Lumière, couleurs et photodétecteurs | 2de Bac Pro
1. Le spectre visible va de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge).
2. OUI, la lumière blanche contient toutes les radiations visibles. On la décompose avec un prisme (ou un réseau de diffraction).
3. Les trois couleurs primaires sont : Rouge, Vert, Bleu. Leur mélange donne la lumière blanche.
4. On perçoit la couleur noire. Le panneau rouge ne réfléchit que le rouge ; la lumière bleue ne contient pas de rouge, donc rien n'est réfléchi vers l'œil.
5. \(E = \Phi / S\) ; unités : \(E\) en lux (lx), \(\Phi\) en lumens (lm), \(S\) en m².
1. Réponse b) : la résistance d'une LDR diminue quand l'éclairement augmente.
2. Étape 1 : \(E = \dfrac{16\,000}{40}\). Étape 2 : \(E = \mathbf{400 \text{ lx}}\). Étape 3 : 400 lx < 500 lx → non, insuffisant pour un travail de précision.
3. Lampe A : \(1\,200 / 12 = \mathbf{100 \text{ lm/W}}\). Lampe B : \(800 / 60 \approx \mathbf{13{,}3 \text{ lm/W}}\). La Lampe A est bien plus économique.
4. Exemples : détecteur de présence pour l'éclairage automatique ; barrière lumineuse d'arrêt d'urgence sur machine ; contrôle qualité optique des panneaux bois.
1. La lumière blanche est une lumière qui contient toutes les radiations visibles du spectre. On la décompose avec un prisme ou un réseau de diffraction.
2. Rouge, Vert, Bleu (RVB). Leur mélange donne la lumière blanche.
3. L'objet apparaît noir. Le panneau rouge ne réfléchit que le rouge ; la lumière bleue ne contient pas de rouge, donc rien n'est réfléchi.
4. Exemple : tubes fluorescents (bonne efficacité lumineuse, lumière diffuse uniforme) et LED (faible consommation, longue durée de vie).
5. \(E = \Phi / S\), unités : \(E\) en lux (lx), \(\Phi\) en lumens (lm), \(S\) en m².
1. Une LDR (Light Dependent Resistor) est un composant semi-conducteur dont la résistance diminue quand l'éclairement augmente.
2. \(E = \Phi / S = 16\,000 / 40 = 400\text{ lx}\). Non, 400 lx est inférieur à la norme de 500 lx : l'éclairage est insuffisant pour un travail de précision.
3. Lampe 12 W : \(1\,200 / 12 = 100\text{ lm/W}\). Lampe 60 W : \(800 / 60 \approx 13{,}3\text{ lm/W}\). La lampe de 12 W a un bien meilleur rendement.
4. Exemples : détecteur de présence pour l'éclairage automatique, sécurité machine (barrière lumineuse), contrôle qualité par capteur optique.
Contexte : Un atelier de menuiserie d'agencement rénove son poste de finition (lasure, teinture, vernis sur bois). Le responsable technique compare deux solutions d'éclairage pour respecter la norme NF EN 12464-1 (IRC ≥ 90 et \(E \geq 1\,000\) lx pour un poste de contrôle colorimétrique).
| Solution | Technologie | Temp. couleur | IRC | Flux (lm) | Puissance (W) |
|---|---|---|---|---|---|
| A | LED blanc neutre standard | 4 000 K | 80 | 6 000 | 60 |
| B | LED lumière du jour haut IRC | 5 500 K | 95 | 5 400 | 60 |
1. Solution A : \(E_A = 6\,000 / 12 = \mathbf{500 \text{ lx}}\). Solution B : \(E_B = 5\,400 / 12 = \mathbf{450 \text{ lx}}\).
2.
| Solution | IRC ≥ 90 ? | E ≥ 1 000 lx ? | Conforme ? |
|---|---|---|---|
| A (IRC=80, E=500 lx) | Non (80 < 90) | Non (500 < 1 000) | Non |
| B (IRC=95, E=450 lx) | Oui (95 ≥ 90) | Non (450 < 1 000) | Non |
Aucune solution n'est conforme en l'état.
