contrôle de l'éclairage -...

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IPremière STI2D

LLampadaire autonome Luméaampadaire autonome Luméa RéférenceRéférence : I1-ACT2I1-ACT2

CContrôle de l'éclairage

CENTRE D'INTÉRÊTCENTRE D'INTÉRÊT CI7 – Solutions constructives relatives à la chaîne d'information

Compétences viséesCompétences viséesCO4.1 – Identifier et caractériser les fonctions et les constituants d'un système ainsi que ses entrées/sorties.CO4.3 – Identifier et caractériser le fonctionnement temporel d'un systèmeCO4.4 – Identifier et caractériser les solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l'énergie et aux informations (acquisition, traitement, transmission) d'un système

Connaissances associéesConnaissances associées3.1 Structures matérielles et/ou logicielles

3.1.4 traitement de l'information3.2 Constituants d'un système

3.2.3 Constituants d'un système

PrérequisPrérequis Étude de cas "Détection & commande des LEDs".

Conditions de réalisationConditions de réalisation

2 heures

Nature de l'activité Organisation de l'activité

TD Étude de cas TP

Travail en binôme

RessourcesRessources

Logiciel de simulation ISIS v7.7 (ou plus récent)Lampadaire didactisé muni de son boîtier de mesureLED (3 ou 5 mm, couleur quelconque) et générateur basse-fréquenceOscilloscope à mémoire numérique

Fiches ressources

Fichiers de simulation : "SMPS_elv.dsn" et "Commande_LEDs_elv.dsn"

Étudier les chaînes d'information et d'énergie permettant de faire varier l'intensité lumineuse produite par les LEDs. Justifier la technique de commande utilisée par le lampadaire en analysant son efficacité

énergétique.

I. MESURES PRÉLIMINAIRESL'étude de cas "Détection & commande des LEDs" a permis de mettre en évidence la nécessité d'un convertisseur élévateur de tension afin de pouvoir fournir une tension suffisante aux bornes des 5 LEDs associées en série.Branchez le boîtier de mesure à la base du pied du lampadaire, en laissant l'interrupteur latéral sur "OFF".Vérifiez que les liaisons électriques sont établies comme sur la figure ci-contre.

Document élève / I1-ACT2 - corrigé Page 1/8 04/09/2012

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Batterie

Eolienne

Panneaux photovoltaïques

"OFF"

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Q1. Proposez une méthode simple permettant de forcer l'allumage des LEDs à leur intensité maximale.

Q2. Relevez la tension VLED aux bornes des LEDs produisant leur intensité lumineuse maximale ainsi que l'intensité du courant ILED qui les parcourt. En déduire la valeur de la puissance électrique PLEDMAX qu'elles dissipent.

Débranchez la batterie, et remplacez-la par une alimentation stabilisée de laboratoire, réglée à 12 Volts, comme sur la figure ci-dessous.

Selon l'état de sa charge, la tension de la batterie (UBAT) varie de 10 V (batterie totalement déchargée) à 14 V (batterie entièrement chargée) environ. Pour protéger la batterie des décharges profondes (destructrices), le constructeur a fixé des seuils de fonctionnement sur la tension de la batterie, selon le tableau ci-dessous :

Condition Comportement du lampadaireUBAT ≤ 10,5 V Le lampadaire reste éteint pour protéger la batterie.UBAT ≥ 12,2 V Le lampadaire fonctionne normalement.

10,5 V ≤ UBAT ≤ 11 V Le lampadaire clignote lentement.

11 V ≤ UBAT ≤ 12,2 VLe lampadaire prolonge son état précédent (clignotement ou fonctionnement normal).


Réponse :Cacher la surface active des panneaux photovoltaïques afin de simuler le crépuscule (cartons). Le lampadaire s'allume en veille. Se déplacer devant un détecteur de présence pour provoquer l'allumage maximal des LEDs (durée 45 secondes par défaut).

Réponse : LEDs allumées : VLED

= 16 V, ILED

= 350 mA.On en déduit : P

LEDMAX = V

LED.I

LED = 5,6 W.

