Comprendre le Fonctionnement des Capteurs LDR et des Thermostats à Bulbe : Une Exploration Détaillée

Les photorésistances, également connues sous le nom de capteurs LDR (Light Dependent Resistor), et les thermostats à bulbe sont des composants essentiels dans de nombreux appareils modernes, des jouets aux systèmes de régulation thermique sophistiqués. Bien qu'ils fonctionnent sur des principes physiques différents, ils partagent un objectif commun : détecter et réagir aux changements dans leur environnement pour automatiser des processus. Cet article propose une exploration approfondie de ces deux technologies, en expliquant leur fonctionnement, leurs caractéristiques, leurs applications pratiques et les considérations importantes pour leur utilisation.

Les Photorésistances (LDR) : Détecteurs de Lumière Versatiles

Les photorésistances, souvent désignées comme PhotoCells ou CdS, sont des capteurs qui permettent de détecter la lumière. C'est pour ces raisons qu'elles apparaissent souvent dans les jouets, gadgets et appareils. Fondamentalement, les photorésistances sont des résistances dont la valeur résistive (en ohms Ω) change en fonction de la quantité de lumière qui atteint le capteur (la partie en serpentin sur le dessus).

Une photorésistance est constituée d’un matériau semi-conducteur à haute résistivité. Deux électrodes sont séparées par ce matériau photoconducteur, généralement du sulfure de cadmium (CdS) ou du séléniure de cadmium (CdSe), pour une utilisation dans le domaine visible, et du sulfure de plomb (PbS) pour des applications dans l’infrarouge. Lorsque des photons provenant de la lumière incidente sont absorbés par le matériau photoconducteur, ils transfèrent suffisamment d’énergie aux électrons du matériau, ce qui abaisse sa résistance. Lorsque la luminosité augmente, davantage de photons sont absorbés, entraînant une production accrue de paires électron-trou, ce qui diminue la résistance du composant. Sa valeur ohmique (résistivité) est donc faible en plein soleil, et élevée dans le noir (obscurité).

Caractéristiques et Limitations des Photorésistances

Chaque photo-résistance agit un peu différemment d'une autre, même lorsqu'elles proviennent du même processus de fabrication. C'est pour cette raison qu'elles ne doivent pas être utilisées pour déterminer précisément le niveau lumineux en lux ou milli-candela. À la place, vous pourrez être capable de détecter des variations de lumières élémentaires. Si vous ajoutez plusieurs senseurs, vous pourriez remarquer que la température (détection de niveau lumineux) est inconstante.

Le graphique ci-dessous indique approximativement la résistance du capteur sous différents niveaux d'illumination. Souvenez-vous que chaque photo-résistance diffère des autres. Ce graphique est seulement un guide ! En particulier, elles tendent à être sensibles à des lumières entre 700nm (rouge) et 500nm (vert). La plupart des fiches techniques utilisent le lux pour indiquer la résistance correspondant à un certain niveau lumineux.

Le lux est une unité de mesure de l'éclairement lumineux, souvent difficile à évaluer intuitivement. Voici une table issue de Wikipedia permettant d'établir une correspondance entre Lux et Luminosité :

Une des principales caractéristiques d'une photorésistance est sa relation résistivité/luminosité. En fait, ceci donne la valeur ohmique de la photorésistance, en fonction de l’intensité lumineuse auquel elle est soumise. Il est important de noter que la relation entre valeur ohmique et luminosité n’est pas linéaire. En clair, par exemple : si la luminosité est divisée par 2, alors la valeur ohmique ne sera pas multipliée par 2. À ma connaissance, les constructeurs ne communiquent généralement pas d’équation mathématique permettant de déterminer par calcul la valeur ohmique d’une photorésistance (qui d’ailleurs, dépend de nombreux facteurs). C’est pourquoi nous devons nous fier aux courbes caractéristiques, qu’ils veulent bien nous communiquer (avec toutes les imprécisions que cela peut comporter !).

Outre la relation résistivité/luminosité, il faut également prendre en compte des caractéristiques secondaires mais importantes : la tension maximum supportable par cette LDR, la puissance dissipable par la LDR en elle-même, la température supportable par le capteur (température de service) et le temps de réponse du capteur, lorsque la luminosité varie.

