Détecteur d’éclairs, partie 1: théorie

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Liège, 2014

 

J’ai mis de côté mon feu rouge pour me concentrer sur mon projet de détecteur d’éclairs pour appareil photo car la saison des orages approche et je tiens à être prêt!

J’ai toujours été fasciné par les éclairs. La puissance qu’ils dégagent nous rappelle qu’au final, nous sommes peu de choses.

Faire de la photo d’éclairs de nuit n’est pas trop problématique: une pose longue, un trépied, une télécommande et un peu de chance suffisent amplement. Les photos de jour sont quand à elles plus compliquées…

Tout d’abord, il est impossible de faire des poses longues sans utiliser de filtres à densité neutre. L’avantage, c’est qu’ils allongent le temps de pose et donc les chances de capturer un éclair. L’inconvénient, c’est qu’ils ont tendance à atténuer le halo de l’éclair. celui-ci paraît du coup très « fade ».

Enfin, si on désire se passer de filtres afin d’obtenir un résultat plus « spectaculaire », il va falloir mitrailler au pif en espérant capturer un éclair dans ce laps de temps. Non seulement, cela va faire un paquet de photos à traîter, mais en plus, le rideau et le capteur vont être sollicité pour rien, provoquant l’usure prématurée du matériel.
La solution? Utiliser un détecteur d’éclairs. Il en existe deux types: à radiodétection et optiques.

Les détecteurs à radiodétection fonctionnent à l’aide d’un récepteur AM (identique à ceux utilisé dans les radios). Les éclairs génèrent des perturbations électromagnétiques sur les ondes AM. Le détecteur les repèrent et déclenche l’appareil photo.
Avantage: hyper rapide
Inconvénient: détecte les éclairs jusqu’à 60km de distance. Peu d’intérêt car même pas dans le champ de vision.

Les détecteurs optique fonctionnent quand à eux grâce à l’intensité lumineuse produite par l’éclair. Celle-ci est repérée par le détecteur qui déclenche l’appareil photo.
Avantage: ne détecte que les éclairs visible sur la scène.
Inconvénient: plus lent et plus sensible aux lumières parasites.

Le hic, c’est que ces bestioles coûtent cher: entre 90 et 200€! Alors l’idée m’est venue d’en faire un moi-même.

La théorie:

J’étais partit sur une base d’Arduino couplé avec une photorésistance. Ca marche mais c’est ultra lent! Il faut savoir que la durée d’un éclair est de maximum 50 millisecondes, autant dire que chaque microseconde compte! Je me suis alors tourné vers les composants analogiques et pour moi qui ait de faibles connaissances dans ce domaine, ce fût un véritable défi.

J’avais acheté une photodiode BPW34 de chez Vishay dans le but de faire de la photo haute vitesse avec l’Arduino car elle est très sensible aux variations de lumières et très rapide (180ns de temps de réaction!). Après quelques recherches, j’ai découvert qu’une photodiode s’utilise en inverse. Lorsqu’elle est dans le noir, aucun courant de passe mais dès que la lumière frappe la cellule, un micro-courant de fuite s’échappe de celle-ci. Le problème, c’est qu’il est tellement infime qu’il est inexploitable tel quel. Ça tombe bien, je venais justement de voir les amplis opérationnels en cours qui vont me servir en principe à réaliser mon détecteur.

L’idée de base, c’est d’amplifier le micro-courant en tension exploitable et de comparer cette tension avec une autre qui sert de référence. Quand celle-ci est dépassée, l’appareil photo est déclenché.

J’ai donc utilisé un LM324 (un circuit intégré qui contient 4 amplis) que j’avais sous la main et  j’ai raccordé un des amplis en montage dit « de transimpédance »

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Ce montage convertit le micro-courant en tension en utilisant le gain énorme des ampli op en s’appuyant sur la relation suivante:

Vout= -Id.R1

-Id: courant de fuite de la photodiode.
Vout: Tension de sortie de l’ampli op
R1 : résistance qui fixe le gain (avec 1MΩ, on utilise le gain maxi).

Et ça marche! Le montage est alimenté en 5V. Quand je raccorde Vout à l’oscilloscope, la tension est à 0V quand la photodiode est plongée dans le noir. Plus on approche une source de lumière, plus la tension augmente. En approchant ou en reculant sa main devant le capteur, on voit clairement la tension fluctuer entre 0V et un peu moins de 5v (saturation de la diode).

J’ai ensuite utilisé un second ampli comme comparateur de tension. La tension de référence est fixée à l’aide d’un potentiomètre.

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Le potentiomètre (10K) me sert à régler le seuil de déclenchement. Je le règle à peine au dessus de la lumière ambiante, ainsi, une fois qu’un éclair aura lieu, le seuil sera passé, l’ampli saturera et la sortie ira contrôler le déclenchement de l’appareil. J’ai fait des essais avec le flash de l’appareil photo et ça marche parfaitement.

