Photodiode utilisée en pyranomètre (BPW34)

1 Quelques essais sur une photodiode IR inconnue de 3mm
1.1 Le principe de la photodioPYRANODI1de
1.2 Les générateurs de courant
1.3 Quelques mesures sur une photodiode
1.4 Calcul de la résistance en série
1.5 Le rayonnement latéral sur le type 3 mm
2 Le Rayonnement solaire
3 Le pyranomètre à photodiode
4 Transmission courant ou tension
5 La réalisation avec BPW34
5.1 Le schéma
5.2 La réalisation
5.3 Étalonnage et essais
6 Conclusions

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Avant proppyra13os

Vous avez pu voir ce graphique en fin d'article sur le pyranomètre à diodes, (voir l'article) comportant le relevé d'une photodiode IR "banale de 3 mm" au côté du relevé du pyranomètre à diode par effet thermique…(Ne pas confondre pyranomètre à diodes et pyranomètre à photodiode, le premier est suivant un procédé thermique et le deuxième suivant l'énergie lumineuse transformée au sein d'un semi conducteur)

J'avais à juste titre il me semble, été très surpris de la très forte similitude des courbes. Alors je me suis dit qu'il fallait faire un petit amplificateur juste après une photodiode pour avoir 5V en sortie à ajuster pour 1000, 1024 ou 1250 W/M² (ou plus) suivant l'EM désirée.
Quelque soit l'étalonnage, le pyranomètre à diodes étant basé sur une mesure thermique à 100%, on voit qu'une photodiode est aussi très proche de ce même procédé thermique, puisque l'énergie lumineuse constitue une grande part de l'énergie totale rayonnée par le soleil.
Une simple photodiode éviterait donc de réaliser un "pyranomètre compliqué" et donnerait des résultats, certes peut-être moins pointus, mais absolument intéressants pour l'amateur, et qui peuvent largement suffire dans bon nombre d'applications.
D'autre part on peut déjà observer la rapidité de la photodiode relativement au procédé thermique.

Fut dit fut fait ! Rapides calculs et à nouveau quelques difficultés d'organisation du futur schéma, mais retour aux sources, car j'avais oublié des caractéristiques très importantes des photodiodes montées en inverse :

Alors j'ai rappelé ci-dessous quelques éléments que je m'étais empressé d'oublier, (Mais à ma décharge, il y a tout de même fort longtemps…)

Au début de l'article, j'avais juste des photodiodes de 3 mm sous la main lors des principaux essais, mais j'ai pu vérifier que l'esprit général était respecté pour le choix à terme d'un modèle très connu tel que la BPW34.

1 Quelques essais sur une photodiode IR inconnue de 3mm

1.1 Le principe de la photodiode

Je ne vais pas rentrer dans la structure de l'atome pour expliquer la photodiode, car d'autres sites le font très bien, et je préfère de loin rester dans le domaine pratique.
Une photodiode fournit un COURANT et non une tension. Ce courant est un courant inverse de fuite lorsque la diode est polarisée dans le sens bloquant et qu'elle reçoit sur sa surface active de l'énergie lumineuse.

Ce courant de fuite augmente avec l'intensité du flux lumineux qui frappe la surface active d'une photodiode.
On appelle aussi ce courant le "PHOTO COURANT".
Ce terme me semble bien approprié, car il définit qu'il s'agit d'un courant relatif à l'éclairement (Inverse dans ce cas).
J'insiste pour confirmer qu'il s'agit d'un COURANT et non d'une tension. C'est seulement le courant qui est proportionnel à l'éclairement.

1.2 Les générateurs de courant

Je sais par expérience que l'on n'aime pas raisonner en courant car la mesure d'un courant est presque toujours intrusive et nécessite la coupure d'un circuit, et cette notion est souvent mal comprise.
Lorsque l'on parle de courant, on perd un peu ses repères habituels. Les électroniciens ne mesurent qu'assez rarement des courants et s'arrangent toujours pour convertir en tension. C'est pourquoi je préfère "enfoncer cette porte ouverte" et revenir un peu sur ce sujet.

Si il y a courant il y a nécessairement tension aux bornes d'un générateur de courant ! C'est exact, pourtant cette tension peut varier (Notamment dans ce cas avec la tension inverse appliquée) On peut alors augmenter la tension aux bornes d'un tel élément sans que le courant qui le traverse n'augmente ! C'est surprenant, mais c'est ainsi ! (Vous pourrez faire l'essai avec n'importe quelle photodiode).