Branchement et Utilisation des Photorésistances

Puisque une photo-résistance est fondamentalement une résistance, elles ne sont donc pas polarisées. Cela signifie que vous pouvez les connecter dans n'importe quel sens, elles fonctionneront parfaitement ! Les photo-résistances sont assez robustes, vous pouvez les souder, couper/raccourcir les broches, les insérer sur un breadboard, utiliser des pinces crocodiles, etc. La seule chose à laquelle vous devez faire vraiment attention est de maintenir les broches bien droites sous le capteur.

En pratique, une LDR ne s’utilise pas seule, mais le plus souvent de pair avec une résistance fixe. C'est grâce à un montage en pont diviseur de tension que l'on peut mesurer la valeur de la photorésistance. Ici, il s’agit simplement de mettre la LDR en série avec une résistance de valeur fixe, afin d’avoir une tension en point milieu qui varie en fonction de la résistivité de la photorésistance. Ainsi, comme nous connaissons la valeur de cette résistance fixe et de la tension qui les alimente, nous n’avons qu’à mesurer la tension du pont diviseur de tension pour déterminer la résistance de la LDR.

Dans cet exemple, nous utilisons une tension d'alimentation de 5V mais vous pouvez aussi utiliser une tension de 3.3v tout aussi facilement. Pour résumer, la tension lue sur l'entrée analogique augmente avec la luminosité. Par la nature même du circuit, il est plus difficile de déduire directement (c-à-d "sans calcul"), la tension sur l'entrée analogique du micro-contrôleur. Si vous avez planifié d'utiliser le capteur dans un endroit fort lumineux tout en utilisant une résistance de 10 KOhms, le circuit saturera très (trop) vite. Dans ce cas, vous devriez remplacer la résistance pull-down de 10 KOhms par une résistance pull-down de 1KOhms. C'est un compromis qu'il faut faire… Le montage avec la résistance de 10 KOhm permettra d'évaluer la luminosité en milieu peu lumineux. Notez que notre méthode ne fournit pas une tension linéaire en rapport avec la luminosité ! De même, chaque capteur est également différent.

Projets Pratiques avec les Photorésistances et Arduino

Le capteur LDR peut être utilisé dans divers projets pour créer des dispositifs réagissant à la lumière, tels que des systèmes d’éclairage automatique, des détecteurs de présence, des alarmes anti-intrusion, et bien plus encore. Avant de connecter le capteur LDR à l’Arduino, il est important de comprendre son brochage. Le capteur LDR a généralement broches : Vcc (alimentation), GND (masse), et OUT (sortie analogique ou numérique). La broche OUT est utilisée pour lire la valeur de luminosité.

Voici un exemple simple de code Arduino pour tester les photorésistances :

/* Exemple simple testant les Photo-Résistances. */// Ensuite, connecter une résistance de 10Ko sur la broche analogique 0 et l'autre bout à la masse.// Photo-résistance entre la broche analogique 0 et le +5V.void setup() { Serial.begin(9600); // Initialise la communication série}void loop() { int sensorValue = analogRead(A0); // Lit la valeur de la photorésistance sur la broche analogique A0 Serial.print("Valeur du capteur LDR : "); Serial.println(sensorValue); // Affiche la valeur lue delay(100); // Petite pause pour stabiliser la lecture}

Après avoir téléchargé le code sur l’Arduino, ouvrez le moniteur série de l’IDE Arduino (sélectionnez le bon débit en bauds, ici 9600). Vous devriez voir la valeur du capteur LDR affichée à intervalles réguliers. Dans la prochaine partie de cet article, nous allons mettre en œuvre un projet de détecteur lumière et obscurité en utilisant le capteur LDR et deux LED (une verte et une rouge). Ce projet permettra d’allumer la LED verte lorsqu’il fait jour et d’allumer la LED rouge lorsqu’il fait nuit.

Le montage et le sketch utilise la tension analogique lue pour déterminer quelle sera la luminosité de la LED. Plus il fera noir et plus la LED sera lumineuse !

Le capteur LDR détecte la luminosité ambiante et fournit une sortie numérique en fonction de la luminosité détectée. Après avoir téléchargé le code sur l’Arduino, le projet de détecteur lumière et obscurité sera opérationnel. Le capteur LDR détectera la luminosité ambiante et allumera la LED verte pendant la journée et la LED rouge pendant la nuit.

