(TP07 2MPI) - Capteurs de Lumiere

5/8/2018 (TP07 2MPI) - Capteurs de Lumiere - slidepdf.com

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Capteurs de lumière

Les capteurs de lumière doivent réaliser une conversion d’un signal lumineux en signalélectrique interprétable par une chaîne électronique.

1 – LA PHOTORÉSISTANCE OU LDR

Sur ordinateur, voir document « EMETTEURS ET RECEPTEURS DE LUMIERE »

1.1 – Fonction réalisée par le capteur

Brancher directement un ohmètre aux bornes du capteur.Représenter le schéma du montage ci-contre.

Donner à la LDR diverses orientations par rapport à la lumière( lui faire faire un tour sur elle-même ) et observer lesindications données par l’ohmètre.

Comment « réagit » le capteur ?

L’éclairement se mesure avec un luxmètre. Situer l’éclairement de votre sallepar rapport au document fourni.

En conservant le montage précédent, relever, pour 5 éclairements différents, lavaleur de la résistance R de la LDR.

EclairementE ( lux )

Résistance de laLDR

R ( Ω )

Conclure sur le sens de variation de R :

En électronique, pour traduire le fonctionnement d’un système complexe, ondécompose celui-ci en blocs fonctionnels, permettant ainsi de connaître lesdifférentes grandeurs électriques utilisées et de savoir comment elles sonttraitées pour arriver au bout de la chaîne :

Constitution d’un bloc fonctionnel :

Rôle : A quoi sert cettefonction

Appliquer cette représentationà la LDR :

Objectifs du TP : - Pour un phototocapteur donné, savoir quellegrandeur électrique varie

en fonction de l’éclairement

Nom dela

fonction

Grandeur

d’entrée

Grandeur de

sortie



Rôle :

1.2 – Commande d’un éclairage urbain

On désire allumer les réverbères de l’éclairage urbain en fonction de l’intensitélumineuse extérieure. Si l’intensité devient inférieure à un seuil déterminé

( intensité de la lumière à partir de laquelle on considère la lumièreinsuffisante ), les lampes doivent être allumées. Dans le cas contraire, ellesdoivent être éteintes.

Afin de répondre à ce cahier des charges, il faut prévoir les étapes nécessaires :1 – Choisir un seuil à partir duquel la lumière est considérée comme

insuffisante.2 – Effectuer une comparaison entre ce seuil et la lumière ambiante de la

« ville ».3 – Ne déclencher l’éclairage urbain que lorsque la luminosité ambiante

est inférieure au seuilvoulu ( et non dans tous les cas ).

1.2.1 – Choix du seuil minimal

On définit deux états, NUIT et JOUR, correspondant aux deux éclairementssuivants :

L’état NUIT correspond au fait de placer la main très près devant la LDR.

L’état JOUR correspond à l’éclairage fourni par les fenêtres ou les lampesde la salle

L’ohmètre étant branché aux bornes de la LDR, orienter celle-ci afin qu’elle

reçoive un éclairement moyen , c’est-à-dire un éclairement intermédiaire entrel’état NUIT et l’état JOUR.Noter la valeur indiquée par l’ohmètre . Considérerl’ensemble des résistances disponibles ( bloc de résistances allant de 10 Ω à 10kΩ ), et choisir celle dont la valeur est immédiatement supérieure à cellerelevée. Par la suite celle-ci sera appelée Rseuil.

1.2.2 – Convertisseur résistance – tension

Par la suite il faudra effectuer une « comparaison ». Or on ne sait, en pratique,que comparer des tensions. Il nous faut donc convertir les variations derésistance de la LDR en variation de tension. Pour cela, on intègre la LDR dansun montage diviseur de tension.

Schéma :Sur ce schéma, placer le voltmètrepermettant demesurer la tension UAM.Réaliser le montage avec E = 6 V.

Placer la LDR aumaximum

d’éclairement (JOUR ).Noter UAM =

Placer la main devant laLDR



Remarque : Vérifier que les valeurs de UAM encadre la valeur 3 V. Eneffet , par la suite cette valeur de 3V correspondra au seuil de tensionchoisi pour faire basculer le comparateur. Si ce n’est pas le cas, donnerune valeur supérieure à Rseuil et effectuer de nouveau vos relevés de UAM.

