Première STI2D M I E Nom : Prénom : ETT Classe : Lampadaire autonome Luméa Référence : I1-ACT1 Détection de présence et commande des leds CENTRE D’INTÉRÊT CI7 – Solutions constructives relatives à la chaîne d'information Compétences visées CO2.1 - Identifier les flux et la forme de l'énergie, caractériser ses transformations et/ou modulations et estimer l'efficacité énergétique globale d'un système CO4.1 - Identifier et caractériser les fonctions et les constituants d'un système ainsi que ses entrées/sorties Connaissances associées 3.1.4 Traitement de l’information 3.2.3 Acquisition et codage de l’information Prérequis Apport de connaissances sur le principe de fonctionnement des LEDs Trigonométrie, loi d'Ohm. Nature de l'activité Organisation de l'activité Conditions de réalisation 2 heures Ressources Travail individuel TD Étude de cas TP Fiches ressources Documentation "STANLEY_GSPW1653JTE-50X-GE led.pdf" Étudier la chaîne d'information afin de valider l'allumage des LEDs en fonction de la luminosité et de la détection de mouvements. Étudier l'éclairage à LEDs du Luméa afin de comprendre la structure utilisée. I. PRÉSENTATION Équipé de trois détecteurs de présence, le lampadaire "Luméa®" constitue une solution idéale pour l’éclairage de zones de circulation piétonnière isolées du réseau électrique. Dès que la nuit tombe, le lampadaire s'allume faiblement (mode veille). Le passage d'une personne à proximité provoque l'allumage du lampadaire à son intensité lumineuse maximale. Le retour au mode veille s'effectue automatiquement, après une temporisation de 45 secondes sans détection de présence. Dans le cas d'utilisation en éclairage de cheminements piétonnier, le fabricant préconise que les lampadaires ne doivent pas être espacés de plus de 15 m, pour un fonctionnement optimal. Document élève / I1-ACT1 Page 1/11 Détecteurs Détecteurs de de présence présence 04/09/2012 Première STI2D M E I Nom : Prénom : Classe : ETT II. DÉTECTER LA PRÉSENCE La fonction de détection de présence à proximité du lampadaire utilise des capteurs pyrométriques à infrarouge, dont la zone de détection et la sensibilité dépendent de paramètres que vous allez étudier. Le fabricant du Luméa fournit la figure ci-contre qui illustre la zone de couverture des capteurs (en vert) en fonction de l'éloignement. Bien que trois capteurs soient utilisés, l'environnement du lampadaire comporte des "zones d'ombre" (c’est-à-dire où la détection sera très limitée, surtout loin du mât). Lire le document annexe "les détecteurs de mouvement à infrarouge passif" et répondez aux questions suivantes. Technologie du détecteur Q1. Le rayonnement infrarouge émis par les corps chauds est caractérisé par une intensité de radiation maximale de longueur d'onde ν0. Donnez la valeur de ν0 et vérifiez que le filtre optique qui équipe le capteur pyrométrique est bien adapté. Réponse : Q2. Justifiez que le détecteur utilisé sur le lampadaire est insensible aux conditions climatiques (en particulier à la température). Réponse : Document élève / I1-ACT1 Page 2/11 04/09/2012 Première STI2D M E I Nom : Prénom : Classe : ETT Q3. La nuit, le lampadaire est allumé en veille et on lance un ballon dans sa zone de détection. Le lampadaire s'allume-t-il (justifiez) ? Réponse : Q4. Le détecteur fournit-il une information sur la distance de la personne détectée ? Donnez l'état de sa sortie en l'absence de toute détection. Réponse : Élaboration de l'information d'autorisation d'allumage du lampadaire Le lampadaire ne s'allume que si la luminosité ambiante est tombée sous un certain seuil dit "crépusculaire". La luminosité ambiante est mesurée par le lampadaire au moyen des panneaux photovoltaïque (PV). Le constructeur indique que le lampadaire s'allume en veille lorsque la tension fournie par les panneaux est inférieure ou égale à 2 V. La caractéristique d'un panneau à vide (ne fournissant aucun courant ou un courant d'intensité insignifiante) sous très faible éclairement est fournie en annexe. L'échelle des abscisses est logarithmique, ce qui permet de représenter des variations de très grande amplitude. Q5. Relevez l'éclairement EC du panneau à vide correspondant au seuil crépusculaire. Réponse : L'éclairement des panneaux photovoltaïques s'appelle "irradiance", exprimée en W/m2. Lorsque l'éclairement provient du soleil, on admet généralement la proportionnalité suivante : 1000 W/m2 correspond à environ 100000 Lx. Q6. Déduire la valeur de l'irradiance correspondante au seuil crépusculaire. Réponse : Document élève / I1-ACT1 Page 3/11 04/09/2012 Première STI2D M I E Nom : Prénom : ETT Classe : Q7. Que se passerait-il si la lumière produite par le lampadaire allumé parvenait aux panneaux photovoltaïques ? Expliquez comment le constructeur a évité ce problème. Réponse : Trois capteurs se partagent l'espace environnant le lampadaire, afin de couvrir toute