Rappeler vous votre alimentation de laboratoire, stabilisée en tension avec limitation du courant, c'est un peu le même principe à l'envers. En cas de dépassement du courant prévu, la tension de sortie théoriquement régulée va "s'écrouler" et s'ajuster pour que le courant ne dépasse pas la limite prévue. Puis une fois le courant redevenu dans les valeurs normales (ou en dessous de la consigne), la tension est cette fois régulée à la valeur nominale prévue.

Comment transformer un courant en tension ? Le meilleur "convertisseur" courant / tension reste le plus simple des convertisseurs et c'est un composants passif, c'est une RÉSISTANCE, (Et de plus ce convertisseur est réversible !)

Pour les faibles courants, rappeler vous votre ampèremètre… C'est le même principe puisque l'on va mesurer la tension aux bornes d'une résistance (Le shunt).

La mesure d'un courant par la tension répond alors à la simple loi d'ohm U=RI. On ne peut pas faire plus simple !

Dans notre cas, il faudra donc mesurer la TENSION aux bornes d'une RÉSISTANCE, et non aux bornes de la photodiode, car cette tension peut être affectée par la tension d'alimentation ou d'autres éléments non linéaires, alors que la tension aux bornes de la résistance ne l'est pas.

1.3 Quelques mesures sur une photodiphotodi1ode

Le montage de base peut donc être réalisé avec une alimentation variable, une photodiode et une résistance (Représentée ici par une résistance fixe et une ajustable).
Une lampe sera plus ou moins approchée de la photodiode pour faire varier le flux lumineux, et donc le photo courant.
Ce courant est vérifié directement avec un µ Ampèremètre en série dans le circuit. Cependant lorsque la photodiode est en saturation, (> 2 mA) alors dans ces conditions, la tension inverse a une influence importante sur le photo courant (Courant de fuite inverse lorsque la photodiode est éclairée).

Le photo courant est donné jusqu'à 100 µA (Pour une BPW34), mais j'avais préféré considérer qu'il pouvait "grimper" jusqu'au mA pour mes photodiodes inconnues, alors j'avais inséré une résistance de 3.5 K ce qui avec un courant de 2 mA développerait une tension de 7V à ses bornes.

Dans l'obscurité complète il n'y a pratiquement aucun courant dans la photodiode. Le potentiel aux bornes de la résistance est donc nul, et est référencé essentiellement à 0 Volt.

Au-delà de 400µA on peut constater que lorsque la tension d'alimentation varie, le photo courant varie aussi (À énergie lumineuse constante), et la tension aux bornes de la photodiode devient ainsi très proche de zéro.

1.4 Calcul de la résistance en série

Il faut bien entendu ne pas dépasser les caractéristiques du constructeur en termes de flux lumineux et donc vérifier que le photo courant reste dans les limites prévues.
Dans le cadre de contrôle de processus industriels, on recherche le plus souvent une valeur binaire et ce photo courant peut être un peu supérieur. (Il doit même l'être pour être certain de l'information d'éclairement)
Par opposition, lorsque l'on veut MESURER des valeurs d'éclairement, il faut absolument rester dans les limites constructeur pour avoir une bonne linéarité.

La résistance se calcule suivant la simple loi d'ohm U=RI pour le courant maxi du constructeur (Ou celui que l'on désire prendre comme maximum). Ainsi pour développer 5 V aux bornes d'une résistance il faudra donc 50 K pour un photo courant maxi de 100 µA. Ceci implique d'alimenter au moins vers 7 volts pour qu'il "reste" 2 volts inverses aux bornes de la photodiode.

Cette tension développée aux bornes de la résistance l'est donc par rapport à la masse et elle PYRANOD1_3reste indépendante de la tension d'alimentation. C'est un réel avantage. (Voir les courbes constructeur pour la BPW34 par exemple)

Je pense que beaucoup d'utilisations  de photodiodes sont faites en dépit du bon sens, et il est vrai que l'on ne réfléchit pas beaucoup et que ça marche tout de même le plus souvent.

Mais pour faire des mesures, il faut être plus rigoureux et réellement réaliser ce schéma de base et mesurer la tension aux bornes de la résistance et non aux bornes de la photodiode.

Faut-il un amplificateur ? Eh bien je pense que NON, car ce n'est pas nécessaire, à partir du moment où la tension inverse peut atteindre 7 à 10 Volts, il est tout à fait possible d'obtenir une tension de 5 Volts (Pour un convertisseur AD de PIC par exemple). Alors pourquoi faire compliqué quand on peut faire si simple. (J'étais tombé dans le panneau au début !)

