Iluminatul Spatiilor Publice

CUPRINS

INTRODUCERE

Potrivit unui studiu global, efectuat la finele veacului trecut, între 750 și 880 de mii de oameni îsi pierd viața în urma accidentelor rutiere și alte 34 de milioane sunt rănite. Conform aceluiaș studiu se arată că peste 30% din totalul accidentelor au loc pe timp de noapte, cu precădere în zone slab iluminate și în care pietonii sunt participanți la trafic.

Folosirea iluminatului stradal este cea mai eficace metodă de îmbunătățire a vizibilității pe timp de noapte și implicit determină o frecvență mai redusă a apariției accidentelor, dar din păcate este și cea mai costisitoare, atât din punctul de vedere a costului de instalare cât și a costului de operare. Pentru a se justifica aceste costuri, iluminatul stradal este folosit doar în condițiile unui flux ridicat al traficului, sau în zonele predispuse la o frecvență mare a apariției accidentelor sau care dispun de nevoi speciale și alte circumstanțe.

Totodată, în contextul în care resursa energetică este tot mai redusă la nivel mondial, în anul 2005 iluminatul stradal constiutuia 4,3% din totalul de energie electrică consumată. Se constată astfel o ineficiență a infrastructurii iluminatului stradal clasic, bazat aproape în totalitate pe lămpi cu descărcare în gaze.

Îmi propun astfel ca și obiect de studiu la proiectul de diplomă găsirea de soluții noi în acest domeniu, care să respecte standardele în vigoare și să asigure o iluminare optimă pentru un scenariu dat(trecere de pietoni nesemaforizată), profitând de evoluția tehnologică a ultimilor ani. Folosirea surselor de lumină bazate pe dispozitive semiconductoare(LED-uri de putere) este viabilă din acest punct de vedere întrucât acestea oferă avantaje importante, cum ar fi un consum redus de energie, timp de exploatare mai îndelungat comparativ cu alte surse de lumină și posibilitatea integrării acestora într-un sistem inteligent(smart) care să permită automatizarea iluminatului și chiar comanda de la distanță a acestuia.

Posibilitatea unui management inteligent a surselor de lumină cu LED ne-ar permite optimizarea fluxului luminos în funcție de condițiile de trafic rutier și pietonal. Se naște astfel nevoia monitorizării condițiilor ambientale(temperatură, umiditate, etc.) și a nivelului de trafic care ar permite sesizarea condițiilor concrete și adaptarea iluminării la ele în vederea exploatării cât mai eficiente a resurselor utilizate.

Capitolul 1. Studiu Privind Iluminatul Spațiilor Publice

Pentru iluminatul spațiilor publice se folosesc lămpi sau felinare(surse de lumină), de obicei ridicate pe un stâlp la marginea drumului sau a trotuarelor, acestea fiind pornite sau aprinse la un anumit moment în fiecare noapte. Primele lămpi au fost folosite de către civilizațiile Romană și Greacă acestea având ca scop principal comfortul și siguranța, protejând atât trecătorii de obstacolele din calea lor, cât și gospodăriile, descurajând acțiunile hoților.

În România, la Craiova, a fost introdus în anul 1854 iluminatul stradal cu ulei de rapiță. Trei ani mai târziu, Bucureștiul devenea primul oraș din lume ale cărui străzi au fost iluminate cu petrol lampant(1857). În anul 1868, la Iași a fost aprinsă prima lampă cu arc din România(alimentată de la pile electrice, deoarece generatorul de curent electric – dinamul va fi descoperit doi ani mai târziu). Istoria iluminatului electric, începe însă la noi în țară în anul 1882, când la București se punea în funcțiune o centrală electrică, care asigura printr-o linie electrică de 2kV c.c iluminatul palatului de pe Calea Victoriei. În 1884 la Timișoara se dădea în funcțiune primul iluminat electric stradal din Europa continentală(cu 731 de lămpi).

1.1 Studiu privind aspectele teoretice ale iluminatului

Toate obiectele sunt văzute prin intermediul contrastului: fie obiecte închise pe fundal luminos(ex: literele din pagina), fie obiecte luminoase constrastate de un fundal închis(ex: o lumânare în întuneric). Abilitatea noastră de a putea vedea depinde de acest contrast, și avem nevoie ca acesta să fie cât mai pronunțat în cazurile în care nivelul iluminării este scăzut sau în cazul în care ne dorim să vedem detalii de dimensiuni reduse. Cu excepția cazurilor în care obiectul în sine este sursa de lumină contrastul acestuia față de un fundalul închis este dat de cantitatea de lumină care este îndreptată spre obiect și care se întoarce spre observator, în cazul nostru ochiul participantului la trafic, fie el șofer sau pieton.

În cadrul fizicii(cuantice), lumina prezintă simultan proprietăți ondulatorii, fiind considerată a fi radiație electromagnetică, și proprietăți corpusculare, în care este descrisă a fi formată din particule de lumină numite fotoni, caracterul observat al acesteia fiind determinat doar de tipul măsurătorii/experimentului efectuat. Pentru un simplu inginer, lumina este doar o mică parte din spectrul electromagnetic, care se află între domeniul radiațiilor ultraviolet și infraroșu. Spectrul vizibil al luminii se găsete cuprins între radiațiile electromagnetice cu lungimea de undă de 380 și respectiv 780 nanometrii(nm), după cum se poate observa și în Figura 1.1. Ceea ce distinge acest domeniu față de restul este faptul că radiația din acest spectru este absorbită de celulele fotoreceptoare, ce alcătuiesc retina ochiului uman, facilitând astfel procesul prin care putem vedea. Lumina, așadar, nu poate fi descrisă separat prin mărimi ale energiei radiate sau ale percepției vizuale, ea putând fii caracterizată complet doar de o combinație a acestor mărimi radiometrice și fotometrice.

Figura 1.1 — Spectrul electromagnetic.

1.1.1 Radiometria și fotometria

Radiometria este știința care se ocupă cu definirea mărimilor radiometrice și măsurare energiei totale de radiație în tot spectrul electromagnetic. Fotometria, pe de altă parte, își limitează obiectivul la definirea și măsurarea mărimilor fotometrice caracteristice radiației optice, corespunzătoare domeniului de sensibilitate spectrală a ochiului uman. Astfel în radiometrie unitatea de măsură cea mai frecvent folosită este wattul(W), caracteristic puterii fluxului radiant, pe când în fotometrie este lumenul(lm), caracteristic puterii fluxuli luminos. Commision Intenationale de l’Eclairage(International Commission on Illumination sau CIE), a definit 1watt a fi egal cu 683lumeni pentru lumina monocromatică cu lungimea de undă de 555nm, pentru alte lungimi de undă conversia dintre wați și lumeni făcându-se puțin diferit întrucât răspunsul ochiului uman este diferit la alte lungimi de undă.

