Proiect Univ. Pitesti

download Proiect Univ. Pitesti

of 75

Transcript of Proiect Univ. Pitesti

Prof. indrumtor: Li Ioan 2009

Student: Vldu Marian

1

TEMA PROIECTULUI:

REGULATOR PENTRU CONTROLUL INTENSITII LUMINOASE NTR-O INCINT

2

CUPRINS1. Traductoare optoelctronice..............................................................................7 1.1. Fenomene fotoelectrice...........................................................................10 1.2. Surse de lumin si radiatia optic. Noiuni de tehnca iluminatului.........11 1.3. Elemente sensibile tipice pentru radiaii luminoase................................17 1.3.1. Fotorezistori...................................................................................18 1.3.2. Celula fotovoltaic.........................................................................24 1.3.3. Celula

solar...................................................................................26 1.3.4. Fotodioda.......................................................................................27 1.3.5. Fotorezistorul.................................................................................29 1.3.6. Optocuploare .................................................................................30 2. Principii de funcionare ale regulatoarelor elctronice...32 2.1. Efectele automatizrii proceselor tehnologice32 2.2. Principii constructive ale regulatoarelor..35 2.3. Clasificarea regulatoarelor..36 2.4. Clasificarea regulatoarelor automate...37 2.5. Tipuri e regulatoare.38 2.5.1. Regulatoare liniare.39 2.5.2. Regulatoare neliniare.40 2.5.3. Regulatoare unificate si specializate..41 2.5.4. Regulatoare electronice..42 2.6. Alegerea si acordarea regulatoarelor...43 2.6.1. Noiuni generale.43 2.6.2 .Parametrii care intervin n alegerea i acordarea regulatoarelor44 2.6.3. Alegerea tipului de regulator..45 2.6.4. Criterii de acordare optim 3. Principii si arhitecturi de implementare a sitemelor pentru controlul iluminrii. Exemple de implementri............................................................46 3.1. Sisteme de iluminat.................................................................................46 3.1.1. Sisteme de iluminat normal............................................................46 3.2. Microclimatul luminos...........................................................................48 3.3. Nivel de iluminare..................................................................................49 3.4. Parametrii calitativi................................................................................49 3.5. Controlul sistemelor de iluminat............................................................50 3.5.1 Sisteme de comand ale iluminatului..............................................51

3

3.5.2. Controlul sistemlor de iluminat n funcie de tipul de utilizare al ncperii.........................................................................................................52 3.5.3. Contrulul sistemului de iluminat in funcie de accesul luminii naturale..........................................................................................................53 3.5.4. Controlul mixt al sistemului de iluminat n funcie de tipul de utilizare al ncperii i accesul luminii naturale............................................53 3.7. Cladiri inteligente...................................................................................54 3.7.1. Sistemul de control al iluminatului Luxmate.............................54 4. Proiectarea schemei bloc a sistemului...........................................................55 5. Proiectarea schemei electrice........................................................................59 5.1. Funcionarea PWM.................................................................................63 5.2. Etajele de putere......................................................................................66 5.3. Blocul logic.............................................................................................67 5.4. Logica de comenzi exterioare.................................................................68 6. Proiectarea tehnologic a sistemului.............................................................69 6.1. Ansamblarea general.............................................................................70 6.2. Teste i reglaje........................................................................................70 7. Modul de lucru cu macheta...........................................................................71 8. Concluzii.......................................................................................................73 Bibliografie

4

ARGUMENTExist vreo ramur a activitii umane care s nu fi fcut apel la serviciile electronicii? Se poate imagina oare lumea actual privat de serviciile electronicii? Electronica este prezent pretutindeni, toi profit de serviciile ei, de supleea ei, de posibilitile ei. Electronica zilelor noastre pune la dispoziia oamenilor diverse aparate i instalaii necesare realizrii visurilor cele mai ndrznee. Comunicarea tirilor i noutilor, imprimarea sunetului i redarea de nalt fidelitate a muzicii, televiziunea, asigurarea siguranei maritime, rutiere i aeriene, lupta contra bolilor, calculatoarele electronice, automatica i multe altele alctuiesc de pe acum decorul firesc al vieii actuale. Ca domeniu tehnic de o uria dezvoltare, electronica a cunoscut n ultimii zeci de ani modificri de care au profitat i multe alte domenii: medicina, fizica nuclear, optic modern i cercetarea tiinific, ntreptrunse de folosirea diverselor procedee electronice, de investigaiile tiinifice i utilizarea tehnicilor respective care se intensific pe zi ce trece. De aceea, cercettorul tiinific de azi i de mine, din orice domeniu se impune a fi un foarte bun cunosctor al tehnicii electronice. Cunoaterea electronicii n etapa actual, mai ales pentru cercetarea tiinific n orice domeniu, este la fel de important ca i cunoaterea limbilor strine, dactilografiei, conducerii auto, discipline care servesc viteza gndirii i sfera cunoaterii. Oricare ar fi meseria aleas, electronica de pe acum prezent, va oferi i mai mult sprijin n viitor. Aa c alturi de profesionistul medic, metalurg sau arhitect, va dinui n aceeai persoan, ncreztor, optimist i amatorul de electronic, iubitorul montajului simplu sau complicat. n aceast curs spre viitor, spre echipament tot mai bun, ieftin i sigur, iubitorii de tehnic, amatorii, duc mai departe munca naintailor lor, devin cercettori pasionai care-i mpletesc munca de zi cu zi cu momentele de mare satisfacie, cnd aparatura mai simpl sau mai complicat funcioneaz, covrind ateptrile. Omul, ca fiin superioar, a fost preocupat din cele mai vechi timpuri de a cunoate i stpni natura, de a dirija fenomene ale naturii n scopul uurrii existentei sale.

5

n procesul cunoaterii, omul urmrete evoluia n timp a unor mrimi caracteristice in raport cu evoluia altor mrimi, evideniind astfel grupul mrimilor care definesc cauza i grupul mrimilor ce definesc "efectul". Observaiile asupra presupuselor cauze i efecte au condus i conduc la evidenierea unor legi, care, crend relaiile dintre cauze" i efecte", caracterizeaz fenomenele. Stabilirea unor legi ce caracterizeaz fenomene ale naturii i definirea unor modele ale fenomenelor au permis omului o cunoatere i interpretare aprofundat a multor fenomene, reuind s le dirijeze n scopul mbuntirii condiiilor sale de via, al reducerii eforturilor fizice i intelectuale, al uurrii existenei sale.

6

CAPITOLUL 1Traductoare optoelectroniceUna din funciile indispensabile pentru conducerea eficient a unui proces, este aceea de informare. Deciziile de conducere pot fi luate numai pe baza unor informaii cat mai corecte si mai complete asupra unor parametrii semnificativi pentru caracterizarea tehnico economic a procesului. Informaiile respective, reprezentand in ultim instan valori ale unor marimi fizice (sau ale unor indicatori calculai prin intermediul acestora), chiar i in cazul conducerii manuale se obin ca rezultat al unor operaii de msurare. Definiia clasic a operaiei de msurare, fundamentat pe noiunea de unitate de msur, arat c a msura inseamn a stabili pe cale experimental valoarea (numeric) a unei mrimi fizice necunoscute msurand-o prin compararea cu o mrime de aceeai natur aleas in mod convenional ca unitate. In cazul sistemelor automate conducerea proceslor efectundu-se fra intervenia direct a omului, mijloacele prin care se realizeaz se modific in concordana cu noile condiii. In consecin, operaiile de msurare in sistemele automate sunt efectuate de traductoare, dispozitive ce stabilesc o corespondena ntre mrimea de masurat i o mrime cu un domeniu de variaie calibrat, apt de a fi recepionat i prelucrat de echipamnete de conducere (regulatoare, calculatoare de proces etc). Se numete traductor acel element al SRA care realizeaz convertirea unei mrimi fizice de obicei neelectric n mrime de alt natur fizic de obicei electric proporional cu prima sau dependent de aceasta, ntr-un fel prestabilit, n scopul utilizrii ntr-un sistem de automatizare. Cele mai multe traductoare din sistemele unificate pentru automatizarea proceselor lente (de exemplu, traductoare din sistemul electronic, din sistemele unificate pneumatice) sunt formate din dou pri distincte: detectorul D i adaptorul A, ca n fig.1. Detectorul transform mrimea de intrare a traductorului, adic mrimea de ieire xe a instalaiei automatizate, ntr-un semnal intermediar xl.

7

Fig. 1. Schema bloc a unui traductor

Acest semnal este, de obicei, o deplasare sau o tensiune electric, n funcie de principiul de funcionare a detectorului. Adaptorul, numit uneori i transmitor, transform semnalul intermediar xl n semnalul unificat corespunztor sistemului unificat din care face parte traductorul. Rolul adaptoarelor este de a transforma n semnal unificat mrimile de ieire ale detectoarelor. Uneori, adaptoarele realizeaz i funcii de corectare sau de compensare a unor factori care influeneaz liniaritatea caracteristicii statice sau precizia traductorului. Elementul constructiv principal al adaptorului este un amplificator de reacie negativ. Prezena reaciei negative la acest amplificator este necesar deoarece conduce la mbuntirea indicatorilor calitativi ai amplificatorului. Dup natura sistemului unificat (electronic sau pneumatic), amplificatoarele utilizate sunt amplificatoare electronice sau pneumatice. Unele traductoare din sistemele unificate au o structur mai complicat, aa cum se va arta n paragrafele care urmeaz. Mrimea de ieire a unui traductor poate fi transmis altor elemente de automatizare i, n acelai timp, poate fi msurat. Aceast soluie este frecvent ntlnit n sistemele de reglare automat. La realizarea unor aparate destinate numai pentru msurarea mrimilor fizice, neelectrice i electrice, se utilizeaz un detector care transform mrimea fizic dat ntr-o alt mrime, msurabil cu aparate de utilizare curent. Se constat deci c detectoarele intervin att n construcia traductoarelor (unificate i neunificate), cat i n construcia aparatelor de msur a mrimilor neelectrice i electrice. Principalele caracteristici ale aparatelor de msur (sensibilitatea, clasa de precizie, constanta aparatului, consumul propriu) se definesc n mod similar i pentru traductoare. n afara acestor caracteristici, pentru traductoare se impun condiii sporite privind sigurana n funcionare, stabilitatea caracteristicilor la aciunile factorilor externi, inerie redus etc. Relaia dintre mrimea de ieire a traductorului i mrimea de intrare a acestuia, n regim staionar, se numete caracteristic static a traductorului. La8

alegerea principiului de funcionare i a variantei constructive a unui traductor se ine cont de necesitatea obinerii unei caracteristici statice liniare. Elementele sensibile constituie partea cea mai diversificat a traductoarelor, ele fiind acelea care permit detectarea mrimii de msurat din ntreg ansamblul de mrimi care acioneaza n mediul inconjurtor, rejectnd sau reducnd la un minimum acceptabil influena celorlalte. Principiile de funcionare ale traductoarelor optoelectronice se bazeaz pe anumite fenomene detreminate de intreaciunea radiaiei luminoase cu substana i susceptibile de a fi utilizate in scopuri de msurare. Energia luminoas este o form radiant de enrgie electromagnetic. Aceste radiaii sunt emise de regul de corpuri incandescente sau de fenomene de luminiscen i au lungimi de und cuprinse ntre 0,01 m si 100 m.Surs de radiaii Element modulator Detector de radiaii

Amplificator

Mrime de msurat

Fig. 2. Structura general a unui traductor de radiaii.

