Utiliser une LED comme photodiode : montage

Pour utiliser une LED en photodiode et exploiter son signal pour en faire un véritable capteur de luminosité par exemple, on peut amplifier la tension qui apparaît aux bornes de la LED lorsqu'elle est éclairée.

Pour obtenir une tension exploitable de quelques Volts issue d'une LED utilisée comme photodiode, une amplification est nécessaire. Ci dessous, le montage le plus simple :

Montage de base d'une LED utilisée en photodiode

Générer une tension à partir d'une LED

Beaucoup de manuels présentent le montage basé sur un ampli op inverseur qui convertit, par le biais d'une résistance, le photocourant en tension. La polarisation inverse de la LED n'augmente guère son photocourant parce qu'il n'engendre pas de tension élevée aux bornes de la LED; cette polarisation n'est donc pas utile ici. Cela permet de relier l'anode de la LED à la masse au lieu d'une tension continue négative.

La tension de sortie continue (Vs) vaut donc :

Vs = - Iph x R1 (Iph = photocourant généré par la lumière qui entre dans la LED)

Pour inverser le signe de la tension, il suffit de retourner la polarité de la LED.

LED utilisée en photodiode : montage classique et variante

Le montage passif + suiveur donne la même tension de sortie (loi d'Ohm pour R1 !), mais de signe positif. L'ampli op est un simple suiveur qui offre une basse impédance de sortie.

Dans les 2 cas, C1 forme un filtre passe bas avec R1 (fréquence de coupure : 3.4Hz). Cette fréquence de coupure permet de filtrer efficacement le 50Hz environnant. Cette présence du 50Hz est due à la très grande valeur de R1.

Les deux montages sont donc équivalents.

Amplifier la tension issue de la LED utilisée en photodiode

Au lieu d'utiliser l'ampli op en suiveur, on peut l'utiliser en amplificateur.

Montage de l'amplificateur

Cela permet de gagner en niveau de signal et d'obtenir aisément de 0 à 10V en sortie du montage.

LED utilisée en photodiode avec montage amplificateur

Ce montage est tout à fait adapté à des réalisations pratiques.

Le gain est défini par 1 + R3/R2.

Il est judicieux de modifier R2 pour ajuster le gain. C2 forme un filtre passe bas avec R3 en baissant le gain à 1 pour les fréquences supérieures à la fréquence de coupure (16Hz). Cette fréquence de coupure permet de filtrer efficacement le 50Hz environnant.

Instabilité en suiveur

Si l'ampli op ne présente pas une bonne stabilité en suiveur, il risque d'osciller et le montage ne fonctionnera pas. Dans ce cas, il vaut mieux supprimer C2 et augmenter C1 à 10nF par exemple.

L'ampli op peut aussi osciller si sa sortie est reliée à une charge capacitive trop importante. Un câble de dix mètres de long possède une capacité de quelques nanofarads et peut entraîner une instabilité d'un ampli pourtant garanti stable. Cela arrive avec un TL072 par exemple.

Gain

Si on modifie R3 plutôt que R2, on modifie certes le gain, mais aussi la fréquence de coupure liée à C2.

L'ampli op est alimenté par une tension symétrique. La tension positive (+Vcc) limitera la dynamique de sortie (13V pour +Vcc = +15V). La tension négative peut se situer librement de -4V à -15V. La consommation se situe entre 3 et 4mA.

Exemple d'ampli op pour le montage de la LED en photodiode

Limites du montage

L'offset du TL072 (3mV typiques, 6mV max) ne permet pas des gains de l'ampli supérieurs à 300 environ. Plus R2 est faible, plus le gain est élevé, mais du même coup, l'offset est lui aussi amplifié. 330 Ohms semble un minimum raisonnable. Pour un offset de 3mV, avec R2=330 Ohms, l'offset en sortie vaudra 1V ! Pour une dynamique de sortie de 0 à 10V, cela fait 10% d'erreur.

Les courants d'entrée du TL072 vaut 5pA typiques (100pA max.). Il apparaît donc une tension aux bornes de R1 qui vaut, au pire, 100pA x 10 MOhm = 1mV.Cette tension, amplifiée par le gain, entraîne une erreur de 300mV.

Aucun fabricant de LED ne garantit de paramètres pour l'usage parasite photodiode. Sur un lot de LED, les dispersions du photocourant ne sont pas maîtrisables. Elles peuvent varier du simple au double.

La bande passante, réduite volontairement à quelques Hz peut limiter les applications.

Avantages du montage à LED et amplificateur

Utiliser une LED en photodiode avec un ampli op présente de nombreux avantages :

- Composants (LED et ampli op) faciles à trouver et économiques

- LED beaucoup moins chère qu'une photodiode

- Dynamique de sortie jusqu'à 13V (si l'ampli op est alimenté par +15V sur son alimentation positive)

- Réalisation simple et rapide

- Possibilité de mettre plusieurs LED en parallèle pour gagner en sensibilité

- Luminosité ambiante déjà suffisante pour faire marcher le montage...