1.1.2 Sensibilitatea Spectrală

Chiar și în banda îngustă a spectrului vizibil, ochiul uman este mai sensibil la anumite

lungime de undă. Această sensibilitate depinde dacă ochiul este adaptat pentru lumină puternică sau pentru întuneric, deoarece ochiul uman conține două tipuri de celule fotoreceptoare: celule cu con și celule cu bastonașe. Când ochiul este adaptat la lumina diurnă, numită vedere fotopică(pentru nivele de luminanță în general mai mari de 3.0cd/m²) celulele cu con domină. La nivele de luminanță mai mici de 0.001cd/m², celulele cu bastonașe domină, ochiul fiind adaptat la ceea ce se numește vedere scotopică sau crepusculară și de noapte. În Figura 1.2 se poate observa sensibilitatea relativă a ochiului uman pentru lungimile de undă din spectrul vizibil atât pentru vederea fotopică cât și pentru cea scotopică.

Figura 1.2 – Funcția sensibilității relative a ochiului uman pentru vederea fotopică(V(λ)) și scotopică(V`(λ)).

Acest grafic este deseori folosit în evealuarea eficienței luminoase pentru vederea fotopică cât și pentru cea scotopică. Celulele cu con(vedere fotopică) prezintă maximul sensibilității spectrale și implicit al eficienței luminoase la 555nm, pe când pentru celulele cu bastonașe, în condițiile unui nivel al luminanței mult mai slab, maximul se atinge la o valoare a lungimii de undă de 507nm. CIE a ales radiația electromagnetică cu lungimea de undă de 555nm, în care se atinge maximul eficienței luminoase, să fie lungimea de undă referință pentru lumen. Astfel prin definție un watt este egal cu 683 de lumeni la 555nm, pentru toate celelalte lungimi de undă valoarea lumenilor din expresia anterioară fiind scalată în funcție de valoarea sensibilității relative corespunzătoare lungimi de undă respective. Aproape toate măsurătorile de lumină implică sub o anumită formă graficul eficienței luminoase pentru vederea fotopică.

1.1.3 Mărimi Radiometrice și Fotometrice

În Tabelul 1.1 sunt prezentate principalele mărimi radiometrice și fotometrice precum și

simbolul și unitatea de măsură corespondentă fiecăreia. În desemnarea simbolurilor am urmat convenția conform căreia mărimilor radiometrice și fotometrice li se atribuie același simbol, cu diferența că pentru mărimile fotometrice analog celor radiometrice li se adaugă un indice “v”. Acest tip de notație are rolul de a sublinia faptul că teoria fotometriei este formal identică cu cea a radiometriei și, astfe, că proprietățile formale ale radiometriei se aplică la fel de bine și fotometriei.

Tabelul 1.1 – Mărimi Radiometrice și Fotometrice.

1.1.3.1 Energia Radiantă și Energia Luminoasă; Densitatea Energiei Radiate și Densitatea Energiei Luminoase

Energia Radiantă și Energia Luminoasă(notate cu simbolurile Q si Qv) reprezintă valoarea

totală a energiei primită într-un anumit punct și, respectiv valoarea energiei primite într-un anumit punct de la radiații electromagnetice a căror lungimi de undă este cuprinsă în spectrul vizibil. Energia Radiantă este măsurată în joule(watt*secundă), în timp ce Energia Luminoasă în lumen*secundă.

Densitatea Energiei Radiate sau Energiei Luminoase sunt notate cu U și respectiv Uv, reprezentând cantitatea de energie pe unitatea de volum și se măsoara în watt*secundă/m3 si respectiv în lumen*secundă/m3.

1.1.3.2 Flux Radiat(puterea radiată) și Flux Luminos(puterea luminoasă);

Energia pe unitatea de timp este putere, care se măsoară în Jule pe secundă sau Wați. Un fascicul laser, de exemplu, este caracterizat de câțiva mW sau W de putere radiantă. Lumina se propagă prin spațiu și astfel, puterea radiantă este adesea denumită ca fiind “rata de timp de propagare a energiei radiante” sau fluxul radiant care se definește a fi dQ/dt, unde Q este energia radiantă și t este timpul.

Fluxul radiant, notat cu ɸ, se măsoară în W, iar Fluxul Radiant Spectral este fluxul radiant pe unitatea de interval de lungimi de undă și se măsoară în W/nm. Fluxul Luminos, notat cu ɸv, are ca unitate de măsură lumenul(definiția acestuia este precizată în secțiunea 1.1.2, “Sensibilitatea Spectrală”).

Eficiența radiației luminoase(Kλ) reprezintă raportul dintre puterea fluxului luminos și puterea fluxului radiant. CIE definește Kλ pentru vederea fotopică ca 683lm/W la 555nm. Pentru alte lungimi de undă, Kλ pentru vederea fotopică poate fi calculat folosind ecuatia:

Kλ = Km*Vλ [lm/W] (1.1)

,unde Km = 683lm/W (sensibilitatea maximă pentru vederea fotopică; are loc când λ = 555nm);

Vλ = valoarea sesibilității relative a vederii fotopice pentru lungimii de undă respectivă(vezi Figura 1.2).

Pentru vederea scotopică eficiența radiației luminoase(K`λ) este calculată astfel:

K`λ = K`m* V`λ [lm/W] (1.2)

,unde K`m = 1700lm/W (sensibilitatea maximă pentru vederea scotopică; are loc când λ = 507nm);

V`λ = valoarea sensibilității relative a vederii scotopice pentru lungimea de undă respecitvă (vezi Figura 1.2).

1.1.3.3 Excitanța Radiantă,Iradianța(Incidanța Radiantă) și Iluminanța(Incidanța Luminoasă)

Excitanța Radiantă, notată cu M, reprezintă cantitatea de flux radiant pe unitatea de arie ce

părăsește suprafața unei surse de radiație, cu alte cuvinte excitanța radiantă este densitatea fluxului. În mod similar, Iradianța(E) reprezintă cantitatea de flux pe unitatea de arie ce este primit de o suprafață. Iradianța și Excitanța Radiantă au amândouă ca și unitate de măsură W/cm2 sau W/m2.Analog Iradianței, Iluminanța(Ev) este mărimea dată de cantitatea de flux luminos pe unitatea de arie și se mai numește densitatea de flux luminos sau Incidanța Luminoasă. În Sistemul Internațional de Unități(S.I.) aceasta se măsoară în lux(lm/m2), iar în Sistemul Imperial de Măsură are ca unitate lm/ft2.

