Opoélectronique

[invite0ec97b15]

Bonjour,
J’aurais besoin de vos lumières (sans mauvais jeu de mot) sur un aspect optique ou plutôt optronique. Je souhaiterais mettre en oeuvre une carte comprenant une led IR et un phototransistor IR (l'un ne devant pas perturber l'autre). Et c’est justement cet aspect là que je souhaiterais vérifier, mais je ne sais pas comment je pourrais évaluer la distance et la sensibilité du phototransistor à placer en réception pour ne pas le déclencher de manière intempestive.

Les deux éléments (récepteurs et émetteur) sont tous deux sur le même axe horizontal et sont séparés d’une distance de 45mm seulement.

Les caractéristiques de la led IR sont les suivantes :
E=0,2mW/cm², pour le reste cf datasheet (http://www.optekinc.com/pdf/OP250.pdf)

Les caractéristiques du photodétecteur (OSRAM SFH3605) que j’ai choisi sont les suivantes :

Photocourant de 160 à 320µA spécifié pour une longueur d’onde de 950nm et éclairement lumineux de Ee=0,1mW/cm².

Voici ce que je comprends : le photocourant est le courant qui traduit le flux lumineux reçu en une grandeur électrique, ici, un courant.

Questions :

- Le courant spécifié de 160µA correspond t-il au courant réel sur le collecteur du transistor ? existe t-il un rapport de transformation qui lie l’intensité lumineuse et le courant de collecteur… ?
- Comment évaluer le « champ » max de détection du photodétecteur ?
- Comment régler la sensibilité de ce dernier ?
- Peut-on jouer sur la polarisation du phototransistor pour régler sa sensibilité ? est-ce d’ailleurs la principale différence avec une photodiode ? (sinon, quel est l’utilité d’un tel composant par rapport à une photodiode ?)
D’autre part comment évaluer l’atténuation du flux lumineux en fonction de la distance ? (quoique, finalement la notion de surface répond plus ou moins à ma question… pouvez-vous me le confirmer ?)

D’un point de vue intégration, j’aimerais évaluer les risques du récepteur à être perturber par l’émetteur, et ce en évaluant graphiquement ce que le photodétecteur pourrait « voir » et ce que la diode pourrait émettre pour un certain flux lumineux.

Je sais qu’il y a beaucoup de questions J, en espérant qu’il y aura beaucoup de réponses
D’avance, merci à ceux qui prendront le temps de me lire voire même de me répondre !
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[gcortex]

Slt,
oui c'est une question de surface
donc inversement proportionnel au carré de la distance (au delà d'une certaine distance)

le role du transistor est d'amplifier grosso modo de 100 à 300 fois, variable d'un composant à l'autre et avec la température pour la même référence

la fonction d'amplification est plutôt linéaire...

[PA5CAL]

Bonjour

- Le courant spécifié de 160µA correspond t-il au courant réel sur le collecteur du transistor ?

Oui

existe t-il un rapport de transformation qui lie l’intensité lumineuse et le courant de collecteur… ?

En première approximation, il y a un lien de proportionnalité entre la puissance lumineuse reçue et le courant de collecteur.

Si 0,1mW/cm² génère un courant de 170A, alors on devrait obtenir environ 1,7mA avec 1mW/cm² dans les mêmes conditions.

- Comment évaluer le « champ » max de détection du photodétecteur ?

Cela dépend avant tout des conditions d'utilisation du photo-détecteur, et de l'aptitude du circuit qui le suit à détecter (ou à être perturbé par) le signal du récepteur dans des conditions de fonctionnement fixées.

S'agissant seulement de la détection, le signal de l'émetteur reçu par le photo-détecteur génère toujours un photo-courant. Ce courant ne peut être perçu par le système récepteur que si son niveau est suffisamment grand devant le courant provenant des différentes sources perturbatrices. Ces dernières peuvent être une autre source de signal, la luminosité ambiante, ou encore la tension d'alimentation ou la température du photo-détecteur ("dark current"). La sensibilité du circuit utilisateur intervient également pour une grande part, et notamment en fonction de la nature du signal transmis (signal continu, ou signal modulé de différentes manières).

S'agissant de la perturbation, il faut tenir le même raisonnement, mais en considérant que le signal de l'émetteur n'est pas désiré, et qu'il vient gêner la réception du signal d'une autre source qu'on désire détecter. On doit donc faire une comparaison des sensibilités du système entre ces deux signaux.

- Comment régler la sensibilité de ce dernier ?

En réglant le circuit qui l'utilise, soit en faisant varier la valeur de la résistance qui permet de transformer son photo-courant en une tension, soit en faisant le gain de l'amplificateur ou le seuil du circuit détecteur qui le suit.

- Peut-on jouer sur la polarisation du phototransistor pour régler sa sensibilité ?