Prin radiaie luminoas se va inelege radiaia electromagnetic in gama 0,4 m - 0,76 m (spectrul vizibil), prin radiaie infraroie, cea cuprins in gama 0,76 m 100 m, iar prin radiaie ultraviolet, cea cuprins in banda 0,01 m 0,4m. Radiaia luminoas este emis sau absorbit prin cuante corespunztoare unor particule numite fotoni. Ele au energia proporional cu frecvena si nu pot exista in repaus. Se numete flux luminos (energetic) energia luminoas pe care o emite o sursa in unitatea de timp. Iluminarea este densitaea de flux luminos printr-o suprafa si se exprim ca fluxul luminos raportat la unitatea de arie (presupunnd suprafata iluminat uniform):Ev = d d

9

Luminana (strlucirea) este egal cu raportul dintre intensitatea luminoas pe un element de suprafa ntr-o direcie dat i proiecia ariei sale pe planul normal direciei de observare:L= dI l dcos

Factorul de transmisie al unui mediu este raportul dintre fluxul luminos obinut dup trecerea luminii prin mediul respectiv si fluxul incident (de la intrarea in mediu). Unitatea de msur pentru intensitatea luminoas este candela (cd), una din cele apte unitai fundamentale ale Sistemului Internaional de Uniti. Unitatea de msura pentru fluxul luminos este lumenul (lm). Un lumen este fluxul luminos emis in interiorul unui unghi solid de un stredian de ctre o surs punctual avnd o intensiate luminos de o candela. Unitatea de msur pentru iluminare este luxul (lx). Un lux este o iluminare produs de un flux de lumen pe o suprafa de un metru ptrat.

1.1. Fenomene fototelectriceTransformarea radiaiei luminoase in semnal electric se bazeaz pe unul din urmatoarele fenomene: fenomenul de fotoconducie, efectul fotovoltaic si fenomenul fotoemisiv. Fenomenul de fotoconducie const in modificarea conductivitii electrice a unui semiconductor sub aciunea radiatiei electromagnetice (luminii). Ca urmare a absorbiei radiatiei electromagnetice au loc tranziii elctronice care duc la modificarea conductivitii electrice. Efectul fotovoltaic este un fenomen fotoelectric n care energia luminoas este convertit direct in energie elctric avand ca rezultat obinerea unei tensiuni electromotoare dependent de radiaia luminoas. Aceast tensiune ia natere in semiconductorul expus radiaiei luminoase datorit generrii unor cmpuri electrice interne cauzate fie de doparea diferit n anumite zone ale semiconductorului (jonciunea p-n), fie de structura variat, fie de doparea diferit si structura variat. Atunci cnd radiaia luminoas ptrunde in regiunea cmpului electric intern, fotonii incideni genereaz purttori de sarcin de neechilibru (electroni si goluri) care, antrenai de campul electric existent, formeaz un curent electric. Fenomenul fotoemisiv se manifest ntr-un tub electronic special (numit tub cu fotocatod) prin emiterea de ctre un catod a elctronilor, atunci cnd acesta este10

iluminat. Ca urmare a diferenei de potenial dinte anod si catod, electronii sunt antrenaii spre anod i, dac se conecteaza in serie cu sursa de tensiune o rezistena de sarcin, variaiile de tensiune de pe rezistena de sarcin vor corespunde variaiile de lumin incident pe catod.

1.2. Surse de lumin i radiaia optic. Noiuni de tehnica iluminatuluiLa proiectarea unui aparat optic trebuie s avem n vedere natura i caracteristicile de baz ale sursei de lumin utilizat. n majoritatea cazurilor aparatele optice folosesc drept surse de lumin surse de excitaie termic i/sau surse de excitaie electric, bazate pe descrcarea electric n gaze rarefiate. n anumite situaii Soarele servete n calitate de surs luminoas natural, care asigur pe suprafaa Pmntului o densitate de putere cca. 0,1330,14watt . cm 2

Studiile experimentale au pus n eviden c prin creterea temperaturii corpurilor acestea devin surse termice de lumin. Cu creterea temperaturii corpurilor solide sau lichide culoarea acestora se modific de la nuana rou nchis ctre galben deschis, fiind caracterizate prin distribuie spectral continu a luminii, adic emisia are loc la toate lungimile de und. Prin creterea temperaturii corpului crete puterea de emisie optic, n timp ce maximul curbei de distribuie se deplaseaz ctre lungimi de unde mai mici. ns, doar o cantitate redus a energiei emise corespunde domeniului spectral vizibil, marea parte a energiei emise corespunde domeniului invizibil. Prin urmare sursele termice prezint un randament luminos relativ redus. La evaluarea randamentului surselor de lumin trebuie s avem n vedere caracteristica de sensibilitate spectral a ochiului uman. Ochiul uman are sensibilitatea spectral maxim pentru radiaia verde la lungimea de und = 555 nm, pentru care echivalentul luminos al radiaiei este de 675 lumen/watt. Natura i intensitatea radiaiei emise prin urmare sunt factori de baz la alegerea surselor de lumin folosite n aparatele optice. Soarele ca sursa natural de radiaie, realizeaz emisia din suprafaa stelar numit fotosfer, care are o distribuie de radiaie corespunztoare corpului absolut negru aflat la temperatura de cca. T= 6000 K. n spectrul luminii continue a radiaiei Solare au fost identificate anumite linii de absorbie, care apar ca linii negre n spectrul de emisie continu observat printr-o prism optic. Aceste linii numite linii Fraunhoffer se datoreaz absorbiei luminii la traversarea stratului de cromosfer numit coroana Solar, care se afl la o temperatur mai joas dect fotosfera i componentele gazoase ale cromosferei cauzeaz absorbia rezonant a radiaiei primare.11

Stratul atmosferic al Pmntului este un absorbant pentru anumite lungimi de unde i de asemenea constituie un factor de mprtire pentru radiaiile Solare. Situaie similar ntlnim i pentru radiaiile provenite de la alte surse de radiaie din Univers. Stelele au o distribuie spectral a radiaiei lor, care depinde de temperatura acestora la suprafaa lor, acesta fiind cca. T= 3500 K.50 000 K. n calitate de surse artificale de lumin cel mai frecvent sunt folosite sursele termice ale becurilor incandescente. Filamentul de wolfram dublu spiralat aflat ntr-un balon de sticl vidat sau umplut cu gaz inert de umplere la presiune redus, este nclzit cu ajutorul curentului electric la o temperatur de cca. 1000 3000 K. Dimenisunile firului de wolfram (tungsten), i anume lungimea i seciunea acestuia, vor determina puterea electric necesar pentru aducerea la temperatur ridicat, iar temperatura i aria emisiv vor determina valoarea energiei iradiate. Durata da via a sursei incandescente este limitat de procesul evaporrii firului de wofram aflat la temperatur ridicat. Evacuarea fluxului termic i luminos din balonul de sticl este limitat treptat de condensarea vaporilor de wolfram pe suprafaa peretelui interior al balonului de sticl, ceea ce cauzeaz o scdere suplimentar de cca. 20 % a randamentului. Pentru reducerea vitezei de evaporare a firului de wolfram balonul se umple cu gaze inerte (argon sau azot), aceasta ns cauzeaz o cretere a pierderilor termice prin conductibilitate termic. Ridicarea tensiunii de alimentare conduce la creterea emisivitii luminoase, ns durata de funcionare se reduce drastic din cauza creterii vitezei de evaporare a filamentului. Diagrama alturat indic variaia densitii spectrale la diferite temperaturi ale filamentului de wolfram (fig. 3).

Fig.3. Variaia densitii spectrale a filamentului de wolfram la temperaturi diferite

O cretere a performanelor surselor luminoase au adus lmpile incandescente cu gaz halogen de umplere, care realizeaz o luminozitate de cca. 50 cd/mm2.12

Elementul halogen determin retrodifuzarea wolframului condensat de pe peretele balonului de sticl n urma reaciei chimice ntre elementul halogen i atomii de wolfram. Filamentul de wolfram incandescent are o emisivitate spectral favorabil pentru domeniul vizibil al spectrului, a crei dependen de temperatur este similar cu ceea a corpului absolut negru aflat la temperatura de radiaie indicat pe diagram (fig . 4).

Fig. 4. Dependena emisivitii luminoase pentru diferite temperaturi ale filamentului de wolfram

Sursele luminoase incandescente cu toate dezvoltrile recente realizate prezint un randament luminos redus, prin urmare tehnica iluminatului modern necesit surse de radiaie mai eficiente. Eficacitatea luminoas a izvorului luminos este definit prin raportul fluxului luminos emis raportat ctre puterea electric consumat:= (lm ) P ( watt )

Eficacitatea luminoas a lmpilor incandescente de putere cuprins ntre 25 W . 100 W abia atinge valoarea = 5... 15lm watt

.

Sursele luminoase bazate pe descrcarea electric n gaze rarefiate beneficiaz de fenomenul excitrii atomilor i moleculelor gazelor pentru emisie radiativ. Fenomenul de excitare are loc n procesul de multiplicare n avalan a purttorilor de sarcini electrice i generarea strii de plasm radiativ. n funcie de modul de generare a sarcinilor electrice primare, n particular al electronilor originari din catodul tubului de descrcare, distingem procese termoemisive din catod, procese de emisie sub aciunea cmpului electric intens i procese secundare de emisie sub aciunea bombardamantului ionic asupra catodului. Prin creterea tensiunii de descrcare aplicat ntre catod i anod are loc o excitare a nivelelor energetice superioare, respectiv generarea ionizrilor atomilor13

prin ciocniri intense ntre electronii accelerai i atomii gazului de descrcare. n situaia n care procesul de descrcare devine autonom, adic se ntrein procesele de multiplicare a sarcinilor electrice necesare autonomiei descrcrii, vorbim despre descrcare luminescent autonom. Aceast descrcare se caracterizeaz prin valoarea aproximativ constant a densitii curentului de descrcare, adic prin creterea intensitii curentului de descrcare crete seciunea coloanei plasmei de descrcare paralel cu meninerea tensiunii de ardere. Cu creterea n continuare a curentului de descrcare are loc tranziia n regim de arc electric, caracterizat prin scderea tensiunii de descrcare i creterea efectului de termoemisie a electronilor din catodul puternic bombardat de ionii plasmei fierbinte. Energia este radiat att de ctre electrozii aflai la temperatur ridicat ct i de plasma aflat la temperatura cinetic de cca. 40008000 K. Tuburile de descrcare cunoscute sub denumirea de tuburi luminescente funcioneaz pe baza descrcrii electrice iniiate ntre electrozi metalici, la o presiune redus a gazului de umplere. Tensiunea necesar amorsrii descrcrii este cca. 35 kV, iar tensiunea nominal de ardere cca. 1000 V. Presiunea gazului de umplere poate fi ntre p=0,510 mmHg. Dac gazul de umplere este neon descrcarea are culoarea roie, pentru gazul de umplere heliu descrcarea are nuana portocalie, iar prin adugarea atomilor de mercur, descrcarea n neon capt o nuan albstruie-alb. Prin folosirea sticlei colorate n calitate de perete al tubului de descrcare, nuana luminii poate fi arbitrar modificat. Tuburile fluorescente neon constituie surse de lumin cu randament mai mare dect cele incandescente, atingnd valoarea de 50 lm . W

Aceste surse de lumin

funcioneaz pe principiul descrcrii electrice stabilizate n amestecuri de gaze inerte. Gazul de umplere de regul este argonul i descrcarea se iniiaz ntre electrozi de wolfram nclzii. n faza de amorsare a descrcrii filamentul de wolfram se nclzete pentru termoemisia electronilor. Tubul de descrcare conine i o cantitate redus de Hg pentru generarea unei emisii intense de radiaie UV (linia caracteristic a mercurului la = 253,7 nm cade n domeniul ultraviolet), care prin efectul excitaiei substanei luminoforului (luminoforul este un amestec de beriliu cu silicat de zinc, respectiv wolframat de magneziu, etc.) de pe peretele tubului emite radiaii cu compoziie spectral apropiat cu ceea a luminii naturale. n scopuri speciale pentru intensiti luminoase mari au fost dezvoltate surse de lumin cu arc electric intens prin descrcare n gaze la presiune ridicat. Amorsarea unei astfel de descrcare n amestec de xenon i vapori de mercur la presiune ridicat ntre electrozii de crbune genereaz o intensitate luminoas extrem de mare, care poate atinge luminozitatea emisiei Soarelui (1500 cd/mm2, fig. 5).