Précision des Mesures avec Arduino

Avec un programme comme celui ci-dessus, on s’aperçoit que la précision n’est pas extraordinaire. Cela est dû à plusieurs facteurs :

• Convertisseur ADC de l'Arduino : On passe par l’ADC 10 bits de l’Arduino (convertisseur analogique vers numérique) qui n’est pas forcément des plus précis.
• Tension d'alimentation USB 5V : La tension d’alimentation USB 5V n’est jamais exactement à cette valeur (on peut donc être plus ou moins en-dessous, par exemple).
• Tolérance de la résistance fixe : La résistance fixe de 10K ohms ne fait pas exactement 10k, car également en fonction de la température (entre autres choses).
• Arrondis de calculs : Les arrondis de calculs, au sein du code arduino, vont par ailleurs induire un manque de précision.
• Sensibilité de la photorésistance à la chaleur : La photorésistance, elle aussi, est sensible à la chaleur (qui, par exemple en plein soleil, peut avoir par une valeur ohmique "altérée", comparé à la valeur attendue).

On le remarque d’ailleurs "dans le noir", où cette résistance était donnée à 1 Mohm par le constructeur. Or là, avec le programme qui "lit" une tension de 0,01 volt en point milieu du pont diviseur de tension, donnant une résistance de 3,3 Mohms (donc bien au-dessus de ce que spécifie le fabricant de cette photorésistance !).

Pour le pont diviseur de tension, une résistance de 10k ohms est souvent choisie : parce qu’elle correspond à la valeur donnée à 10 lux par le fabricant (ce qui ferait un pivot à Vcc/2 à cet éclairement donné) et pour limiter le courant de façon suffisante (par soucis d’économie d’énergie, et vis à vis de la puissance max dissipable, dans la LDR en elle-même).

En parlant de la puissance maximum dissipable par la photorésistance, celle-ci est de (si on considère qu’en plein soleil, la LDR finit à 0 ohm) :

→ comme P = U² / R (formule de calcul de puissance, à partir de P = U * i, et de U = R * i)→ alors P = 5² / (10000 + 0)→ d’où P = 2,5 mW

En sachant qu’un modèle GL-5525 peut dissiper jusqu’à 100 mW, on est donc pleinement dans les clous, ici !

Utilisation de la Décharge de Capacité avec les Photorésistances

Il est aussi une option pratique si vous voulez utiliser plus de capteurs qu'il n'y a de broches analogiques disponibles : l'utilisation du temps de charge/décharge d'une capacité. En effet, si le capteur présente une haute impédance et qu'il y a une capacitance (capacité ou toute sorte de matériel équivalent) sur le convertisseur ADC, cela prendra un certain temps pour que la capacitance se charge.

Initialement, si la capacité ne stocke pas de tension et qu'ensuite nous appliquons une tension (ex: 5V) par l'intermédiaire d'une résistance, la capacité va lentement se charger jusqu'à la tension appliquée. Plus la résistance est grande et plus il faut de temps pour charger la capacité. Cette capture d'un oscilloscope montre ce qui arrive sur une broche digitale (jaune). C'est parce que la capacité agit comme un réservoir et la résistance comme un tuyau étroit. Remplir un réservoir avec un tuyau très étroit prend assez de temps. C'est grâce à ce temps de remplissage (que nous pouvons mesurer) que nous pouvons estimer la taille du tuyau de remplissage (donc la "valeur de la résistance"). Mesurer le remplissage de la moitié du réservoir est suffisant pour estimer la taille du tuyau. Dans notre cas, notre réservoir est une capacité céramique de 0.1uF (micro-farad).

Cela peut être corrigé en faisant deux lectures (avec pause et ignorant le résultat de la première lecture) sur le premier capteur.

Le Thermostat à Bulbe : Régulation Thermique Précise

Le thermostat à bulbe est un appareil mécanique utilisé pour la régulation thermique. Il repose sur un bulbe contenant un mélange liquide-vapeur sensible aux variations de température. Lorsque la température change, ce mélange se dilate ou se contracte, générant une pression transmise via un tube capillaire. Cette pression actionne un soufflet qui, en se déformant, ouvre ou ferme un contact électrique.

Fonctionnement Détaillé du Thermostat à Bulbe

Lorsque la température augmente, le mélange vapeur/liquide contenu dans le bulbe se dilate. Cette dilatation crée une surpression qui se propage dans le capillaire jusqu’au soufflet. Ce dernier, soumis à cette pression, se déforme et active mécaniquement le contact électrique. Inversement, un refroidissement réduit la pression, permettant au ressort antagoniste de réinitialiser le système. Ce principe physique, basé sur la loi des gaz parfaits, garantit une régulation précise et fiable.

