La photodiode

La photodiode est une diode qui permet de mesurer un flux lumineux. En général on utilise des photodiodes sensibles à la lumière infrarouge.

C'est une diode et elle a la même caractéristique que toutes les autres diodes dans l'obscurité, mais sa caractéristique se décale "vers le bas" si on l'éclaire. Se rajoute un courant inverse quasiment proportionnel au flux lumineux reçu. On ne l'utilisera jamais avec des V_R importants. Voici la caractéristique que l'on obtient:

Comme la descente est quasi proportionnelle à l'éclairement, on se rend compte que l'idéal est de mesurer le courant pour une tension nulle (mesure sur l'axe vertical). Éventuellement pour une tension négative. Une photodiode s'utilise en inverse. On voit parfois mesurer la tension pour un courant nul (sur l'axe horizontal). Ce n'est pas terrible car la caractéristique n'est pas du tout linéaire.

Les montages usuels sont:

Dans le schéma de gauche, on alimente la diode en inverse avec une tension variable. Dans le noir, aucun courant ne la traverse et on a une tension nulle en sortie. Lorsqu'elle est éclairée au maximum, si un courant I la traverse et que l'on veut à ce moment une tension V, on prendra R=V/I. La tension d'alimentation influence peu le résultat. L'intérêt de ce montage est sa simplicité.

Dans le schéma de droite, un amplificateur opérationnel va imposer 0V aux bornes de la diode. On aura 0V dans le noir en sortie, et on calcule la résistance comme précédemment. L'intérêt de ce montage est de fonctionner à tension nulle, mais c'est plus cher.

Le phototransistor

On retiendra que c'est l'équivalent d'une photodiode et d'un NPN monté ainsi:

Le transistor va amplifier le courant et au lieu d'avoir quelques dizaines de µA, on aura quelques mA. C'est moins linéaire pour les mesures, et on utilisera les phototransistors surtout en tout ou rien (lumière ou noir).

Le photocoupleur

C'est l'association d'une diode infrarouge et d'un phototransistor. Si la diode est allumée, le phototransistor est saturé (on dira 0V à ses bornes), et si la diode est éteinte, le courant ne passe pas dans le phototransistor. C'est un dispositif simple qui va assurer une isolation entre les deux côtés. On le trouve par exemple dans un boîtier 4 ou 6 broches:

Par exemple, en automobile, les tensions sont de l'ordre de 14V. Si une Arduino veut voir si le plafonnier est allumé ou pas, baisser la tension de 14V à 5V peut être dangereux si il y a des sur-tensions. En utilisant un optocoupleur, on protège ainsi la carte Arduino:

Le photocoupleur à fourche

C'est un capteur permettant de "voir" si il y a quelque chose dans la fourche. On l'utilise comme fin de course, détecteur de passage... La led est allumée en permanence:

Si il n'y a rien dans la fourche, la lumière sature le transistor qui se comporte comme un interrupteur fermé et on lit 0V en entrée. Si un objet est dans la fourche, le transistor se bloque et à cause de la résistance pull-up on lit du 5V.

Le phototriac

C'est à peu près le même composant mais avec en sortie un phototriac. Cela permet d'alimenter une charge en alternatif. On peut ainsi commander le fil pilote d'un radiateur électrique (en 230V) grâce à une Arduino et un phototriac et la résistance. Pour commuter des charges plus puissantes l'optotriac peut commander un triac de puissance.

La photopile

Ce n'est qu'une photodiode qui a une grande surface pour capter un maximum de lumière. Et dans un panneau solaire, les diodes sont mises en série et en parallèle pour augmenter la tension et le courant. Reprenons la caractéristique de la photodiode:

C'est la zone entourée qui nous intéresse et si on inverse cette courbe verticalement, on a la caractéristique constructeur:

La courbe fine est la caractéristique courant=f(tension), la courbe plus grasse est la courbe puissance=f(tension). A gauche, on est en court-circuit, le courant est le plus important (5,5A), mais la puissance est nulle (P=0). A droite, on est à vide, le courant est nul et la tension est importante, U=45V. Pour avoir le maximum de puissance (185W), il faut se placer au bon endroit (U=38V, I=5A).