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UBAT

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Q3. En faisant varier lentement la tension UBAT de l'alimentation de 12,2 V à 14 V et sans jamais dépasser 14 V, mesurez la tension ULED aux bornes des LEDs allumées à leur intensité lumineuse maximale.La tension ULED varie-t-elle avec les variations de la tension batterie ? Quelle est la conséquence de cette constatation ?

Q4. En faisant varier lentement la tension UBAT de l'alimentation de 10 V à 13 V et sans jamais dépasser 14 V, relevez précisément les valeurs des deux seuils provoquant un changement de comportement du lampadaire. Comparez aux valeurs indiquées par le constructeur.

II. ÉLEVER LA TENSION APPLIQUÉE AUX LEDsNous avons vus que la batterie ne permettait pas directement d'alimenter les LEDs à leur intensité lumineuse maximale. Afin d'élever la tension appliquée aux LEDs, on a recours à un convertisseur continu-continu à découpage (SMPS = switch mode power supply) qui exploite la propriété que possède une inductance de s'opposer aux variations brutales du courant qui la traverse.

Note : Une bobine électrique est réalisée par enroulement sur un support d'un certain nombre de spires de fil électrique isolé. L'inductance (notée "L"), qui dépend du nombre de spires, de la géométrie de la bobine et de la nature du support, caractérise une bobine. L'unité d'inductance est le Henry (H).

Lancez le logiciel ISIS de la suite PROTEUS, et ouvrez le fichier "SMPS_elv.dsn". Il représente la structure de base d'un circuit élévateur à découpage.

Le mot "découpage" est justifié par la présence d'un interrupteur commandé, qui découpe l'énergie continue de la batterie afin d'en élever la tension.


Réponse :LEDs allumées au max. : V

LED = 16 V.

Bien que la tension de la batterie varie, la tension des LEDs reste constante.Conséquence : quel que soit l'état de la charge de la batterie, les LEDs éclairent toujours avec la même intensité lumineuse maximale.

Réponse :Seuil minimal (lampadaire OFF) : U

BAT = 10,1 V

Seuil intermédiaire (prolongement fonctiont) : UBAT

= 12,1 VComparaison : on retrouve des valeurs proches des seuils du constructeur. Cependant, les valeurs ne sont pas précises ….

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VBAT VLED

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La bobine est parcourue par le courant de la batterie (I1) et accumule de l'énergie.

La bobine transfère l'énergie accumulée à l'étape 1 au condensateur et à la charge.

Q5. Dans ISIS, en éditant les propriétés du signal logique de commande de l'interrupteur "COM", relevez la fréquence d'un cycle d'ouverture/fermeture de l'interrupteur et en déduire la durée d'un cycle de fermeture/ouverture de l'interrupteur. Par quoi a-t-on remplacé les LEDs dans cet exemple ?

Q6. Placez un graphe "ANALOGUE" et ajoutez les signaux VBAT et VLED (partie gauche du graphe) et ILED (partie droite du graphe) et réglez la durée de la simulation à 10 ms.Lancez une simulation (en appuyant sur la barre d'espace) et relevez les valeurs stables des trois grandeurs observées. Conclure sur le rôle du convertisseur d'énergie.

Q7. Changez la valeur de la tension batterie en 14 V. Relancez une simulation et relevez les valeurs des tensions VBAT et VLED et de l'intensité du courant ILED.

Q8. Même question avec VBAT = 11 V.


Réponse :En éditant les propriétés de "COMMANDE" : F = 500 kHz.Durées d'un cycle de fermeture/ouverture de K : 2 µs.Ici, les LEDs ont été remplacées par une résistance de 48 Ω.

Réponse :V

BAT = 12 V, V

LED = 16,8 V, I

LED = 350 mA.

La tension de sortie est supérieure à la tension d'entrée. Le convertisseur remplit donc bien le rôle de convertisseur continu/continu élévateur de tension.

Réponse :V

BAT = 14 V, V

LED = 19,7 V, I

LED = 410 mA.

Réponse :V

BAT = 11 V, V

LED = 15,4 V, I

LED = 320 mA.