Comment varie UAM avec l’éclairement ?

Quel est le rôle de ce diviseur de tension réalisé avec la LDR ?

En déduire le schéma fonctionnel de l’ensemble :

1.2.3 –Comparaison

Considérons le

schéma ci-contre :

Alimenter l’A.I.L. en+15 V et – 15 V.R1 = R2 = 1 kΩRégler E = 6 V.Câbler le montage.Faire vérifier.

La LDR étant tour à tour dans la condition « NUIT » puis dans la condition« JOUR », relever la valeur des tensions UAM, UBM et US.

UAM ( V ) UBM ( V ) Us ( V )

NUIT

JOUR

Quelles sont les valeurs prises par la sortie de l’A.I.L. ?La tension UBM correspond au seuil de tension choisi. Quelle est sa valeur ?A quoi correspond cette tension ?Comment le comparateur traite t-il le sens de l’inégalité ?

Pour quelle tension de sortie souhaite t-on allumer les lumières de la ville ?

!! CONSERVER VOTRE MONTAGE BRANCHER POUR PLUS TARD !!1.2.4 – Eclairage urbain

1er essai : A l’aide d’un générateur de tension fixe 15 V,alimenter une ampoule ( 6 V ; 300 mA ) protégé par unerésistance de 100 Ω montée en série avec celle-ci.Représenter ci-contre le schéma du montage.Le faire vérifier. Câbler le montage.L’ampoule brille t-elle ?

Ouvrir le circuit. Conserver le montage mais inverser lesdeux bornes de l’alimentation.Sous quelle tension le circuit est-il alors alimenté ?L’ampoule brille t-elle ?D’après cet essai peut-on simuler l’éclairage de la ville par une ampoule ?



Pourquoi ?

2ième essai : On remplace l’ampoule et sa résistance deprotection par une led protégée elle aussi par une résistanceen série ( voir doc. EMETTEURS ET RECEPTEURS DELUMIERE ) ( la maquette utilisée intègre les deux, il ne seradonc pas nécessaire de rajouter une résistance ; voir doc,

bloc de 4 leds). Représenter le schéma du montage.Alimenter l’une des leds de la maquette par le générateur detension 15 V.Constatation ?Ouvrir le circuit. Inverser les deux bornes de l’alimentation.Constatation ?D’après ce 2ième essai peut-on simuler l’éclairage de la ville par une led ?Pourquoi ?

Quel qualificatif emploie t-on pour caractériser l’ampoule et la led et qui permetde les différencier dans ce type d’essai ?Système complet :

RReprendre le montage du –1.2.3. et câbler en sortie, en parallèle, 3 ledsrespectivement protégées.Ces 3 leds vont donc simuler 3 réverbères de l’éclairage urbain.Placer la LDR en condition JOUR, puis très lentement faire passer sa maindevant la LDR pour simuler la tombée de la nuit. Puis en l’enlevant, tout aussilentement, simuler le lever du jour.( Bien choisir la position de la LDR pour le JOUR afin d’avoir un fonctionnement

très satisfaisant du système ).D’après ce qui a été fait précédemment, analyser le fonctionnement dusystème en vous replaçant dans le cadre de l’éclairage urbain.



En réutilisant vos connaissances, comment pourrait-on modifier le seuil deluminosité ? ( 2 solutions )

1.3 – Alarme de tiroir

on souhaite réinvestir le système précédent pour réaliser cette fois une alarme detiroir ( ou de toute autre cachette secrète bien noire ). Pour cela on garde tous lesréglagesprécédents eton modifie lemontage de lafaçonsuivante :

Modifier votre circuit. Tester en mettant la LDR dans les conditions correspondant au nouveau cahier descharges :Une LDR est cachée dans un tiroir renfermant de riches secrets. Lorsqu’unepersonne indésirable vient à l’ouvrir, l’intérieur du tiroir se trouve éclairé ( lumièredu jour, lampe de poche ou autre ) et cela déclenche alors un signal ( alarme,buzzer, etc….. simulé ici par la led ) prévenant son propriétaire de l’effraction.

Analyser le fonctionnement du montage.

