5V masse résistance (100 Ω) diode lumineuse

Construction et utilisation d'un colorimètre à diodes lumineuses
Pierre Dieumegard
Lycée Pothier
45000 Orléans (France)
courriel : [email protected]
1 Emission de lumière par des diodes lumineuses (DEL = LED) reliées
aux sorties logiques
Les diodes lumineuses sont des composants qui émettent de la lumière, avec une longueur d'onde
caractéristique. La lumière émise n'est pas vraiment monochromatique, comme dans les
spectrophotomètres, mais elle a quand même un maximum d'émission très net pour une faible
étendue de longueurs d'onde. Par exemple, une diode rouge peut avoir une émission maximale à
625 nm et une diode bleue à 470 nm.
Ces diodes lumineuses sont assez fragiles sur le plan électrique : il ne faut pas que l'intensité qui les
traverse soit trop forte, sinon elles sont détériorées et arrêtent d'émettre de la lumière, et
normalement il faut mettre une résistance en série pour éviter cette surintensité. L'intensité prévue
pour les diodes lumineuses est environ 20mA.
5V
masse
diode
lumineuse
résistance
(100 Ω)
Illustration 1: Branchement d'une diode lumineuse par une résistance de protection
Bien sûr, on peut utiliser l'alimentation 5V pour servir de source de tension de 5V, mais on peut
aussi utiliser les sorties logiques des interfaces pour obtenir à volonté une tension de 5V,
commandable informatiquement. Un autre intérêt de ces sorties logiques est qu'elles ne peuvent
fournir qu'une faible intensité électrique (de l'ordre de 20 mA), ce qui fait qu'on peut se dispenser
des résistances de protection de la diode lumineuse (sans garantie).
En plus des diodes unicolores, il existe aussi des diodes bicolores (souvent rouge/vert) et des diodes
tricolores (rouge/vert/bleu). Pour un prix de l'ordre de un euro, on peut acheter un composant à
quatre pattes : une cathode commune à relier à la masse, et trois anodes, pour les trois diodes
élémentaires, à relier aux sorties logiques (= sorties binaires).
Si la sortie logique reliée à la diode rouge est active, la lumière rouge est émise, et de même pour la
lumière verte et la lumière bleue pour les deux autres sorties logiques.
2 Mesure de la lumière transmise
La « résistance électrique » de ces capteurs varie en fonction de la grandeur mesurée. Les capteurs
les plus utilisés sont :
–
les photodiodes (où l'intensité électrique qui traverse le composant est pratiquement
proportionnelle à l'intensité lumineuse qui y arrive), avec un temps de réaction très court. Il
faut brancher le composant dans le bon sens pour observer cet effet.
–
les photorésistances (photorésisteurs, photorésistors), que l'on peut brancher dans n'importe
quel sens, mais qui ont un temps de réaction beaucoup plus long que les photodiodes
(plusieurs secondes avant d'atteindre la résistance typique de l'éclairement)
–
les thermistances (thermistors), dont la résistance diminue avec la température (CTN). En
principe, la décroissance est de type exponentiel, mais sur une petite gamme de
températures, on peut la considérer comme linéaire.
–
des capteurs d'humidité, etc.
mesure
5V
photocapteur
masse
résistance
Illustration 2: Branchement d'un capteur à deux pattes sur une
interface de mesure (Orphy ou Arduino)
Il n'y a guère de complications dans le branchement : il faut mettre en série le capteur et une
résistance fixe entre le 5V et la masse, et connecter la broche de mesure entre les deux composants.
Quelle valeur choisir pour la résistance ? Dans la pratique, le mieux est de choisir une résistance
« du même ordre de grandeur » que la résistance normale du photocapteur.
Dans l'illustration ci-dessus, la tension de la broche de mesure diminue avec la lumière. Si on
inverse la connexion (résistance fixe entre 5V et broche de mesure, et capteur entre broche de
mesure et masse), la tension de la broche va augmenter avec la lumière.
3 Installation des deux composants dans un boitier, de part et d'autre
du logement d'un tube de colorimétrie
Illustration 3: Colorimètre à diodes lumineuses et
photodiode, relié à Arduino
Pour que les mesures soient fiables, il faut que la photodiode reçoive uniquement les rayons
lumineux qui lui parviennent à travers le tube de colorimétrie. Il faut donc mettre l'ensemble des
composants dans un boitier fermé, de préférence noir, pour que les parois absorbent tous les rayons
qui ne sont pas sur le trajet souhaité.
4 Avantages et inconvénients par rapport aux colorimètres ou
spectrophotomètres du commerce
L'avantage majeur de ce système est bien sûr le prix : quelques euros pour l'ensemble, au lieu de
plus de 2000 euros pour un spectrophotomètre, et plus de 200 euros pour un colorimètre.
L'inconvénient majeur est la fragilité : un boîtier plus solide et une connexion par câbles non
séparés faciliterait l'utilisation même dans des classes turbulentes, mais augmenterait le prix. Un
autre inconvénient est de ne pas avoir d'affichage incorporé, mais cet inconvénient peut être levé par
l'utilisation d'OrphyPortable, qui a un affichage incorporé.
Peut-il faire de bonnes mesures scientifiques, par exemple pour suivre une réaction enzymatique
colorée, telle que l'action d'une peroxydase sur le gaïacol ? Oui, puisque de nombreux colorimètres
du commerce sont basés sur le même principe de diodes lumineuses multicolores. Mesuracolor
(Pierron) contient des diodes lumineuses pour 6 longueurs d'ondes ; Color 1 et Color 4 (Jeulin) en
contiennent 4, Lumicolor (Micrelec) en contient 4, Colorim-V6 (Eurosmart) en contient 4, PS2121(Pasco-Sordalab) en contient 4, etc... Le montage ci-dessus utilise un seul composant,
contenant les 3 diodes lumineuses rouge, verte et bleue. Si on accepte un montage un peu plus
compliqué, on peut mettre plusieurs diodes lumineuses monochromes, et donc augmenter le nombre
de longueurs d'ondes disponibles. Le catalogue Selectronic 2010 propose près d'une dizaine de
longueurs d'onde (en nm : infrarouge proche 930, rouge 635, orange 620, orange 602-605, jaune
585-590, vert 565, vert pur 525-520, bleu 470, bleu 430, ultraviolet proche 395)
Peut-il faire mieux que les matériels précédents ? Peut-être, car le choix des longueurs d'ondes de
mesure est commandé par le logiciel sur l'ordinateur lui-même, alors que les colorimètres cités
précédemment demandent que l'utilisateur tourne ou appuie sur un bouton sur l'appareil.
Ici, il est possible de commander le changement de longueur d'onde en commandant la sortie
binaire par programme.
On peut donc demander de faire la mesure pendant quelques millisecondes dans le rouge, puis
pendant quelques millisecondes dans le vert, puis pendant quelques millisecondes dans le bleu, et
recommencer. Ainsi, au lieu de mesurer simplement l'absorbance pour une longueur d'onde pendant
quelques minutes, on peut mesurer quasiment simultanément l'absorbance pour plusieurs longueurs
d'ondes, ce qui donne une plus grande précision au résultat.
A la limite, si on construisait un colorimètre avec une dizaine de diodes lumineuses, on pourrait
tracer le spectre d'absorption d'une substance en quelques fractions de secondes (mais sur une
dizaine de points seulement !), et enregistrer l'évolution du spectre au cours du temps !