Le meilleur exemple est la courbe tracée en tête d'article, courbe réalisée avec une précision médiocre cependant, mais en direct sans amplificateur (Résistance de 3.5K environ).

1.5 Le rayonnement latéral sur le type 3 mm

Sur le modèle photodiode de 3 mm, ce rayonnement latéral a une action importante et cela s'est manifesté par une erreur dans les filtres. En effet le filtre argenté type "gaufrette" est très efficace mais l'essentiel du rayonnement se réalisait alors par les surfaces latérales cylindriques de la photodiode.
Après masquage des surfaces latérales photodiode, ce type de filtre semblait alors trop puissant et j'ai dû prendre 4 épaisseurs de plastique aluminisé pour "tomber" dans les valeurs comme pour la BPW34. Cela semble rentrer dans la fourchette des photo courants aux environ de 100 µA.

Sur la BPW34 il reste tout de même entre 5/100 et 1/10 environ du rayonnement sous un angle de ±90°, ce qui est un peu moins que le modèle ci-dessus, mais est malgré tout non nul.
(Dans l'esprit, il me semble impossible d'avoir un rayonnement nul à 90°, car il y a pratiquement toujours la tranche du composant qui participe et impressionne la surface sensible…)

2 Le Rayonnement solaire

Partons pour l'exemple sur un rayonnement solaire un peu élevé de 1000 W/M². Ceci donne donc 10 W/dm² ou 100 mW/cm² .

Or point très important, une photodiode (BPW34 par exemple) est au maximum vers 1 mW/cm² ! Il y a donc un rapport de 100 dans la sensibilité.

Le rayonnement solaire est donc trop puissant, et il faut le limiter.

Comment régler ce problème ? Pas par un amplificateur ni un pont diviseur puisque la photodiode est seule en cause, et que sa saturation interne est à l'origine du problème.

La majorité des photodiodes passent donc en saturation en lumière solaire (plein soleil). Mais alors comment mesurer l'énergie solaire si on est saturé ? C'est impossible, il faut limiter l'énergie qui arrive sur le dispositif.

Outre le fait ques des fabricants de photodiodes fabriquent des cellules adaptées au rayonnement solaire c'est à dire de sensibilité moindre de l'ordre de 1500 W/M², je n'ai pas trouvé d'autres réponses que le diaphragme ou les filtres. J'ai choisi les filtres, plus faciles à mettre en oeuvre par cumul, alors que les diaphragmes sont uniques, trop fins à réaliser et ont l'inconvénient d'avoir un trou incompatible avec l'étanchéité désirée.
pyranoD1_6
Mais les filtres sont difficiles à se procurer, alors je suis obligé de proposer des solutions "maison" qui ne me semblent pas si mauvaises.
J'aimerais aussi trouver des filtres marquant une atténuation en termes de W/M²
Il ne faut pas modifier les différentes longueurs d'ondes par des filtres colorés, mais seulement "renvoyer" une bonne partie du rayonnement pour ne pas dépasser les 75 ou 100 µA très souvent mentionnés.

J'ai essayé les films plastiques aluminisés qui renvoient une bonne partie du flux lumineux et cela semble donner satisfaction ? (Je ne suis pas certain car il faut toujours voir la réponse spectrale !). Essais à l'appui cela convient puisque thermique et photodiode ont même allure générale.

A l'origine j'ai essayé les sachets antistatiques d'emballages de composants électroniques, mais l'aspect bleuté aurait pu risquer à mon avis de corriger la réponse spectrale, ce qui me dérange un peu, mais il n'en a rien été. (Repère B sur la photo)
Après vérification, et comparaison avec un pyranomètre par mesure de l'effet thermique, ce léger bleuté reste non décelable, ainsi qu'on le verra dans les courbes relevées cette fois avec une photodiode BPW34 parfaitement identifiée !

Certains emballages alimentaires me semblaient initialement mieux adaptés à cette utilisation.
Vous savez, ce sont les plastiques argentés très fins qui permettent de "voir au travers" (Genre emballage de gaufrettes ou bonbons papillotes repère A sur la photo).
Après vérification, les films d'emballage alimentaire argentés réduisent trop fortement dans un rapport supérieur à 100 le flux lumineux, alors que les pochettes antistatiques de composants ont un pouvoir d'atténuation beaucoup plus faible, mais ils seront et devront être cumulés.