2 – LE PHOTOTRANSISTOR

Voir document EMETTEURS ET RECEPTEURS DE LUMIERE, pour branchements etrenseignements divers.

2.1 – Choix du capteur

On considère le schéma ci-contre :Brancher le voltmètre aux bornes de la résistance de10 kΩ.

Donner au phototransistor diverses orientations parrapport à la lumière ( lui faire faire un tour sur lui-même ) et observer lesindications données par le voltmètre.Comment « réagit » le capteur ?



Les écarts de tension sont-ils importants ?Le phototransistor est-il plus ou moins sensible que la LDR à l’éclairement ?

(justifier )

Alors quel avantage présente le phototransistor par rapport à la LDR, qui puisse justifier son choix dans certains montages ?

2.2 – Mise en œuvre du phototransistorOn considère le dispositif suivant :

Le montageélectrique est lemême queprécédemment.

Disposer lephototransistorface à la fenêtre pour que le carton barré face écran à la lumière du soleil( sinon c’est elle que capte le phototransistor ).

En déplaçant très lentement le carton barré devant le phototransistor, essayerde maintenir, entre les deux, une distance à peu près constante ( d’environ 3cm ). Lors du déplacement, observer les indications du voltmètre. Le courant Ipassant dans R est-il plus fort lors du passage devant une bande blanche oudevant une bande noire ? ( Justifier )

Faire défiler à nouveau, lentement, le carton devant le phototransistor ennotant, pour chaque raie soit la valeur la plus forte indiquée par le voltmètre,soit la valeur la plus faible ( le choix étant logique par rapport à la questionprécédente ).

BandesUR (V)

Quelle est l’influence de la largeur des raies ?

En simplifié, que vient-on ainsi de simuler ?

2.3 – Mesure de la vitesse de rotation de l’axe d’un moteur

Cahier des charges : On sait que la vitesse de rotation de l’axe d’un moteur àcourant continu est fonction de la tension d’alimentation appliquée à ses bornes. On

souhaite installer un dispositif permettant de connaître cette vitesse. On précisequ’une vitesse de rotation peut s’exprimer en tour par seconde.

Matériel : On dispose d’un moteur à courant continu, sur lequel est fixé un disquepercé d’une fente. L’idée est de placer respectivement de chaque côté de la fente

Cartonconstitué debandes noires

et blanches

Sens dedéplacementdu carton



( face à face ) un émetteur de lumière ( par exemple une led qui émet enpermanence ) et un récepteur de lumière ( un phototransistor ). En précisant quelleautre grandeur il est nécessaire de mesurer, expliquer en quoi ce dispositif peutpermettre d’atteindre la valeur de la vitesse de rotation du moteur :

La led utilisée émet une radiation de longueur d’onde λ = 800 nm. Dans quel(s)domaine(s) de radiations travaille t-elle ?

Rappeler les longueurs correspondant aux valeurs extrêmes du spectre visible

Câbler le montage correspondantau schéma suivant après avoircorrectement identifié tous leséléments :

Le bloc émetteur est constitué parune led et sa résistance deprotection.

Emetteur et récepteur sontalimentés par la mêmealimentation ( noire ) continuefixe 5V.

Le petit moteur est alimenté parl’alimentation continue variableet réglée sur E = 1,5 V pour commencer. Le voltmètre est branché aux bornes de

cette alimentation afin de pouvoir régler la valeur de la tension appliquée auxbornes du moteur de façon précise.

Mettre en place l’ensemble du dispositif, en veillant à ce que l’émetteur et lerécepteur soient bien alignés au moment où la fente passe entre eux.

Afin de connaître le temps que met le disque pour effectuer un tour, on relèvesous « synchronie » l’allure de la tension aux bornes de la résistance R de 10 kΩ :Connecter la voie EA0 de la carte d’acquisition aux bornes de R et enregistrer lesignal en mode automatique. Imposer une durée d’acquisition égale à 100 ms( cette durée pourra être diminuée quand le moteur tournera plus vite ). Mettre letemps en abscisse et une échelle manuelle en ordonnée variant de – 0,1 V à + 0,5 V.

