant continu.

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

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

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

Lorsqu’elles sont éclairées, l’énergie lumineuse fait circuler les électrons à travers la jonction PN et une cellule solaire individuelle peut générer une tension en 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 ensemble en série pour former des panneaux solaires qui augmentent la tension de sortie ou connectées ensemble en parallèle pour augmenter le courant disponible. Les panneaux solaires disponibles dans le commerce sont évalués en watts, ce qui correspond au produit de la tension de sortie et du courant (Volts fois Ampères) lorsqu’ils sont complètement allumés.

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 rendement qui est généralement très faible, de l’ordre de 15 à 20%. Pour augmenter le rendement global de la cellule, les cellules solaires disponibles dans le commerce 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.

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

Dans ce tutoriel sur les capteurs de lumière, nous avons examiné plusieurs exemples de dispositifs qui sont classés comme des capteurs de lumière. Cela comprend ceux avec et ceux sans jonctions PN qui peuvent être utilisés pour mesurer l’intensité de la lumière.

Les capteurs de lumière sont des dispositifs de mesure de l’intensité de la lumière.