A noter le repère C de la photo qui n'est autre qu'une rondelle découpée d'un film pour "transparents de rétroprojecteurs" et qui assurera, outre une faible atténuation, une certaine rigidité requise pour que la photodiode puisse légèrement s'appuyer dessus pour ne pas trop masquer l'angle de vision. (Ce pourrait aussi être un négatif photo N&B fortement insolé).

Je pense aussi aux films solaires que l'on colle sur les vitres, mais le problème est que ces films ont souvent une épaisseur infime et qu'ils doivent être collés ou déposés sur un support rigide, mais c'est une piste à explorer. (Genre décalcomanie)

Il y a aussi les filtres photographiques gris neutres qui ont des pouvoirs d'atténuation importants, mais ces filtres sont très spécifiques à la photographie et difficilement adaptables et de plus sont extrêmement chers. En ce sens, pour ceux qui font de la photographie en noir et blanc, il peut être très utile d'exposer un film avec des temps d'exposition différents pour obtenir différentes atténuations. Ce serait aussi une excellente solution mais qui n'est pas à ma portée.

Voici un site qui donne quelques valeurs d'atténuation :
http://www.emmanuelgeorjon.com/les-filtres-gris-neutres-2846/

Il faut donc impérativement ne pas se trouver en saturation pour plusieurs raisons.

- La première raison est qu'à ce niveau, les relations entre l'énergie incidente et le courant de sortie ne sont plus linéaires. Toute mesure interprétée linéairement serait donc fausse.
- La deuxième raison est qu'à ce stade, le photo courant devient très sensible aux variations de tension inverse. Ce point est aussi extrêmement important, car le circuit de base est une photodiode en série avec une résistance. Il est évident qu'en supposant la tension d'alimentation stabilisée, si le courant augmente, la tension aux bornes de la résistance augmente aussi et par conséquent la tension inverse diminue ! Dans ce cas, il faut réduire fortement la résistance et amplifier cette tension pour que la tension inverse reste à peu près stable !
- La saturation se traduit aussi par le report de toute la tension inverse aux bornes de la résistance, et la photodiode peut voir sa tension inverse à ses bornes tendre vers zéro et changer de mode et de quadrant de fonctionnement.

3 Le pyranomètre à photodiode

Il est réalisé avec une photodiode très commune BPW34 dont la réponse spectrale est la plus proche au niveau cumul énergétique solaire.
(Attention, ce n'est pas le composant le mieux adapté, mais c'est celui qui est le plus courant, le meilleur marché et celui qui s'approche le mieux du spectre solaire)
(J'ai vu également un modèle BPW34 d'indice B dont la réponse spectrale serait encore un peu plus large, ce qui serait encore mieux, mais il devrait être beaucoup plus difficile à trouver ?).

Les rayonnements parasites latéraux captés sont faibles puisque cette photodiode a une "importante" surface plane connue de 7.5 mm².
Un mot tout de même sur la photodiode de 3 mm dont j'avais fait l'essai comparatif, pour éviter une focalisation complémentaire, (et une saturation), j'avais meulé la partie bombée de focalisation. Ainsi la sensibilité avait déjà beaucoup diminué.

On ne fera même pas un amplificateur puisque l'on va pouvoir profiter du maximum de précision du convertisseur AD d'un PIC et l'étendue de mesure maximale de 5V sera calculée pour le courant de fuite de la photodiode.

Les essais préalables réalisés en attendant un modèle réel de BPW34, indiquent clairement la nécessité d'utiliser des filtres solaires adaptés pour diminuer le rayonnement solaire qui est intense, et ne pas saturer la cellule.

Les filtres sont à ajouter un par un, en observant le photo courant pour qu'il reste en dessous des possibilités de la photodiode et soit au plus près de l'étendue de mesure désirée. Il est certain que l'adjonction de filtres calibrés serait plus facile, mais il va falloir se contenter d'un réglage par bonds qui devra amener le courant maximum à 75 µA voire 100µA pour la BPW34.
Lors de cette opération à réaliser au midi solaire (et de préférence au solstice d'été pour la valeur maxi), je recommande d'utiliser un µ Ampèremètre. (C'est plus simple et cela évite des imprécisions complémentaires).
A ces filtres seront ajoutés extérieurement 2 rondelles de "transparents pour rétroprojecteur". Au besoin, un peu de suif facilitera le glissement et repoussera en plus l'eau. (L'eau et la graisse se repoussent) 

L'étape ultérieure consistera alors à ajuster la RÉSISTANCE de mesures pour que la TENSION transmise corresponde aux souhaits (5V en principe). L'étendue de mesure sera alors calée au plus juste, soit par comparaison avec un véritable pyranomètre, soit approximativement par le calcul des pertes de rayonnement dans l'atmosphère correspondant au quantième du jour de l'année et de l'heure de l'essai. (Voir § 5 Étalonnage))

4 Transmission courant ou tension

Si l'acquisition de la valeur analogique de rayonnement n'est pas à côté de la photodiode, je pense qu'il est préférable de transmettre directement le courant. Une transmission en courant est moins sujette à parasitage qu'une transmission en tension.

