Le document élève pour l'activité.

Première STI2D
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Prénom :
Classe :
Lampadaire autonome Luméa
Référence : I1-ACT2
Contrôle de l'éclairage
CENTRE D'INTÉRÊT
CI7 – Solutions constructives relatives à la chaîne d'information
Compétences visées
CO4.1 – Identifier et caractériser les fonctions et les constituants d'un système ainsi que ses entrées/sorties.
CO4.3 – Identifier et caractériser le fonctionnement temporel d'un système
CO4.4 – Identifier et caractériser les solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l'énergie
et aux informations (acquisition, traitement, transmission) d'un système
Connaissances associées
3.1 Structures matérielles et/ou logicielles
3.1.4 traitement de l'information
3.2 Constituants d'un système
3.2.3 Constituants d'un système
Prérequis
Étude de cas "Détection & commande des LEDs".
Nature de l'activité
Organisation de l'activité
Conditions de réalisation
2 heures
Travail en binôme
TD
Étude de cas
TP
Logiciel de simulation ISIS v7.7 (ou plus récent)
Lampadaire didactisé muni de son boîtier de mesure
LED (3 ou 5 mm, couleur quelconque) et générateur basse-fréquence
Oscilloscope à mémoire numérique
Ressources
Fiches ressources
Fichiers de simulation : "SMPS_elv.dsn" et "Commande_LEDs_elv.dsn"
Étudier les chaînes d'information et d'énergie permettant de faire varier l'intensité lumineuse produite par
les LEDs. Justifier la technique de commande utilisée par le lampadaire en analysant son efficacité
énergétique.
I. MESURES PRÉLIMINAIRES
L'étude de cas "Détection & commande des LEDs" a permis de
mettre en évidence la nécessité d'un convertisseur élévateur
de tension afin de pouvoir fournir une tension suffisante aux
bornes des 5 LEDs associées en série.
Branchez le boîtier de mesure à la base du pied du
lampadaire, en laissant l'interrupteur latéral sur "OFF".
"OFF"
Batterie
Eolienne
Panneaux
photovoltaïques
Vérifiez que les liaisons électriques sont établies comme sur
la figure ci-contre.
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Q1. Proposez une méthode simple permettant de forcer l'allumage des LEDs à leur intensité maximale.
Réponse :
Q2. Relevez la tension VLED aux bornes des LEDs produisant leur intensité lumineuse maximale ainsi que
l'intensité du courant ILED qui les parcourt. En déduire la valeur de la puissance électrique PLEDMAX qu'elles
dissipent.
Réponse :
Débranchez la batterie, et remplacez-la par une alimentation stabilisée de laboratoire, réglée à 12 Volts,
comme sur la figure ci-dessous.
UBAT
Selon l'état de sa charge, la tension de la batterie (U BAT) varie de 10 V (batterie totalement déchargée) à 14 V
(batterie entièrement chargée) environ. Pour protéger la batterie des décharges profondes (destructrices), le
constructeur a fixé des seuils de fonctionnement sur la tension de la batterie, selon le tableau ci-dessous :
Condition
UBAT ≤ 10,5 V
UBAT ≥ 12,2 V
10,5 V ≤ UBAT ≤ 11 V
11 V ≤ UBAT ≤ 12,2 V
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Comportement du lampadaire
Le lampadaire reste éteint pour protéger la batterie.
Le lampadaire fonctionne normalement.
Le lampadaire clignote lentement.
Le lampadaire prolonge son état précédent (clignotement
ou fonctionnement normal).
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Q3. En faisant varier lentement la tension UBAT de l'alimentation de 12,2 V à 14 V et sans jamais dépasser 14 V,
mesurez la tension ULED aux bornes des LEDs allumées à leur intensité lumineuse maximale.
La tension ULED varie-t-elle avec les variations de la tension batterie ? Quelle est la conséquence de cette
constatation ?
Réponse :
Q4. En faisant varier lentement la tension UBAT de l'alimentation de 10 V à 13 V et sans jamais dépasser 14 V,
relevez précisément les valeurs des deux seuils provoquant un changement de comportement du
lampadaire. Comparez aux valeurs indiquées par le constructeur.