14

Fig.5. Distribuia luminozitii n cazul sursei de arc electric n amestec de vapori Xe-Hg la presiune ridicat, pentru distane de 2,4 mm respectiv 4 mm dintre electrozi de crbune

Aceste surse de lumin necesit o rcire intens din cauza puterii termice ridicate (cca. 2,5 kW), ele pot funciona n locuri adecvat protejate pentru evitarea accidentelor. Aceste surse sunt caracterizate prin distribuie spectral caracteristic a vaporilor de mercur excitate la presiuni i temperaturi ridicate. Cercetrile sunt orientate pentru fundamentarea teoretic i realizarea experimental a unor surse de lumin care prezint distribuie spectral uniform. Este cunoscut faptul c intensitatea de radiaie a corpurilor crete cu creterea temperaturii acestora, totodat se constat o deplasare ctre lungimi de unde mai scurte a maximului de intensitate luminoas o dat cu creterea temperaturii surselor termice. Diodele fotoemisve (LED-uri) sunt realizate din materiale semiconductoare dopate cu impuriti. n funcie de natura atomilor de dopare avnd caracterul de atom donor sau acceptor, acetia vor ocupa n banda interzis dintre banda de conducie i banda de valen poziii energetice favorabile pentru realizarea tranziiilor cuantice asociate cu emisie caracteristic.

15

Fig.6. Schema constructiv a diodei LED. Jonciunea p-n realizat i conexiunile electrice metalizate asigur prin fereastra practicat n semiconductorul p un unghi larg pentru emisia radiaiei

Diagrama energetic a semiconductorului dopat indic situaia nivelelor energetice a atomilor donori de tip n (atomi pentavaleni de fosfor, P) situai n banda energetic interzis a cristalului de baz (Si). Nivelul energetic al atomilor donori de P fiind aproape de banda de conducie, atomii reuesc s cedeze uor electronii mobili n banda de conducie i genereaz ioni pozitivi localizai ai atomilor de donori (fig.7).

Fig. 7. Diagrama energetic a cristalului de Si semiconductor dopat cu atomi donori de tip n (ex. atomi pentavaleni de fosfor P). Atomii donori vor fi blocai n banda energetic interzis a cristalului de baz sub forma ionilor pozitivi

n situaia cnd cristalul semiconductor (Si tetravalent) este dopat cu atomi de impuritate trivalente (ex. atomi de bor, B), cristalul Si devine semiconductor de tip p. Atomii de impuritate tip acceptori de electroni ocup poziii energetice apropiate la banda de valen. Prin acceptare de electroni din banda de valen acetia devin ioni negativi localizai n reeaua cristalin a semiconductorului de baz. Schia indic procesul de acceptare de ctre atomii trivaleni a electronilor din banda de valen a cristalului de baz (fig. 8).

16

Fig. 8. Diagrama energetic a cristalului de Si semiconductor de tip p dopat cu atomi acceptori (atomi trivaleni de B), atomii acceptori vor fi blocai n banda energetic interzis a cristalului.

Jonciunea p-n este realizat prin difundarea diferitelor impuriti n cristalul de baz. Trecerea curentului electric prin stratul de jonciune conduce la recombinarea dintre electroni i goluri, proces care este asociat cu emisie de lumin. Un exemplu fizic de LED realizat pe baz de cristal de arseniur de galliu (AsGa) dopat cu fosfor, constituie o surs de lumin centrat la lungimea de und = 600 nm, avnd semilimea de cca. 10 nm. Puterea emisiv a acestuia este de cca. 1 mW pentru o arie activ cu diametru de cca. 2,5 mm.

1.3. Elemente sensibile tipice pentru radiaii luminoaseElementele sensibile care convertesc radiaia luminoas in semnal electric se numesc fotodetectoare, elemente fotosensibile sau fotosenzori. Dup felul cum se obine semnalul electric, fotodetectoarele se mpart n fotodetectoare de tip generator si fotodetectore de tip parametric. Fotodetectoarele de tip generator se caracterizeaz prin aceea ca furnizeaz la ieire un semnal electric de forma unei tensiuni, far a fi necesar o surs de energie electric suplimentar. Ele se bazeaz pe efectul fotovoltaic si se numesc fotoelemente sau celule fotovoltaice. La fotodetectoarele de tip parametric, radiaia luminoas incident pe suprafaa activ moduleaz un parametru de circuit electric. Cele mai rspandite fotodetectoare de acest tip sunt: fotorezistenele, fotodiodele si fototranzistoarele. n poriunea sensibil a fotodetectorului se produc fotoelectroni (sau alte sarcini electrice). Numrul de electroni produs de fiecare foton incident se numeste randament de conversie.

17

1.3.1. Fotorezistori

Fig. 9. Structura unui fotorezistor

Este o plac sau o pelicul de semiconductor cu dou contacte ohmice. Semnalul optic este absorbit i fotonii genereaz purttori de sarcin n rezultatul actelor de tranziie band-band sau prin intermediul nivelelor energetice ale impuritilor. Conductibilitatea fotorezistorilor este descris de relaia: = q ( n n + p p ) . Pragul rou al fotosensibilitii este determinat de relaia: c =1,24 E g . Dac fluxul de lumin are < c atunci el este absorbit de semiconductor. Funcionarea fotorezitorilor este determinat de trei parametri: Eficiena cuantic sau de amplificare; Timpul de fotorspuns; Fotosensibilitatea sau detectivitatea. S examinm procesul de funcionare al fotorezistorului. Fie c n primul moment de timp t = 0 numrul purttorilor de sarcin ce au fost generai ntr-o unitate de volum este n0 . n momentul de timp urmtor numrul lor se va micora din cauza procesului de recombinare dup legitatea:18

- timpul de via al purttorilor de sarcin1

n = n0 exp ( t )

- viteza de recombinare.

Dac fluxul de lumin este constant n timp i este distribuit uniform pe toat suprafaa S = W L , atunci numrul total de fotoni incideni va fi:Poptic h = NF

,

P ptic o

- puterea fluxului optic.

Viteza de generare a purttorilor de sarcin este:

G=

raportul numrului de perechi generate la numrul de fotoni incideni; n - numrul de purttori de sarcin ntr-o unitate de volum. Fotocurentul dintre contacte este: I P = ( ) W D = ( q n n ) W D = ( q n vd ) W D , (3) - intensitatea cmpului electric n semiconductor; v d - viteza de deriv a purttorilor de sarcin. Determinm n din relaia (2) i o introducem n relaia (3). Obinem: Poptic I p = q h n . L .

( Poptic h ) NF n = = (2) W LD W LD D - grosimea fotorezistorului; - eficiena cuantic, care este egal cu

n momentul iniial fotocurentul este: Poptic I ph = q h

Coeficientul de amplificare a curentului este:Ip I ph =

n = L t trL vd

undet tr =

- timpul de tranziie al purttorilor de sarcin,

- timpul de via al purttorilor de sarcin.Pentru cu un timp de via al purttorilor de sarcin mare i o distan mic dintre contactele ohmice coeficientul de amplificare este cu mult mai mare ca 1. Timpul de fotorspuns este egal cu timpul de tranziie t tr . Din cauz c la fotorezistori distana dintre contactele ohmice este mare, iar cmpurile electrice prezente sunt mici, timpul de fotorspuns este mult mai mare ca la fotodiode. Capacitatea de detecie (detectivitatea) se determin de relaia:

19

D* =

A1 2 B 1 2 m Poptic 2

;

[cm Hz

12

W

],

max min unde m = I + I - gradul de modulare al frecvenei, I - intensitatea semnalului max min optic; A - aria suprafeei fotorezistorului; B - banda de transparen a frecvenelor. Exemplu: Pentru 0,5m cea mai mare sensibilitate o posed CdS. Pentru 10 m se utilizeaz HgCdTe. n tabelul 1 de mai jos sunt prezentate lrgimile benzilor energetice interzise i pragul rou a fotoconduciei (fotosensibilitii) pentru cele mai utilizate materiale semiconductoare.

I

I

Tabelul 1 Materialul Ge Si CdSe CdTe CdS GaAs InP PbS PbSe , eV 0,67 1,11 1,74 1,5 2,42 1,43 1,28 0,29 0,15Eg

, m 0

1,85 1,12 0,71 0,83 0,51 0,87 0,97 4,28 8,27

Caracteristicile fotorezistoarelor 1. Caracteristica curent-tensiune Sunt simetrice n raport cu originea axelor de coordonate, deoarece rezistena lor nu depinde de polaritatea tensiunii aplicate. De obicei, se construiesc fotorezistoare numai pentru o polaritate a tensiunii aplicate.

20

I = I 0 + I L = C 0 U + C f U , 0

unde I , I 0 , I L - respectiv curentul total, curentul de ntuneric, fotocurentul; C 0 , C f - constante ce sunt determinate de proprietile fizice ale semiconductorului la ntuneric i la iluminare; - coeficientul de neliniaritate a caracteristicii energetice; U - tensiunea aplicat.

2. Caracteristica energetic a fotorezistorilor Sunt neliniare datorit dependenei timpului de via al purttorilor de sarcin de fluxul incident. Forma matematic a caracteristicii este: I L = k 0 , pentru U = const , 0 unde k 0 = C f U . Pentru majoritatea fotorezistorilor caracteristicile energetice posed dou regiuni distincte: Regiunea liniar ( =1 ) la intensiti slabe ale radiaiei incidente; Regiunea subliniar ( n funcie de sursa de energie folosit, acestea se clasific in regulatoare : directe atunci cnd nu este necesar o surs de energie exterioar, transmiterea semnalului realizandu-se pe seama energiei interne, i regulatoare indirecte cnd se folosete o surs de energie exterioar pentru acionarea elementului de execuie. > Dup viteza de rspuns regulatoarele se clasific n regulatoare: pentru procese rapide, folosite pentru reglarea automat a instalaiilor tehnologice care au constante de timp mici ( mai mici de 10 s ), i regulatoare pentru procese lente, folosite atunci cnd constantele de timp sunt mari ( depaesc 10 s ). Clasificarea regulatoarelor n funcie de particularitile de construcie i funcionale. Se deosebesc astfel urmatoarele tipuri de regulatoare: - Dup tipul aciunii, pot fi regulatoare cu aciune continu i regulatoare cu aciune discret.

