Détecteur de fumée : principe de fonctionnement

Le principe d'un détecteur de fumée repose sur un capteur de luminosité (photodiode) associé à une LED dans un petit volume étanche à la lumière. L'effet Tyndall décrit la diffusion de la lumière quand de petites particules se trouvent sur le chemin des rayons lumineux. Une fraction de la lumière vient éclairer le détecteur quand il y a de la fumée à l'intérieur du détecteur... Un détecteur de fumée a été ici démonté pour comprendre le principe physique qui est en réalité d'une relative simplicité.

Le détecteur de fumée a été démonté et on y retrouve les éléments classiques de ce type de détecteurs. Le boitier en plastique est ouvert et on accède à la carte électronique et aux éléments optiques :

principe fonctionnement detecteur fumee

Comment fonctionne le détecteur de fumée

Démonter le détecteur de fumée

Détecteur de fumée démonté

Un petit blindage entoure la LED infrarouge (émetteur). La "chambre" qui est étanche à la lumière laisse entrer l'air et la fumée :

principe detecteur fumee

Chambre du détecteur de fumée

La chambre du détecteur de fumée est formée de deux pièces en plastique bien noir et bien opaque. L'air peut entrer sur les côtés et est filtré par une sorte de grille. Les petites particules de fumée peuvent entrer dans la chambre du détecteur :

principe de fonctionnement detecteur fumee

Filtre sur le côté de la chambre du détecteur de fumée

Le principe physique du détecteur de fumée repose sur l'ensemble LED - photodiode enfermé dans la chambre.

Principe de fonctionnement du détecteur de fumée

Eléments du détecteur de fumée

Deux éléments principaux du détecteur de fumée sont placés dans la chambre :

la LED infrarouge : c'est l'émetteur de "lumière" (ici, il s'agit d'infrarouge, mais le raisonnement serait identique pour la lumière visible)

la photodiode : c'est le récepteur du détecteur. Lorsque la photodiode reçoit de la lumière, elle crée un petit courant électrique qui est détecté par la partie électronique. Voici la LED, la photodiode du détecteur de fumée et la chambre (ouverte pour la photo) :

principe de fonctionnement de detecteur fumee

Chambre, LED et photodiode du détecteur de fumée

Si on souhaite voir la partie électronique et la chambre séparément :

fonctionnement detecteur fumee

Chambre, LED et photodiode du détecteur de fumée (séparés)

Principe optique du détecteur de fumée : l'effet Tyndall et la diffusion de la lumière

La LED émet un faisceau de lumière (infrarouge invisible à l’œil nu, mais le raisonnement est identique) dans une direction donnée et le capteur de lumière (la photodiode) est placée sur le côté. Elle ne reçoit aucune lumière grâce à la cloison en plastique qui se trouve au milieu de la chambre :

fonctionnement de detecteur fumee

Principe du détecteur de fumée (absence de fumée)

Schéma d'explication du détecteur de fumée

On peut schématiser le détecteur de fumée en absence et en présence de fumée :

Quand il n'y a pas de fumée, la lumière émise par le détecteur ne va pas dans le récepteur (capteur) de lumière :

comment fonctionne detecteur fumee

Principe optique du détecteur de fumée : absence de fumée

Lorsque des particules de fumée sont présentes dans la chambre, certaines sont éclairées par la LED et renvoient de la lumière dans toutes les directions (diffusion de la lumière). C'est l'effet Tyndall :

fonctionnement du detecteur fumee

Principe optique du détecteur de fumée : fumée présente

Les particules de fumée non éclairées ne renvoient aucune lumière et ne participent pas à la détection de la fumée. Telles des voleurs tapis dans l'ombre, ces particules ne sont pas détectées. Elles ne jouent aucun rôle.

De même les particules de fumée éclairées mais qui ne sont pas "vues" par le détecteur (capteur) de lumière.

