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Lampadaire autonome Luméa
Référence : I1-ACT1
Détection de présence et
commande des leds
CENTRE D'INTÉRÊT
Compétences visées
CI7 – Solutions constructives relatives à la chaîne d'information
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
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"
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.
Détecteurs
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.
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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 : Dans le document annexe, on donne : ν0 = 10 µm.
Le filtre qui équipe le capteur est un "passe-haut 5 µm", et on constate sur la
courbe rouge qui le caractérise que 10 µm est bien dans la bande passante du
filtre (là où il atténue le moins le rayonnement). Il est donc bien adapté à la
détection de mouvements de chaleur.
Q2. Justifiez que le détecteur utilisé sur le lampadaire est insensible aux conditions climatiques (en particulier
à la température).
Réponse : Les corps chauds émettent un rayonnement infrarouge que mesure le capteur.
Cependant, le détecteur n'est sensible qu'aux variations du rayonnement
infrarouge provoquées par des mouvements de corps chauds (dont la
température est supérieure à la température ambiante).
Les variations de températures, très lentes, n'auront donc pas d'incidence sur
le fonctionnement.
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 :
Le détecteur ne détecte que les mouvements de corps chauds
(comparaison faite à la température ambiante). Bien qu'il fasse nuit, le
lampadaire ne s'allumera donc pas.
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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 :
Le détecteur fournit un signal logique (tout-ou-rien) indiquant qu'un
mouvement de chaleur a été détecté. Il ne donne donc aucune information
sur la distance de détection.
En l'absence de détection, la sortie du détecteur est au niveau logique 0.
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 :
Au seuil crépusculaire : UC = 2 V.
Le PV reçoit alors :
EC = 15 lux. Cette luminosité est très faible, ce qui
correspond bien à la nuit tombante (crépuscule).
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 :
Selon la proportionnalité indiquée, l'irradiance au seuil crépusculaire
est : 0,15 W/m2.
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 :
Si la lumière des lampes parvient aux PV (très proche), le lampadaire
s'éteint car il fait jour. Les PV se retrouvant alors dans le noir, les lampes se
rallument. Ce fonctionnement provoque le clignotement du lampadaire.
Le lampadaire a été conçu de telle manière que la lumière produite par les
lampes ne parvienne jamais aux PV (lampes dirigées vers le bas et disque
opaque.
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Trois capteurs se partagent l'espace environnant le
IR
Fonction logique
lampadaire, afin de couvrir toute la zone de passage. Les trois 1
IR
de détection
IR2
capteurs fournissent les signaux IR1, IR2 et IR3.
IR3
Q8. Donnez l'équation logique de la fonction "IR" qui permet de détecter le passage d'une personne à
proximité du lampadaire.
Réponse :
IR = IR1+IR2+IR3 (fonction "OU")
Optimisation de l'orientation du détecteur
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.
Obturateur
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
α
Capteur
pyrométrique
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Angle de
détection
horizontale
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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 :
tg(25°) = 0,466°
Donc : d = 11,8 mm
Sur le lampadaire, on mesure
d = 11 mm, ce qui est très proche.
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 :
x = 3.tg(85°) = 34,3 m >> 7 m
C'est la portée du capteur qui limite la
zone de couverture.
Axe du
détecteur
3m
85°
x ?
Capteur
pyrométrique
5°
Angle de
détection
verticale
30°
Zone de détection
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III. COMMANDER LES LEDs
La lumière produit le lampadaire Luméa est fournie par cinq LEDs blanche de
puissance 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.
Blanc
neutre
10000°K
8000°K
Blanc froid
6000°K
2000°K
4000°K
Blanc
chaud
Lumière naturelle
normée (6500°K)
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 :
Température de couleur des LEDs "GSPW1653JTE-50X" : 5000 K (blanc
naturel, pas trop bleuté).
Flux lumineux minimum @ 350 mA : 100 lm
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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.
Réponse :
Tension directe maximale @ 350 mA : 3,5 V
Puissance électrique consommée : P = U.I = 3,5x0,35 = 1,225 W
Q13. Des questions précédentes, déduire l'efficacité lumineuse (EL) des LEDs du Luméa. Respecte-t-on la
recommandation d'efficacité énergétique de 2008 ?
Réponse :
Par définition : EL = Flux lumineux/P = 100/1,225 = 81,6 lm/W
La recommandation d'efficacité énergétique de 2008 est respectée
(EL > 65 lm/W).
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.
Réponse :
ULED
Les 5 LEDs en série ajoutent leurs tensions directes. Donc :
ULEDMAX = 5x3,5 V = 17,5 V
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 :
Les 5 LEDs se partagent les 12 V, et aux bornes de chacune on a donc
2,4 V. Or, la courbe IF = f(VF) montre que pour une tension de 2,4 V, le courant
sera négligeable et donc les LEDs seront éteintes (ou très faiblement
allumées).
Q16. De l'étude précédente, en déduire qu'une fonction d'adaptation est nécessaire. Citez sa fonction
principale.
Réponse :
Une fonction d'adaptation est nécessaire entre la batterie et les 5 LEDs
en série. Elle doit élever la tension appliquée aux bornes des LEDs.
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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.
780 nm
380 nm
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.
Infrarouge
(proche)
750 nm
700 nm
650 nm
600 nm
550 nm
500 nm
450 nm
400 nm
Ultraviolet
Domaine visible (longueur d'onde)
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.
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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.
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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.
La lentille concentre le rayonnement extérieur en son foyer (point de
convergence) où l'on a placé la zone sensible du capteur pyrométrique.
Les trois détecteurs du Luméa possèdent des
lentilles dôme, caractérisées par un cône de
directivité d'ouverture angulaire 90 degrés
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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
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Eclairement
(lux)
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