Pont infrarouge#
Ce montage a pour objectif d’échanger un octet de données entre un émetteur et un récepteur via un signal infra-rouge. Il est donc séparé en deux parties.
Cahier des charges#
Voici les caractéristiques macroscopiques requises pour le circuit.
L’émetteur doit pouvoir émettre un octet par le protocole UART via une LED infrarouge.
Le récepteur doit pouvoir comprendre cet octet et l’afficher.
Le baudrate sera de 100 bauds.
Le montage doit fonctionner à une distance de 10m.
Liste des tâches#
Vue d’ensemble#
Tracer 4 bits émis en entrée en entrée et tracer le courant circulant dans la LED.
Tracer le courant observé à l’étage de réception et le signal numérique en sortie.
Analyser le circuit par blocs
Identifier la fonction de chacun des différents blocs représentés sur le schéma du montage
Pour chaque bloc, identifier le type de grandeurs physiques en entrée et en sortie
Pour chaque bloc, tracer le schéma de la sortie en fonction de l’entrée (transient)
Pour le tracé des schémas, n’importe quel outil ou logiciel est accepté. Python ou Excel sont cependant conseillés.
Optoélectronique#
Etudier et modéliser le fonctionnement d’une LED et d’une photodiode.
Critiquer le choix du couple LED/Photodiode sur base des datasheets.
Sur base de la datasheet du composant BPV22NF, déterminer la puissance lumineuse à recevoir par la photodiode (en \(\mu W\)) pour générer un photocourant d’une intensité de l’ordre de 100 nA (pour cela, prolonger la caractéristique fournie par le constructeur).
En considérant la LED placée au sommet d’un cône d’émission arrosant la photodiode placée à 10 m, déterminer l’angle solide du cône (en \(Sr\)) dans lequel est confinée la puissance lumineuse reçue par la photodiode (Se baser sur ce document).
Déterminer l’intensité lumineuse (en \(mW/Sr\)) nécessaire pour la LED IR pour assurer cette portée de 10 m et, sur base de la datasheet du composant TSAL5100, déterminer alors l’intensité du courant à injecter dans une LED IR de ce type. Vérifier le non-dépassement du courant crête maximum de la LED
Enfin, déterminer la fréquence maximale des pulses, sachant que l’on utilisera des pulses d’une durée d’environ 20 \(\mu s\).
Emetteur#
Analyser et dimensionner le montage 555 astable sur base de ce document.
Dimensionner \(R_A\), \(R_B\) et \(C\).
Identifier le rôle de la diode \(D\).
Justifier l’intérêt de la capacité \(C_d\).
Dimensionner \(R_C\) et \(R_B\) en ne tenant pas compte de l’effet du filtre \(R_f\)-\(C_f\).
Dimensionner le filtre \(R_f\) - \(C_f\) et justifier son utilité.
Récepteur#
Capteur#
Mesurer le courant circulant dans la photodiode à luminosité ambiance (à l’aide d’une résistance de 470k$Omega$ mise en série)
Dimensionner la résistance \(R_1\) sans tenir compte de l’effet du filtre \(R_f\)-\(C_f\) pour obtenir une tension de 2 à 3V aux bornes de la photodiode.
Dimensionner le filtre \(R_f\) - \(C_f\) pour obtenir une fréquence de coupure inférieure à 100Hz. Justifier ce choix de 100Hz. Il faut également que ce filtre ne pertube pas le dimensionnement fait au point précédent.
Amplificateur#
Analyser le montage à amplificateur pour en extraire
La fonction de transfert en pleine bande (en négligeant donc l’effet de \(C_1\)) du premier étage. Justifier qu’il s’agit d’un convertisseur courant-tension.
La fonction de transfert en pleine bande du second étage.
Déterminer le gain total de l’amplificateur pour obtenir un signal d’une amplitude maximale sans saturation à 10m (en ce basant sur l’analyse optoélectronique et sur le calcul de la variation de courant dans la photodiode due à l’émission de la LED) tout en gardant un gain maximal de 1 pour les fréquences parasites.
Dimensionner \(R_2\) et \(R_5\)-\(R_6\) pour obtenir le gain calculé en pleine bande.
Dimensionner \(R_3\) et \(R_4\) pour obtenir une tension DC de 2.5V en sortie de l’amplificateur.
Justifier le rôle de \(C_1\) puis le dimensionner pour obtenir une fréquence de coupure de 1000Hz. Justifier ce choix de fréquence.
Justifier le rôle de \(C_2\) puis le dimensionner pour obtenir une fréquence de coupure de 1000Hz.
Justifier le recours d’une amplification à 2 étages sur base de la datasheet des amplificateurs opérationnels (en sachant qu’on souhaite laisser passer une dizaine d’harmoniques)
Fonctionnement#
Vue d’ensemble#
Le système peut être représenté d’un point de vue macroscopique par la figure suivante.
Emetteur#
L’émetteur peut être détaillé par le schéma-bloc suivant.
Le générateur génère un signal carré à une fréquence de 3kHz lorsque le bit à émettre est à 1. Il ne génère rien sinon.
Le courant du signal carré est amplifié pour alimenter la LED infrarouge.
Générateur de signaux rectangulaires#
Le générateur de signux est représenté par le schéma ci-dessous.
Amplificateur de puissance#
L’amplificateur de puissance est représenté par le schéma ci-dessous.
Le filtre \(R_f\) - \(C_f\) doit être dimensionné en respectant les critères suitants:
On accepte une chute de tension DC au bornes de \(R_f\) de 0.1V
On accepte une chute de tension aux bornes de \(C_f\) de 0.5V lors de l’émission du pulse.
Tip
Pour dimensionner le filtre, déterminer le courant moyen circulant dans la résistance \(R_f\) pour la dimensionner. Le condensateur doit être dimensionner en le considérant comme une réserve de charge et en considérant le courant comme constant (ce qui est une bonne approximation puisque la variation de tension est limitée à 10% de la tension d’alimentation)
Récepteur#
Le récepteur peut être détaillé par le schéma-bloc suivant.
La photodiode convertit le signal lumineux en courant.
Le convertisseur courant-tension convertit le courant en tension.
L’amplificateur amplifie cette tension.
Le détecteur de signaux tire \(V_c\) vers le bas lorsque des pulses sont reçus. Si aucun pulse n’est reçu, \(V_c\) remonte jusqu’à la tension d’alimentation.
Le comparateur compare cette valeur maximale avec le seuil de détection. Si la valeur est supérieure à un seuil choisi, le bit vaut 1, sinon 0.
Photodiode et conversion en tension#
La photodiode est représentée par le schéma suivant.
Amplificateur#
L’amplificateur est représenté par le schéma suivant.
Détecteur de signaux#
Le détecteur de signaux est représenté par le schéma suivant.
Comparateur à Hystérésis#
Le comparateur est représenté par le schéma suivant.
