ELABORATION DU MATERIEL ET CARACTERISATION ELECTRIQUE DES PHOTODETECTEURS

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Description des trois composants à caractériser

La photorésistance

Une photorésistance est un dipôle résistant non polarisé dont la résistance varie en fonction de l’intensité de la lumière incidente. Elle se comporte comme un isolant à l’obscurité avec une forte résistance de plusieurs MΩ. Quand elle est exposée à la lumière, elle devient un conducteur de courant électrique en mise sous tension, cela est dû à la diminution de la résistivité du matériau semi-conducteur. Sa résistance est inversement proportionnelle à la l’intensité lumineuse.
La principale utilisation de la photorésistance est la mesure de l’intensité lumineuse (appareil photo, systèmes de détection, de comptage et d’alarme…).

La photodiode

Une photodiode est un composant semiconducteur formé par une simple jonction P-N photoréceptrice généralement non amplificatrice mais dans certaines conditions une amplification interne peut se produire. La nouvelle photodiode PIN constituée d’une zone intrinsèque est, de nos jours, la plus fréquemment utilisée dans la pratique électronique. Elle sert à distinguer la couleur d’une lumière incidente en fonction du courant circulant dans le circuit. Nous pouvons trouver dans les télécommandes de type téléviseur.

Le phototransistor

Un phototransistor est un transistor bipolaire dont la base est accessible au rayonnement lumineux ; sa base est dite flottante car elle est dépourvue de connexion. Lorsque la base n’est pas éclairée, le transistor est parcouru par un courant de fuite ICE0. L’éclairement de la base conduit à un photocourant Iph qu’on peut appeler courant de commande du transistor.
Le courant d’éclairement du phototransistor est donc le photocourant de la photodiode collecteur-base multiplié par le gain β du transistor. Sa photosensibilité est donc nettement plus élevée que celle d’une photodiode (de 100 à 400 fois plus). Par contre le courant d’obscurité est plus important. Sa nécessité réside sur les télécommandes électroniques comme les photodiodes. Grace à son amplification en courant, il est plus utilisé que la photodiode.

Fabrication des supports

La photorésistance, la photodiode et le phototransistor

On trace une surface de 30ˣ10cm2 de « Medium Density Fiberboard » (MDF) ou fibres de bois à moyenne et deux surfaces de 5ˣ30cm2 sur une planche en pin d’épaisseurs respectives 0.5cm et 1cm. On réalise étape par étape le travail.

Sciage 

A l’aide d’une scie, on coupe suivant les tracés le MDF (30ˣ10cm2). On a un modèle que l’on va noter X0.
On coupe ensuite la planche en pin suivant les tracés des deux surfaces de 5ˣ30cm2.
On obtient alors deux modèles que l’on va appeler X1.

Assemblage 

On associe le modèle X0 et les deux modèles X1 à l’aide des clous. On perce le contre plaqué en faisant des avant trous sur les deux cotés pour faciliter la combinaison.

Polissage et traçage 

On lisse à l’aide d’un papier verre la surface extérieure. Puis, on trace le symbole de la photorésistance, de la photodiode et du phototransistor avec un marqueur.

Fixation

On fixe au-dessus de leur support respectif la photorésistance, la photodiode et le phototransistor en se servant d’une petite plaquette et on relie à l’aide d’un fer à souder et un étain chacun de ces composants à ses douilles.

Perçage et montage des fiches bananes 

On perce 6 trous de 6 mm de diamètre avec une perceuse portant une mèche de 6 pour placer les 6  fiches bananes. On crée trois trous de 8mm de diamètre pour les trois composants.

La mise à l’obscurité

On fabrique un boitier en carton de couleur noire à l’intérieur et on recouvre par un papier blanc chaque face.

Fabrication des supports de modèles X2 et X3

On trace 4 surfaces de 10ˣ10cm2 de MDF de modèle X2 et 8 surfaces de 5ˣ10cm2 de modèle X3. Ces 12 surfaces sont utilisées comme support des 4 composants (la lampe, la LED, le transistor bipolaire et le potentiomètre)

Assemblage 

On associe le modèle X2 et les deux modèles X3 à l’aide des clous. On perce le MDF en faisant des avant trous sur les deux cotés pour faciliter la combinaison.

Polissage et traçage des symboles des composants

On lisse à l’aide d’un papier verre les surfaces extérieures de ces supports. Puis, on trace le symbole de chacun de ces composants.

Perçage et montage des fiches banane pour les 4 composants

On perce 2 trous de 8mm de diamètre avec une perceuse portant une mèche de 8 pour placer les 2 fiches bananes pour les 3 dipôles et un trou de plus pour le transistor bipolaire. On crée un trou de 8mm pour faire sortir les deux fils de polarisation de ces composants aux centres de chaque surface X2.

Fixation de chacun de ces composants sur leur support:

. On fixe la lampe à la surface extérieure à l’aide des vis et en utilisant un fer à souder et un étain, on la relie avec des fils électriques à 2 douilles. Ensuite, on fait de la même manière pour le potentiomètre, la LED rouge et le transistor mais ce dernier nécessite 3 douilles.