36

Regulatoare cu aciune continu sunt cele n care mrimile (t) si x c (t) variaz continuu n timp: dac dependea dintre cele dou mrimi este liniar, regulatorul se numete liniar, iar dac este neliniar, regulator neliniar. Regulatoare cu aciune discret ( sau regulatoarele discontinue ) sunt cele la care mrimea (t) si xc (t) reprezint un tren de impulsuri; la aceste regulatoare exist o relaie discontinu ntre abatere i mrimea de execuie. - Dup caracteristicile constructive, sunt regulatoare unificate si regulatoare specializate. Regulatoarele unificate se pot utiliza pentru reglarea a diferii parametrii (temperatura, presiune, debit etc. ) iar cele specializate numai pentru o anumita marime; -Dupa agentul de semnal, regulatoarele sunt electronice, electromagnetice, hidraulice sau pneumatice.

2.4. Clasificarea regulatoarelor automate

37

Dup tipul aciunii

Regulatoare cu aciune continu

Regulatoare neliniare Regulatoare P

Regulatoare cu aciune discret

Regulatoare liniare

Regulatoare I

Clasificarea regulatoarelor dup particularitaile de construcie i funcionale

Dup caracteristicile constructive

Regulatoare unificate

Regulatoare D

Regulatoare specializate

Regulatoare PI

Regulatoare electronice Dup agentul purtator de semnal

Regulatoare PD

Regulatoare electromagnetice

Regulatoare PID

Regulatoare hidraulice

Cu impulsuri modulate Numerice

Regulatoare pneumatice

2.5. Tipuri de regulatoareSe numesc regulatoare cu aciune continu cele ale caror mrimi de intrare i ieire sunt de tip continuu ( mrimi care se mai numesc analogice). La aceste regulatoare, mrimea de comand este influenata n mod continuu de mrimea reglat. De aceea, este n principiu posibil sa se dea mrimii de execuie acea valoare care este necesar pentru meninerea constant a valorii prescrise a mrimii reglate sau pentru asigurarea dependenei dorite dintre xi (t) si xe (t). 2.5.1. Regulatoare liniare38

Se numesc regulatoare liniare toate regulatoarele cu aciune continu n care legea de reglare, adic dependena dintre xe (t) si (t), are un caracter liniar. Regulatoarele liniare sunt de ase tipuri: - regulatoare cu aciune proportional notate cu P - regulatoare cu aciune integral notate cu I - regulatoare cu aciune diferential notate cu D - regulatoare cu aciune proportional-integral notate cu PI - regulatoare cu aciune proportional-diferential notate cu PD - regulatoare cu aciune proportional-integral-diferential notate cu PID > Regulatoare cu aciune proportional ( P ). La aceste regulatoare, ntre marimea de intrare n regulator (t) si cea de comand xc (t) se stabilete, de ctre regulator, o relaie de proporionalitate: xc (t) = KR (t), n care KR este factorul de amplificare al regulatorului. > Regulatoare cu aciune integral ( I ). Denumirea de regulatoare au aciune integral deriv de la dependena dintre mrimea de acionare (abaterea ) i mrimea de comand (xc ) pe care o realizeaz acest tip de regulator, i anume : xc (t) = K1 (t)dt. Relaia arat c mrimea de comand ( de la ieirea regulatorului ) depinde de integrala abaterii . Constanta K1, care este fixat prin construcia regulatorului, se numete factor de amplificare al regulatorului I . > Regulatoare cu aciune diferenial ( D ). Regulatoarele cu aciune diferenial realizeaz o lege de reglare n care mrimea de ieire a regulatorului ( sau mrimea de comand ) este proportional cu derivata mrimii de intrare. xc (t) = KDd (t) dt

Altfel spus, mrimea de comand este proportional cu viteza de variaie a erorii ( sau a abaterii). > Regulatoarele cu aciune proportional-integral ( PI ). Dup ci, reiese chiar din denumirea lor, aceste regulatoare reprezint o combinaie ntre un regulator proporional i unul integral. Legea de reglare a unui regulator PI trebuie s conin un termen care s reprezinte aciunea proportional ( P ) i unul care s conina efectul integrator ( I ). > Regulatoare cu aciune proporional-diferential ( PD ). Un astfel de regulator are o aciune proportional i una diferential i reprezint o combinaie ntre regulatoarele P i regulatoarele D. Introducerea aciunii difereniale, pe lang cea proportional, face s se reduc sensibil durata procesului tranzitoriu.39

> Regulatoare cu aciune proportional-integral-diferential ( PID ). Acestea sunt cele mai complete regulatore i cu cele mai bune performane. Se observ c regulatorul ca regulatorul PID care o aciune proportional, una integral i una diferential, fiind o combinaie de regulatoare P, I si D. Regulatoarele PID se caracterizeaz prin absena erorii staionare i prin performane ridicate. Ca deficiene pot fi amintite construcia complicat i dificultatea dozrii celor trei forme de acionare pentru obinerea celei mai bune funcionrii a regulatorului. 2.5.2 Regulatoare neliniare Sunt acele regulatoare la care dependena dintre mrimea de comand xc i eroarea este neliniar. n realitate, dependena liniar xc i se confirm numai dac eroarea are valori foarte mici. De aceea, se poate spune c un regulator are o comportare liniar numai pentru un anumit domeniu limitat de variaie a erorii (t). Principalele tipuri de regulatoare neliniare sunt: - Regulatoarele cu aciune tip releu; - Regulatoarele optimale; - Regulatoarele cu aciune discret. > Regulatoarele cu aciune tip releu sau regulatoarele discontinue, la care dependena intre xc i ( caracteristica statica a regulatorului ) este reprezentat de o variaie discontinu de tip releu, cu mai multe stri de echilibru. > Regulatoarele optimale sunt acele regulatoare neliniare de construcie special care indeplinesc funcii suplimentare fa de cele realizate de regulatoarele liniare. Astfel un regulator optimal trebuie s asigure o astfel de comportare a SRA, nct n timpul funcionrii s se realizeze un anumit regim optim dinainte stabilit n funcie de procesul tehnologic reglat ( de exemplu, realizarea unui process cu durat minim, obinerea unei erori minime, atingerea unui randament maxim etc. ). De aceea, construcia regulatorului optimal este o construcie special, determinate de optimul care trebuie realizat. O asemenea funcionare nu se poate asigura decat printr-o dependena neliniar intre xc (t) si (t). > Regulatoarele cu aciune discret sunt acele regulatoare de construcie special utilizate in sistemele de reglare automat cu eantionare.

2.5.3.Regulatoare unificate si regulatoare specializate

40

n prima etap de dezvoltare a automatizrii instalaiilor i proceselor s-au fabricat, n exclusivitate, regulatoare specializate, destinate unui anumit tip de instalie tehnologic ( sau process ). Dar, n practic exist o mare varietate de procese care se impun a fi automatizate, ceea ce ar implica proiectarea i producerea unei largi diversiti de regulatoare i de elemente din componenta SRA respective. Realizarea unei diversitai de regulatoare i sisteme de reglare specializate ar conduce la executarea unor produse de serie mic, n loturi insuficient de avantajoase pentru intreprinderile productoare de astfel de elemente de reglare i ar necesita un consum mare de timp din momentul precizrii cerintelor beneficiarului ( tipul de proces ce trebuie reglat, performantele impuse SRA etc. ) i pn la executarea concret a SRA comandate de acesta. Spre deosebire de SRA cu regulatoare specializate, sistemele unificate de reglare automat au fost prevzute nu numai cu regulatoare, care ndeplinesc funciuni independente i se caracterizeaz prin faptul c mrimile (semnalele) de intrare i de ieire ale fiecrui element sunt de aceeai natur fizic i au aceleai limite ale gamei ( domeniului ) de variaie. Combinarea diferit a regulatoarelor i elementelor de reglare unificate permite folosirea SRA unificate la automatizarea unor instalaii cu caracteristici tehnologice diferite. Sistemele unificate de reglare automat prezint urmatoarele avantaje: - posibilitatea conectrii n diferite moduri a diverselor elemente sau blocuri tip, cu un sortiment restrans de elementele putndu-se obine o larg varietate de scheme de reglare, pentru procese diferite. - nlocuirea rapid a diverselor blocuri, n cazul defectrii lor se pot utiliza n acelai SRA elemente de fabricaie diferit, cu condiia ca semnalele unificate sa fie indentice. - reducerea pretului de cost al regulatoarelor i al celorlalte blocuri unificate ca urmare a tipizrii construciei acestora i a producerii lor n serie mare. - uniformizarea panourilor cu regulatoare, ceea ce determin mbunatairea condiiilor de exploatare a instalaiilor de reglare automat. Cu toate c exist inc n exploatare un numr nsemnat de regulataore i SRA specializate, tendina principal pe plan mondial o reprezint crearea regulatoarelor unificate. Odat cu apariia acestor sisteme unificate de reglare, producia celor specializate a fost considerabil redus, cu excepia regulatoarelor hidraulice, pentru care proiectarea i execuia unor elemente unificate nu sunt inc suficient puse la punct. 2.5.4. Regulatoare electronice41

Se caracterizeaz prin faptul c au n componena lor elemente electrice i electronice sau numai electronice, iar semnalul purttor de informaie este de natur electric. Au o utilizare extrem de larg n reglarea proceselor rapide i lente, oferind posibilitai de reglare continu sau discret. Principalele avantaje ale regulatoarelor electronice sunt: ineria redus; consumul de putere redus; realizarea relativ uoar a unor legi diferite de reglare; posibilitatea de a lucra n combinaie cu calculatoarele electronice etc. Elementul principal al unui regulator electronic cu aciune continu il constituie amplificatorul cu reacie cu circuite operaionale, care realizeaz relaia: Ue = - KU i n care Ui si Ue sunt respectiv tensiunile de intrare i ieire, iar K este factorul de amplificare. Din relaie se vede c amplificatorul de curent continu schimb semnul mrimii de intrare. Legea concret de reglare a instalaiei date se realizeaz pentru regulatoarele tipizate prin circuite de corecie aplicate amplificatorului de curent continuu. Ca exemplu, n continuare sunt prezentate dou tipuri dintre regulatoarele fabricate F.E.A. Bucuresti. > Regulator bipoziional cu semnal unificat de tipul ELX-75 i este compus din : - rezistena de precizie R, pe care mrimea reglat Ix d o cdere de tensiune Ux; - o surs de alimentare stabilizat, de curent continuu. Pentru fixarea mrimii prescrise, regulatorul admite mai multe posibiliti: - folosirea unui element de prescriere, cu care s se fixeze mrimea prescris; - folosirea unui element de programare, care s modifice mrimea prescris dup un anumit program, regulatorul realizand n acest caz o reglare dup program; -cuplarea regulatorului la un aparat nregistrator, care msoar i nregistreaz mrimea reglat. n ultimul caz, mrimea de referin se stabilete ntre una din borne i cursorul reostatului Rr sub forma unei tensiuni Ur . Valoarea mrimii de referin se fixeaz manual, deplasnd cursorul reostatului Rr. > Regulatoare electronice cu semnal unificat de tipul ELC. Regulatoarele de tipul ELC sunt regulatoare continue care permit realizarea unei reglri PI sau PID. Se construiesc n patru variante care difer puin ntre ele. Schema-bloc a regulatorului se prezint in figura de mai jos, n care notaiile utilizate au urmatoarea semnificatie: - AM1 aparat de msur indicator, pentru msurarea abaterii;

42

- AM2 aparat de msur indicator, pentru msurarea mrimii de comand xc; - MM modulator magnetic; - DM demodulator; - ERS element de reacie secundar.xi + xe KAM2

AM1

MM

>

DM

xc

ERS Fig. 20 Schema-bloc a regulatorului de tip ELC.

