Ce thème est constitué de 2 séances de 4h30. Il a pour sujet principal l’émission et la détection de photons, par l’utilisation de composants spécifiques de la photonique : les LEDs et les photodiodes.

Photodétection / Transparents

Objectifs pédagogiques

A la fin des deux séances de ce thème, les étudiant·e·s seront capables de :

  • mettre en place un émetteur basé sur des LED
  • mettre en place et caractériser un système de photodétection “simple”
  • lister les paramètres importants pour la bonne utilisation d’un composant (LED et photodiode)
  • définir et exécuter un protocole expérimental pour :
    • caractériser un dipôle linéaire ou non-linéaire
    • caractériser un système linéaire, en continu et dans le domaine fréquentiel
  • valider le fonctionnement d’un système vis-à-vis d’un cahier des charges (contraintes et performances)
  • synthétiser et documenter chaque étape de la réalisation et des tests d’un système

Mode hybride

Si l’un des deux membres d’un binôme est à distance, les objectifs pédagogiques de ce dernier évolue de la façon suivante. Les étudiant·e·s seront capables de :

  • lister les paramètres importants pour la bonne utilisation d’un composant (LED et photodiode)
  • définir un protocole expérimental pour :
    • caractériser un dipôle linéaire ou non-linéaire
    • caractériser un système linéaire, en continu et dans le domaine fréquentiel
  • comparer les résultats expérimentaux à un modèle mathématique ou à une simulation électronique
  • synthétiser et documenter chaque étape de la réalisation et des tests d’un système

Cahier des charges

A l’issue de ce thème, vous devez proposer un système permettant de transmettre un signal électrique analogique d’un émetteur à LED à une récepteur à photodiode.

Contraintes et performances

Le signal électrique pourra comporter des composantes fréquentielles jusqu’à 100 kHz.

La distance entre l’émetteur et le récepteur sera de l’ordre de 1 cm.

Le transport de l’information devra se faire dans le domaine du visible, à l’aide d’une LED “classique” et d’une photodiode.

Matériels à utiliser

  • une LED (rouge, bleu, verte…)
  • une photodiode (SFH206 – PDF)
  • un multimètre
  • une alimentation stabilisée (multi-tensions)
  • un oscilloscope
  • un générateur de fonction
  • quelques câbles, une plaquette de prototypage et des composants standards : résistances, capacités, ALI…

Etapes

Afin de faciliter le travail des deux séances, nous vous proposons de suivre les missions suivantes.

Les missions 1 à 4 devront être réalisées durant la séance 1. Les missions 5 et 6 devront être réalisées durant la séance 2.

Vous pouvez vous référer au document de conception suivant : Conception d’un système de transmission de signal par la lumière

Mission 1 / Caractériser une LED

Votre mission est de caractériser une LED visible (rouge, verte, bleue…) afin de déterminer un point de fonctionnement idéal pour transmettre un signal sinusoïdal.

Pour cela, on utilisera la méthode Caractéristique manuelle du tutoriel Caractériser statiquement un dipôle.

Documents à produire :

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
    • Tableau de mesures, courbes.
    • Protocoles de mesure et de réglage / Schémas de mesure, de câblage
  • Un texte de quelques phrases expliquant :
    • dans quelle zone la LED peut-être utilisée pour moduler la lumière émise,
    • les précautions à prendre pour obtenir une modulation sinusoïdale du flux lumineux.

Mission 2 / Réaliser un émetteur à LED

Votre mission est de réaliser un émetteur, pour transmettre un signal sinusoïdal (jusqu’à 100kHz), à partir de la LED caractérisée précédemment et de valider son fonctionnement par des mesures.

Vous devrez conserver ce montage jusqu’à la fin du thème.

Documents à produire :

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
    • Schémas de mesure, de câblage
    • Protocole expérimental pour vérifier le fonctionnement
    • Résultats expérimentaux

Mission 3 / Caractériser une photodiode

Votre mission est de déterminer ce qui différencie une photodiode d’une diode et comment elle peut être utilisée comme capteur de lumière. Pour cela, vous devrez caractériser une photodiode.

Pour cela, on utilisera la méthode Caractéristique automatique du tutoriel Caractériser statiquement un dipôle.

Documents à produire :

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
    • Schémas de mesure, de câblage
    • Protocole expérimental pour relever la caractéristique statique
    • Résultats expérimentaux / Relevé de la caractéristique pour différents éclairements
  • Un texte de quelques phrases
    • décrivant les différences entre une diode et une photodiode,
    • expliquant dans quelle zone de sa caractéristique elle peut être utilisée comme capteur de lumière.

Mission 4 / Réaliser un étage “simple” de photodétection

Votre mission est de réaliser un système de réception du signal lumineux à l’aide d’une photodiode et de vérifier simplement son bon fonctionnement. On pourra s’intéresser au circuit “simple” proposé dans la fiche résumée Photodétection, avec des résistances \(R_{PhD}\) de \(10k\Omega\), \(100k\Omega\) et \(1M\Omega\).