Dans ces conditions, la résistance aux bornes de laquelle on va créer la tension est à proximité du convertisseur AD.

"Transporter" la tension mesurée aux bornes de la résistance est un peu plus délicat face au parasitage éventuel, mais vu le niveau de 5 V, cela devrait cependant se réaliser sans trop de problèmes, (L'impédance de sortie reste tout de même élevée !).
Dans ces conditions il n'y aurait alors pas avantage à travailler en tension dès le capteur lui-même, d'autant qu'il y a 1 fil de moins à passer !
Ce nombre de fils à passer est un point important et je vais donc "transporter" un courant, ce qui revient à raccorder seulement les deux fils de la photodiode…!

5 La réalisation avec BPW34

J'ai donc récupéré depuis une BPW34 (caractéristiques sur www.datasheetcatalog.org) auprès d'un bon copain et en première approche je constate une grande similitude des courbes par rapport à ma photodiode inconnue de 3 mm. Ce qui a été dit est donc bien une généralité et non un cas spécifique.
En théorie "l'ensemble pyranomètre à photodiode" est très simple, puisqu'il comportera donc une photodiode et une résistance et peut-être quelque source de tension de polarisation inverse ...?

5.1 Le schéma

C'est PYRANOD1_1la simplicité même puisqu'il est seulement constitué d'une résistance et de la photodiode...

Ah bon ?

Oui d'accord, ...un tout petit peu plus.

Car pour être alimenté de 8.75 à 12 V et ne pas faire de bêtises en courts-circuits divers et variés, ne pas perturber le reste de l'électronique de la régulation solaire, j'ai ajouté un petit régulateur LM317LZ qui donnera tout de même une tension stable de 7 Volts pour garder au moins 2 V inverses aux bornes de la diode. (Même si la tension globale (Tension inverse) n'influe pratiquement pas sur le courant).

De plus, je n'aime pas beaucoup faire transiter une alim quelle qu'elle soit dans les fils d'un capteur, alors plutôt que d'assurer la limitation par le LM317LZ, il a été plus judicieux de mettre simplement une résistance R5 de 1K qui chutera seulement 0.1 V au maxi de rayonnement solaire et qui limitera le courant de court-circuit à 7 mA, ce qui aurait été beaucoup plus important en régulant le courant maxi du LM317LZ.

Cette résistance est aussi une sécurité pour le PIC en cas de court-circuit de la diode, car j'espère que le courant d'entrée de 7 mA ne sera pas "mortel" pour l'entrée ANA du PIC. (Dans le cas contraire, il faudrait ajouter un petit amplificateur de gain unitaire, ou réduire la tension à 5V et n'utiliser qu'une partie des 1024 éléments du convertisseur... au choix  !)

La photodiode débranchée donnera donc une tension de 0V par le biais de la résistance R3 (et P2) et donc sans danger pour le PIC.
En fait, le photo courant va de 0 à 100µA maxi ou c'est le court-circuit accidentel, et dans ce cas, le courant de "l'adjust" du LM317LZ qui est de quelques mA, complique largement le problème avec un courant de cc de plusieurs dizaines de mA. Cette solution de limitation du courant de court-circuit au niveau LM317LZ est donc techniquement moins bonne.

La résistance R4 de 1.5K sera traversée seulement par le courant infime du convertisseur DA du PIC et avait un rôle anti-oscillations dans les convertisseurs de température. Elle n'est pas impérative, mais elle assure une certaine sécurité en cas de courts-circuits accidentels. (Sa valeur doit être ajoutée à l'impédance générale du circuit d'entrée d'un PIC (10K maxi))

La résistance de mesure R3 (et P2), de la tension générée par le photo courant, est donc constituée de deux éléments pour permettre le réglage précis de l'étendue de mesure. De plus la partie fixe, R3 de 39K sera placée sur picots car sa valeur dépendra des filtres que vous pourrez vous procurer. Enfin le réglage précis de l'étendue de mesure (EM) est donc réalisé par P2 de 10K
Dans mon cas j'ai préféré adopter 1024 W/M² pour 5V …Tiens par chance c'est aussi la valeur binaire maxi du convertisseur DA !
La précision (théorique) sera donc de l'ordre de 1 W/M² dans ces conditions.
Le reste du schéma est très simple avec quelques condensateurs d'alimentation et une capacité antiparasite de 1nF sur la résistance de sortie, donnant une constante de temps d'environ 50 µS très faible devant le temps de mesure nécessaire à chaque mise sous tension d'équipement qui demande environ 5 Ms.