Operaia de modulare, amplificare, demodulare se face cu scopul de a asigura amplificarea semnalului continuu cu un amplificator alternativ. Amplificatorul i modulatorul magnetic sunt situate pe legatura principal a unei bucle nchisa de o reacie secundar realizat prin intermediul elementului de reatie secundar ERS. n funcie de structura elementului de reacie secundar, se pot realiza cele doua tipuri de reglare PI sau PID. Circuitele de reacie se realizeaz cu rezistene i capacitate, asemanator cu circuitele de la structurile de regulatoare PI si PID. > Regulatorul unificat UNIDIN este un regulator tranzistorizat, folosit in SRA rapide, de tipul acionarilor electrice. Legea de reglare se stabileste de ctre circuitele de corecie care se aplica amplificatorului. n cazul n care este necesar o putere de ieire mic, regulatorul este cu aciune continu, iar pentru puteri de ieire mai mari, el este de tip basculant. Regulatorul UNIDIN poate realiza reglari de tipul PI, PD si PID.

2.6. Alegerea i acordarea regulatoarelor2.6.1. Noiuni generale Se consider c ntr-o instalaie tehnologic se desfasoar un anumit proces care trebuie automatizat i urmeaz s fie alese blocurile componente ale dispozitivului de automatizare ( regulatorului). Pentru alegerea regulatorului se procedeaz astfel:

43

- se stabilete care tip dintre regulatoarele ( specializate sau tipizate ) P, I, PI, PD sau PID este mai indicat pentru instalaia respectiv. - se determin parametrii regulatorului. Deoarece parametrii regulatorului ales se pot afla n game mai largi de valori dect cele necesare la reglarea instalaiei date, este obligatorie operaia de acordare a regulatorului. Aceasta const n ajustarea parametrilor unui regulator ( de regul, unul tipizat), astfel ca acestia s corespund cerinelor concrete ale instalaiei date. Dac aceast ajustare are in vedere o comportare a procesului reglat care s fie optim n funcie de un anumit criteriu ( de exemplu, durata minim a procesului tranzitoriu, influena minim a perturbaiilor etc.), ea se numete acordare optim a regulatorului. 2.6.2. Parametrii care intervin la alegerea i acordarea regulatorului La studierea diferitelor tipuri de regulatoare a fost stabilit ca, n cazul unui regulator de tip P, principalul parametru este factorul de amplificare KR (sau banda de proporionalitate BP); la un regulator de tip D constanta de timp derivate TD iar la un regulator de tip I - parametrul caracteristic este constanta de timp integrare T1 . Pentru celelalte tipuri de regulatoare intereseaz valorile acelorai parametrii. 2.6.3. Alegerea tipului de regulator Pentru alegerea tipului de regulator este necesar s se cunoasc complet caracteristicile procesului tehnologic. n practic, de cele mai multe ori aceste caracteristici se ridic experimental. n acest scop se aplic la intrarea instalaiei tehnologice o variaie n treapt i se masoar continuu mrimea de ieire xc. Pentru a se pune n eviden influena tipului de regulator folosit asupra comportrii sistemului de reglare, au fost trasate rspunsurile unui SRA dat. In condiiile n care sunt utilizate regulatoare P, PI , PD si PID. Compararea acestor rspunsuri permite tragerea unor concluzii importante n ceea ce privete alegerea tipului de regulator. Se observ astfel c, n cazul concret al schemei date, regulatorul I nu poate fi practic utilizat din cauza suprareglrii prea mari a duratei procesului tranzitoriu i a nclinrii sale evidente spre instabilitate. n ceea ce priveste celelalte tipuri de regulatoare: - regulatorul de tip P reduce apreciabil suprareglarea, are o durat a procesului tranzitoriu tp scurt, ns n regim staionar ce mentine o eroare staionare mare; - regulatorul PI anuleaz eroarea staionar, ns conduce la o suprareglare mai mare dect regulatorul P i o durat a procesului tranzitoriu tp1 destul de mare;

44

- regulatorul PD este cel mai avantajos din punctul de vedere al suprareglrii i al duratei procesului tranzitoriu, ns menine n regim staionar, ca i regulatorul P, o eroare staionar apreciabil; - regulatorul PID combin proprietaile celorlalte tipuri de regulatoare amintite, reuind s asigure o suprareglare i durat a procesului tranzitoriu nu prea mari i o eroare nul n regim staionar. 2.6.4. Criterii de acordare optim Acordarea optim a unui regulator se face pe baza unui criteriu dinainte stabilit i se realizeaz la regulatoarele tip P, PI, PD si PID. n urma operaiei de acordare , parametrii regulatorului se ajusteaz la acele valori care conduc la performanele dorite n regim staionar i dinamic de functionare.

45

CAPITOLUL 3Principii i arhitecturi de implementare a sistemelor pentru controlul iluminrii. Exemple de implementri.3.1. Sisteme de iluminatPrin sistem de iluminat se nelege ansamblul corpurilor de iluminat, inclusiv lmpile care echipeaz corpurile, amplasate ntr-un anumit mod, fie pe considerente funcionale, fie estetice, ansamblu care drept scop realizarea unui microclimat luminos confortabil n vederea desfurrii unei activiti umane de munc fizic sau intelectual. Clasificare: n funcie de locul de amplasare al corpului de iluminat: -sisteme de iluminat interior: corpurile de iluminat sunt ntr-o incint nchis; -sisteme de iluminat exterior: corpurile de iluminat sunt afar; n funcie de natura surselor de lumin: -sisteme de iluminat cu lmpi cu incandescen; -sisteme de iluminat cu tuburi fluorescente; -sisteme de iluminat cu lmpi cu vapori metalici de nalt presiune; -sisteme de iluminat realizate cu lmpi speciale; din punct de vedere funcional: -sisteme de iluminat normal care asigur desfurarea n condiii normale a activitilor umane atunci cnd iluminatul natural este insuficient sau inexistent; -sisteme de iluminat de siguran care asigur fie continuitatea lucrului, fie evacuarea incintei sau alte funciuni; 3.1.1. Sisteme de iluminat normal n funcie de repartiia spaial a fluxului luminos emis de corpurile de iluminat, sistemele de iluminat se mpart n: direct, semidirect, mixt, semiindirect i indirect. Sistemul de iluminat direct: se caracterizeaz prin faptul c majoritatea fluxului luminos este emis n planul inferior, este eficient i economic, randamentul utilizrii fluxului luminos fiind maxim pentru c acesta este dirijat direct ctre planul de utilizare. Sistemul determin contraste mari, reuind o fin modelare a sarcinilor vizuale tridimensionale.

46

Datorit acestor avantaje este utilizat n iluminatul industrial, unde este necesar o bun reliefare a produselor prelucrate. Acest sistem nu corespunde muncii intelectuale, datorit distribuiei necorespunztoare de luminane n cmpul vizual, ceea ce produce orbirea de incomfort. Sistemul de iluminat semidirect: se caracterizeaz printr-o echilibrare a distribuiei fluxului luminos. Cu ct proporia de flux superior este mai mare, cu att n incint distribuia luminanelor va fi mai echilibrat. Acest sistem este indicat ncperilor industriale cu sarcini vizuale de precizie mare i foarte mare la care ochiul trebuie menajat pentru a evita scderea performanelor vizuale. Sistemul de iluminat mixt: se caracterizeaz prin repartiia egal a distribuiei fluxului luminos emis n semispaii, ceea ce conduce la o echilibrare confortabil a luminanei n cmpul vizual, favorabil desfaurrii procesului de munc intelectual, nvamntului, cercetrii, odihnei n condiii economice etc. Sistemul de iluminat semiindirect: se caracterizeaz printr-o repartiie a fluxului luminos cu preponderen n zona superioar. Este economic i se folosete pentru iluminatul unor ncperi de odihn din locuine i spitale sau ncperi socioculturale. Sistemul de iluminat indirect: nu este satisfctor din punct de vedere al consumului de energie electric, chiar dac gradul de uniformizare al luminanelor i lipsa umbrelor sunt confortabile pentru odihn. Este utilizat n cazuri speciale, de efect, ca de exemplu la iluminarea unu plafon cu decoraii artistice, sli speciale de expoziii etc. Din punct de vedere al iluminrii n planul util, sistemul de iluminat este: general uniform distribuit; general localizat; general direcionat; local; combinat. Sistemul de iluminat general uniform distribuit: este un sistem care folosete corpuri de iluminat de acelai tip, aezate n acelai plan orizontal, iar amplasarea este simetric i uniform. Are ca scop realizarea unei uniformiti ridicate a iluminrii n planul util. Uniformitatea este cu atat mai ridicat cu ct corpurile de iluminat sunt mai numeroase i cu ct sunt plasate mai sus fa de planul util. Se realizeaz o uniformitate acceptabil dac distanele dintre corpuri fa de perei sunt aproximativ jumtate din distanele dintre corpuri. Corpurile se amplaseaz n vrful unor dreptunghiuri ale cror laturi au raportul aproape de unitate. Datorit

47

uniformitii ridicate a iluminarii n planul util, acest sistem este confortabil nsa scump, datorit consumului mare de energie electric. Sistemul de iluminat general localizat: ine cont de necesitile reale de iluminare n diferitele zone ale planului de utilizare. n zonele n care se desfoar o activitate de munc, nivelurile de iluminare trebuie s fie mari; n schimb, n zonele de circulaie sau de depozitare nivelurile de iluminare pot fi mai reduse. Aceasta se realizeaz printr-o distribuie neuniform a corpurilor de iluminat. Sistemul de iluminat general directionat: este o variant a sistemului de iluminat general localizat, n care lumina este dirijat pe o anumit direcie preferenial, fiind realizat cu corpuri de iluminat oglindate, cu surse liniare sau incandescente de tip spot luminos. Acest sistem este utilizat pentru punerea n eviden a anumitor obiecte exponate sau obiecte de art plastic, n cazul expoziiilor, magazinelor de lux sau vitrinelor. Sistemul de iluminare local: are ca scop realizarea unui nivel ridicat de iluminare numai pe o suprafa restrns de lucru (mas, planet, masa de lucru a unei maini-unelte). Sistemul de iluminat este economic datorita distanei mici ntre surs i sarcina vizual, reuindu-se realizarea unor niveluri mari si foarte mari de iluminare cu consumuri energetice reduse. Atenuarea diferenelor dintre luminanele diferitelor puncte se poate face prin integrarea sistemului local unui sistem de iluminare general uniform distribuit sau localizat, obtinndu-se n acest caz un sistem combinat. Sistemul combinat: sistemul de iluminat general asigur nivelul minim de iluminare n ncperea respectiv, iar sistemul de iluminat local asigur nivelul de iluminare suplimentar cerut n diferitele puncte de lucru.

3.2. Microclimatul luminosMicroclimatul luminos reprezint ansamblul de factori care caracterizeaz un sistem de iluminat natural sau artificial destinat desfurarii unei activiti umane cum ar fi: munca fizic sau intelectual, destinderea, divertismentul, odihna etc. Factorii fotometrici care caracterizeaz sistemele de iluminat sunt: cantitativi, i anume nivelul de iluminare; calitativi, cum ar fi: uniformitatea iluminrii n planul util, distribuia luminanelor n cmpul vizual, compoziia spectral a luminii etc. Satisfacerea la un nivel superior a tuturor factorilor fotometrici realizeaz microclimatul luminos confortabil, numit i confort vizual. Parametrii luminotehnici i ai iluminatului artificial nu vor atinge valorile parametrilor iluminatului natural, acesta din urma fiind cel mai adecvat activitilor umane.