En fait, seules les particules de fumée éclairées et dans l'angle de vision du capteur participent à la détection de la fumée. Sur le croquis ci-dessus, cela est matérialisé par les flèches qui vont vers le détecteur. Par analogie, on peut présenter l'effet Tyndall dans un liquide translucide (eau avec un peu de lait par exemple) ou encore dans un air brumeux :

 fonctionnement detecteur fumee tyndall

Jolie manifestation de l'effet Tyndall dans l'air brumeux un soir d'été après la pluie

Il s'agit du même effet : la brume qui se trouve éclairée par les rayons du soleil diffusent de la lumière vers l’œil de l'observateur. On peut représenter cette situation avec le même type de croquis :

detecteur fumée effet tyndall

Représentation de l'effet Tyndall

Diffusion de la lumière

D'autres phénomènes de la diffusion de la lumière existent et sont vus quotidiennement : la couleur du ciel. En effet, le ciel est bleu par la diffusion de la lumière par les molécules d'air. Il s'agit de la diffusion de Rayleigh. Imaginez un ciel où la diffusion de Rayleigh n'aurait pas lieu :

diffusion rayleigh ciel bleu

Diffusion de Rayleigh absente : un beau ciel noir lunaire...

Et sur la planète Mars ? A quoi ressemble le ciel ? Et un coucher de soleil où le soleil devient bleu à l'horizon...

Couchers de soleils sur Mars : inversion des couleurs

Buzzer du détecteur de fumée

Le détecteur de fumée est équipé d'un buzzer piézoélectrique à 3 bornes :

buzzer detecteur fumee

Circuit imprimé et buzzer

detecteur fumée buzzer piezo

buzzer du détecteur de fumée

Fin de vie de la batterie

La batterie est soudée au circuit imprimé. Elle ne peut pas être remplacée. Le détecteur de fumée émet des "bip bip" plus ou moins espacés lorsque la batterie faiblit dangereusement. Ces "bip" peuvent être espacés de plusieurs minutes et peuvent même sembler angoissants avant qu'on ne comprenne leur origine. Ne les confondez pas avec des bruits de frottements d'une table sur du carrelage, d'un cri d'animal ou d'une griffe qui gratte sur une surface lisse quand le chat fait un saut... Eh oui, l'apparition de ces "bip" intermittents peuvent bien surprendre quand ils commencent en pleine nuit...

batterie soudee detecteur fumée remplacer

Batterie du détecteur de fumée

Il faut alors se séparer du détecteur de fumée, voilà tout.

la resistance association en serie et parallele 0 La résistance: Association en série et parallèle la resistance pont diviseur de tension 0 La résistance: Pont diviseur de tension la resistance le code des couleurs 0 La résistance: Le code des couleurs la resistance description et definition 0 La résistance: Description et définition les portes logiques de base electronique binaire 0 Les portes logiques de base : électronique binaire la resistance mise en pratique 0 La résistance: Mise en pratique schema oscillateur simple sinus Oscillateur sinus à ampli op sans pont de Wien la resistance limitation de courant 0 La résistance: Limitation de courant
ENRICO93
Le 16 avr. 2020 à 19:53

Merci pour ce petit cour trop bien.

Maouche
Le 26 avr. 2020 à 15:58

très intéressant et détaillé

Lululu
Le 8 mai 2020 à 21:23

Tres bien expliqué, Mais je bondi en voyant des detecteurs avec une pile non remplaçable, les plus courant sont avec pile 9V (type 6F22) je voulais surtout rajouter que j'ai réparé plusieurs de ces appareils (qui se déclenchaient sans fumée) simplement en démontant la chambre "noire" et en la remontant, sans intervention supplémentaire... (bizarre mais efficace) si ca peut servir à ne pas les jeter inutilement... cdlt

Rponthieu
Le 20 mai 2020 à 19:20

Bonjour, Cela m'a refait penser à une vidéo très intéressante de la chaine YouTube "applied science" où des expériences sont fait avec des sources de radiation alpha. On trouve entre autre de ces sources radioactives dans certains type de détecteurs de fumés qui eux fonctionnent en détectant la différence de déplacements d'ions dans l'air lorsqu'il est saturé en fumée ! C'est en anglais par contre mais voici le lien pour les curieux : https://www.youtube.com/watch?v=ZBHIp967TD8&t=630s