5.2 La réalisatioPYRANOD1_7n

Il ne faut pas retomber dans le travers du premier pyranomètre à diodes (Pyranomètre à effet thermique) par son risque de manque d'étanchéité.

Aussi ce modèle sera placé dans un mamelon égal en laiton de 3/8". Un écrou collet battu sera arasé et la photodiode sera mise en léger appui contre les filtres qui seront plaqués sur l'épaulePYRANODIment de l'écrou et serrés avec un joint fibre (Comme pour l'eau).
La photodiode sera montée sur un tout petit CI rond de 11 mm de diamètre, qui entrera "ajusté coulissant" dans le mamelon 3/8".

Sur la photo :
On peut apprécier l'empilement des 4 filtres semi argentés d'emballages de produits électroniques (Antistatiques ?) On peut aussi voir le joint fibre d'étanchéité (à placer côté mamelon), tout autant que les deux protections semi rigides d'un "transparent" (aux deux extrémités et côté rugueux vers les filtres de préférence).

On distingue également la photodiode montée sur  un "socket", lui même soudé sur le petit CI reproduit ci-dessus . On peut deviner également un coude collet battu (acheté chez "l'enchanteur") avec joint fibre standard. (Voir la réelle utilité du joint fibre ?)
Vous aurez aussi été inquiets en voyant le raccord laiton prisonnier de la tôle galva de forte épaisseur. Pas de mystère ! Il est simplement soudé à l'étain en ayant eu soin de mettre à blanc les métaux puis de chauffer les deux pièces tôle et laiton et en laissant fondre la soudure entre les deux. C'est très solide ! (Bien ajuster cependant la découpe hexagonale dans la tôle).

Un coude collet battu 3/8" x 10 soudable terminera le capteur lui-même. Pour rendre cet ensemble étanche mais partiellement démontable, on assurera la sortie du câble au travers d'un manchon caoutchouc conique percé en son centre d'un trou de diamètre égal à celui du câble. (À réaliser soi même à la perçeuse et la meule)
(Le forçage extérieur assure également le serrage du câble)
Pour le démontage, on laissera les fils enroulés en spirale en PYRANOD1_4interne dans le mamelon, pour pouvoir tirer par l'avant le petit CI. (Eviron 12 cm enroulés sans la gaine principale)
Cette petite élasticité assurera également une légère pression de la photodiode sur les filtres.

(Ce système de caoutchouc a été préféré au mastic silicone car il est démontable)

On peut regretter un aspect un peu incertain de cette pression de la cellule sur les filtres, et donc de la position réelle, car on ne peut plus rien voir après vissage de l'écrou. Cependant d'un point de vue angulaire, cela n'a aucune importance dans le cas d'emploi.

Que dire d'autre sinon que ce pyranomètre ne peut pas recevoir les rayonnements dans un angle de 180° (±90°).

La réponse angulaire donnée par les courbes du constructeur n'autorise que ± 20° pour une atténuation quasi nulle. Ceci peut cependant aller jusqu'à ±60° avec une atténuation de 0.6 ce qui est important. (Voir abaque ci-contre).

(Il est peut-être possible de régler ce problème angulaire par la mise en // de plusieurs photodiodes orientées suivant des angles différents ? mais plus habituellement de faire des corrections de valeur en fonction de la trigonométrie solaire sur la base du quantième du jour de l'année et de l'heure...)

Il faut rappeler également que ce pyranomètre est destiné à être installé sur le panneau solaire en poursuite du soleil, aussi l'angle du rayonnement solaire sera toujours au mieux à 8° près, ce qui est parfait pour la sensibilité angulaire de la diode BPW34, tout autant que pour le rebord inévitable de l'écrou collet battu qui serre les filtres et qui peut faire obstacle au rayonnements obliques.