48

3.3. Nivelul de iluminarePrin nivelul de iluminare al unei suprafee se nelege valoarea medie a iluminrii realizat pe acea suprafa. Se poate vorbi de nivel de iluminare al unei suprafee de lucru sau al planului util. Aspectul pasiv al iluminrii nu exclude posibilitatea alegerii iluminrii ca mrime de baz n luminotehnic, pentru c iluminarea poate fi calculat, poate fi masurat, iar luminana obiectelor este direct proporional cu iluminarea lor. Luminana este o mrime activ de care depinde n mod nemijlocit iluminarea retinei i deci intensitatea senzaiei vizuale. Sensibilitatea relativ de constrast, viteza de percepie vizual, depind de iluminare, crescnd odat cu aceasta. Pe baza acestor constatri, se pot stabili niveluri de iluminare minime n funcie de mrimea sarcinii vizuale, aceasta ns n cazul activitilor de munca. n restul cazurilor se ia n calcul n special satisfacia vizual. Satisfacia vizual reprezint starea de satisfacie psihic pe care o percepe subiectul n cazul activitii de vedere atunci cnd nivelul de iluminare este corespunztor. Avnd n vedere i criteriul economic, se poate admite c satisfacia vizual se obine pentru iluminri cuprinse ntre 100 i 1000lx. n baza mrimii sarcinii vizuale, s-au fixat nivele minime de iluminare. n timp, acestea au crescut ca valoare, astfel nct criteriul satisfaciei vizuale a devenit preponderent. Datorit crizei energetice, fiecare ar i fixeaz nivelul de iluminare diferit, n funcie de activitile umane, n ara noastr nivelurile de iluminare sunt fixate n funcie de: marimea sarcinii vizuale; contrastul de luminan dintre detaliu i fond; precizia de execuie, n cazul activitilor umane. Pentru restul activitilor, nivelurile de iluminare sunt fixate n funcie de destinaia i natura ncperii.

3.4. Parametrii calitativiChiar dac nivelul de iluminare este mare sau foarte mare, iluminatul poate fi necorespunztor, chiar obositor din punct de vedere calitativ. Creterea nivelului de iluminare duce la creterea luminanelor n diferite puncte ale cmpului vizual i deci la creterea diferenelor dintre luminanele diferitelor puncte din cmpul vizual.

49

Adaptarea continu a ochiului la valorile diferite ale luminanelor duce la oboseala ochilor; luminane diferite pot produce fenomenul de orbire, de inconfort sau incapacitate. Sistemele integrate de iluminat au ca scop realizarea mediului luminos confortabil n condiiile utilizrii judicioase a luminii naturale. Din punct de vedere al confortului vizual i al performanei energetice, acestea reprezint soluia cea mai indicat. Dei sistemul de iluminat al unei ncperi este conceput pentru situaia de sear/noapte (iluminatul natural lipsete sau este insuficient), proiectantul sistemului de iluminat trebuie s conceap sistemul de iluminat ca pe un sistem integrat prin implementarea unor soluii agreate i de beneficiar. Creterea performanei energetice a sistemelor integrate de iluminat se face prin implementarea unui anumit tip de control, n funcie de care se poate face diferenierea acestora din punct de vedere al gestionrii judicioase a energiei electrice.

3.6 Controlul sistemelor de iluminatControlul sistemelor de iluminat este folosit pentru asigurarea nivelului de iluminare dorit, n paralel cu scderea cheltuielilor de exploatare. Studiile efectuate pe o serie de cldiri unde s-a implementat echipament de control au dovedit c este posibil reducerea cu pn la 70% a energiei totale consumate. Controlul iluminrii conduce la administrarea economic a energiei cu meninerea nivelului necesar asigurrii confortului vizual. n ncperile unei cldiri unde activitatea se desfoar n timpul zilei, deci unde timpul de sosire i plecare a personalului este previzibil, se pot utiliza ceasuri de comutare care deconecteaza alimentarea corpurilor de iluminat n afara programului. Asemenea msuri pot reduce consumul de energie cu pn la 40%. Acest sistem nu este ntotdeauna indicat, deoarece exist situaii neprevazute care pot aparea n anumite ncperi (goluri de lucru, deplasri ale personalului etc.), preferndu-se utilizarea unui sistem de comand care folosete senzori de prezen, mai sigur n exploatare. Din motive estetice i de siguran, iluminatul din birourile mari trebuie redus pn la un anumit nivel, fr ntrerupere total. Economia de energie realizat prin utilizarea luminii naturale depinde de condiiile climatice, forma cldirii, orientarea ferestrelor, tipul senzorilor de lumin utilizai, activitile care se desfoar n spaiul respectiv. Este important s se realizeze o integrare corespunzatoare a iluminatului natural cu cel artificial pentru a menine o cantitate i o calitate adecvat a iluminatului.50

Senzorii de lumin trebuie s fie amplasai n apropierea ferestrelor, la o distan de maxim 4 m. adncime. n cazul folosirii sistemului integrat (iluminat natural i artificial), trebuie ca irurile luminoase paralele cu ferestrele s fie comandate separat i s poat fi reglate fin. Sistemul de iluminat trebuie reglat pentru a asigura iluminatul unor spaii n funcie de necesiti, deci n funcie de sarcinile vizuale, nivelurile de iluminare putnd fi ridicate n ncperi unde intervin sarcini vizuale dificile (ateliere de proiectare, laboratoare etc.) i mai sczute n restul ncperilor. Multe spaii cu utilizri administrative sunt folosite pentru mai multe scopuri. n aceste spaii exist sarcini vizuale variabile, deci se va utiliza un sistem de iluminat flexibil. Strategiile controlului funcional prevd mijloacele de realizare a unui sistem de iluminat flexibil care s satisfac condiiile de confort vizual al utilizatorilor i s permit modificarea dispunerii n spaiu a corpurilor de iluminat n cazul modificrii compartimentrii ncperilor, far modificarea instalaiilor electrice. 3.6.1 Sisteme de comand ale iluminatului Alegerea unui sistem de comand adecvat este important, trebuind s se in seama de sistemul de control utilizat, tipul controlului (local sau central) i gradul de automatizare al comenzilor. Sistemele i dispozitivele de control al iluminrii sunt de dou tipuri: dispozitive de comand/reglaj i sisteme de control al puterii. Dispozitivele de comand includ relee reglabile de timp, celule fotoelectrice, ntreruptoare de circuit controlabile, variatoare de tensiune i alte mijloace de comand capabile s fie automatizate. Cu ajutorul dispozitivelor de reglaj, iluminarea n fiecare zon poate fi modificat n trepte sau variat lent (n limite de 50% la lmpile fluorescente) astfel nct s rspund dinamic cerinelor utilizatorilor. Sistemele de control al puterii reduc puterea n sistemele de iluminat prin reducerea tensiunii de alimentare. Aceste sisteme includ reductoare de tensiune, balasturi electronice, balasturi capacitive i orice alt dispozitiv care reduce puterea n sistemele de iluminat. Caracteristicile influenate de puterea livrat surselor de lumin sunt durata de via, fluxul luminos, eficacitatea luminoas i temperatura de culoare. Sistemele de control al iluminrii pot fi locale, centrale sau combinaii ale ambelor sisteme, ce se deosebesc prin mrimea zonelor controlate.

51

Sistemele locale se folosesc n zone mici controlabile n mod independent, mrimea i forma zonelor fiind dictat de geometria spaiilor (pereilor despritori i ferestre) i de necesitile funcionale. Sistemele centrale combin mai multe zone locale, permind controlarea administrrii energiei i monitorizarea unor funciuni. Toate sistemele de control al iluminrii cuprind trei componente principale: dispozitivul de comand (ntreruptor, comutator, buton de comand sau/i reglaj), circuitul logic i dispozitivul de captare. Dispozitivul de comand regleaz sau comut sistemul de iluminat. Circuitul logic "decide" ct de mult trebuie reglat sau cnd trebuie comutat sistemul de iluminat. Dispozitivul de captare (celula fotoelectric, senzori de ocupare) transmite informaii circuitului logic. 3.6.2. Controlul sistemului de iluminat n funcie de timpul de utilizare al ncperii. Acest tip de control se poate realiza prin: sisteme fr detectare automatizat a prezenei utilizatorilor n ncpere Acionarea corpurilor de iluminat se face prin intermediul: - ntreruptoarelor manuale, - ntreruptoarelor manuale, la care se adaug stingerea automat la sfritul programului, pentru a se evita funcionarea sistemului de iluminat dup terminarea programului. Stingerea automat se poate realiza prin intermediul unui ceas programator care s comande ntreruperea alimentrii cu energie electric. Scoaterea corpurilor de sub tensiune se face etapizat, prin reducerea treptat a nivelului de iluminare. Sistemul este eficient i se realizeaz cu costuri suplimentare reduse. sisteme cu detectare automat a prezenei utilizatorilor n ncpere Acionarea corpurilor de iluminat se poate face, n acest caz, prin intermediul senzorilor care detecteaz prezena utilizatorilor n ncpere. Senzorul de prezen comand punerea sub tensiune a corpurilor de iluminat n momentul n care sesizeaz prezena utilizatorilor n ncpere i apoi scoaterea de sub tensiune a acestora atunci cnd ultima persoan prsete ncperea. Avantajul const n faptul c utilizarea corpurilor de iluminat se face numai pe perioada utilizrii ncperii, neexistnd consumuri inutile de energie electric. Implementarea acestui sistem presupune ns costuri de investiie suplimentare, costuri ce se amortizeaz n timp prin economia de energie ce se realizeaz.

52

3.6.3. naturale

Controlul sistemului de iluminat n funcie de accesul luminii

Acest tip de control se poate realiza prin: acionarea sectorizat a corpurilor de iluminat Aceasta presupune acionarea corpurilor de iluminat n iruri paralele cu ferestrele, astfel nct corpurile de iluminat s fie puse sub tensiune pe msur ce iluminarea produs de lumina natural scade n intensitate. Acest tip de control nu presupune costuri suplimentare, se poate implementa nc din faza de proiectare printr-o concepie corect a sistemului de iluminat. Eficientizarea sistemului prin implementarea acestui sistem rmne ns la latitudinea utilizatorilor prezeni n ncpere, existnd riscul ca funcionarea sistemului de iluminat s nu se realizeze la parametrii nominali sau s nu se realizeze parametrii de confort luminos. Deci implementarea acest tip de control presupune o urmrire atent a acestui aspect de ctre utilizatori, acionarea corpurilor de iluminat fiind manual. reglarea automat a fluxului luminos emis de sursele de lumin ce echipeaz corpurile de iluminat dintr-o ncpere prin intermediul unor fotocelule montate n ncpere care comand variaia tensiunii la bornele surselor de lumin artificial n funcie de aportul de lumin natural. Se realizeaz astfel un iluminat integrat artificial natural, cu efecte pozitive asupra confortului vizual al utilizatorilor i eficient din punct de vedere al consumului de energie electric. Costul investiiei este mai ridicat dar, amortizarea acestora se face ntr-un timp relativ scurt prin reducerea semnificativ a consumului de energie pentru iluminatul spaiilor. 3.6.4. Controlul mixt al sistemului de iluminat n funcie de timpul de utilizare al ncperii i de accesul luminii naturale Acest tip de control se poate realiza prin: control local la nivelul fiecrei ncperi Prin combinarea celor dou tipuri de control al iluminatului pot fi obinute alte variante de control, cea mai eficient fiind aceea n care se folosesc senzori de prezen pentru acionarea corpurilor de iluminat i celule fotoelectrice pentru reglarea fluxului luminos n funcie de aportul de lumin natural. Consumul de energie electric se reduce semnificativ, ins investiia este mare. control centralizat al instalaiei de iluminat din cldire Un alt tip de control al iluminatului, pe tipuri de ncperii avnd destinaii diferite deci programe diferite de funcionare, se poate realiza prin intermediul implementrii unei instalaii BMS. Controlul i gestiunea instalaiei de iluminat se53

poate realiza prin intermediul unui program de calcul specializat care confer acesteia eficien i flexibilitatea, permite msurarea consumului real de energie electric, nregistrarea curbelor de sarcin.