En pratique, non. En faisant varier VCE, on modifie la sensibilité, mais dans de faibles proportions. Pour les signaux modulés, on pourrait notamment jouer sur l'effet Miller (capacité parasite), mais cela ne présente qu'un intérêt assez limité.

est-ce d’ailleurs la principale différence avec une photodiode ?

Les deux différences marquantes entre ces deux types de composant sont:
- une plus grande sensibilité pour le phototransistor, à surface sensible égale
- une plus grande linéarité pour la photodiode

(sinon, quel est l’utilité d’un tel composant par rapport à une photodiode ?)

La sensibilité.

D’autre part comment évaluer l’atténuation du flux lumineux en fonction de la distance ? (quoique, finalement la notion de surface répond plus ou moins à ma question… pouvez-vous me le confirmer ?)

L'atténuation du flux dépend effectivement de la distance entre l'émetteur et le récepteur, mais également de la dispersion angulaire de l'émetteur (le faisceau d'un laser très directif sera moins atténué que celui d'une LED à 30°), du coefficient de transmission des milieux traversés, et de l'angle d'incidence du faisceau sur la surface du photorécepteur.

[invite0ec97b15]

bonsoir
merci... existe t-il un moyen de passer des lux en unité énergétique [W/m²] ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[PA5CAL]

existe t-il un moyen de passer des lux en unité énergétique [W/m²] ?

Le lux [lx] est défini à partir du lumen [lm] (1 lx = 1 lm/m²), qui est l'unité de flux lumineux dont la définition sous-entend qu'on parle de longueurs d'ondes visibles.

Pour un rayonnement à =550nm (lumière vert-jaune), 1 lux correspond à environ 1,5 mW/m².

Mais le problème, c'est que là, on n'est pas dans le domaine du visible, mais de l'infra-rouge. Avec une LED IR qui émet une forte puissance, on doit donc normalement considérer qu'on a ... 0 lux !!!

Il n'en reste pas moins que certains vendeurs de composants n'hésitent pas à présenter des caractéristiques exprimées en lux alors que le rayonnement utile n'est même pas visible. Ils appliquent une formule de transcription qui peut être parfois assez "arrangeante"...

Pour rester sérieux, il faut donc dans ton cas travailler avec des données donnant d'emblée la puissance d'éclairement (W/m²) et non l'éclairement lumineux (lx).

[PA5CAL]

Quoi qu'il en soit, l'éclairement (en W/m²) est une caractéristique à considérer au niveau de la surface du récepteur.

Au niveau de l'émetteur (la LED IR), l'unité à considérer est le W/sr (Watt par stéradian) dans la direction considérée.

En plus des considérations géométriques, il faut aussi tenir compte du recouvrement relatif du spectre d'émission de l'émetteur et du spectre de sensibilité du récepteur.

[invite0ec97b15]

Bonjour Pascal et merci
J'ai identifié une photodiode de type VSMG2700 de chez Vishay
ainsi qu'un phototransistor TEMT3700 du même fabricant.

J'ai pu voir que le phototransistor possédait une dérive en température relativement importante échelle en relatif :
1.6*Ica (lui même étant spécifié à 250µA jusqu'à 500µA) @ 80°C

Je me demandais s'il existait des méthodes qui permettrait la diminution voire l'annulation de l'effet de la température sur le courant... (thermistance ?)
existe t-il des moyens plus efficaces (peut-être plus complexes) permettant d'annuler cet effet ?

[PA5CAL]

La compensation des effets de la température est assez compliqué et n'a généralement pas beaucoup d'intérêt. Cela ne devient nécessaire que lorsqu'on réalise un système de mesure de la lumière ou qu'on veut précisément contrôler des paramètres comme le spectre et l'intensité. On utilise alors un capteur de température placé directement sur la puce du composant opto.

Dans un système d'émission-réception ouvert aux perturbations extérieures, on préfère mettre en oeuvre une modulation insensible aux variations d'amplitude, que celle-ci provienne de la température ou d'une autre cause.

On se contente donc d'un montage simple, sans compensation, et calculé de manière à ce que le fonctionnement reste correct sur toute la plage de température prévue.

[invite0ec97b15]

Merci
Autre chose pour mettre en oeuvre le phototransistor, quel est le meilleur moyen ?

utiliser une simple résistance de polarisation suivi d'un étage de mise en forme (autre transistor) ?

Le MOS est-il préférable pour ce typle d'appli ? au passage, quels sont ses avantages par rapport à un transistor bipolaire ?

Le MOS ne "consomme" pas beaucoup de courant à son entrée dû à sa grande impédance, mais inversement il possède une capacité CGS à chager... sachant que le résultat logique de l'étage de mise en forme est acheminé vers l'entrée d'un FPGA, quels sont les paramètres à prendre en compte pour réaliser une interface viable ?
Je pense aux seuils de la techno LVCMOS (puisque c'est la technologie utilisée par le FPGA).

Petite précision : le phototransistor fonctionne ici en basse fréquence et est utilisé en tant que protection en cas de surexposition.