Pentru a înțelege mai bine mărimea fotometrica a Iluminanței și unitatea sa de măsura am prezentat în Figura 1.3 o sursă de lumină ce iluminează pe o suprafață imaginară(un plan matematic) cu 1 lux.

Figura 1.3 – Iluminanța.

Dupa cum se observă și în figură, o sursă de lumină punctiformă(sursă ce luminează în mod egal în toate direcțiile) ce produce 1cd emite 1lm/steradian în toate direcțiile. Un unghi solid de 1 steradian, prin definiție, la o distanță “d” de centrul sferei subântinde o suprafață egala cu pătratul distanței, astfel o sursă de 1cd produce 1lm/m2 sau 1 lux la o distanță de 1m și 1lm/ft2 sau 1footcandle la o distanță de 1ft.

1.1.3.4 Radianța(Steranța Radiației) și Luminanța(Steranța Luminoasă)

Radianța(notată cu L) este dată de Iradianța pe unitatea de unghi solid și se măsoară în

W/m2/sr. Luminanța(notată cu Lv) este mărimea fotometrică analog Radianței și similar acesteia reprezintă raportul dintre Iluminanță și unghiul solid. Cu alte cuvinte, luminanța este densitatea de radiație vizibilă(fie ea fotopică sau scotopică) pe o direcție dată. Luminanța este cantitatea măsurabilă care se aseamană cel mai mult cu percepția umană a luminii. Pentru o suprafață lambertiană(suprafață ce reflectă sau emite luminanța în mode egal pe toate direcțiile) conversia dintre Luminanță și Iluminanță se face conform ecuatiei:

1.1.3.5 Intensitatea Radiantă și Intensitatea Luminoasă

Intensitatea Radiantă(notată cu I) este cantitatea de putere radiată pe unitatea de unghi solid

și se măsoară în W/sr. Similar acesteia, Intensitatea Luminoasă reprezintă cantitatea de putere radiată în spectrul vizibil pe unitatea de unghi solid și se măsoară în lm/sr sau candele(cd). Spre exemplu în Figura 1.4 este ilustrată o sursă de lumină cu o Intensitate Luminoasă de 1cd ce emite în toate direcțiile 1lm/sr.

Figura 1.4 – Intensitatea Luminoasă.

Intensitatea Luminoasă(Iv) este mărimea din SI fundamentală pentru fotometrie, cadela fiind unitatea de măsură de bază din care se derivă toate celelalte unități fotometrice.

1.1.4 Măsurători Fotometrice

Pe măsură ce o suprafață se îndepărtează de sursa de lumină ce o iluminează, în mod firesc

nivelul Iluminanței scade; în realitate suprafața devine mai întunecoasă mult mai repede în raport cu creșterea distanței de la suprafață la sursa de lumină, iar relația ce definește nivelul Iluminanței în fiecare punct al suprafeței este:

,unde d = distanța de la “punct” la sursa de lumină.

Întrucât această relație stă la baza analizei viitoare privind aflarea necesarului de flux luminos și configurației optime pentru cazul propus(o trecere de pietoni nesemaforizată), am decis ilustrarea efectelor acesteia în Figura 1.5.

Figura 1.5 – Ilustrarea relației dintre Iluminanța, Intensitatea Luminoasă a unei surse de lumină și distanța de la suprafață iluminată la sursa de lumină.

Se observă în acest exemplu cum nivelul Iluminanței scade cu pătratul distanței, de la 40lux(lm/m2) pe prima suprafață la 10lux(lm/m2) la cea de-a doua spurafață, care este situată la o distanță dublă de sursa de lumină. Relația 1.4 este aplicabilă în practică doar în cazurile în care sursa de lumină se poate aproxima a fi o sursă punctiformă(ex: o lampă cu incandescență).

În cazurile în care sursa de lumină nu este punctifomă Legea Cosinus a lui Lambert spune că nivelul Iluminanței ce cade pe orice tip de suprafață depinde de cosinusul unghiului de incidență θ dintre unda de lumină și normala trasă la planul suprafeței. Matematic, Legea Cosinus a lui Lambert este dată de relația:

,înlocuind nivelul Iluminanței cu expresia din relația 1.4 obtinem:

1.1.5 Culoarea și Temperatura de Culoare

Așa cum a fost precizat anterior, lumina vizibilă este porțiunea mică din spectrul electromagnetic cuprinsă între 380 și 780nm. Cele două tipuri de celule fotoreceptoare ale ochiului, celulele cu bastonașe și celulele cu con, convertesc acest tip de radiație în semnal util pentru creier și îl transmit acestuia spre a fi procesat prin intermediul nervului optic. În acest interval de lungimi de undă, celulele fotoreceptoare cu con convertesc lumina în culoare, în funcție de compoziția spectrală a sa. De fapt, culoarea nu este un atribut intrinsec al luminii, ea fiind defapt interpretarea pe care creierul io dă, astfel când un om vede lumină compusă exclusiv din radație cu lungimea de undă cuprinsă între 400 și 480nm, creierul său o interpretează ca pe “albastru”. Pe măsură ce lungimea de undă crește, culoarea asociată ei se schimbă în mod contrinuu pe toată plaja spectrului vizibil de la “albastru” la “verde” la “galben” și oprindu-se la “roșu” căruia îi corespund radiațiile cu lungimea de undă cea mai mare pe care ochiul o poate distinge(710 – 780nm). Parametrul care caracterizeaz sursele de lumină din punctul de vedere al capacității acestora de a reproduce cu fidelitate culorile diferitelor obiecte în comparație cu sursa de lumină naturală poartă numele de Indicele de Redare a Culorilor(CRI) fiind reprezentat de o scară de la 1(valoarea minimă) la 100(valoarea maximă). În general, sursele de iluminat cu o valoare CRI mai mare de 80 indică o bună calitate a luminii, 100 fiind valoarea de referință a luminii naturale produse de Soare.

Pentru a descrie nuanța unei anumite surse de lumină este definit un nou parametru numit Temperatura de Culoare(Tc) ce, în mod convențional, se măsoară în grade Kelvin(unitatea de măsursă a temperaturii absoulte) și reprezintă temperatura la care trebuie încălzit un corp negru absolut(în literatura de specialitate: “black body radiator”) pentru a emite un spectru luminos cât mai apropriat de cel al sursei de lumină. Temperatura de Culoare a unei surse de lumină se poate defini și în comparație cu radiația corpului negru absolut transferată pe curba Planck-iană (Plankian curve) conform Figurii 1.6.

Figura 1.6 – Spațiul cromatic conform CIE 1931.