3.7. Cldiri "inteligente"3.7.1. Sistemul de control al iluminatului LUXMATE produs de firma ZUMTOBEL [3] Sistemul LUXMATE este realizat n trei variante: - BASIC/BASIC IR; - DAYLIGHT; - PROFES SIONAL, cu tehnic flexibil BUS. Sistemul LUXMATE-BASIC ofer posibilitatea reglajului fin al fluxului luminos al lampilor fluorescente i al celor compacte, prin utilizarea comenzii digitale i a balasturilor electronice. Sistemul LUXMATE - BASIC IR dispune de telecomand i senzori cu infraroii, pentru trei iruri de corpuri de iluminat, pe trei niveluri de iluminare prestabilite. Sistemul LUXMATE - DAYLIGHT realizeaz o reglare a iluminatului artificial n funcie de lumina natural, obinndu-se o economie de energie de pn la 60%. Reglajul fiecrui ir luminos se face dup caracteristicile de reglaj. Pe baza acestor caracteristici se fixeaz prin programare dou sisteme de puncte (A i B). Sistemul de puncte A corespunde reglajului de noapte, iar sistemul de puncte B celui de zi. Sistemul LUXMATE-PROFESSIONAL combin cinci trepte de iluminare diferite cu reglajul n funcie de lumina natural.

54

CAPITOLUL 4Proiectarea schemei bloc a sistemuluiLa proiectarea schemei bloc a trebuit s in cont de mrimile cu care am de operat, de operaiile care trebuie efetuate, de elementele de execuie i de sursele de energie. Pentru nceput este necesar msurarea intensitii luminii din zonele vizate, apoi trebuie comparate cu o mrime corespunztoare gradului i modului de iluminare dorit. n funcie de aceste cerine, cu ajutorul elementelor de comand i control, sistemul trebuie s ia deciziile necesare, dup cum o s vedem n continuarea prezentrii. Ca elemente de execuie am un motor de curent continuu, cu magnei permaneni i rotor bobinat ce angreneaz jaluzeaua, prin intermediul unei curele danturate i dou lmpi cu incandescen de tip spot cu halogen la 12 voli /20 wai, ce vor ilumina zonele supuse controlului. Pentru alimentarea sistemului am recurs la dou surse redresate din care una de putere mic, dar stabilizat pentru alimentarea circuitelor de comand i o surs de putrere, ceva mai mare, pentu alimentarea elementelor de execuie, ambele fiind racordabile, simultan, la reeua de 220v Ac, prin intermediul unui cablu electric prevazut cu ntreruptor de reea i techer cu npmntare. Avnd n vedere tema proiectului i posibilitile tehnico-materiale, m-am orientat la o abordare analogic a problemei. Astfel am apelat la utilizarea amplificatoarelor operaionale pentru realizarea functiilor dorite. Aceste amplificatoare le voi denumi n continuare AO. Pentru msurarea intensitii luminii am utilizat dou fotorezisente, n scopul punerii n eviden a dou zone cu iluminare natural diferit i dou lmpi pentru a ilumina artificial aceste zone, cnd este nevoie de mai mult lumin. Din considerente de securitate n exploatarea machetei am decis ca lmpile s lucreze la o tensiune joas , de numai 12v . Iluminarea natural a machetei am realizat-o prin practicarea unei decupri n dreptul primei zone de lucru, simulnd astfel fereastra unei ncperi mai mari ce poate avea i o zon mai puin expus la lumina natural. Vizualizarea zonelor se face prin intermediul unei decupri de vizitare, construit special n acest scop, astfel nct lumina exterioar s nu influieneze foarte mult sistemul de reglare i n acelai timp s se poat obseva modificrile din interior.55

n practic, o fereastr poate fi obturata, mai mult sau mai putin, dup dorin, cu perdele, draperii, jaluzele, obloane .a.m.d. De aceea a trebuit ca macheta s fie dotat cu ceva similar. Astfel am prevzut un sistem de obturare, care s-a dorit a fi o jaluzea . Tot din practic am vzut c este mult mai economic s nu aprindem lumina dac soarele poate ptrunde n camer i lumina suficient, deci macheta trebuie mai nainte de a aprinde lmpile s deschid jaluzeaua i s sting lmpile nainte de inchidera jaluzelei, cnd dorim mai puin lumin, asta bineneles dac optm pentru acest mod de lucru. Aceste opiuni le putem selecta dintr-un comutator denumit Auomat/Manual . n cazul n care am selectat poziia Manual , semnalizat i prin aprinderea unui LED-verde, avem posibilitatea s deplasm jaluzeua cu dou butoane, cu revenire, definite semnificativ nchis i Deschis sau pur i simplu manual. Exist situaia n care ne aflm n zona a doua, care nu are fereastr i din care nici nu o putem vedea pe cea din prima zon dar dorim s tim n ce poziie se afl jaluzeaua sau s o poziionm precis fr a ne deplasa ntr-un punct de unde s putem observa poziia acesteia. Pentru aceast situaie am recurs la un regulator de poziie, selectabil dintr-un comutator cu indicaia Poziioner , iar cu ajutorul unui poteniometru prevazut cu gradaii se poate stabili poziia exact a jaluzelei. Aprinderea lmpilor se face n acest caz independent de poziia jaluzelei. Dup cum se poate observa n schema de mai jos, avem urmtoarele blocuri funcionale:

56

57

Dou blocuri amplificatoare pentru fotorezistene, ce amplific samnalul

furnizat de acestea, aducndul la un nivel ce poate fi nsumat cu cel furnizat de blocul de prescriere, astfel putem spune c acestea reprezint blocurile ce msoar gradul de iluminare sau traductoare. Un bloc de prescriere al gradului de iluminare, ce face adaptarea dintre poteniometrul de prescriere i sumatoare . Un bloc de prescriere a poziie jaluzelei, ce face adaptarea dintre poteniometrul de prescriere poziie i sumatorul poziionerului. Un traductor de poziie ce transform poziia unui cursor, fa de o referin, ntr-o tensiune electric proporional cu distana cursorului faa de referina dat, putnd spue c masoar poziia. Trei sumatoare ce efectueaz sumele algebrice ale semnalelor de prescriere cu ale msuratorilor corespunztoare . Trei formatoare de semal ce transform rezultatele sumatoarelor n semnale utile etajelor de comand a elementelor de execuie. Trei etaje de comand, din care dou de putere pentru lmpi i un driver pentru motor. Un bloc de supraveghere lamp aprins ce comunic bloucului logic dac prin lampa 1 circul curent elecrtic. Un bloc logic ce ia decizii n funcie de cerinele operatorului dar i de starea sistemului, asigurnd totodat i o protecie a sitemului la suprasacin. Elemente de comand exterioar ,cum ar fi : Comutatoare ,ntreruptoare i poteniomerte, ce sunt la ndemna operatorului . Elemente de comutare intrern ce asigur buna funcionare a sistemului. Elementele de execuie, respectiv lmpile i motorul. Sursele de alimentare ce asigur energia sistemului dar care sunt prezentate sumar pentu a nu ncrca inutil schema bloc.

58

CAPITOLUL 5Proiectarea schemei electricePentru c schema elecrtirc trebuia pus i n practic, am cutat s utilizez componente electrice i electronice ce pot fi procurate rapid i sigur, timpul pentru realizarea, testarea, reglarea i modificrile inevitabile fiind limitat . Pornind de la cele dou fotorezistene, care au o caracteristic accentuat neliniar, cel puin n spectrul vizibil i n gradul de iluminare sesizabil i suportabil de ochiul uman, am cutat cea mai rezonabil soluie de prelucrare a semnalului furnizat de acestea n domeniul amintit.

( n graficul de mai sus se poate observa modificarea relativ a rezistenei electrice ,exprimat n procente din valoarea maxim, n funcie de spectrul de lumin la care este expus fotorezistena.) Astfel am folosit cte un AO pentru fiecare fotoreziten , n configuraie neinversoare respectiv U1A i U2A, ale cror ieiri se calculeaz dup fomula alturat.

59

Vout =Vin(1+R1/R2) ,astfel dac R1/R2 =10 i intrarea =1,ieirea va fi 11 . Pentru c R 1 i R2 corespunztoare schemei sunt egale i au valoarea de 1M, amplifiarea va fi : Vout =Vin(1+1)=2Vin . Rezistena mare de intrare nu va influiena citirea tensiunii de pe divizorul format din fotorezisten , semireglabilul de 22K cu ajutorul cruia se regleaz senibilitatea amplificatorului i o rezisten de 2k2 ce stabilete un prag minim de senibilitate. truct limitele de variatie ale teniunii de intrare sunt practic 011,98V, tensiunea de ieire este la rndul ei ntre aceste limite. Adaptorul de impedant pentru poteniometrul de prescriere al iluminrii este conceput pe acelai principiu ca i etajul prcedent doar c n locul divizorului cu fotorezistor avem unul poteniometric iar pe traseul intrrii neinversoare am intercalat un filtru n T din R10 , R11 i C2, n scopul atenurii paraziilor introdui de cursorul poteniometrului. Sumatoarele utilizate funcionez conform paginii de catalog din figura de mai jos, doar valorile rezistenelor sunt dferite (220k) iar formula de calcul este cea indicat de productorul AO. De menionat este faptul c toate circuitele echipate cu AO, din acest sistem, sunt alimentate asimetric, cu o singur surs stabilizat de +12Vcc, din aceast cauz nu vom avea nici tensiuni negative pe ieirile AO dar nici nu vom putea beneficia de precizia de echilibrare o unui reglaj ce se folosete de trecerea prin 0 a abaterii mrimii msurate de la valoarea prescris.

60

Tot din aceast cauz am fost nevoit s urc rezultatul sumatoarelor (deci valoarea abaterii) peste nul, ntr-o zon n care s pot lucra eficient cu etajele de comparare ce succed acestor sumatoare i care, la rndul lor vor avea tensiunile prestabilite (referinele) de basculare, tot n aceast zon, dup cum vedea n continuare.

Fig. 21. Amplificator sumator

Sumatoarele, formate din U1B i U2B,mpreun cu comparatoarele U3D i U4A ndeplinesc, n acest caz, funcia de regulatoare, n senul c suma algebric pe care o realizeaz ( este n fapt o diferen ntre tensiunea prescris i tensiunea msurat ) i denumit abatere, este utilizat la echilibrarea sistemului. Acest lucru se ntmpl n felul urmtor : 1- Tensiunea rezultat n urma nsumrii este mai mare dect valoarea stabilit pentru abatere, nseamn c valoarea tensiunii prescrise, este mai mare dect valoarea tensiunii ce rezult din msurarea intensitii luminii (abatere pozitiv), deci noi dorim s fie mai mult lumin. 2-Tensiunea rezultat n urma nsumrii este mai mic dect valoarea stabilit pentru abatere. Prin urmare tensiunea ce reprezint msura intensitii luminii este mai mare dect valoarea prescris, deci noi dorim s fie mai puin lumin. 3-Tensiunea rezultat este egal cu valoarea stabilit pentru abatere .

