Partager l’article

Recevez votre guide offert : les 7 erreurs en conception PCB à connaître et éviter

Bienvenue ! Je suis Maurice, ingénieur en conception de PCB. Mon objectif est de vous guider pour maîtriser la conception de cartes électroniques.

Qu’est-ce qu’une photorésistance ?

Gros plan d'une photorésistance (LDR) avec sa structure en serpentin caractéristique, soudée sur un circuit imprimé vert.

Une photorésistance, également connue sous le nom de résistance dépendante de la lumière (LDR pour Light-Dependent Resistor), de cellule photoconductrice ou de photorésistance semi-conductrice, est un composant électronique passif dont la caractéristique principale est de voir sa résistance électrique varier en fonction de l’intensité lumineuse qui frappe sa surface sensible. Contrairement à un composant actif, elle ne dispose d’aucune source interne pour générer un signal ; son comportement est entièrement dicté par l’énergie de son environnement lumineux.

Le principe de fonctionnement d’une photorésistance repose sur le phénomène de la photoconductivité, un effet de conversion photoélectrique interne. Lorsque le matériau semi-conducteur de la photorésistance est exposé à la lumière, des photons, particules élémentaires de la lumière, sont absorbés par le matériau. Si l’énergie d’un photon incident est suffisante (c’est-à-dire si sa fréquence dépasse un seuil minimal), il peut exciter un électron de la bande de valence, où il est lié à un atome, et lui fournir l’énergie nécessaire pour franchir la bande interdite et rejoindre la bande de conduction.

Cette transition crée un électron libre dans la bande de conduction et, simultanément, un trou (l’absence d’un électron) dans la bande de valence. Ces deux nouveaux porteurs de charge, l’électron libre et le trou, sont désormais capables de se déplacer librement dans le matériau et de conduire un courant électrique. Par conséquent, plus l’intensité lumineuse est élevée, plus le nombre de photons absorbés est grand, et plus le nombre de porteurs de charge libres augmente. L’accroissement de ces porteurs de charge se traduit directement par une augmentation de la conductivité du matériau, ce qui provoque une chute significative de sa résistance.

Cette propriété confère à la photorésistance une plage de variation de résistance extrêmement large. Dans l’obscurité totale, sa résistance peut atteindre des valeurs très élevées, de plusieurs mégaohms. À l’inverse, sous un fort éclairement, sa résistance peut chuter drastiquement, jusqu’à quelques centaines d’ohms seulement. Cette capacité à passer d’un état de haute résistance à un état de faible résistance sur plusieurs ordres de grandeur est la raison pour laquelle elle est un choix de prédilection pour les circuits de détection et d’interruption tout ou rien.

Physique des Matériaux

Le comportement et les caractéristiques d’une photorésistance sont intimement liés aux propriétés du matériau semi-conducteur utilisé dans sa fabrication. On distingue principalement deux types de dispositifs photoélectriques en fonction de leur composition matérielle : les dispositifs intrinsèques et extrinsèques.

Les semi-conducteurs intrinsèques sont des matériaux dont la composition est pure, comme le silicium (Si) ou le germanium (Ge). Pour que la conduction se produise dans ces matériaux, un photon doit posséder une énergie suffisante pour exciter un électron de la bande de valence et le propulser à travers l’intégralité de la bande interdite jusqu’à la bande de conduction. Cela nécessite des photons de haute énergie, ce qui limite leur sensibilité aux longueurs d’onde plus courtes.

À l’inverse, les semi-conducteurs extrinsèques sont dopés avec des impuretés. Ces impuretés créent de nouveaux niveaux d’énergie, ou bandes, dont l’énergie fondamentale est beaucoup plus proche de la bande de conduction. Cela réduit considérablement la distance que l’électron doit franchir et permet à des photons de plus faible énergie, donc de longueurs d’onde plus grandes (comme l’infrarouge), de déclencher la photoconduction.

Les photorésistances disponibles dans le commerce sont souvent fabriquées à partir de divers matériaux semi-conducteurs, chacun ayant une sensibilité spectrale unique.

Le sulfure de cadmium (CdS) et le séléniure de cadmium (CdSe) sont les matériaux les plus couramment utilisés pour la détection de la lumière visible. Le CdS, en particulier, est très populaire car sa courbe de réponse spectrale est remarquablement similaire à celle de l’œil humain, avec un pic de sensibilité autour de 520 nm (la couleur verte). Le CdSe offre une réponse plus rapide que le CdS, au prix d’une sensibilité plus étendue vers l’infrarouge.
Le sulfure de plomb (PbS) et l’antimoniure d’indium (InSb) sont utilisés pour des applications dans la région de l’infrarouge. Leurs propriétés les rendent essentiels pour des dispositifs spécialisés tels que les capteurs thermiques ou les systèmes de vision nocturne.
Le silicium (Si) est une alternative de plus en plus pertinente. Bien que sa sensibilité maximale se situe dans le spectre rouge et infrarouge, le silicium offre une robustesse supérieure face à la température et à la contamination.