Voilà pour le principe de base. Je vais maintenant vous montrer  mon schéma final et vous expliquer le fonctionnement.

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Liste des composants:

  • 1 x OPA380 : ampli transimpédance grande vitesse
  • 1 x LM311 : comparateur de tension grande vitesse
  • 1 x NE555 : oscillateur
  • 1 x LM7805 : régulateur de tension 5v
  • 2 x BC547 : transistor NPN
  • 2 x ACPL-217 : optocoupleur rapide
  • 1 x BPW34 : photodiode
  • 1 x Buzzer actif (avec oscillateur intégré, trouvé sur Ebay)
  • 1 x  résistance 470KΩ
  • 3 x  résistance  1KΩ
  • 4 x  résistance  220Ω
  • 1 x résistance 22KΩ
  • 1 x pot 10KΩ
  • 1 x codo 22uF
  • 1 x codo 330nF
  • 3 x codo 100nF
  • 1 led blanche
  • 1 led rouge
  • 3 switchs

Fonctionnement:

Amplification:
La photodiode est branché à l’entrée inverseuse de l’OPA380 qui est un ampli transimpédance rapide. La résistance de contre-réaction vaut 470K , elle sert à fournir un gain élevé tout en évitant le bruit (je vous fait grâce des calculs). Le condensateur de 100nF est un codo de découplage (ne jamais négliger le découplage des circuits).

Comparaison:
La sortie est reliée à l’entrée inverseuse du comparateur de tension LM311, qui est-lui même très rapide (165ns!). Le potentiomètre est raccordé à l’entrée non-inverseuse. Devant le potentiomètre, j’ai placé une résistance de 1K afin d’avoir une plage de réglage la plus fine possible.

Impulsion:
La sortie du comparateur  est reliée à l’entrée du NE555 raccordé en monostable. L’utilité du NE555 est de fournir une impulsion suffisamment longue pour déclencher l’appareil photo. La durée se fait à l’aide du condensateur de 22UF et de la résistance de 22K. On obtient une impulsion d’environ 0.5 s

Déclenchement:
La sortie du NE555 est raccordée à la base des deux transistors NPN BC547. Ils agissent comme des interrupteurs. La résistance de 1K limite le courant mais est suffisante pour faire saturer le transistor. Le 1er déclenche le buzzer, le second la led blanche et l’optocoupleur OPTO1 qui déclenche l’appareil.

Pourquoi deux optocoupleurs alors qu’un seul aurait suffit? il faut d’abord comprendre comment fonctionne le déclencheur photo.

Sur le schéma, on voit trois fils: shutter, focus et GND. le shutter déclenche l’appareil, le focus s’occupe de faire la mise au point, et la masse, ben voilà quoi! Il est impossible de déclencher l’appareil sans avoir fait au préalable le focus.

En résumé:
1. Focus + GND => Mise au point.
2. Shutter  + GND => Rien.
3. Shutter + focus => Rien.
4. Shutter + focus + GND => Clic!

Il est impératif que la mise au point soit faite au moment où le détecteur repère un éclair. En effet, si l’appareil devait faire la mise au point à chaque éclair, l’éclair serait fini que la MAP serait à peine faite.

Donc l’intérêt de l’optocoupleur OPTO2 permet de gagner du temps en maintenant le focus mais aussi de pouvoir le désactiver à l’aide de l’interrupteur. Pourquoi me diriez-vous? Cela permet de faire le réglage du seuil sans faire une batterie de photos à chaque fois qu’il est dépassé!

Alimentation:
Une pile de 9V fournit l’énergie nécessaire au circuit. La tension est abaissée à 5V via le régulateur de tension  linéaire LM7805. Les deux condensateurs de 100 et 330 nF servent au découplage.

Vitesse de déclenchement:
J’ai fait en sorte de trouver de composants les plus rapides, pas évident quand on voit l’épaisseur des catalogues! Il y a surement mieux mais d’après mes calculs, le montage déclenche en moins de 3 microsecondes!
Il faut ajouter à ça la vitesse de l’obturateur propre à mon appareil (Nikon D7000): 53 microsecondes.

Au final, 56 microsecondes se seront écoulées entre la détection de l’éclair et le début de la capture. On comprend tout de suite pourquoi il est impératif que le temps de réponse du montage soit le plus bas possible.

Conclusion:

Voilà pour cette page de théorie un peu lourde. J’espère avoir été suffisamment précis sans avoir été rébarbatif.
Mon montage peut certainement être amélioré. Si vous avez des questions ou des idées, n’hésitez pas à me contacter.

Le prochain article traitera de la réalisation du proto, des problèmes rencontrés et des premiers essais.

 

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