După cum se poate vedea, odată cu creșterea temperaturii corpului negru, emisia de radiații a acestuia va crește,respectiv va crește componenta albastră a spectrului emis și va scădea componenta roșie. În funcție de Temperatura de Culoare, culoarea aparentă a surselor se clasifică în trei categorii:

lumină caldă(alb-roșiatică sau alb cald), când Tc < 3300 K;

lumină intermediară(alb neutru), când 3300 K < Tc < 5000 K;

lumină rece(alb-albăstrui sau alb rece), când Tc > 5000K.

Spre exemplu, o lampă cu incandescență având o lumină alb caldă, are o Temperatură de Culoare de 2700K. în timp ce lumina naturală venită de la Soare în condițiile unui cer senin are 6500K.

Totuși, chiar dacă două surse de lumină au aceeași Temperatură de Culoare sau chiar și același CRI, asta nu înseamnă neaparat că spectrul emis de cele două surse este identic, acestea putând avea distrubuții spectrale de putere diferite, dar care datorită caracterului aditiv al lor să redea același efect.

1.2 Surse de Lumină

Sursa de lumină este un corp de pe suprafața căruia, sau din volumul căruia pornesc fascicule divergente de radiații luminoasem orivebute dub transformarea unei alte forme de energie în lumină. Sursele de lumină, numite lămpi în industrie, ce sunt folosite în iluminarea spațiilor publice se împart, în funcție de principiul de funcționare și de construcție a acestora în:

lămpi cu incandescență: produc lumina prin încălzirea unui filament până când acesta strălucește.

lămpi cu descărcare în gaze: produc lumina prin ionizarea atomilor unui gaz de către descările electrice în interiorul lămpii.

lămpi bazate pe dispozitive semiconductoare(LED): care, prin intermediul electroluminescenței transformă energia electrică în lumină.

1.2.1 Generarea și Emisia de Fotoni

Din fericire există o foarte mare diversitate de gneratoare de fotoni, atât naturale cât și artificiale. În esențî, un sistem de microparticule aflat la echilibru termodinamic ca cel din Figura 1.7 ce prezintă cel puțin două nivele energetice admise W1 și W2 (cu W1 < W2), având populațiile de microparticule N1 și respectiv N2 poate emite un foton cu unda asociată de pulsație ω prin tranziția unei microparticule de pe nivelul de energie superior pe cel inferior cu condiția respectării legii de conservare a energiei:

= W2 – W1 (1.7)

,adică energia fotonului emis() este egală cu diferența de energie dintre cele două nivele W2 și W1; pe lângă respectarea legii de conservare a energiei trebuie resăectată și legea de conservare a impulsului:

micoparticulă = foton (1.8)

Figura 1.7 – Nivelele energetice alea unui sistem de microparticule generator de fotoni.

Microparticulele pot fi electroni, ioni, atmoi, molecule, iar tehnica de pompare, tehnica prin care se aduce microparticula din nivelul de energie inferior W1 spre nivelul de energie superior W2 urmând ca la revenirea acesteia în starea de energie inițială să emită fotoni poate fi de natură termică(ex: incandesceța), electrică(ex:electroluminescența), optică(ex: emisia stimulată de radiație), etc.

1.2.2 Lămpi cu Incandescență

Lampa cu incandescență este o sursă de lumină ce folosește un filament încălzit la incandescență, incălzire dată de trecerea unui curent electric prin acesta.

Prin definiție, incandescența este autoemisia de energie radiantă concentrată în domeniul vizibil al spectrului luminos datorată excitării termice a atomilor și moleculelor. Dacă energia termică este mijlocul de pompare a microparticulelor pe nivelul energetic superior, sistemul în echilbru termodinamic la temperatura T, emite conform legii lui Plank o densitate spectrală de energie:

,cu maximul densității de energie conform legii lui Wien la:

Astfel, soarele cu temperatura de 5300K are o emisie maximă la 550nm, iar wolframu,filamentul lămpilor cu incandescență are maximul densități de energie la aproximativ 1μm, de aceea becurile cu incandescență dau o lumină caldă, iar ineficiența caracteristică lor este dată de faptul că o bună parte din densitatea spectrală de energie pe care o produce se află în afara spectrului vizibil.

Din punct de vedere constructiv componentele unei lămpi cu incandescență sunt(Figura 1.8):

Figura 1.8 – Construcție Bec cu Incandescență.

Corpul radiant termic este filamentul, realizat, dintr-un fir de wolfram, sub formă de spirală și adus la incandescență prin curentul electric care îl parcurge ca urmare a alimentării de la rețeaua electrică. Filamentul este închis ermetic într-un balon de sticlă, care este vidat sau care conține gaze inerte la presiune joasă ce asigură o atmosferă favorabilă emisiei și transmisiei radiației electromagnetice și totodată ajută la creșterea eficienței becului prin posibilitatea încălzirii filamentului până la aproximativ 2700K fără ca acesta să se evapore.

Principalele avantaje ale lămpilor cu incandescență constau în spectrul larg de emisie, costul redus, dar și alimentarea cu energie electrică extrem de simplă a acestora(făcându-se direct la rețeaua electrică de 230VAC). Din păcate becurile cu incandescență prezintă o eficacitate luminoasă(ηe), definită ca fiind raportul dintre fluxul luminos emis și puterea consumată, foarte slab(aproximativ 20m/W) și un timp de utilizare redus(aproximativ 1000 de ore).

1.2.3 Lămpi cu Descărcare în Gaze

Conversia energiei electrice în radiatie luminoasă, în lampa cu descărcări electrice,se realizează prin excitarea atomilor de gaz (sau vapori metalici) asupra cărora acționează un câmp electric realizat fizic prin aplicarea unei tensiuni la cei doi electrozi montați la capetele incintei închise etanș și vidate(Figura 1.9)

Figura 1.9 – Montaj Experimental pentru o Lampă cu Descărcări.

Cu rezistența variabilă RV se realizează variația tensiunii pe tub de la 0 la U. Funcție de tensiune,respectiv de intensitatea câmpului electric (E=UL/L) în tub, particulele polarizate sunt accelerate spre electrozii contrari. Electronii sunt accelerați puternic, se ciocnesc cu atomi și le cedează acestora energia preluată de la sursa electrică de alimentare.

În acest tip de lămpi există trei faze principale ale unei descărcări:

Faza 1: – ciocniri elastice (pentru tensiunea mai mică decât valoarea de prag Ur = tensiunea

de rezonanță sau de amorsare a gazului sau vaporilor metalici) la care au loc modificări structurale nepermanente. Ciocnirile electronilor liberi din tub ca și ionii inițiali (datorită câmpului electromagnetic ambiental natural) cu electroni periferici sunt elastice. Energia ΔW = q*UL imprimată electronilor liberi este prea mică pentru a desprinde electroni periferici de pe orbita stabilă.Această energie este convertită în energie termică și gazul sau vaporii metalici se încălzesc.Această este o descărcare obscură iar atomul își menține structura fundamentală.