Réponse :
II. ÉLEVER LA TENSION APPLIQUÉE AUX LEDS
Nous avons vus que la batterie ne permettait pas directement d'alimenter les LEDs à leur intensité lumineuse
maximale. Afin d'élever la tension appliquée aux LEDs, on a recours à un convertisseur continu-continu à
découpage (SMPS = switch mode power supply) qui exploite la propriété que possède une inductance de
s'opposer aux variations brutales du courant qui la traverse.
Note :
Une bobine électrique est réalisée par enroulement sur un support d'un
certain nombre de spires de fil électrique isolé. L'inductance (notée "L"), qui
dépend du nombre de spires, de la géométrie de la bobine et de la nature du
support, caractérise une bobine. L'unité d'inductance est le Henry (H).
Lancez le logiciel ISIS de la suite PROTEUS, et ouvrez le fichier "SMPS_elv.dsn". Il représente la structure de
base d'un circuit élévateur à découpage.
Le mot "découpage" est justifié par la présence d'un
interrupteur commandé, qui découpe l'énergie continue de laVBAT
batterie afin d'en élever la tension.
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Étape 1 : K fermé, D bloquée
Étape 2 : K ouvert, D passante
La bobine est parcourue par le courant de la
batterie (I1) et accumule de l'énergie.
La bobine transfère l'énergie accumulée à
l'étape 1 au condensateur et à la charge.
D
D
L
VBAT
I1
COM
L
K
C
VLED
VBAT
I0
COM
K
C
VLED
Q5. Dans ISIS, en éditant les propriétés du signal logique de commande de l'interrupteur "COM", relevez la
fréquence d'un cycle d'ouverture/fermeture de l'interrupteur et en déduire la durée d'un cycle de
fermeture/ouverture de l'interrupteur. Par quoi a-t-on remplacé les LEDs dans cet exemple ?
Réponse :
Q6. Placez un graphe "ANALOGUE" et ajoutez les signaux VBAT et VLED (partie gauche du graphe) et ILED (partie
droite du graphe) et réglez la durée de la simulation à 10 ms.
Lancez une simulation (en appuyant sur la barre d'espace) et relevez les valeurs stables des trois grandeurs
observées. Conclure sur le rôle du convertisseur d'énergie.
Réponse :
Q7. Changez la valeur de la tension batterie en 14 V. Relancez une simulation et relevez les valeurs des tensions
VBAT et VLED et de l'intensité du courant ILED.
Réponse :
Q8. Même question avec VBAT = 11 V.
Réponse :
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Q9. Avec ce convertisseur de principe, comment se comporte le lampadaire vis-à-vis de l'état de charge de la
batterie ? Constatez-vous le même phénomène, sur le lampadaire réel ?
Réponse :
III. RÉGULER L'INTENSITÉ LUMINEUSE FOURNIE PAR DES LEDs
On considère le lampadaire lorsqu'il fournit son intensité lumineuse maximale.
Q10. A l'aide du graphe ci-contre, expliquez comment rendre
constant l’éclairement fourni par le lampadaire.
Réponse :
Afin de respecter les conditions de fonctionnement du lampadaire, il est nécessaire d'avoir recours à une
structure plus complexe permettant de réguler l'intensité qui circule dans les LEDs. Cette régulation se base
sur une valeur souhaitée appelée "consigne", le système cherchant à rendre la grandeur à réguler la plus
proche possible de la consigne.
Dans le cas du lampadaire Luméa, la grandeur régulée est le courant qui circule dans les LEDs. La consigne
est constante égale à 0,35 A, fournie sous la forme d'une tension proportionnelle (0,35 V).
Lancez le logiciel ISIS, et ouvrez le fichier "Commande_LEDs_elv.dsn". Il représente une structure équivalente
du circuit de commande de LEDs, similaire à celle du Luméa.
Q11. Lancez une simulation interactive en cliquant sur le bouton :
Relevez les valeurs numériques stables atteintes par les grandeurs VBAT, VLED, ILED et CONS, en indiquant
bien leurs unités respectives. L’intensité du courant des LEDs est elle égale à la consigne ?