3. \(\Phi = 4 \times 5\,400 = 21\,600\) lm. \(E = 21\,600 / 12 = \mathbf{1\,800 \text{ lx}}\). IRC = 95 ≥ 90. Les deux critères sont satisfaits.
4. Un IRC de 80 signifie que certaines longueurs d'onde ne sont pas fidèlement restituées. Le menuisier perçoit la teinte de la lasure de façon altérée. Une fois la pièce livrée chez le client en lumière naturelle, le décalage de teinte devient visible (bois trop terne, couleur décalée). Le client risque de refuser la commande.
5. L'IRC mesure la fidélité de restitution de toutes les couleurs (présence équilibrée de toutes les longueurs d'onde). La température de couleur mesure l'équilibre chaud/froid de la source. Un IRC élevé avec une température basse (2 700 K) restituera bien les couleurs mais dans une ambiance jaunâtre, faussant la perception des teintes froides. Les deux paramètres agissent sur des aspects différents de la qualité de la lumière : ils sont complémentaires.
Contexte : Une machine à commande numérique (CNC) d'usinage du bois est équipée d'un capteur de proximité infrarouge. Il émet à \(\lambda = 940\) nm et mesure la puissance réfléchie par la pièce usinée.
Loi d'atténuation : \(P_{\text{reçue}} = \dfrac{P_0}{d^2}\) avec \(P_0 = 1{,}2 \times 10^{-3}\) W·m².
Courant de photodiode : \(I = k \cdot P_{\text{reçue}}\) avec \(k = 0{,}5\) A/W.
Seuil de déclenchement de l'alerte : \(I_{\text{seuil}} = 4{,}0 \times 10^{-5}\) A.
1. \(\lambda = 940\) nm > 780 nm : ce rayonnement est infrarouge, donc invisible à l'œil nu. Avantage : le faisceau ne gêne pas visuellement l'opérateur, mais cela impose de signaler sa présence lors de la maintenance.
2.
À \(d = 0{,}10\) m : \(P = \dfrac{1{,}2 \times 10^{-3}}{(0{,}10)^2} = \dfrac{1{,}2 \times 10^{-3}}{0{,}01} = \mathbf{0{,}12 \text{ W}}\)
À \(d = 0{,}20\) m : \(P = \dfrac{1{,}2 \times 10^{-3}}{(0{,}20)^2} = \dfrac{1{,}2 \times 10^{-3}}{0{,}04} = \mathbf{0{,}030 \text{ W}}\)
Quand la distance double, la puissance est divisée par 4 : c'est la loi du carré inverse de la distance (\(P \propto 1/d^2\)).
3. \(I = k \times P = 0{,}5 \times 0{,}12 = \mathbf{6{,}0 \times 10^{-2} \text{ A}} = 60 \text{ mA}\)
4. On cherche \(d_{\text{max}}\) tel que \(I = I_{\text{seuil}}\) :
\(I_{\text{seuil}} = k \cdot \dfrac{P_0}{d_{\text{max}}^2}\) donc \(d_{\text{max}}^2 = \dfrac{k \cdot P_0}{I_{\text{seuil}}} = \dfrac{0{,}5 \times 1{,}2 \times 10^{-3}}{4{,}0 \times 10^{-5}} = \dfrac{6{,}0 \times 10^{-4}}{4{,}0 \times 10^{-5}} = 15\)
\(d_{\text{max}} = \sqrt{15} \approx 3{,}87 \text{ m} \approx \mathbf{387 \text{ cm}}\)
5. \(P_0' = 0{,}70 \times 1{,}2 \times 10^{-3} = 8{,}4 \times 10^{-4}\) W·m².
\(d_{\text{max}}'^2 = \dfrac{0{,}5 \times 8{,}4 \times 10^{-4}}{4{,}0 \times 10^{-5}} = 10{,}5\) → \(d_{\text{max}}' = \sqrt{10{,}5} \approx \mathbf{324 \text{ cm}}\)
La portée utile passe de 387 cm à 324 cm (−16 %). Si la CNC doit détecter des pièces au-delà de 3,24 m, la détection échoue silencieusement : la machine ne signale aucune panne mais le capteur est aveugle. Consigne de maintenance : nettoyer les optiques des capteurs à chaque maintenance préventive, et vérifier la portée effective après nettoyage.