Faza a II-a: ciocniri neelastice cu modificări structurale temporare,pentru tensiunea mai

mare decât cea de rezonanță. Energia ΔWr a electronilor liberi este capabilă să miște electronii periferici pe o orbită de nivel energetic superior, atomul fiind în stare de excitație. Deoarece forțele de atracție sunt insuficiente pentru menținerea acestei stări electroni periferici revin pe orbita inițială și la revenire cedează energia primită (ΔW`r) sub formă de cuante de radiații electromagnetice(fotoni).

Energiile menționate pot fi exprimate cu relațiile:

,unde q = sarcina electrică a electronului;

h = constanta lui Plank (6,626075 * 10-34[J*s]);

c = viteza radiației electromagnetice în vid (aproximativ 300 000[km/secundă]);

λr = lungimea de undă a radiației de rezonanță;

Vr = frecvența oscilațiilor.

Ținând seamă de legea conservării energiei, ΔWr și ΔW`r sunt egale, astfel după înlocuirea în expresiile 1.11 și 1.12 obținem:

,unde K = 1239,4[nm*V] – constantă.

De exemplu pentru mercur, se cunoaște tensiunea de rezonanță (Ur,Hg = 4,833V) de unde rezultă λr,Hg = 253,7[nm], radiația de rezonanță în domeniul ultraviolet pentru mercur la joasă presiune. Acest fenomen poartă denumirea de descărcare în luminescență, iar atomul revine la starea inițială. Spectrul de radiații în lungul tubului este pe trei zone principale: zona luminescentă negativă sau lumina catodică, zona întunecată redusă(imediat lânga zona luminii catodice), zona luminescentă pozitivă sau coloana pozitivă,situată între zona întunecată și anod. Aceste zone sunt determinate de repartiția neuniformă a sarcinilor electrice (+) și (-),diferite mult ca masă(în zona catodului se produce o aglomerare de electroni).

Faza a III-a: ciocniri neelastice cu modificări structurale permanente pe durata descărcării,

când tensiunea depășește valoarea limită Ui = tensiunea de ionizare, energia ΔWi = q * Ui receptată de electronul periferic e capabilă să-l desprindă de pe orbită și să-l transforme în electron liber,astfel crește numărul electronilor liberi și valoarea curentului. Dacă tensiunea crește în continuare, valoarea curentului tinde spre infinit producând o avalanșă de electroni ce va duce la distrugerea tubului. Aceasta poartă numele de descărcare în arc ce se caracterizează prin emisii radiante intense în spectrul infra roșu(IR), în spectrul vizibil și în spectrul ultraviolet(UV).

În Figura 1.10 am prezentat cele trei faze ale descărcării într-un gaz simplu(Hidrogen), procesul fiind similar pentru orice alt gaz sau vapori metalici.

Figura 1.10 – Fazele descărcării într-un model simplificat:

faza I(descărcarea obscură);

faza a II-a(descărcarea luminescentă);

faza a III-a(descărcarea în arc).

Radiațiile produse prin descărcări sunt monocromatice, pentru că distanțele interatomice la

gaze(și la vapori metalici) sunt mult mai mari ca la materialele solide(emițătoare de radiații prin incandescență).

Caracteristica tensiune-curent UI = f(I) (Figura 1.11) cuprinde zonele caracteristice:

Zona AB – care îi corespunde fazei I, când curentul este determinat doar de circulația electronilor liberi existenți.

Zona CD – care îi corespunde fazei a II-a(descărcare luminescentă), care se realizează după ce tensiunea a ajuns la valoarea de amorsare(Ur). Creșterea numărului de electroni emiși la catod care proliferează ionii ce se aglomerează la catod determină rezistența dinamică negatică pe zonele BCD(tensiunea scade cu creșterea curentului).

Zona DE – care îi corespunde fazei a III-a(descprcarea în arc), când după depășirea tensiunii de ionizare(UI) se produce o avalanșe de electroni în tub.

Figura 1.11 – Caracteristica statică UI = f(I) a descărcări în gaze.

Fixarea punctului de funcționare stabil se realizează din rezistența exterioară RV reglată la valoarea R pentru punctul M la descărcarea luminescentă și respectiv la valoarea R’ pentru punctul M’ la descărcarea în arc. Prin urmare pentru stabilizarea descărcării trebuie intervenit cu o rezistență exterioară, sau mai economic cu o reactanță inductivă exterioară(balast), conectată în serie cu lampa.

Sursele de lumină cu descărcări prezintă o serie de dezavantaje comune cum ar fii necesitatea de aparataj suplimentar pentru stabilizarea descărcării(balast rezitiv, inductiv, capacitiv, combinat inductiv-capacitiv), nevoia de amorsare a descărcării datorate rezistenței inițiale mari(realizat printr-un șoc de tensiune inițială), factor de putere scăzut(datorat impedanței balastuli și caracterului neliniar al descărcării; se poate ameliora local prin compensarea puterii reactive), etc. Cu toate dezavantajele prezentate mai sus, lămpile cu descărcări în gaze sunt net superioare față de lămpile cu incandescență, în principal prin eficacitatea luminoasă de câteva ori mai mare (ηe = 50 – 200 lm/W) și printr-o durată a timpului de funcționare mult mai mare ( 6000 – 60000 de ore).

În iluminatul public stradal, cele mai utilizate surse de lumină sunt lămpile cu vapori de sodiu de înaltă presiune(High Pressure Sodium Lamps sau HPS). Acestea prezintă avantaje pe lângă alte surse de iluminat precum: eficacitate luminoasă bună(ηe = 66 la 150 lm/W – în funcție de puterea nominală a lămpii), spectrul emis este într-o arie largă a zonei vizibile(nu este monocromatică ca la lămpile cu descărcări în gaze de joasă presiune), cu maximul în zona lungimii de undă egală cu 600nm(culoarea aparentă fiind caldă), durata de funcționare foarte mare(12000 -48000h – în funcție de frecvența conectărilor pornire/oprire, stabilitatea tensiunii de alimentare, tipul igniterului și temperatura ambientală). Pe lângă aceste avantaje, HPS prezintă un indice de redare al culorilor destul de slab(CRI = 60 – 80).

HPS s-au putut realiza practic abia după anii 1960 datorită problemei tubului de descărcare: acesta trebuia să reziste la acțiunea vaporilor de sodiu încălziți și la presiunea înaltă; problema a fost rezolvată prin folosirea aluminei policristaline (Al2O3) sinterizată, extrem de rezistentă și transparentă la radiațiile luminoase. Sunt două tipuri uzuale de HPS (Figura 1.12): cu balon elipsoidal cu luminofor(a) sau tubular clar(b).