[invite0ec97b15]

personne... ?

[PA5CAL]

Autre chose pour mettre en oeuvre le phototransistor, quel est le meilleur moyen ?

Ça dépend des caractéristiques qu'on veut privilégier et des contraintes électriques du montage. Ça peut aller d'une simple résistance à un ampli intégré en passant par un transistor monté en base commune.

Le MOS est-il préférable pour ce typle d'appli ?

Il n'y a pas assez d'infos à propos de ton application pour dire quoi que ce soit à ce sujet.

quels sont ses avantages par rapport à un transistor bipolaire ?

Une commande en tension ? Les deux types de transistor ont des caractéristiques et des comportements différents, qui peuvent constituer des avantages ou des inconvénients selon les objectifs fixés.

Le MOS ne "consomme" pas beaucoup de courant à son entrée dû à sa grande impédance, mais inversement il possède une capacité CGS à chager...

Les transistors bipolaires ont aussi des capacités parasites à charger. Le fait de consommer un courant peut être dans certains cas considéré comme un avantage pour évacuer les charges accumulées.

sachant que le résultat logique de l'étage de mise en forme est acheminé vers l'entrée d'un FPGA, quels sont les paramètres à prendre en compte pour réaliser une interface viable ?

Les mêmes paramètres que pour tous les montages numériques: seuils de tension, temps de commutation, capacités parasites, courants (fan-in/fan-out).

Je pense aux seuils de la techno LVCMOS (puisque c'est la technologie utilisée par le FPGA).

Compte tenu de la très faible tension d'alimentation, attends-toi à rencontrer de gros problèmes de conception avec les composants discrets, et quelque soit la solution que tu choisiras.

Tu peux concevoir un montage à très bas niveau de tension qui puisse garantir une dynamique et un temps de réaction tout juste suffisant pour ton application (si tu n'en demandes pas trop). Tu peux également réaliser le traitement du signal du phototransistor avec une tension plus élevée, puis adapter le niveau de sortie. C'est à toi de choisir où tu placeras la difficulté.

[invite0ec97b15]

Bonjour Pascal et merci une fois de plus

En fait, pour commander la diode, je pense que je vais m'orienter vers une solution à MOS car je risque de rencontrer des problèmes lors du blocage du PNP (mon montage utilise une tension de l'ordre de 3,3V pour l'alim, et la tension en sortie du FPGA est normalement encore moins élevée ! donc blocage difficile... à moins de mettre un cascode entre les deux).

Concernant le phototransistor, j'ai récupéré un document sur le net qui explique sa mise en oeuvre, mais c'est loin d'être clair (enfin pour moi ! )

- page 5, dans la section "Amplifier circuit using transistor", je ne comprends pas comment ils déduisent la relation R1 < RBE/ICE0 R1>VBE/IC, ils parlent ensuite du ICB0 qui d'ailleurs n'intervient pas dans la relation... ?

Chose intéressante stipulée dans le paragraphe précédent, ils mentionnent que la résistance RBE peut alléger l'influence du dark current, comment peut-on l'expliquer physiquement et comment peut-on évaluer la valeur optimale de cette résistance ? (ceci étant, dans mon cas, ça risque d'être un peu difficile car le boîtier PLC-2 ne me permet pas d'accéder à la base ! probable remise en cause du composant si l'un d'entre vous m'annonce que cette solution pour atténuer la présence du courant d'obscurité est viable...)

Pour resituer le cadre de mon application et répondre en même temps aux questions de Pascal, je ne cherche pas à avoir quelque chose de rapide (que ce soit pour la commande de la diode ou pour le phototransistor), j'ai des contraintes en terme d'alimentation (3,3V c'est tout !) et d'encombrement. Fonctionnelement, lorsque le phototransistor viendra détecter une intensité lumineuse importante, il devra avertir le FPGA par un signal logique compatible LVCMOS. L'architecture que je comptais jusqu'alors mettre en oeuvre, consistait à polariser le phototransistor et de mettre en sortie un transistor permettant l'interfaçage avec le FPGA. Il reste également la solution de l'ampli op à hysthérésis...

PS : Je viens de regarder, la sortance d'une IO du FPGA est de 24mA (sink et drive).

[invite0ec97b15]

Re,
J'ai oublié de poser une autre question : Lorsque j'ai vu le schéma de la page 5 figure 10(B), ils disent que le transistor monté en base commune permet d'alléger virtuellement la charge, j'ai donc cherché l'expression de l'impédance d'entrée du montage base commune pour déduire quel était son influence sur la sortie du l'émetteur commun... seulement l'impédance du montage base commune est très faible (h11/(Beta+1)), donc en clair on vient charger davantage le circuit ?!
je dois avoir tout faux dans mon raisonnement... si quelqu'un peut me corriger

Quel est le principe d'un tel montage ?

[invite0ec97b15]

personne ... ?