Travaux pratiques N°1 : Alarme (détecteur de présence)

 Objectifs :
 identifier le capteur (émetteur) et le récepteur à utiliser.
 connaître leur rôle ainsi que leur fonctionnement respectif
 Caractériser le capteur utilisé
 Pré-requis :
 Rôle et fonctionnement d’une photorésistance, d’une photodiode et du phototransistor.
 Fonctionnement et caractéristique d’un transistor bipolaire
 Rôle d’un condensateur et d’un relai
 Matériels utilisés :
 Phototransistor
 Photodiode
 Photorésistance
 4 transistors bipolaires NPN : T1 :2N2222, T2,T3,T4 : BFY51 (3)
 4 résistances : R4 :100Ω, R1 :1.2K Ω, R3 :330 Ω, R2 :1K Ω
 Deux relais inverseurs
 Un condensateur 3300µF/63V
 Générateur source de tension 12V (batterie)
 Lampe LED ou émetteur infrarouge
 Potentiomètre
 Un interrupteur

Travaux pratiques N°2 : éclairage automatique (détecteur d’obscurité)

 Objectifs :
 Définir la fonction des photorécepteurs
 Déterminer les courants d’obscurité (sombre) et à la lumière ambiante
 Comparer la sensibilité de la photodiode et de la photorésistance
 Pré-requis :
 Notion sur la « fonction amplification » de courant par un transistor bipolaire
 Définition et fonctionnement d’un photorécepteur
 Montage et étude des résistances en diviseur de tension.
 Matériels utilisés :
 Photodiode BPW 34
 Photorésistance CdSe H 35
 3 résistances : R1 :10k, R2 :1K, R3 :470
 Un relais 12V
 Une lampe 12V
 2 transistors NPN: T1 :BD139, et T2 : 2N2219
 Une diode 1N4001
 Principe
Quand il fait sombre ou obscur, la lampe s’alimente par le relai. Les transistors montés en push pull amplifient le signal venant du photorécepteur.

Travaux pratiques N° 3 : détecteur d’obstacle à émetteur infrarouge

 Objectifs :
 Savoir quel type de récepteur peut-on utiliser pour détecter un obstacle?
 Caractériser un tel récepteur compatible à ce mini projet.
 Pré-requis :
 Notion sur la fonction amplification de courant par un transistor bipolaire
 Définition et fonctionnement d’un photorécepteur
 Montage et étude des résistances en diviseur de tension.
 Matériels utilisés :
 Source de tension continue de 9V
 Deux transistors bipolaires :
 4 résistances : R1 :470, R2 :330, R3 :1.2K, et R5 :100
 Un potentiomètre 10K
 Un condensateur de puissance : 6600µF
 Un relais de 12V
 Un phototransistor
 Un émetteur infrarouge
 Un interrupteur
 Principe
Cet objet est utilisé pour détecter la présence d’un corps opaque qui coupe le rayonnement infrarouge. Il comporte deux parties distinctes : l’une est composée d’un circuit émetteur et l’autre d’un circuit récepteur. Il fonctionne lorsque la lumière IR n’arrive pas à la cible réceptrice (phototransistor), le transistor n’est pas polarisé et aucun courant ne circule dans la bobine du relais. Le relais ouvert alimente le circuit amplificateur de signal électrique puis le convertit en signal acoustique.
Le potentiomètre est utilisé pour limiter le courant de base du transistor.

CONCLUSION

Les élèves ne font plus de travaux pratiques dans nos lycées à cause d’insuffisance ou d’absence de matériels de laboratoire et de problèmes financiers.
Malgré ces obstacles, il est possible de redynamiser l’enseignement de la physique à l’ère de l’essor technologique et de l’internet.
Le présent travail vise à montrer qu’il est possible d’élaborer des appareils électroniques grâce à la nouvelle technologie et de les utiliser lors des séances de travaux pratiques (alarme, éclairage automatique, etc.) L’objectif d’un travail pratique est de mettre en évidence les événements qui peuvent se passer dans la vie quotidienne. Nous avons donc proposé le moyen le plus simple pour faciliter la transmission des savoirs en créant des matériels didactiques qui permettent de réaliser efficacement des travaux pratiques.
Ainsi, ce travail est centré sur l’exploitation des photodétecteurs. Nous remarquons que ces derniers ne peuvent pas fonctionner par eux-mêmes, alors il est nécessaire d’utiliser d’autres composants(les résistances, les transistors bipolaires, les condensateurs, les diodes, etc.) ce qui suppose la maîtrise de l’utilisation et du fonctionnement de ces composants. Nous avons vu que la mise en œuvre de ces composants contribue à la fabrication d’un dispositif électronique qui a la même fonction que les produits bruts importés. En outre, le total de prix des pièces détachées nécessaires coûte moins cher qu’un dispositif importé.
En bref, nous conseillons aux élèves de ne pas se contenter des travaux des autres et de mobiliser leur propre créativité. L’objectif est ici de perfectionner l’enseignement et l’éducation au niveau du lycée. Les travaux pratiques inclus dans la dernière partie sont réalisables et dédiés à tout lecteur surtout à la classe de première scientifique.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE A : GENERALITES SUR LA PHOTORESISTANCE, LA PHOTODIODE ET LE PHOTOTRANSISTOR
I. LA PHOTORESISTANCE
II. LA PHOTODIODE
III. PHOTOTRANSISTOR
PARTIE B : ELABORATION DU MATERIEL ET CARACTERISATION ELECTRIQUE DES PHOTODETECTEURS
I. Description des trois composants à caractériser
II. Fabrication des supports
III. Réalisation et mesures
PARTIE C : EXPLOITATION PEDAGOGIQUE POUR L’UTILISATION DE LA PHOTORESISTANCE, DE LA PHOTODIODE ET DU PHOTOTRANSISTOR PROPOSITION DE TRAVAUX PRATIQUES (TP) POUR LES CLASSES DE PREMIERES SCIENTIFIQUES
I. Travaux pratiques N°1 : Alarme (détecteur de présence)
II. Travaux pratiques N°2 : éclairage automatique (détecteur d’obscurité)
III. Travaux pratiques N° 3 : détecteur d’obstacle à émetteur infrarouge
CONCLUSION
REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE

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