La structure physique la plus reconnaissable d’une photorésistance est sa forme en peigne ou en serpentin. Cette conception géométrique maximise la surface de contact entre le matériau semi-conducteur et les électrodes métalliques. Cette grande surface d’exposition assure une absorption maximale des photons incidents et une collection efficace des porteurs de charge, ce qui optimise la variation de la résistance.

Caractéristiques Électriques et Optiques

La photorésistance est un composant caractérisé par des propriétés qui la distinguent nettement d’autres capteurs optiques. La compréhension de ces spécificités est essentielle pour toute conception de circuit.

Non-linéarité et Sensibilité

La relation entre la résistance d’une photorésistance et l’intensité lumineuse qu’elle reçoit n’est pas linéaire, mais plutôt une fonction inverse non-linéaire. Cela signifie que la chute de résistance est plus prononcée lorsque la lumière est faible qu’elle ne l’est lorsque la lumière est déjà forte. Cette caractéristique la rend inappropriée pour des applications exigeant une mesure précise de l’intensité lumineuse, comme les photomètres de laboratoire. En revanche, elle est parfaitement adaptée pour les applications de détection tout ou rien (obscurité/lumière).

La sensibilité de la photorésistance est également fonction de la longueur d’onde de la lumière. Un même flux lumineux n’aura pas le même effet sur la résistance si sa couleur change. La sensibilité spectrale d’un composant au sulfure de cadmium (CdS) est souvent préférée car elle correspond de manière optimale à la sensibilité de l’œil humain. En comparaison, les capteurs à base de silicium, plus sensibles à l’infrarouge, peuvent réagir de manière inattendue aux sources lumineuses qui émettent dans ce spectre, comme le soleil derrière des nuages, et nécessitent l’ajout de filtres infrarouges pour garantir un fonctionnement stable et prévisible.

Temps de Réponse

L’une des limitations les plus notables des photorésistances est leur temps de réponse, ou latence. Le passage de l’obscurité à un environnement éclairé se fait relativement rapidement, avec une latence d’environ 10 millisecondes. En revanche, la transition inverse, du mode éclairé au mode obscur, est beaucoup plus lente et peut prendre jusqu’à une seconde, voire plus.

Cette latence élevée rend les photorésistances inadéquates pour les applications de détection rapide, comme la lecture de lumières clignotantes à haute fréquence. Cependant, cette même propriété, souvent perçue comme un inconvénient, peut être utilisée de manière avantageuse. Par exemple, la latence est exploitée pour adoucir la réponse de certains circuits de compression de signal audio. Dans le domaine de la musique, elle est également mise à profit dans les amplificateurs de guitare pour créer un effet de trémolo. La variation lente et progressive de la résistance, contrôlée par une source lumineuse clignotante, permet de moduler le niveau du signal audio de manière fluide, créant un effet sonore naturel et non haché.

Autres Facteurs

La résistance d’une LDR est également sensible aux variations de température ambiante. Même si l’intensité lumineuse est maintenue constante, un changement de température peut faire varier la résistance du composant de manière significative. Cette dépendance rend les photorésistances peu fiables pour des mesures précises et stables sur le long terme. Enfin, comme tout composant passif, les photorésistances ont des limites de tension et de puissance dissipable qu’il est impératif de ne pas dépasser pour éviter leur dégradation.

Le tableau suivant résume les caractéristiques typiques d’une photorésistance au sulfure de cadmium, couramment utilisée :

Caractéristique	Valeur typique	Description
Résistance à l’obscurité	>1MΩ	Mesurée sans aucune lumière ambiante
Résistance à la lumière	<1kΩ	Mesurée sous un éclairement ambiant modéré
Temps de réponse (obscurité -> lumière)	≈10ms	Temps nécessaire pour que la résistance chute
Temps de réponse (lumière -> obscurité)	≈1s	Temps nécessaire pour que la résistance remonte
Pic de sensibilité spectrale	≈520nm	Correspond à la lumière verte, proche de la sensibilité de l’œil humain
Puissance dissipable typique	$100 mW$	Limite de dissipation de puissance pour un modèle comme le GL-5525

Conception de Circuits et Applications

La simplicité de son utilisation fait de la photorésistance un composant de choix pour de nombreux projets électroniques, qu’ils soient éducatifs ou commerciaux. La configuration la plus simple et la plus courante est le montage en pont diviseur de tension.