Figura 1.12 – Lămpi cu Vapori de Sodiu de Înaltă Presiune.

În tubul de descărcare există o presiune de 13 – 26 -95 kN/m2. Mediul este format din sodiu, mercur și un gaz auxiliar(xeon) sau amestec de gaze(argon+neon) necesar amorsării. O condiție esențială a funcționării în bune condiții a lămpii este păstrarea temperaturii constante a tubului de descărcare(aproximativ 1000K) acest lucru fiind realizat cu un vid înaintat în balonul de sticlă. Amorsarea – suprateniunea(1500-3000V) necesară să declanșeze funcționarea HPS este produs de un circuit electronic de impulsuri(igniter) și are o schemă electrică ca cea din Figura 1.13.

Figura 1.13 – Schema de conexiune a lămpilor cu vapori de sodiu de înaltă presiune:

L – balast;

Ig – dispozitivul de aprindere.

Bobina(balast) are la amorsare rol de transformator(autotransformator) ridicător pentru generatorul electric de impulsuri, apoi devine elementul de stabilizare la funcționarea în regim normal.

1.2.4 Lămpi Bazate pe Dispozitive Semiconductoare

Acest tip de generator de fotoni, denumite sugestiv surse de lumină LED(Light Emitting Diode sau diode emițătoare de lumină) se bazează pe principiul recombinării radiante bandă – bandă în joncțiunea semiconductoare pn, fiind o formă de electroluminescență, în care microparticulele sunt electroni, iar tehnica de pompare prin care acestea ajung pe un nivel de energie superior se realizează prin câmpul electric de polarizare directă aplicată structurii.

În esență, când un semiconductor de tip n(în care purtătorii mobili de sarcină sunt electronii datorită faptului că semiconductorul a fost dopat cu atomi penta-valenți) este pus în contact cu unul de tip p(în care purtătorii mobili de sarcină sunt golurile datorită faptului că semiconductorul a fost dopat cu atomi tetra-valenți) se formează o joncțiune pn. Prin punerea în contact a celor două tipuri de semiconductori, sau imediat după punerea lor în contact va rezulta un proces de difuzie, în care purtătorii mobili de sarcină din zona în care sunt majoritari vor difuza spre zona în care sunt minoritari, urmat de un proces de recombinare a purtătorilor care au difuzat. În consecință de o parte și de alta a joncțiunii se va forma o zonă golită(fără purtători mobili) numită zona sau regiunea de sarcină spațială(R.S.S.). Ionii pozitivi din partea n și cei negativi din partea p a acestei regiuni rămân necompensați, ceea ce determină apariția unui câmp electric intern numită câmp de barieră(VB) așa cum este prezentat și în Figura 1.14.

Figura 1.14 – Joncțiunea pn la echilibru termic.

Lucrul cel mai important de reținut este că un LED este practic identic cu o diodă cu joncțiune pn, exceptând faptul că un LED emite lumină prin recombinarea electronilor cu goluri. După apariția regiunii de sarcină spațială(R.S.S.), recombinarea electron – gol este împiedicat tocmai de tensiunea internă(VB) a joncțiunii, prin urmare trebuie furnizată energie din exterior, sub forma unei tensiuni directe de polarizare, pentru a învinge această barieră și astfel pentru a genera fotoni. Caracteristica statică a diodei(a joncțiunii pn) prezintă dependența curentului prin joncțiune(IA), funcție de tensiunea de polarizare aplicată acesteia(VA) :

,unde I0 = curentul de saturație (≈ 1nA pentru diodele de siliciu);

q = sarcina elementară(1,602*10-19 C);

k = constanta universală a lui Boltzman;

T= temperatura [K];

m = coeficient dat de componenta curentului de recombinare, aparține domeniului [1;2] ;

m = 1 nu avem recombinare; m = 2 curentul este dat numai de recombinare;

Caracteristica statică a diodei este prezentată în Figura 1.15:

Figura 1.15 – Curentul prin joncțiune(IA) funcție de tensiunea de polarizare aplicată(VA).

Pentru valori ale tensiunii aplicate(VA) mai mici decât tensiunea internă a joncțiunii(VB), se spune că dioda funcționează în blocare, iar valoarea curentului este mică putând fi determinat cu ajutorul relației:

,pentru valori mai mari, dioda funcționează în conducție(LED-ul generează fotoni), valoarea curentului fiind dată de relația:

În Figura 1.16 este reprezentată pentru acest caz diagrama nivelelor energetice:

Figura 1.16 – Diagrama niveleor energetice într-o joncțiune pn:

la echilibru termic; b) cu o tensiune VA de polarizare directă(VA > VB).

,unde Wc = limita inferioară a benzii de conducție;

Wv = limita superioară a benzii de valență;

Wi = lărgimea benzii de energie interzise a semiconductorului[eV] ;

q = sarcina elementară(1,602*10-19 C) ;

FF = nivelul Fermi;

Fn și Fp = quasinivelele Fermi pentru electroni și respectiv goluri.

Prin polarizarea directă a joncțiunii cu o tensiune mai mare decât tensiune internă(VB), structura de nivele energetice se modifică(Figura 1.16 b). Micșorarea cu qVA a barierei de potențial conduce la creșterea exponențială a concentrației purtătorilor minoritari în zona de sarcină spațială. Puternica injecție de purtători favorizează în zona de sarcină spațială recombinarea electron – gol. Recombinarea poate fi:

radiantă: rezultă un foton care preia energia și impulsul perechii electron – gol;

neradiantă: perechea electron – gol transferă energia și impulsul unui fonon, rezultând creșterea temeraturii.