61

Pentru primele dou situaii, cnd avem clar un dezechilibru, sistemul va trebui s ia decizia de iluminare suplimentar sau de diminuare a luminii din ncpere. Pentru cazul 3, cnd sistemul este n echilibru, iluminarea este cea dorit i nu trebuie s se mai ia vreo decizie. Valoarea tensiunii de referin pentru abatere am ales-o puin sub jumtatea lui Vcc (Vcc = +12v) corespunznd intrarilor neinversoare ale comparatoarelor 1i 2, realizate cu U3D i U4A , i a crei valoare se calculeaz n felul urmtor : R42+R43=33K+22K=55K I =U/R =12v/55k = 0,000218A. Uref = cderea de tensiune pe R43, adic 22k x 0.000218 = 4,798v. Deci, dac pe intrarea inversoare apare o tensiune mai mare de 4.8V atunci ieirea comparatorului trece din starea H (aproximativ egal cu Vcc) n sarea L (adic 0 v) ceea ce duce la blocarea lui Q9 i la intrarea n saturaie a lui Q10. Acelai lucru se va ntmpla i pe ramura comparator 1,Q7,Q8,cosecina fiind aprinderea lmpilor. Dar pentru c lampa 1 se afl n zona cu fereastr, unde se presupune c exist lumin natural iar comutatorul k-1 este pe poziia Automat, intrarea comparatorului -1 este forat n 0 de Q2, care primete informaie prin SW3, c jaluzeaua nu este deschis. n aceast situaie sumatorul-1 furnizez informatia i comparatorului cu fereastra, format din U5A i U5B, care va da comand de deschidere a jaluzelei, prin lanul : Q11, Driwer, motor. Cnd lumina ce patrunde prin fereastr va fi suficient comanda de deschidere nceteaz iar jaluzeaua se va opri. Dac lumina extern nu este suficient jaluzeaua se va deschide la maxim, fapt ce va duce la deblocarea comparatorului-1 i prin urmare la aprindera lmpii -1. K-1 n poziia Manual determin trecerea pe comand manual a deplasrii jaluzelei prin contactele releului RL-1, i butoanele cu revenire S1 i S2, ce simuleaz ieirea comparatorului-1. n acelai timp, prin intermediul lui Q3, anuleaz comanda de blocare a comparatorului -1, lsnd lampa -1 s se aprind indiferent de poziia jaluzelei, dac exist o abatere. O situaie aparte avem atunci cnd dorim diminuarea iluminrii iar K-1 este pe poziia Automat i jaluzeaua deschis, pentru c n aceast situaie trebuie mai nti stinse lmpile i abia dup aceea s nceap inchiderea jaluzelei. Pentru aceast situaie am prevzut un bloc special care s urmreasc dac lampa -1 este aprins. Compus din tranzistoarele Q4,Q5 i Q6, acest modul culege impulsurile din ieirea comparatorului -1, le inverseaz cu Q4, le redreseaz cu D8, filtreaz cu C10, reface nivelul i inverseaz cu Q5, aplic o ntrziere prin ncrcarea i descrcarea lent a lui C11(integrare), reface i inverseaz din nou, pentru a putea fi folosit ca semnal logic la comandarea lui RL-1.62

Dup cum am observat, cuplarea acestui releu determin trecerea jaluzelelor pe reglaj manual, lsnd sumatorul - 1 s comande doar aprinderea sau stingerea, lmpii-1. Att timp ct avem impulsuri de comand pe ieirea lui U3D prin lamp ar trebui s fie curent electric, n funcie de gradul de aprindere solicitat, cu condiia ca lampa s nu fie ars.... Dac lampa s-a stins complet iar iluminarea este nc mare n raport cu prescrierea atunci ncepe nchiderea jaluzelei. Acest lucru este permis acum deoarece lipsa impulsurilor de aprindere a lmpii duce la cderea lui RL-1 iar sumatorul-1 mai are la ieire comanda de diminuare a luminii. Pentru a comanda eficient lmpile, n sensul c atunci cnd nu sunt aprinse la maxim, diferena de putere s nu fie consumat inutil de etajele de putere i n plus transformat n caldur am ales ca alimentarea acestora s fie n impulsuri modulate n lime, metoda cunoscut ca puls width modulation sau pe scurt PWM . Acest mod de lucru impic intrarea n saturaie a tranzistorilor finali cu fiecare impuls aplicat pe grilele lor, doar limea impulsului determinnd gradul de aprindere al lmpilor. Acest tip de alimentare l-am ales i pentru una din variantele de lucru cu motorul jaluzelei pentru a compensa pe ct posibil lipsa unui motor cu reductor sau al unuia pas cu pas. La cel din dotare, fiind un motor de curent continuu cu rspuns rapid dar cu putere limitat, nu am reuit reducerea vitezei prin reducerea tensiunii de alimentare fr a complica montajul cu un reglulator automat de turaie, puterea lui scznd dramatic.

5.1. Funcionarea PWMAcest modul are la baz un oscilator cu und triunghiular, realizat cu AO. Aceast und poate fi deplasat pe axa Y a osiloscopului cu ajutorul tensiunii furnizate de un sumator, de pild. Astfel, dei valoarea Uvv a formei de und ramne constant n curent alternativ, nivelul continuu ia valori determinate de tensiunea de intrare pe care putem s o definim ca tensiune modulatoare. n acest proiect sunt trei astfel de circuite. Unul pentru comanda motorului i dou pentru comanda lmpilor. Semnalul astfel obinut se aplic la intrarea unui comparator, care poate s fie unul cu fereastr ca n cazul motorului sau unul inversor ca n cazul lmpilor. Pentru ca semalul furnizat de oscilatorul triunghiular s poat fi interpretat corect de comparator trebuie s-l aducem n limitele de lucru stabilite comparatorului. Astfel pentru lmpi referina este 4,798V , din acest motiv semalele oferite de sumatore vor suferi o mic corecie, oferit de adaptoarele de nivel care n plus asigur i functionarea circuitelor de integrare ce urmez sumatoarelor.63

Circuitele de integrare (de netezire) sunt circuite RC folosite pentru obinerea unor semnale cu fronturi modificate fa de cele ale semnalului de intrare, ele furniznd la ieire integrarea semnalului de intrare. Schema unui astfel de circuit RC este reprezentata in figura urmtoare:

Fig. 22. Circuite de integrare RC

Dac practic circuitului i se respect condiia ca valoare constantei de timp a RC sa fie mult mai mare dect durata impulsului : t= RC atunci, la aplicarea unui semnal dreptunghiular, condensatorul se ncarc lent, aproximativ liniar. Tensiunea de ieire crete treptat pn la dispariia impulsului de ieire. n acest moment, condensatorul ncepe s se descarce, iar tensiunea de iesire scade treptat, tinznd ctre zero. Datorit ncrcrii i descrcrii lente a condensatorului, impulsul de ieire are o forma aproximativ triunghiular. Pentu c n cazul nostru semalul de intrare nu este de tip impuls, efectul final se dorete a fi doar o ndulcire a curbei de rspuns a elementelor de execuie n raport cu modificrile de echilibru ceea ce ar trebui s duc la modificri de ambient mai puin stresante . Comparnd schema bloc cu cea electric obsevm c blocul formator de semnal cuprinde n fapt trei etaje, care conlucreaz la formarea impulsurilor PWM , din acest motiv n figura urmtoare le prezint impreun.

64

Dup cum se observ pimul AO este un repetor, neinveror, cu reacie negativ total, deci ieirea lui va fi : Vout =Vin(1+0/) = Vin (1) = Vin Cel de al doilea AO este n configuraie de autooscilator pe aproximativ 270Hz. Forma de und a ocilaiilor fiind triunghiular va produce bascularea comparatorului att pe frontul cresctor al triungiului ct i pe cel descresctor, atuci cnd palierele fronturilor depesc referina comparatorului, rezultatul fiind un impuls dreptunghiular cu amplitudinea aproape de Vcc, frecvena egal cu cea a oscilatorului (aprox.270Hz) i limea proporional cu abaterea triunghiului de la referina comparatorului. Deoarece comparatorul este unul inversor, ieirea lui normal este in H (aprox.=Vcc , iar cnd se depete referina ieirea acestuia trece in L(aprox. 0v). Formele de und rezultate n urma acestor operaii le putem obseva n figura urmtoare :

65

Fig. 23. Formele de unda ale PWM

Se pot remarca trei nivele diferite de depire a referinei de comparare i modul n care se lete impulsul dreptunghilar. n mod similar lucreaz i formatorul motorului cu meniunea c acolo avem practic dou comparatoare. Unul basuleaz cnd triunghiul depete referina superioar iar cellalt cnd triunghiul coboar sub referina inferioar, acesta fiind de fapt principiul de funcionare al comparatorului cu fereastr.

5.2. Etajele de putereEtajele de putere aferente lmpilor sunt relativ simple, sarcinile lor fiind pur rezistive singura problem ar fi curentul furnizat, dar tranzitoarele MOS, pe care le utilizez suport cureni mult mai mari i au o rezisten dren-surs n regim de saturaie exrem de mic dup cum se poate vedea n pagina de catalog. n plus regimul de funcionare PWM, de care am vorbit mai nainte le uureaz i mai mult sarcina. Pentru o eventual nclzire am prevzut cte un mic radiator. Tranzistoarele ce atac finalii Q7 i Q9 inverseaz impulsul i l formez pentru a putea aduce finalul n saturaie i blocare (regim de funcionare cls D ). Etajul de atac al motorului este echipat cu un circuit fabricat de MITSUBISHI i este specializat n alimentarea motoarelor de curent continuu de mic putere. Alimentat la o singur surs de tensiune, este capabil s schimbe sensul de rotaie al motorului, s asigure un curent maxim de 1,2A, s frneze motorul i poate fi comandat cu nivele TTL, PMOS i CMOS, n plus are corporate diodele de protcie la autoinducie. Pentru protecia motorului ct i a integratului driver am prevzut limitatori ce detecteaz sosirea jaluzelei la captul cursei i blocheaz impulsurile de comand pe pinii driverului pentru sensul n curs de desfurare.

66

Deoarece ieirile comparatorului cu fereastr, n starea de echilibru a sistemului, sunt la nivel H, iar driverul are intrrile de comad active tot pe H,cu excepia strii de frnare, cnd ambele intrri trebuie s fie in H, am decis s merg pe logica pozitiv. Astfel ca intrarea cu nivel mare s decid sensul de deplasare al jaluzelei, prin urmare am inversat strile logice la ieirile comparatorului cu fereastr cu ajutorul a dou tranzistoare NPN respectiv Q11 i Q12. Comanda driverului se poate face indoua moduri : 1- n impulsuri modulate n durat . 2-Cu nivele logice generate de comaratorul cu fereastr ce compar ieirea sumatorului cu referinele sale fr a mai utiliza sitemul PWM . Pentru cele dou funcii ale comenzii jaluzelei, de obturare aferesrei n funcie de lumin i de regulator de poziie am prevzut dou posibiliti de reglare a ferestrei comparatorului astfel se poate regla precizia in regim de poziioner i stabilitatea in regim de regulator de lumin. Aceste reglaje se realizeaz cu SM5 i SM6.

5.3. Blocul logicPentru buna funcionare a machetei a fost necesar i puin logic. Astfel este utilizat penru funcia de interblocare a comenzilor driverului motorului, ca i condiionare la aprinderea i stingerea lampii-1 i ca logic de comenzi exterioare. Interblocarea se face in felul urmtor : -Motorul se rotete n direcia de nchidere a jaluzelei i la un moment dat a ajuns la captul cursei, ceea ce nseamn c jaluzeua este nchis complet. Aceat situaie se ntmpl cnd : 1- S-a