L'ensemble sera fixé sur un fer plat  soudé au centre du mamelon laiton. Il ne devrait plus y avoir cette fois de risques pour l'étanchéité. Le seul risque est la condensation éventuelle, mais quelque billes de produit dessicant de double vitrage devraient en faire façon pour plusieurs années, car le volume est réellement très petit.

Il reste un point délicat qui est le raccordement des fils et l'aspect démontage. En effet il n'est pas question de laisser les connexions sans étanchéité, car les pertes par fuites de courant seraient du même ordre de grandeur que le photo courant. Je pense faire les raccordements sur le petit CI en le laissant coulisser dans le mamelon, quitte à mettre un petit rhodoïd (c'est le "transparent") sur lequel prendra appui la BPW34, les deux fils étant enroulés en spirale dans le mamelon.

Pour ceux qui désireraient garder le maximum angulaire, il faudrait je pense passer sur des mamelons de 3/4 (20x27) qui permettraient de ne pas réduire les angles de vision par les rebords de l'écrou collet battu et de se ranger exactement sur la courbe de réponse angulaire du constructeur.

5.3 Étalonnage et essais

Voici la nouvelle courbe (avec coefficients d'ajustement) qui concerne la BPW34 et l'ancien pyranomètre thermique à diodes
Il me reste maintenant à attendre que le soleil veuille bien se montrer ppyranod1_5our mesurer les niveaux qui seront atteints par la BPW34, et surtout empiler les filtres pour être en limite de 75 ou 100 µA en forte lumière solaire.
Des essais un peu "obscurs" m'ont montrés que le film argenté type "gaufrette" est trop puissant d'atténuation. Pour trouver quelque chose de légèrement moindre en atténuation, j'ai empilé 4 filtres semi-argentés d'emballages de composants électroniques.
Le soleil s'est montré particulièrement "top" le 3/10/2010 jusqu'à 16 heures. Avec le potentiomètre P2 réglé à zéro. Valeur mesurée 743/1024 à 14H00.
Après calculs sur le site,
http://www.pedagogie.ac-nantes.fr/1214223614078/0/fiche___ressourcepedagogique/&RH=1160729734281

Il faut ramener à 776/1024. Ceci se convertit en tension suivant les règles habituelles des proportions entre 1/1024 et 5V. La procédure est simple.
Une fois les relevés dépouillés, on travaille ensuite sur  table et on éclaire la photodiode à l'aide d'une lampe pour obtenir 743/1025 (En tension=3.62V), puis on règle P2 pour obtenir 776/1024 (En tension 3.789V).

L'étalonnage est terminé. Il faut aller assez vite car la lampe a tendance à chauffer l'ensemble et une dérive en température n'est pas exclue. (J'ai utilisé un lampe à filament 75W et non une LBC).
Cet étalonnage reste sommaire et ne vaut pas une véritable comparaison avec un appareil étalon, mais il reste accessible à tous.

Il faut retenir ce principe d'étalonnage différé, car vous n'aurez que rarement la constance souhaitée dans le rayonnement solaire avant de nombreuses journées. L'enregistrement et l'exploitation off line sont donc les plus adaptés pour ces réglages sans tierce personne possédant un pyranomètre réellement étalonné.
Que l'écart soit au dessus ou en dessous de la valeur peut conduire à ajouter ou retirer un filtre. C'est pour cette raison qu'il faut prendre une décision de mettre P2 totalement d'un côté ou d'un autre et d'agir en conséquence avec les filtres.

Explication des courbes et de leurs anomalies éventuelles :

- Concernant le pyranomètre thermique à diodes, la lente descente initiale est dûe à la masse d'aluminium interne qui met pas moins d'une heure et demie pour se stabiliser ! Je pense que cette masse est trop importante ! Diviser par deux la masse me paraîtrait normal et permettrait d'entrer dans des temps de stabilisation normaux. Je vais le faire !

- La courbe jaune correspond au calcul effectué suivant le programme de l'académie de Nantes. On peut remarquer que ce programme n'est qu'une simulation, qui a le grand mérite d'exister, mais qui ne représente pas tout à fait la réalité.

En ce sens je ne pense pas qu'il faille travailler avec de faibles valeurs d'intensité du rayonnement, mais bien sur les valeurs maximales du midi solaire. Dans ce contexte, la courbe bleue de la photodiode a un maximum diffus vers 14H00.
C'est cette valeur qui sera seule référencée et servira à l'étalonnage, qui restera approximatif cependant, ainsi qu'il a déjà été dit.
Cependant cette valeur permet de travailler sans problème sur l'énergie avec une marge d'erreur "raisonnable" et de plus ce sont seulement les variations qui sont de loin les plus importantes.

