Thème 1 / Réaliser la transmission d’un signal audio analogique par la lumière

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.

Aide pour ce thème (PDF)

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 0 / Cabler sur un breadboard

Vous serez amené à réaliser vos montages sur des platines de prototypage, également appelées breadboard.

Vous pouvez consulter la page suivante pour connaître le fonctionnement de ces plaques : https://www.robot-maker.com/ouvrages/2-1-utiliser-breadboard/

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.

Mode hybride : l’étudiant·e à distance devra :

s’intéresser à la documentation technique d’une LED standard 5mm
vérifier de la cohérence de la caractéristique de la LED obtenue par l’expérimentation

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

Mode hybride : l’étudiant·e à distance devra :

proposer un protocole de vérification du bon fonctionnement de la LED (flux lumineux sinusoïdal en sortie)

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 \(1M\Omega\).

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

Mode hybride : l’étudiant·e à distance devra (missions 4 et 5) :

vérifier par la simulation (QUCS ou LTSpice) que le modèle proposé dans la fiche résumée Photodétection est correct et justifier de l’ensemble des paramètres choisis

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 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

Mode hybride : l’étudiant·e à distance devra :

vérifier par la simulation (QUCS ou LTSpice) que le modèle proposé dans la fiche résumée Photodétection est correct et justifier de l’ensemble des paramètres choisis

Quelques informations sur le transimpédance

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 : http://lense.institutoptique.fr/s5-electronique-evaluation-des-syntheses/

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

Le sujet des synthèses vous sera donné lors de la seconde séance de Travaux Pratiques. Pensez à relever l’ensemble des informations qui vous ont permis d’aboutir aux résultats obtenus (schémas, protocole utilisé, mesures réalisés, analyse et validation).