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Étape 1 : K fermé, D bloquée Étape 2 : K ouvert, D passante

VBAT

VLEDK C

D

L

I1

K C

D

LV

BATV

LED

I0

COM COM

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Q9. Avec ce convertisseur de principe, comment se comporte le lampadaire vis-à-vis de l'état de charge de la batterie ? Constatez-vous le même phénomène, sur le lampadaire réel ?

III. RÉGULER L'INTENSITÉ LUMINEUSE FOURNIE PAR DES LEDsOn considère le lampadaire lorsqu'il fournit son intensité lumineuse maximale.

Q10. A l'aide du graphe ci-contre, expliquez comment rendre constant l’éclairement fourni par le lampadaire.

Afin de respecter les conditions de fonctionnement du lampadaire, il est nécessaire d'avoir recours à une structure plus complexe permettant de réguler l'intensité qui circule dans les LEDs. Cette régulation se base sur une valeur souhaitée appelée "consigne", le système cherchant à rendre la grandeur à réguler la plus proche possible de la consigne.

Dans le cas du lampadaire Luméa, la grandeur régulée est le courant qui circule dans les LEDs. La consigne est constante égale à 0,35 A, fournie sous la forme d'une tension proportionnelle (0,35 V).

Lancez le logiciel ISIS, et ouvrez le fichier "Commande_LEDs_elv.dsn". Il représente une structure équivalente du circuit de commande de LEDs, similaire à celle du Luméa.

Q11. Lancez une simulation interactive en cliquant sur le bouton :

Relevez les valeurs numériques stables atteintes par les grandeurs VBAT, VLED, ILED et CONS, en indiquant bien leurs unités respectives. L’intensité du courant des LEDs est elle égale à la consigne ?

Remarque : La simulation n’est pas effectuée en temps réel. La durée réelle écoulée depuis le lancement est indiquée dans la barre inférieure du logiciel. Elle dépend de la rapidité de l’ordinateur sur lequel est effectuée la simulation.


Réponse :La puissance fournie aux LEDs dépend de la tension de la batterie (reflet de son état de charge). L'éclairement fourni par les LEDs dépendra donc de l'état de la batterie.Sur le lampadaire réel, l'éclairement est indépendant de l'état de charge de la batterie (constatation faite à la question 3).

Réponse :Pour obtenir un éclai-rement constant, il faut que l'intensité du courant des LEDs reste contant.

Réponse :V

BAT = 12 V, V

LED = 17,7 V, I

LED = 0,35 A, CONS = 0,35 V.

ILED

= VCONS

, la consigne est donc bien respectée (régulation).

CORRIGEETT

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Q12. Même question pour VBATMIN = 11 V puis VBATMAX = 14 V. Que peut-on en conclure ?

Q13. Pour VBAT = 12 V, relevez la valeur de IBATMOY et calculez la puissance (PE = VBAT.IBATMOY) fournie par la batterie. Avec les résultats de la question 11, calculez la puissance utile (PU) fournie aux LEDs et en déduire le rendement énergétique du convertisseur (PU/PE). Conclure.

IV. FAIRE VARIER L'INTENSITÉ LUMINEUSE FOURNIE PAR LES LEDsSelon la présence ou l'absence de personne passant dans son voisinage proche, le lampadaire modifie l'intensité lumineuse des LEDs. L'étude qui va suivre va permettre de comprendre le principe utilisé.

Branchez une LED sur la sortie logique (repérée "TTL" ou "SYNCHRO") d'un générateur basse-fréquence. Réglez la fréquence sur une valeur très basse (10 Hz par exemple). Vérifiez que la LED clignote (inversez les deux broches dans le cas contraire).

Q14. Augmentez doucement la fréquence et relevez la valeur limite à partir de laquelle vous ne distinguez plus le clignotement de la LED.


Réponse :Pour V

BATMIN et V

BATMAX : V

LED = 17,7 V, I

LED = 0,35 A, V

CONSIGNE = 0,35 V.

On constate que l'intensité du courant des LEDs est constante, il en est donc de même pour l'intensité lumineuse produite. Dans la gamme d'utilisation de la batterie, son état de charge n'a donc plus d'influence sur l'éclairement des LEDs.

