Cahier des charges

Nous voulons réaliser un dispositif capable de réagir à la variation de l'intensité lumineuse à laquelle il est soumis, autrement dit un détecteur de lumière (ou d'obscurité, au choix). Ce type de montage est un grand classique, dont il existe de très nombreuses versions.

Notre détecteur devra donc signaler, par l'intermédiaire d'une DEL, clignotante ou non, d'une alarme sonore (buzzer), etc., le passage d'une lumière de plein jour à l'obscurité de la nuit, ou vice versa. On pourra, à l'aide d'un ou plusieurs réglages, modifier la sensiblité du détecteur, donc le seuil de basculement: pénombre, forte pénombre, obscurité totale...

On pourra encore envisager d'autres applications, par exemple un dispositif capable de "mesurer" l'intensité lumineuse ambiante. Le quadruple AOP LM324, doté de quatre sorties, pourrait aisément fournir quatre indications, correspondant à quatre valeurs d'intensité lumineuse. Disons-le d'emblée, il ne faudra pas s'attendre à une précision mirobolante, le capteur proprement dit étant une simple LDR. On peut cependant obtenir une maquette intéressante, au moins du point de vue didactique...

Principe du détecteur à base d'AOP

Le schéma de principe s'articule autour d'une LDR et d'un AOP, de préférence un LM324. La valeur des ajustables n'est pas critique; de toute manière, il faudra tâtonner un peu pour trouver le meilleur réglage. L'image de droite montre un modèle de LDR couramment disponible. N'espérez pas des miracles de précision: nous réalisons ici un détecteur très simple, voire "rustique", pas un instrument de mesure!

Le 324 est monté en comparateur de potentiel. Si le potentiel présent sur l'entrée e+ est supérieur au potentiel de référence présent sur l'entrée e-, la sortie sera haute. En cas contraire, la sortie sera basse. Dans le schéma proposé, deux DEL, une rouge et une verte, permettent de visualiser le niveau de la sortie. L'une de ces deux DEL sera donc forcément allumée à tout moment. Si on le préfère, on peut ne monter qu'une seule DEL, celle qui signale, par exemple, un niveau haut en sortie (la verte). On peut aussi relier la sortie de l'AOP à un multivibrateur astable, qui fera clignoter une ou deux DEL. On le voit, les possibilités sont multiples.

Reprenons le schéma de principe: un pont diviseur, composé d'une résistance de 100 k et d'un ajustable de 150 k, fixent un potentiel de référence sur l'entrée inverseuse. Une fois réglé, à l'aide de l'ajustable, ce potentiel ne bougera plus. Un autre pont diviseur, constitué d'un ajustable de 47 k et de la LDR, détermine le potentiel présent sur l'entrée e+. Ce potentiel est variable, puisqu'il dépend de la valeur ohmique de la LDR, laquelle valeur varie en fonction de la lumière ambiante.

De deux choses l'une: ou bien le potentiel en e+ est supérieur au potentiel, fixe, en e-, et dans ce cas la sortie est haute, ou bien c'est le contraire, et la sortie est basse. Si les deux DEL sont montées tel qu'indiqué, le basculement dans un sens se traduira par l'extinction d'une DEL et l'allumage simultané de l'autre, et vice versa dans l'autre sens.

Réalisation pratique

Notez bien que les valeurs indiquées pour les résistances et ajustables ne sont pas critiques; en fait, leur valeur est à déterminer de manière expérimentale, par approximations successives. Ceci est dû, en grande partie, à la toute relative précision et à la non-linéarité de la LDR. L'ajustable de 47 k, par exemple, pourra être remplacé par un ajustable de 10 k, 100 k, voire davantage. Quant au second ajustable, sa valeur est là encore donnée à titre indicatif: essayez au besoin 47 k, 100 k, ou 220 k, voire davantage, ou alors simplifiez le problème en montant deux résistances fixes de même valeur, ce qui vous donnera sur e- un potentiel égal à la moitié de Vcc. Si le résultat ne vous satisfait pas, essayez d'autres valeurs: le quart, le tiers, les deux tiers, les trois quarts... Vous finirez bien par trouver!