Les composants clés du système thermostatique à bulbe sont :

• Le bulbe et le capillaire : Ils forment le "train thermostatique". Le bulbe, rempli d’un mélange vapeur/liquide, capte les variations de température. Le capillaire, un tube fin, transmet les variations de pression jusqu’au soufflet.
• Le soufflet : Il joue un rôle essentiel en transformant les variations de pression en mouvement mécanique. Lorsque la pression du fluide augmente, le soufflet se déforme et actionne un levier.

Régulation et Applications du Thermostat à Bulbe

En pratique, la régulation thermique commence par la détection de la température via le bulbe. Lorsque la chaleur varie, le mélange vapeur/liquide se dilate, modifiant la pression dans le capillaire. Cette pression agit sur le soufflet, qui pousse ou relâche un levier mécanique. Si la température dépasse la consigne, le ressort antagoniste cède, ouvrant ou fermant le contact électrique. Cela active ou désactive l’appareil (chauffe-eau, réfrigérateur, etc.). Cependant, le système reste binaire : il n’y a pas d’ajustement progressif, seulement un basculement entre deux états.

Vous pouvez ajuster la température souhaitée grâce à la vis de réglage. En tournant le bouton gradué (par exemple de 10°C en 10°C), vous modifiez la tension du ressort antagoniste. Plus le ressort est serré, plus la pression du bulbe doit être élevée pour déclencher l’action électrique. Ce mécanisme permet une régulation précise, avec une répétabilité ≤ 1 % de la plage de réglage.

Les thermostats à bulbe trouvent leurs domaines d'application principaux dans le chauffage et la réfrigération. Vous les retrouvez dans les chauffe-eau, les chambres froides et les serres agricoles. Les thermostats à bulbe assument deux fonctions principales : la régulation et la sécurité. En régulation, ils maintiennent la température d'un système en actionnant le contact électrique selon la consigne. En sécurité, ils coupent le circuit en cas de dépassement critique, comme un seuil à 90°C dans un chauffe-eau.

Installation du Bulbe

Le bulbe doit être installé à contre-courant du sens d'écoulement du fluide pour bien entendu améliorer l'échange. Quand le diamètre du tube d'aspiration est inférieur à 3/4 de pouce, le bulbe doit être installé dans la position 13h (cadran d'une montre) c'est-à-dire sur la partie supérieure de la tuyauterie. Si son diamètre est compris entre 3/4 " et 7/8", le bulbe sera installé cette fois-ci dans la position 14h. Le bulbe doit être maintenu fermement en position et ne doit pas bouger.

Autres Types de Thermostats et Considérations de Sécurité

Il existe principalement trois types de thermostats : les thermostats mécaniques, les thermostats programmables et les thermostats intelligents (ou connectés). Les thermostats programmables, eux, sont numériques et vous permettent de définir des horaires de chauffage pour optimiser votre consommation.

Un thermostat à canne fonctionne sur le principe de la dilatation ou de la contraction d'une tige en fonction de la température de l'eau. Ce mécanisme est principalement utilisé pour la régulation de l'eau chaude sanitaire, notamment dans les chauffe-eau. Par exemple, dans un chauffe-eau électrique, il commande l'arrêt de la résistance chauffante une fois la température de consigne atteinte. Ce type de thermostat intègre également une sécurité qui coupe le fonctionnement en cas de surchauffe, nécessitant un réarmement manuel de votre part.

Non, il est fortement déconseillé de brancher un chauffe-eau sans thermostat. Le thermostat est un élément de sécurité essentiel qui régule la température de l'eau. Cela présente un risque majeur de surchauffe excessive, pouvant provoquer la production de vapeur et, dans le pire des cas, un danger d'explosion si le groupe de sécurité ne fonctionne pas.

Un thermostat sans fil est tout à fait compatible avec une chaudière. C'est même devenu un élément clé pour réguler la température ambiante et réaliser des économies d'énergie. Ce type de thermostat vous permet de programmer des plages de température pour s'adapter à votre quotidien, ce qui peut vous faire économiser jusqu'à 25% d'énergie.

Le thermostat à bulbe, grâce à son mélange liquide-vapeur, régule la température avec précision en transformant les variations de pression en mouvement mécanique. Rien ne vaut ce système éprouvé pour des applications comme le chauffage de l’eau ou la climatisation, où fiabilité et simplicité sont importantes.

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