Réponse :IBATMOY

= 0,56 A, donc PE = 12x0,56 = 6,72 W.

D'après la question 11 : PU = 17,7x0,35 = 6,2 W.

Rendement : PU/P

E = 0,92 = 92 %.

Ce rendement est excellent, ce qui permet au convertisseur d'utiliser au mieux l'énergie de la batterie, avec un minimum de pertes.

Réponse : Environ 45 à 50 Hz.

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FréquenceFréquence AmplitudeAmplitude

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Le phénomène observé est connu sous le terme de "persistance rétinienne". Cet effet mémoire d'une image perçue par l'œil humain est plus long quand l'image est lumineuse.

Un signal logique périodique est constitué d'une suite d'impulsions d'amplitude constante qui se suivent à intervalle de temps T constant. Si la fréquence du signal logique est constante, le seul paramètre modifiable est la durée TH de chaque impulsion, comme sur la figure ci-dessous :

On appelle "rapport cyclique" (Duty Cycle) le terme : HTRC =T

(0 ≤ RC ≤ 1, sans dimension).

La valeur moyenne du signal est : MOY = RC.VMAX, variable de 0 à VMAX selon la valeur de RC.

Q15. Observez le signal fourni par la sortie logique du générateur réglé à 100 Hz. Sans modifier sa fréquence, réglez le rapport cyclique du signal fourni par le générateur en agissant sur le bouton nommé "SYMMETRY" (ou "DUTY").Mesurez les valeurs minimale et maximale du rapport cyclique du signal et observez la LED. Expliquez le phénomène observé.

Le convertisseur précédent est équipé d’une entrée logique d'autorisation qui permet de contrôler le fonctionnement (AUTORISATION = 5 V, régulation de ILED) ou l'arrêt (AUTORISATION = 0 V, ILED = 0) du convertisseur.

Q16. Dans les propriétés du signal "AUT" appliqué au convertisseur, modifiez la valeur du champ "Voltage" en "0". Relancez la simulation et relevez la valeur du courant ILED et en déduire leur état. Retrouve-t-on le fonctionnement attendu ?


Réponse :RCmin ≈ 0,1, RCmax ≈ 0,9 (dépend du générateur utilisé).On constate que la luminosité de la LED varie. Allumée pour l'état haut du signal de sortie, elle reçoit une énergie qui dépend de la durée de cet état haut, donc du rapport cyclique du signal. Comme la fréquence du signal est supérieure à la limite de la persistance, on ne voit pas le clignotement.

Réponse :Avec AUT = 0, I

LED = 3,85 µA ≈ 0.

Le convertisseur a cessé de fonctionner, la régulation n'opère plus et le courant des LEDs est quasiment nul (les LEDs sont éteintes).

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t

Signal logique

TH = variable

T = constante

Constante

Valeur moyenne

0

VMAX

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En veille, le courant des LEDs du lampadaire a l’allure ci-dessous :

Q17. Calculez le rapport cyclique de ILED permettant d’obtenir en veille ILEDMOY = 8 mA.

Q18. La fréquence de ILED est F = 250 Hz. Justifiez que l’on ne voit pas les LEDs clignoter.Calculez la durée TH des flashes d’allumage en veille des LEDs.

Q19. Expliquez comment utiliser le convertisseur pour que le lampadaire fonctionne en veille (en l'absence de détection), puis à pleine intensité lumineuse (détection de personne) ?


Réponse :ILEDMAX

= 350 mA. IMOY

= RC.ILEDMAX

.RC = I

MOY/I

MAX = 8/350 = 0,023.

Réponse : La fréquence est bien plus élevée que la limite de 50 Hz imposée par la persistance rétinienne, donc ne voit pas le clignotement.T = 1/F = 4 ms.T

H = RC.T = 0,023.4 = 0,092 ms = 92 µs.

Réponse :Il suffit d'appliquer à l'entrée "AUTORISATION" du convertisseur un signal logique de même allure que le courant des LEDs :- soit un signal à rapport cyclique 0,023 pour l'allumage en veille,- soit un signal au NL1, pour l'allumage à pleine intensité.

CORRIGEETT

t

ILED

0

350 mA

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