Réponse :
Remarque :
La simulation n’est pas effectuée en temps réel. La durée réelle écoulée depuis le lancement
est indiquée dans la barre inférieure du logiciel. Elle dépend de la rapidité de l’ordinateur sur
lequel est effectuée la simulation.
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Q12. Même question pour VBATMIN = 11 V puis VBATMAX = 14 V. Que peut-on en conclure ?
Réponse :
Q13. Pour VBAT = 12 V, relevez la valeur de IBATMOY et calculez la puissance (PE = VBAT.IBATMOY) fournie par la
batterie. Avec les résultats de la question 11, calculez la puissance utile (PU) fournie aux LEDs et en
déduire le rendement énergétique du convertisseur (PU/PE). Conclure.
Réponse :
IV. FAIRE VARIER L'INTENSITÉ LUMINEUSE FOURNIE PAR LES LEDs
Selon la présence ou l'absence de personne passant dans son voisinage proche, le lampadaire modifie l'intensité
lumineuse des LEDs. L'étude qui va suivre va permettre de comprendre le principe utilisé.
Branchez une LED sur la sortie logique (repérée "TTL" ou
"SYNCHRO") d'un générateur basse-fréquence. Réglez la
fréquence sur une valeur très basse (10 Hz par exemple).
Vérifiez que la LED clignote (inversez les deux broches dans
le cas contraire).
Fréquence
Amplitude
Q14. Augmentez doucement la fréquence et relevez la valeur
limite à partir de laquelle vous ne distinguez plus le
clignotement de la LED.
Réponse :
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Le phénomène observé est connu sous le terme de "persistance rétinienne". Cet effet mémoire d'une image
perçue par l'œil humain est plus long quand l'image est lumineuse.
Un signal logique périodique est constitué d'une suite d'impulsions d'amplitude constante qui se suivent
à intervalle de temps T constant. Si la fréquence du signal logique est constante, le seul paramètre
modifiable est la durée TH de chaque impulsion, comme sur la figure ci-dessous :
Signal logique
VMAX
0
Valeur moyenne
TH = variable
Constante
t
T = constante
TH
(0 ≤ RC ≤ 1, sans dimension).
T
La valeur moyenne du signal est : MOY = RC.VMAX, variable de 0 à VMAX selon la valeur de RC.
On appelle "rapport cyclique" (Duty Cycle) le terme : RC =
Q15. Observez le signal fourni par la sortie logique du générateur réglé à 100 Hz. Sans modifier sa fréquence,
réglez le rapport cyclique du signal fourni par le générateur en agissant sur le bouton nommé
"SYMMETRY" (ou "DUTY").
Mesurez les valeurs minimale et maximale du rapport cyclique du signal et observez la LED. Expliquez le
phénomène observé.
Réponse :
Le convertisseur précédent est équipé d’une entrée logique d'autorisation qui permet de contrôler le
fonctionnement (AUTORISATION = 5 V, régulation de ILED) ou l'arrêt (AUTORISATION = 0 V, ILED = 0) du
convertisseur.
Q16. Dans les propriétés du signal "AUT" appliqué au convertisseur, modifiez la valeur du champ "Voltage" en
"0". Relancez la simulation et relevez la valeur du courant I LED et en déduire leur état. Retrouve-t-on le
fonctionnement attendu ?
Réponse :
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En veille, le courant des LEDs du lampadaire a l’allure ci-dessous :
ILED
350 mA
t
0
Q17. Calculez le rapport cyclique de ILED permettant d’obtenir en veille ILEDMOY = 8 mA.
Réponse :
Q18. La fréquence de ILED est F = 250 Hz. Justifiez que l’on ne voit pas les LEDs clignoter.
Calculez la durée TH des flashes d’allumage en veille des LEDs.
Réponse :
Q19. Expliquez comment utiliser le convertisseur pour que le lampadaire fonctionne en veille (en l'absence de
détection), puis à pleine intensité lumineuse (détection de personne) ?
Réponse :
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