la zone de passage. Les trois capteurs fournissent les signaux IR1, IR2 et IR3. IR1 Fonction logique de détection IR2 IR IR3 Q8. Donnez l'équation logique de la fonction "IR" qui permet de détecter le passage d'une personne à proximité du lampadaire. Réponse : Optimisation de l'orientation du détecteur Obturateur Le détecteur de mouvement est intégré dans un boîtier étanche qui détermine son orientation sur le mât, en direction du sol. Une pièce nommée "obturateur" (voir figure ci-contre) cache une partie du dôme de Fresnel et donc réduit la zone de détection. Cette pièce protège également le détecteur du rayonnement solaire direct. Vous allez déterminer la zone de détection de chaque capteur, d'après la forme de l'obturateur et du boîtier. L'obturateur limite l'angle d'ouverture latérale du détecteur, selon le schéma ci-dessous : 11 mm Capteur pyrométrique Document élève / I1-ACT1 d Page 4/11 α Angle de détection horizontale 04/09/2012 Première STI2D M E I Nom : Prénom : ETT Classe : Q9. Déterminez la distance "d" permettant de limiter l'angle d'ouverture latérale du détecteur muni de l'obturateur, à α = 50°environ. Vérifiez cette ouverture sur le lampadaire. Réponse : Q10. En utilisant la figure ci-dessous, montrez que l'inclinaison de 30 degrés du détecteur coiffé de l'obturateur permet de couvrir toute la zone de détection verticale. Réponse : Axe du détecteur Capteur pyrométrique 5° Angle de détection verticale 30° Zone de détection Document élève / I1-ACT1 Page 5/11 04/09/2012 Première STI2D M E I Nom : Prénom : Classe : ETT III. COMMANDER LES LEDs La lumière produit le lampadaire Luméa est fournie par cinq LEDs blanche de puissance 5 mm de référence "GSPW1653JTE-50X". Une lampe d'éclairage est caractérisée par un certain nombre de paramètres : La puissance, en watts (W). Le flux lumineux, en lumens (lm), définit la quantité de lumière émise par la lampe. L’efficacité lumineuse, en lumens par watt (lm/W), qui est le rapport entre le flux lumineux nominal de la lampe et sa puissance consommée. Depuis 2008, il est recommandé d’exiger une efficacité lumineuse globale (incluant le système de commande) d’au moins 65 lm/W. La durée de vie économique, en heures, représente la période au terme de laquelle la chute de flux de la lampe (vieillissement) ne permet plus de garantir les niveaux d’éclairement requis. La température de couleur, en degrés Kelvins (°K), qualifie l'ambiance lumineuse. Elle varie des teintes chaudes, à dominante orangée (2500 K) aux teintes froides, d’un aspect bleuté (> 5500°K). La couleur d'une source lumineuse est comparée à celle d'un corps noir chauffé entre 2000 et 10000°K, qui aurait, dans le domaine de la lumière visible, un spectre d'émission similaire à la couleur considérée. Q11. A l'aide de la documentation des LEDs utilisées, relevez la température de couleur des LEDs utilisées sur le lampadaire Luméa et le flux lumineux minimum produit par une LED parcourue par un courant constant d'intensité 350 mA. Réponse : Q12. A l'aide de la documentation des LEDs utilisées (page 4), relevez la tension directe maximale aux bornes d'une LED correspondant au passage d'un courant constant d'intensité 350 mA. En déduire la puissance électrique consommée par une LED, dans ces conditions. Document élève / I1-ACT1 Page 6/11 04/09/2012 Première STI2D M E I Nom : Prénom : ETT Classe : Réponse : Q13. Des questions précédentes, déduire l'efficacité lumineuse (EL) des LEDs du Luméa. Respecte-t-on la recommandation d'efficacité énergétique de 2008 ? Réponse : Q14. Les cinq LEDs du Luméa sont connectées en série pour ne former qu'un seul dipôle comme sur la figure ci-contre. Calculez la valeur maximale de la tension ULED, pour un courant d'intensité 350 mA parcourant le dipôle. ULED Réponse : Q15. La batterie du lampadaire est une batterie au plomb caractérisée par une tension nominale de 12 V. A l'aide de la documentation constructeur des LEDs (page 8), donnez la valeur du courant qui traverserait les LEDs si l'ensemble était soumis à la tension nominale de la batterie. Réponse : Q16. De l'étude précédente, en déduire qu'une fonction d'adaptation est nécessaire. Citez sa fonction principale. Réponse : Document élève / I1-ACT1 Page 7/11 04/09/2012 Première STI2D M I E Nom : Prénom : Classe : ETT Documents annexes Les détecteurs de mouvement à infrarouge passif Le rayonnement infrarouge La lumière est une onde électromagnétique de très haute fréquence ν (prononcez "nu") qui se propage dans le vide à la vitesse c = 299 792 458 m/s (environ 300 000 km/s). La fréquence ν de la lumière détermine sa couleur, que l'on préfère généralement caractériser par sa "longueur d'onde" (λ = c/ν), exprimée en nanomètre (nm). Le "spectre" est un graphe qui montre le dosage relatif des couleurs contenues dans la lumière. La "lumière blanche" caractérise une lumière où toutes les couleurs