- La similitude des courbes d'énergie suivant deux principes très différents indique que la photodiode comme capteur reste un bon élément  de mesure, particulièrement simple et à la portée de tous, puisque qu'il n'y a même aucune électronique (Relative au principe même). C'est seulement une alimentation, une photodiode BPW34 et une résistance !

- On remarquera aussi d'une façon générale la rapidité de mesure de la photodiode sans commune mesure relativement au pyranomètre thermique à diode. Ce point en fait le capteur idéal pour tout ce qui concerne l'énergie solaire, tant thermique que photovoltaïque...
Mais en ces jours "le photovoltaïque" prend des coups de boutoir financiers qui vont redonner un intérêt plus important au solaire thermique, qui reste le "procédé le plus primitif" de tous et qui rapporte aussi de l'argent "par non dépense" et permet de chauffer l'eau facilement sans se soucier des différentes subventions ou aides hypothétiques et non durables. Le procédé thermique fait partie du "véritable durable" et j'insiste pour "enfoncer le clou", car l'eau chaude (Solaire) bat tous les records de facilité de réalisation  (même artisanale).
Comparez donc les économies d'énergie entre une télé restée en veille et une production d'eau chaude sanitaire...Le rapport est de 1000. L'Intox est à ce niveau, désolé c'est mon "dada", mais assez de bavardages intempestifs...!

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Les points les plus délicats de cette réalisation sont sans ambiguïté de trouver des filtres pour réduire le flux solaire et ne pas saturer la photodiode, ainsi que de réaliser la partie mécanique.
C'est encore un cas où l'électronique doit amadouer la mécanique pour pouvoir fonctionner correctement.

Ce nouveau pyranomètre me semble beaucoup plus intéressant dans son application d'installation sur un panneau solaire en poursuite du soleil. Il répond parfaitement à tous les critères demandés. Cependant le Pyranomètre à diodes garde tout son intérêt pour l'aspect multidirectionnel et l'aspect thermique de son principe.

Ce nouveau pyranomètre a le mérite d'être petit,  simple et bon marché. Il est réalisable par tous.
Il vous permettra d'analyser l'énergie solaire instantanée reçue et de pendre les décisions anticipées pour le fonctionnement de la régulation des panneaux solaires thermiques.

J'insiste cependant, pour ceux qui seraient tentés de réaliser ce pyranomètre, que cette photodiode seule dans cette description ne permet pas d'avoir une réponse angulaire sur une demi sphère. Associer plusieurs photodiodes resterait une possibilité délicate en termes de linéarité, et je pense que pour obtenir la réponse angulaire maximale, il n'y a que l'optique capable de résoudre ce problème, (ou le calcul sur la base des formules astronomiques) .

Voici ci-dessus la photo du montage qui a permis de réaliser les dernières courbes avec la BPW34. On n'oubliera pas de peindre en blanc l'ensemble du dispositif, car l'incidence de la température peut donner un écart de 1 µA sur le photo courant pour un delta T° ambiant de 80°C. (Cela reste parfaitement acceptable)

Une remarque tout de même sur les procédés thermique et photodiode. Sur la courbe thermique on constate des irrégularités qui devraient être dûes je pense à la variation de l'absorption atmosphérique des différentes longueurs d'ondes. On ne constate pas ces variations sur la photodiode, car l'étendue du spectre est beaucoup plus étroite. Ces variations d'amplitude restent faibles et confortent le procédé à phtodiode.

Pour les applications solaires en poursuite du soleil, un pyranomètre à photodiode est largement suffisant, car l'essentiel de l'énergie est tout de même concentrée dans le domaine "visible". Il permet dans mon cas l'anticipation des commandes de débit et le cumul d'énergie solaire reçue.
Au niveau général, c'est plus délicat, à cause de la réponse angulaire un peu trop étroite qui ne permet pas notamment pour les installations fixes de connaître l'énergie reçue tout au long d'une journée.

Allez Phoebus travaille un peu ! Si t'arrêtais de bouger ça serait tout de même plus facile !

Addendum

Après plusieurs années de bons et loyaux services, je me suis aperçu que les valeurs indiquées par le pyranomètre à diode avaient sensiblement augmenté. Après vérification je me suis rendu compte que les feuilles bleutées avaient perdu de leur brillant et étaient devenues presque transparentes.

Il est donc nécessaire de trouver les matériaux non sensibles aux UV et aux intempéries, ou de changer régulièrement ces filtres.

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