Pour chaque valeur de E appliquée aux bornes du moteur, on réalise une acquisition.A chaque passage de la fente devant le récepteur, il apparaît un pic de tension. Al’aide du pointeur de « synchronie », on relève l’instant où apparaissent 2 picsconsécutifs, et on en déduit la durée mis par le moteur pour effectuer un tour. Ondétermine alors la vitesse de rotation de celui-ci.

Remarque : Parmi les différentes acquisitions, en choisir une afin de laprésenter dans le compte-rendu. Elle sera donc titrée. Les grandeurs surles axes seront correctement notées. Les pics de tension et les instantsoù ils apparaissent seront mis en évidence.

FOURCHE SUPPORT



E, tension d’alimentation aux bornes du moteur ne variera que de 1,5 V à 4,2 V. AussiE va varier de 0,3 V en 0,3 V ( Si le réglage est délicat pour avoir une valeur exacte,approcher celle-ci le mieux possible et noter votre valeur ).E ( V )

Tensiond’alimentationdu moteur

1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,2

t1 ( ms )instant du 1er

pic

t2 ( ms )instant du 2ième

pic

∆ t = t2 – t1

Durée entre 2pics

n ( tr/s )vitesse derotation dumoteur

Sous « Excel » représenter le graphe n = f ( E ).La vitesse de rotation de l’axe du moteur est-elle proportionnelle à la valeur de la

tension d’alimentation appliquée à ses bornes ? (justifier )

2.4 – transmission d’un signal

2.4.1 – Transmission d’un signal à distance

Réaliser lemontage

suivant :

Connecter lesbornes du GBF àla voie EA0 dela carted’acquisition.

Connecter lavoie EA1 de lacarted’acquisition

aux bornes de R(10 kΩ)

Placer le phototransistor contre la led émettrice. Faire une acquisition.Observer. Puis éloigner de 5mm ( environ ) le phototransistor de la led. Nouvelleacquisition. Observer. Et ainsi de suite, éloigner le phototransistor. Queconstate t-on ?

Que faut-il en conclure sur la transmission des signaux optiques ?

2.4.2 – Essai sur une fibre optique

Schéma du montage :

EAO

EA1



Alimenter en 5V ( alimentation fixe ) le bloc de 4 leds.Poser une extrémité de la fibre optique contre l’une des leds. Regarder l’autreextrémité de la fibre.

Que constate t-on ?

Le phénomène est-il dépendant de la couleur ?

2.4.3 – Transmission d’un signal par fibre optique

On considère le schéma ci-dessous :

Le GBF sera réglé de la façon suivante : Sortie 50Ω . Signal sinusoïdal.Brancher le voltmètre aux bornes du GBF.

Mettre le voltmètre en mode AC et régler l’amplitude du signal issu du GBF afinde lire 1V sur le voltmètre.Mettre le voltmètre en mode DC et régler l’offset du signal issu du GBF afin delire 8V sur le voltmètre.

Le phototransistor n’est pas collé à la led mais au contraire éloigné d’au moins20 à 30 cm.L’ampli audio se présente ainsi :

Son alimentation, 12 V est donc lamême que celle du phototransistor.

Toutes les masses du montage sontreliées ensemble ( masse del’émetteur, masse du récepteur et les« 0 V » de l’ampli audio.

Câbler. Régler le GBF. Faire vérifier.

Tester le montage. Que se passe t-il ? Pourquoi ?

Relier, à présent, la led émettrice et le phototransistor par une fibre optiqueconvenablement connectée ( voir photo sur doc ).

Tester le montage. Que se passe t-il ? Pourquoi ?

Côté

Côté



Le voltmètre étant resté branché aux bornes du GBF, en mode AC, modifierl’amplitude du signal issu du GBF afin de lire 2V sur le voltmètre. Puis dans undeuxième temps, afin d’y lire 0,5 V. En agissant ainsi que modifie t-on auniveau du son et dans quel sens ?

Revenir au réglage de départ ( amplitude 1 V lue sur le voltmètre en mode AC ).

Modifier à présent la fréquence du signal issu du GBF. Faire l’essai vers de plushautes puis de plus basses fréquences. En agissant ainsi que modifie t-on auniveau du son et dans quel sens ?

En balayant ainsi en fréquences essayer ( car la qualité du HP intervient ) dedéterminer les fréquences limites audibles :

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