Vous pouvez également consulter le document suivant : Montage simple de photodétection

Documents à produire :

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
    • Schémas de mesure, de câblage
    • Oscillogrammes du signal d’émission et du signal reçu
  • Un texte de quelques phrases
    • expliquant comment modifier la sensibilité du montage

Mission 5 / Caractériser le système de transmission “simple”

Votre mission est de déterminer les limites de fonctionnement du système de photodétection “simple” et les paramètres influençant sa bande-passante. On pourra reprendre le circuit “simple” proposé dans la fiche résumée Photodétection (ainsi que son modèle), avec des résistances \(R_{PhD}\) de \(10k\Omega\), \(100k\Omega\) et \(1M\Omega\) et comparer les réponses en fréquence obtenues pour ces 3 valeurs de résistance.

Vous pourrez utiliser la méthode Allure “rapide” proposée dans le tutoriel : Tracer un diagramme de Bode

Documents à produire :

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
    • Schémas de câblage
    • Matériels et méthodes de mesure d’un diagramme de Bode
    • Oscillogrammes
    • Le diagramme de Bode du système de transmission (en amplitude)
    • Les valeurs des bande passante à -3dB et du temps de réponse du circuit de détection.
  • Un texte de quelques phrases :
    • analysant le montage et ses performances.
    • expliquant le lien entre la bande-passante à -3dB et le temps de réponse d’un circuit.

Mission 6 / Réaliser un étage “optimisé” de photodétection

Votre mission est de réaliser un système de réception du signal lumineux à l’aide d’une photodiode permettant de garantir les performances attendus dans le cahier des charges (bande-passante et sensibilité) et de quantifier ses performances dynamiques. Vous devez mettre en place un montage de type transimpédance.

Vous pourrez utiliser la méthode Allure “rapide” proposée dans le tutoriel : Tracer un diagramme de Bode

Documents à produire :

  • Une fiche de manipulation en ligne (partagée)
    • Schémas de câblage
    • Matériels et méthodes
    • Oscillogrammes
    • Allure des diagrammes de Bode
  • Un texte expliquant les avantages du montage transimpédance par rapport au montage suiveur et ses défauts

Pour vous aider dans l’analyse des résultats obtenus, vous pouvez vous reporter à l’étude du modèle autour du montage transimpédance (système bouclé).

Livrables finaux

Vous aurez 2 documents à fournir, au format PDF, sur la plateforme eCampus, module 5N-030-SCI, rubrique Dépôt des livrables.

  • Livrable 1 : Synthèse du travail réalisé avec des illustrations par vos propres expériences (schémas, protocole utilisé, mesures réalisés, analyse et validation)
  • Livrable 2 : Carte conceptuelle

Synthèse du travail

Les modalités pour la rédaction des synthèses est donnée sur cette page : https://lense.institutoptique.fr/s5-electronique-evaluation-des-syntheses/

Une aide vous est également proposée sur la page suivante : https://lense.institutoptique.fr/rediger-une-synthese-de-travail/

Pensez à relever l’ensemble des informations qui vous ont permis d’aboutir aux résultats obtenus (schémas, protocole utilisé, mesures réalisés, analyse et validation).

Les livrables sont à déposer sur la plateforme eCampus, module 5N-030-SCI – Travaux Pratiques de Conception Electronique. La date de dépôt limite est le jeudi de la semaine suivant la dernière séance d’un bloc thématique. Cette date est également mentionnée sur la plateforme eCampus.

Sujet / 4 pages MAX !!

Une société qui développe des sources lumineuses pour le Li-Fi (longueur d’onde visible) souhaite caractériser la dynamique de leur source (vitesse de transfert de l’information numérique de l’ordre de 40kHz). Pour cela, le service R&D utilise des photodiodes de type BPX65 (Documentation technique) .

Rédiger le « kit de survie » pour cette société pour développer un système de photodétection fiable permettant d’analyser la rapidité de la source (en particulier, il faudra s’assurer que le circuit de photodétection est plus rapide que la source à mesurer). Indiquez-lui en particulier :

  • comment caractériser expérimentalement la photodiode, pour retrouver les caractéristiques importantes de la documentation technique,
  • quel montage de photodétection utiliser (avantages et inconvénients des deux montages),
  • comment caractériser le circuit de photodétection en fréquence et mesurer sa bande-passante, afin de prédire la fréquence maximale de fonctionnement,
  • comment expliquer le phénomène passe-bas obtenu.

Vous illustrerez votre texte par les mesures (avec la photodiode SFH206) que vous avez réalisées en séance de TP.

Carte conceptuelle

Le second document à fournir est une carte conceptuelle (voir sujet dans la rubrique précédente).

Vous trouverez de l’aide sur les cartes conceptuelles dans les documents suivants :

Sujet

Quel est l’impact du choix de \(R_{phd}\) sur la réponse du circuit de photodétection ?

Ressources

Tutoriels

Fiches résumés

Autres ressources

Documentation technique LED Rouge

Documentation d’une LED rouge de type Vishay TLHR5400 (documentation technique via RS)

Documentation technique photodiode SFH 206

La documentation complète de la photodiode visible SFH206 est disponible à l’adresse suivante : doc SFH206.

Thème 2 / Réaliser la transmission d’un signal audio analogique par la lumière