sont présentes en quantités à peu près égales. La lumière du soleil fournit la lumière blanche de référence. Sans couleur dominante, elle a l'avantage de ne pas dénaturer les couleurs des objets qu'elle éclaire. L'œil humain ne perçoit que le domaine visible du spectre des couleurs. La courbe de sensibilité de l'œil humain illustre l'efficacité de la vision selon la couleur. On constate que la perception est très faible aux extrémités du spectre de lumière blanche. L'infrarouge désigne le domaine de radiations de longueurs d'onde comprises entre 780 nm et 1000 µm (106 nm). L'infrarouge est généralement associé à la chaleur car, à température ambiante ordinaire, les objets émettent spontanément des radiations infrarouges. A température ambiante ordinaire (aux environs de 300°K), le maximum d'émission se situe aux alentours de 10 μm. Néanmoins, il est possible de générer un rayonnement infrarouge qui ne soit pas d'origine thermique, comme par exemple, les diodes électroluminescentes utilisées dans les télécommandes qui produisent un rayon de lumière infrarouge proche (950 nm environ) sans émission de chaleur. Document élève / I1-ACT1 Page 8/11 04/09/2012 Première STI2D M I Nom : Prénom : E Classe : ETT Le capteur pyrométrique Le capteur pyrométrique détecte les variations de radiation infrarouge provoquées par le mouvement d'une personne (ou d'un objet) dont la température est différente de la température du milieu ambiant. Le capteur PIR n'est sensible qu'aux déplacements de chaleur se produisant dans la zone de détection (quelques mètres au maximum). Ainsi, les variations lentes de la température ambiante ne sont pas perçues. Zone active Pour limiter l'influence des perturbations extérieures, dues notamment à la lumière, la zone active du capteur est équipée d'un filtre optique. Sur les capteurs bon marché, le filtre est un filtre "passe-haut 5 µm", dont la caractéristique de transmission ("transmittance") est analogue à celle de la figure ci-dessous (le filtre laisse passer les radiations de longueurs d'onde supérieures à 5 µm environ). Filtre passe-haut 5 µm Filtre passe-bande 4,3 µm Filtre silicium Filtre passe-haut 6,5 µm Le détecteur de mouvement à infrarouge passif (PIR) Le détecteur de mouvement à infrarouge passif (PIR = Passive InfraRed) associe un capteur pyroélectrique avec une électronique de conditionnement (adaptation, traitement) du signal et une optique à base de lentille de Fresnel (voir description page suivante). La lentille de Fresnel a pour fonction de focaliser sur le capteur pyroélectrique le rayonnement infrarouge d’une personne se déplaçant dans le champ de surveillance du détecteur. La forme et la taille de la lentille déterminent en grande partie la directivité et la sensibilité du détecteur. Ainsi constitué, le détecteur prend la forme d'un petit module fournissant un signal logique dont l'état dépend de l'activité du capteur. Document élève / I1-ACT1 Page 9/11 04/09/2012 Première STI2D M E I Nom : Prénom : ETT Classe : Schéma-bloc fonctionnel du détecteur Caractéristiques électriques et fonctionnelles Au moment de la mise sous tension, une durée de stabilisation d'environ 30 s est nécessaire avant de pouvoir détecter un mouvement. Grandeur Tension d'alimentation du module Intensité du courant d'alimentation Température de fonctionnement Niveau de sortie au repos Niveau de sortie lorsqu'un mouvement est détecté Angle de détection Distance de détection Mini 3 Typique Maxi 5 50 –20 +80 0,4 4 90 9 Unité V µA °C V V degré m Principe de la lentille de Fresnel Physicien français (1788 - 1827), Augustin Fresnel a l'idée de remplacer les lourds miroirs et les épais réflecteurs paraboliques des phares, par des lentilles par échelons, très fines, qui ont aussi la même propriété de diriger vers un point particulier les rayons parallèles qui frappent la lentille. Il obtient ainsi le même effet de concentration mais avec beaucoup moins de pertes de lumière (proportionnelles à la distance parcourue dans la lentille). Aujourd'hui appliqués aux détecteurs de mouvement, ses travaux ont permis de mettre en œuvre les lentilles très légères et peu coûteuses, d'autant plus performantes. Document élève / I1-ACT1 Page 10/11 04/09/2012 Première STI2D M I E Nom : Prénom : ETT Classe : La lentille concentre le rayonnement extérieur en son foyer (point de convergence) où l'on a placé la zone sensible du capteur pyrométrique. Capteur IR Lentille Les trois détecteurs du Luméa possèdent des lentilles dôme, caractérisées par un cône de directivité d'ouverture angulaire 90 degrés environ, dans la direction normale à la base de la lentille. Tension du panneau photovoltaïque à vide sous très faible éclairement Tension du panneau à vide (Volt) 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 Document élève / I1-ACT1 5 10 20 50 100 Page 11/11 200 500 1000 Eclairement (lux) 04/09/2012