Le Pont Diviseur de Tension

Un pont diviseur de tension est un circuit composé de deux résistances en série. En remplaçant une de ces résistances par une photorésistance, on peut obtenir une tension de sortie qui varie en fonction de la lumière ambiante. La formule de base d’un pont diviseur est :

V_{s} =(V_{cc} \cdot R2 ^{)/} R1 ^{+} R ^{2).}

Où

V_{s}

est la tension de sortie,

V_{cc}

est la tension d’alimentation du circuit,

R_{1}

R_{2}

sont les deux résistances. La photorésistance peut être placée en position

R_{1}

R_{2}

, et ce choix détermine la logique de fonctionnement du circuit.

Si la photorésistance est placée en position $R_{1}$ (configuration pull-down), la tension de sortie $V_{s}$ est mesurée aux bornes de la résistance fixe $R_{2}$ . Lorsque la lumière augmente, la résistance de la LDR ( $R_{1}$ ) diminue, ce qui a pour effet de faire augmenter la tension de sortie $V_{s}$ . C’est une relation directe : plus il y a de lumière, plus la tension de sortie est élevée.
Si la photorésistance est placée en position $R_{2}$ (configuration pull-up), la tension de sortie $V_{s}$ est mesurée aux bornes de la LDR. Lorsque la lumière augmente, la résistance de la LDR ( $R_{2}$ ) diminue, ce qui fait chuter la tension de sortie $V_{s}$ . C’est une relation inverse : plus il y a de lumière, plus la tension de sortie est basse.

Cette simple inversion du placement permet au concepteur de choisir si son circuit doit être activé par un niveau de tension haut ou bas, offrant une flexibilité précieuse pour les montages de détection.

Étude de Cas

L’interrupteur crépusculaire, utilisé par exemple pour l’éclairage public, est une application classique d’un circuit à photorésistance. Le montage le plus courant utilise un pont diviseur de tension, un transistor et un relais pour contrôler une charge (comme une ampoule).

En plein jour : La photorésistance est exposée à une forte luminosité, sa résistance est donc à son minimum. La tension de sortie du pont diviseur (si la LDR est en position pull-down) est faible, ce qui n’est pas suffisant pour saturer la base d’un transistor. Le transistor reste bloqué, aucun courant ne circule vers le relais, et l’ampoule reste éteinte.
Dans l’obscurité : La luminosité diminue. La résistance de la photorésistance augmente fortement, pouvant atteindre 1 MΩ. La tension de sortie du pont diviseur augmente en conséquence, atteignant un niveau suffisant pour saturer le transistor. Le transistor devient passant, le courant active la bobine du relais, qui ferme les contacts et allume la charge lumineuse.

L’utilisation d’un potentiomètre à la place de la résistance fixe du pont diviseur permet d’ajuster le seuil de luminosité auquel le circuit bascule.

Autres Applications

La polyvalence de la photorésistance est illustrée par la diversité de ses applications :

Éclairage automatique : Allumage et extinction des lampadaires publics ou des veilleuses nocturnes.
Systèmes de sécurité : Détection d’intrusion en cas de coupure d’un faisceau lumineux (par exemple, un laser) dans une alarme antivol.
Photométrie : Mesure de l’intensité lumineuse dans les anciens appareils photo pour régler l’exposition.
Automatisme et domotique : Utilisation dans les horloges d’extérieur, les serres pour ajuster l’irrigation ou l’ombrage, ou pour le contrôle des rideaux.

Comparaison avec les Capteurs Optiques Alternatifs

Bien que la photorésistance soit un choix populaire, d’autres composants opto-électroniques existent pour des applications plus exigeantes. Les plus notables sont les photodiodes et les phototransistors.

Les photodiodes sont des composants semi-conducteurs basés sur une jonction PN. Elles convertissent directement l’énergie lumineuse en un courant électrique proportionnel au flux de photons. Les phototransistors, quant à eux, sont des transistors bipolaires dont la base est exposée à la lumière. Ils peuvent être perçus comme une photodiode avec un amplificateur de courant intégré, ce qui leur confère une sensibilité beaucoup plus élevée.

Caractéristique	Photorésistance (LDR)	Photodiode	Phototransistor
Principe de fonctionnement	Passif, Résistance qui diminue avec la lumière	Actif, Génère un courant	Actif, Amplifie le courant généré par la lumière
Sensibilité	Raisonnable mais faible	Élevée, bonne pour la détection précise	Très élevée grâce à l’amplification
Temps de réponse	Lent (10 ms à 1 s)	Très rapide (nanosecondes)	Rapide (microsecondes), plus lent que la photodiode
Linéarité	Non-linéaire	Linéaire	Non-linéaire
Polarité	Aucune polarité	Polarité directionnelle (anode/cathode)	Polarité directionnelle (émetteur/collecteur)
Coût et Complexité	Très faible coût, simple à utiliser	Plus coûteux, nécessite souvent un circuit d’amplification	Plus coûteux, sensibilité à la tension de polarisation
Applications Typiques	Détection tout ou rien (éclairage public), projets éducatifs	Communications optiques, lasers, mesures précises de lumière	Détecteurs de lumière haute sensibilité