În acest sens se definește randamentul cuantic intern (eficiența cuantică intrernă) ca fiind numărul de fotoni emiși în unitatea de timp raportat la numărul de perechi electron – gol recombinate în unitatea de timp:

Pentru ca ηi sa tindă la 1 este necesar ca probabilitatea de recombinare radiantă Prr să fie preponderentă probabilității de recombinare neradiantă Pnr. Din acest punct de vedere semiconductoarele se împart în semconductoare cu benzi indirecte(pentru care minimul benzii de conducție nu corespunde cu maximul benzii de valență) și semiconductoare cu benzi directe(pentru care minimul benzii de conducție corespunde cu maximul benzii de valență). În semiconductoare cu benzi indirecte(ex: Ge, Si, C) probabilitatea de recombinare radiantă este practic nulă (Prr →0) deoarece fotonul poate prelua energia, dar nu poate prelua impulsul perechii electron – gol. În consecință, probabilitatea cea mai mare aparține recombinării neradiante(fononul preia și energia și impulsul perechii electron – gol). În structurile cu benzi directe probabilitatea recombinării radiante este foarte mare (ηi > 0,5) deoarece fotonul poate prelua atât energia cât și impulsul perechii electron – gol(foarte mic). Pulsația undei asociate fasciculului de fotoni emiși rezultă din legea conservării energiei:

,unde ћ = constanta lui Plank normată (), iar lungimea de undă:

După înlocuirea 1.19 devinde:

Din (1.20) rezultă că lungimea de undă a radiațiilor emise de generator de fotoni bazat pe recombinare radiantă în joncțiuni semiconductoare este “fixă”, fiind invers proporțională cu lărgimea benzii interzise a semiconductorului din care este compus. Valorile lungimilor de undă ce pot fi generate sunt discrete, iar numărul acestor valori este limitat de numărul semiconductoarelor cu benzi directe ce pot fi procesate tehnologic (câteva exemple sunt prezentate în tabelul 1.2).

Tabelul 1.2 – Tipul de semiconductor și lungimea de undă generată.

Domeniul lungimilor de undă acoperă infraroșul apropriat, vizibilul și ultravioletul apropriat. Deșii valorile lungimilor de undă sunt discrete, iar spectrul emis extrem de îngust(fotonii emiși nu sunt chiar monocromatici, întrucât la procesul de radiație pot participa mai multe nivele energetice din banda de conducție și banda de valență), unda din metodele prin care se poate reda toată paleta de culori, inclusiv alb, este cu ajutorul modelului cromatic RGB, care este un model aditiv de culoare. Astfel spectrul dorit se obține prin modularea fluxului luminos a fiecărui LED ce compune o celulă RGB.

Așa cum a fost prezentat mai sus, fluxul luminos radiat de un LED este dat de recombinarea electron – gol din regiunea de sarcină spațială ce apare la trecerea unui curent de polarizare directă IA prin joncțiune. Deci pentru a avea un control asupra fluxului luminos trebuie avut în vedere un control asupra acestui curent, cele două mărimi fiind direct proporționale una cu cealaltă.

În cele mai simple aplicații, ce nu necesită o precizie deosebită, se folosește o rezistență exterioară în serie pentru a fixa curentul prin circuit (Figura 1.17) :

Figura 1.17 – Montaj LED cu rezistență serie.

Utilizând legea lui Ohm și teorema a II-a lui Kirchoff pentru tensiunile dintr-un ochi de rețea obtinem:

Pentru o valoare dorită a curentului se selectează, din graficul dependenței curentului prin joncțiune IA funcție de tensiunea aplicată VA(dată de catalog pentru fiecare tip de LED, de obicei la T = 300K), valoarea tensiunii ce cade pe diodă la acel curent. Cunoscând una din cele două variabile rămase, se poate calcula necunoscuta, fie ea valoarea tensiunii sursei(V) sau a rezistenței serie(R). Acest tip de motaj este de evitat în aplicațiile ce necesită un control precis al fluxului de lumină, întrucât VA este dependent de temperatură, relația fiind derivată din expresia (1.16):

Pentru diodele cu siliciu deriva termică este în jurul valorii de -2,2mV/°C, realizânduse practic o deplasare a punctului static de funcționare ce conduce implicit la o variație nedorită a fluxului luminos radiat de dioda LED. Un alt dezavantaj al acestui tip de motaj este întâlnit în cazul aplicațiilor ce folosesc LED-uri de putere unde curentul prin joncțiune este de ordinul amperilor, puterea disipată de rezistența serie nemaiputând fi neglijată.

În cazul aplicațiilor ce necesită un control precis al fluxului luminos, dar și în cazul unor aplicații de putere, pentru alimentarea cu energie electrică a LED-urilor se folosesc surse de curent constant, în contextul acestui tip de aplicație cunoscute sub denumirea de drivere de curent constat(teremnul este preluat din limba engleza). Modificarea strălucirii unui LED se realizează, pentru acest tip de configurație, prin reglarea curentului furnizat de driver sau prin modulația PWM a acestuia, în care, prin intermediul unui comutator curentul este injectat în circuit sub forma unor pulsuri a cărui factor de umplere variază(Figura 1.18) .

Figura 1.18 – Curentul direct(IA) sub formă de pulsuri.

În procesul vederii se realizează o mediere astfel că între strălucirea percepută și factorul de umplere al modulației PWM există o relație lineară(cu condiția ca frecvența de comutare să fie mai mare de 24Hz). Cu alte cuvinte dacă unui LED i se furnizează un curent modulat PWM cu factor de umplere 50%, strălucirea acestuia va fi percepută de un observator uman ca și când acesta ar fi alimentat doar cu jumătate din valoarea curentului.

Dimensiunile extrem de mici la care pot fi procesat tehnologic LED-urile precum și timpul de răspuns foarte mic al acestora(de ordinul milisecundelor), le conferă o flexibilitate sporită putând astfel fi integrate în soluții inteligente de iluminat. Pe lângă acestea, sursele de lumină cu LED au o durată de viață foarte mare(până la 50. 000 ore) și o eficacitate luminoasă bună(50 – 150 lm/W – în funcție de puterea nominală). În contextul avansurilor tehnologice din ultimul timp prin care sa redus drastic prețul unui lumen produs de un LED dar și datorită costului de întreținere mic pe care acestea îl prezintă, precum și celelalte avantaje prezentate mai sus, fac din LED-uri o soluție viabilă în domeniul iluminatului public stradal.

1.3 Standard privind iluminatul spațiilor publice

Comisia Internațională pentru Iluminat sau CIE, denumire ce vine de la abrevierea numelui din limba franceză: COMMISSION INTERNATIONALE DE L’ECLAIRAGE, este autoritatea internațională ce se ocupă cu reglementarea și standardizarea iluminatului public stradal. CIE are astăzi sediul în Viena – Austria, și a luat naștere în anul 1913 ca succesoare a: COMMISSION INTERNATIONALE DE PHOTOMéTRI.