Pour affiner vos réglages, la meilleure méthode consiste sans doute à mesurer, avec la fonction ohmmètre de votre multimètre, la valeur ohmique de la LDR en pleine lumière, puis dans l'obscurité (recouvrez la face sensible de la LDR d'un capuchon, par exemple une boîte d'emballage de pellicule photo en plastique noir). Ces deux valeurs vous seront utiles pour calculer votre pont diviseur. Si vous avez mis en place un ou des ajustables, servez vous de la fonction voltmètre du multimètre pour mesurer les potentiels présents sur e+ et e-, selon la position angulaire des curseurs.

Prenons un exemple: le potentiel de référence sur e- est de 4,5 V, la tension d'alimentation Vcc étant de 9 V. Pour que la sortie soit haute, il faut sur e+ un potentiel supérieur à 4,5 V. Si la LDR est associée à une résistance de 47 k, ce potentiel supérieur à 4,5 V sera atteint quand la valeur ohmique de la LDR sera supérieure à 47 k. Vous désirez un seuil de basculement plus sombre? Portez le potentiel de référence à 6 V, soit les deux tiers de Vcc. Dans ce cas, le sortie sera haute quand la valeur ohmique de la LDR atteindra 94 k. Toute la question est de savoir à quelle luminosité correspond cette valeur. Et cela dépend essentiellement du modèle de LDR que vous utilisez.

Une autre solution, à base de 4011

Le schéma à base de 4011 propose une alternative d'une conception très différente, puisqu'il fait appel non pas à un AOP, mais à un circuit logique, lequel contient quatre portes NON-ET. Deux sorties S complémentaires sont disponibles; "complémentaires" signifie que si l'une des sorties est haute, l'autre est basse, et vice versa. Il suffit de consulter la table de vérité du 4011 pour s'en convaincre.

Un pont diviseur, composé de la LDR et d'un ajustable de 150 k, détermine un potentiel sur les entrées de la porte A. Suivant la valeur de ce potentiel, le première sortie sera haute ou basse. Pour la suite,reprenez la table de vérité! Mentionnons toutefois que le montage particulier entre la sortie de la porte B et les entrées de la porte A, via une résistance de 1 M, s'appelle un trigger de Schmitt: son rôle est de fournir un état haut ou bas bien net et sans ambiguité. Supposez que les deux entrées de A sont à 0, la sortie est donc à 1, de même que les deux entrées de B, par conséquent la sortie de B est à 0 et ce niveau bas est "renvoyé" aux deux entrées de A, comme pour le "renforcer".

Une porte logique, en effet, ne reconnait que des niveaux 0 ou 1, bas ou hauts, et les niveaux "flous" sont à proscrire. En supposant, par exemple, qu'un niveau 0 corresponde à une tension inférieure à 2,5 V et qu'un niveau 1 corresponde à une tension supérieure à 6,5 V (ces valeurs sont données pour l'exemple), il faut absolument éviter toute valeur de tension intermédiaire, car la porte ne saurait l'identifier clairement.

Comme le montage précédent, celui-ci peut attaquer un dispositif de signalisation au choix: DEL ou buzzer, ou encore actioner un dispositif de contrôle (mise en marche d'un appareil...)

Rappel: tout ce qui a été dit concernant la précision de la LDR reste bien entendu valable et il est probable que la mise au point de ce montage demande une certaine patience! La difficulté réside dans le fait qu'il n'est pas si facile de déterminer un seuil de basculement associé à un éclairement très précis. Un conseil: choisissez plutôt des valeurs extrêmes, en tout cas assez distantes, plein jour et obscurité totale, plutôt que faible lumière et légère pénombre... Le résultat obtenu dépendra, en grande partie, des performances du modèle de LDR que vous utiliserez.

Petite question (facultative): pourrait-on remplacer le 4011 par un 4001? Reportez-vous au chapitre consacré aux portes logiques et faites l'expérience!