Il ressort de cette comparaison que chaque capteur a un rôle spécifique. Bien que les photodiodes et les phototransistors surpassent la photorésistance en termes de sensibilité, de vitesse et de précision, la LDR conserve un avantage concurrentiel indéniable : sa simplicité et son faible coût. Son fonctionnement passif, son absence de polarité et sa grande robustesse la rendent idéale pour les applications où la précision n’est pas un critère primordial. Cette dichotomie explique pourquoi la photorésistance continue d’être largement utilisée dans les produits de consommation courants, les kits de démarrage en électronique et les prototypes à faible budget, même si d’autres technologies existent.

Limites et Dépannage des Circuits à Photorésistance

Malgré sa simplicité, la photorésistance présente des limitations et les circuits qui l’utilisent peuvent rencontrer des problèmes courants.

Les principales limites, déjà évoquées, incluent sa non-linéarité, son temps de réponse lent et sa dépendance à la température, qui rendent les mesures précises difficiles. Cependant, pour des applications de commutation, ces limitations sont gérables.

En cas de dysfonctionnement d’un circuit à photorésistance, une démarche de dépannage systématique est nécessaire :

Tester la photorésistance elle-même : Avant de chercher un problème dans le circuit, il est essentiel de vérifier que la LDR fonctionne correctement. Un multimètre en mode ohmmètre permet de le faire facilement. Dans l’obscurité, la résistance doit être très élevée (plusieurs mégaohms). En exposant le capteur à une source lumineuse (comme la lumière d’une torche), la résistance doit chuter significativement, généralement jusqu’à quelques centaines d’ohms.
Vérifier le circuit : Le problème le plus fréquent pour les débutants est l’interférence lumineuse. La lumière émise par la charge (par exemple, une LED) peut frapper la photorésistance, créant une boucle de rétroaction non désirée et empêchant le circuit de basculer correctement. La solution est simple : il faut éloigner les composants ou utiliser un écran pour les séparer.
Ajuster la résistance de charge : Le choix de la résistance fixe dans le pont diviseur est critique. Si sa valeur est trop élevée ou trop basse, la tension de sortie du pont ne variera pas suffisamment pour atteindre le seuil de basculement d’un transistor ou d’une entrée numérique. Un potentiomètre est une excellente solution pour ajuster finement ce seuil et calibrer la sensibilité du circuit.
S’assurer de la bonne mise à la terre : Les problèmes de masse sont une autre cause fréquente de dysfonctionnement. Il est crucial de s’assurer que tous les composants partageant un point de référence (le ground) sont correctement connectés.

Aspects Réglementaires et Alternatives Modernes

L’utilisation de la photorésistance est également soumise à des considérations réglementaires, en particulier en Europe. La directive européenne RoHS (Restriction of Hazardous Substances) a sévèrement restreint l’usage de certains matériaux dans les composants électroniques, notamment le cadmium. En conséquence, l’utilisation des photorésistances au sulfure de cadmium (CdS) et au séléniure de cadmium (CdSe) est très limitée dans les produits neufs fabriqués pour le marché européen.

Cette contrainte réglementaire a poussé les fabricants à se tourner vers des alternatives. Les capteurs à base de silicium, qu’il s’agisse de photodiodes ou de phototransistors, sont devenus une solution de remplacement privilégiée. Le silicium est non seulement conforme à la directive RoHS, mais il offre également une plus grande résistance aux températures extrêmes et à la contamination.

Cependant, comme discuté précédemment, les capteurs au silicium n’ont pas la même sensibilité spectrale que les photorésistances au CdS, leur réponse étant principalement axée sur les longueurs d’onde rouges et infrarouges. Pour les applications qui nécessitent une réponse proche de celle de l’œil humain, comme le contrôle de l’éclairage de rue, il est possible d’intégrer des filtres optiques (en verre ou en polymère) devant le capteur au silicium. Ces filtres absorbent les longueurs d’onde indésirables, permettant de combiner la conformité réglementaire et la robustesse du silicium avec une courbe de réponse adaptée à l’usage souhaité.

En conclusion, la photorésistance demeure un composant fondamental et très pertinent en électronique. Malgré ses limitations bien connues (non-linéarité, latence, sensibilité à la température) et les défis réglementaires liés au cadmium, sa simplicité, son faible coût et son efficacité pour les applications de commutation et de détection binaire lui garantissent une place de choix durable dans les projets de bricolage, les kits d’apprentissage et les produits de consommation où la haute précision n’est pas le critère principal. Elle n’est pas un composant obsolète, mais plutôt un outil de base qui a trouvé sa niche dans un écosystème électronique de plus en plus sophistiqué.

Autres articles :