Montages avec des photopiles

Les lampes de jardin qui semblent ne plus fonctionner peuvent avoir une seconde vie pour le modélisme ferroviaire.
Démonstration par la pratique.

Un peu de théorie

Les photopiles sont constituées de photodiodes connectées en série. Un photon incident absorbé par la couche de silicium amorphe crée une paire électron-trou. Le champ électrique obtenu par dopage p/i/n du semi-conducteur sépare les électrons et les trous. 

 Principe Photopile (source SOLEMS)

On génère donc un courant électrique continu aux bornes de la photodiode. Les photons actifs correspondent aux longueurs d'ondes comprises entre 0.35 et 0.75 micron. La meilleure efficacité est obtenue à 550 nm.

Vue des photopiles de la lampe de jardin

La mise en série de diodes élémentaires permet d'obtenir des photopiles bien adaptées aux faibles éclairements et à la lumière artificielle, même avec les fluo. La grande sensibilité des photopiles permet une utilisation aussi en intérieur.
La réponse spectrale permet de donner une idée plus précise de la sensibilité.

Le courant délivré par les photopiles est relativement faible.

Une photopile délivre un courant et une tension variables. La surface de la diode définit le courant qui augmente avec l'éclairement. En moyenne on a 80 microA/cm 2 sous 1000 lux (local de travail). Au maximum 8 mA/cm 2 sous 100000 lux (plein soleil).
Pour en savoir plus, je vous conseille le livre "Cellules solaires - Les bases de l'énergie photovoltaïque" aux éditions Dunod.

Montage des photopiles

Démonter soigneusement les photopiles de vos lampes de jardin et nettoyez les avec de l'eau et un chiffon doux.

Souder sur la face arrière de chaque photopile deux fils. Un fil noir pour le moins et un fil rouge pour le plus. Attention, bien étamer les bornes + et - et les connexions. Utiliser un fer à souder de 30W maxi et de la soudure à l'étain. Ne pas dépasser 250 degrés C.


Pour avoir une tension plus élevée, il faut monter les photopiles en série. Si on veut plus de courant, il faut les monter en parallèle.
Nous présentons ici un montage en série.
Les photopiles sont positionnées sur un morceau de goulotte plastique que l'on perce pour le passage des fils + et - de chaque photopile. Utiliser un adhésif double face pour maintenir les photopile en place.

Mise en place des photopiles

Retourner le support et souder le fil noir de la photopile 1 au fil rouge de la photopile 2. Puis souder le fil noir de la photopile 2 au fil rouge de la photopile 3 et ainsi de suite.

Soudure des fils des photopiles

Mesures

Pour savoir ce que le montage peut générer comme tension, il suffit de mettre un voltmètre en sortie et d'exposer les photopiles à la lumière ambiante. Dans le cas du montage avec 4 photopiles, la tension mesurée est d'environ 4.5V à vide

Mesure de la tension

Les essais à l'extérieur permettent d’obtenir de meilleurs résultats plus proches de 5V.

Pour avoir plus de courant, nous avons ajouté une autre photopile (également récupérée d'une lampe de jardin en panne) en parallèle des autres photopiles.
En mettant une charge, on note que la tension diminue de façon significative.

Ajout d'une photopile

L'autre grandeur à mesurer est le courant. Pour cela il faut utiliser un ampèremètre que l'on met en série sur une des sorties à laquelle est reliée une charge qui consomme le courant. La charge peut être une résistance, une LED, un petit moteur.
Nous avons choisi de mettre comme charge trois LEDs blanches en parallèle. 

A l'intérieur, la valeur du courant est faible, de l'ordre de quelques mA. Les LED s’allument quand même.

mesure à l’intérieur avec éclairage artificiel

A l’extérieur, en plein soleil, la valeur du courant passe à plus de 58 mA. Aucun problème pour allumer les LED e on peu même en rajouter.

mesure en plein soleil

Les Applications

Pour le modélisme ferroviaire, ce type de montage peut servir soit à fournir de l'énergie en direct pour l'éclairage à LED de certains décors, soit alimenter de petits moteurs pour des animations. Dans le second cas, privilégier des moteurs avec réducteur.
Vous l'aurez compris, plus on veut de courant, plus il faut de photopiles! 
Il est aussi possible d’ajouter un régulateur de charge pour charger une batterie. Cela donnera une autonomie beaucoup plus grande en cas de baisse de la lumière ambiante. C'est sur ce principe que fonctionnent les lampes de jardin. La boucle est bouclée.


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