În standardul CIE 180:2007 se definesc o serie de parametrii calitativi ce pot fi utilizați în descrierea performanțelor unei arhitecturi de iluminat public:

nivel mediu al luminanței(Lv,med): se referă la valoarea medie a luminanței pe toată suprafața de interes; este cel mai important parametru deoarece, în mare măsură, acesta stabilește gradul de siguranță ce îl oferă sistemului de iluminat dar și cerințele energetice ale acestuia și prin urmare, costurile de funcționare. În cele mai multe aplicații nivelul mediu al luminanței(Lv,med) este convertit în nivelul mediu al iluminanței(EV,med) – parametru ce poate fi cuantificat mai ușor.

coeficientul de uniformitate(U0): se referă la gradul de uniformitate a luminanței sau iluminanței pe toată suprafața de iluminat și este definit ca fiind raportul dintre nivelul minim și nivelul mediu a lor. Acesta ia valori subunitare, valoarea ideală fiind 1.

coeficientul de uniformitate de-a lungul axei drumului(U1): exprimă gradul de uniformitate de-a lungul unei axe, de obicei, o axă care coincide cu direcția de deplasare a participantului la trafic; este definită ca fiind raportul dintre valoarea minimă și valoarea maximă a luminanței(Lv,med) sau iluminanței(EV,med) de-a lungul axei. Acesta ia valori subunitare, valoarea ideală fiind 1.

gradul de orbire(TI): este un parametru ce cuantifică efectele nedorite de orbire a participantului la trafic, produs de către sursele de lumină a căror flux luminos este orientat spre planul în care se află ochiul observatorului; poate fi exprimat prin gradul de creștere a luminanței fundalului necesar pentru a compensa efectele orbirii. Cu cât este mai mică valoarea acestui parametru cu atât mai bine, fiind de 10% pentru autostrăzi și între 15 și 30% pentru restul șoselelor.

Conform CIE 180:2007, în tabelul 1.3 sunt prezentate valorile acestor parametrii pentru mai multe categorii de drumuri:

Tabel 1.3 – Parametrii calitativi ai unui sistem de iluminat public stradal.

Dat fiind faptul că în această lucrare ne referim la cazul particular al iluminării unei treceri de pietoni nesemaforizate, unde sistemul de iluminat stradal prezintă o responsabilitate ridicată, îmi propun respectarea unor norme mai ridicate, ca cele ce sunt specificate în tabelul de mai sus pentru categoria ”Drumuri naționale, inclusiv în localități”. Accent deosebit va fi pus în obținerea unui nivel mediu al iluminanței(EV,med) mai mare de 15 lux și în special în obținerea unui coeficient de uniformitate(U0) cât mai mare(peste 0,4) datorat particularităților acestei aplicații în care trebuie asigurat un nivel acceptabil de iluminanță inclusiv în extremitățile suprafeței de iluminat, dar și faptului că o iluminare uniformă conferă un confort sporit.

1.4 Obținerea unei iluminații optime pentru o trecere de pietoni nesemaforizată

În concepția mea, printr-un iluminat optim se înțelege obținerea arhitecturii unui sistem de iluminat, care să fie eficientă din punct de vedere al consumului energetic, dar care totodată să ofere siguranță, prin respectarea standardului mai sus citat. Îmi propun astfel să obțin dispunerea surselor de lumină în spațiu precum și fluxul luminos ɸv necesar unei iluminații optime pentru cazul particular al unei treceri de pietoni nesemaforizate. Definesc astfel suprafața de iluminat precum cea din Figura 1.19 ce include zona trecerii de pietoni, având o lățime de 10 metrii și o lungime de 19 metrii.

Figura 1.19 – Topologia suprafeței de iluminat.

Așa cum am evidențiat mai sus, pentru acest caz voi urmării realizarea unui nivel mediu de iluminanță(EV,med) mai mare de 15 lux și a unui coeficient de uniformitate(U0) mai mare de 0,4. În calculul nivelului mediu de iluminanță se poate folosii relația (1.4) cu care se poate afla iluminanța(Ev) în fiecare punct. În această relație apare intensitatea luminoasă(Iv), mărime care de obicei nu este dată în foaia de catalog a surselor de lumină cu LED, ele fiind mai degrabă descrise prin fluxul luminos ɸv, conversia de la o mărime la cealaltă fiind realizată prin expresia:

,unde Ω = deschiderea unghiulară a sursei de lumină cu LED[sr] (dată de catalog).

Expresia (1.4) este valabilă doar în cazul folosirii unor surse de lumină punctiforme, dar sursele de lumină cu LED pe care doresc să le folosesc prezintă caracteristici de directivitate. În foaia de catalog a fiecărui LED este prezentată dependența intensității relative(Ir) în funcție de unghiul pe care îl face direcția privilegiată a sursei de lumină(de obicei această direcție corespunde cu normala trasă la planul pe care se află sursa) cu dreapta pe care se află atât sursa de lumină cât și punctul iluminat de ea în care se face calculul. Caracteristicile de directivitate a unei surse de lumină cu LED sunt prezentate sub forma unor diagrame polare(Figura 1.20. b), iar dacă caracteristica este simetrică poate fi redată și în spațiul cartezian(Figura 1.20. a).

Figura 1.20 Exemplu de diagrame de directivitate simetrice pentru o sursă de lumină cu LED.

Prin introducerea intensității relative(Ir) în expresia (1.4) rezultă:

Cu (1.24) se poate calcula nivelul iluminanței într-un punct, în condițiile în care toate variabilele sunt date fie în foaia de catalog a LED-urilor folosite, fie de relația geometrică dinte punct si sursa de lumină. În condițiile în care în standard ne este cerut nivelul mediu al iluminanței(Ev,med) pe o suprafață, iar relația noastră se referă la un punct, logica matematică ne conduce la ideea integrării relației (1.24) pe toată suprafața de interes urmând a se deîmpărții cu aria ei pentru a obține rezultatul dorit(Ev,med). O soluție mai practică la această problemă constă în discretizarea spațiului. Empiric am constatat că 1 eșantion(punct de pe suprafață în care se face un calcul) la 0,019m2 este o valoare bună, ceea ce la o suprafață cu 19m lungime si 10m lățime, cum este cea din cazul nostru, îi revin exact 10.000 de eșantioane(puncte de calcul). În urma discretizării se aplică relația (1.24) pentru fiecare eșantion apoi, cu o simplă medie aritmetică se obține nivelul iluminanței mediu(Ev,med). După cum se observă aplicarea acestui algoritm este laborioasă pentru o persoană umană, dar nu și pentru un sistem de calcul. În acest scop am reușit implementarea algoritmului propus în MATLAB, fapt ce mi-a conferit și posibilitatea vizualizării rezultatelor obținute sub forma graficului liniilor izolux, sau chiar reprezentarea în 3dimensiuni. În continuare voi prezenta pe blocuri funcționale codul sursă din Matlab, pe care le voi explica pe scurt:

Prin execuția acestei bucăți de cod utilizatorul poate introduce dimensiunile geometrice ale suprafeței de iluminat, numărul de surse de lumină folosite, iar apoi, pentru fiecare din ele, poziția lor în spațiu și fluxul luminos care le caracterizează.

Cu ajutorul acestei părți din codul sursă se declară un număr de puncte de pe graficul de directivitate pe care îl prezintă sursa de lumină LED folosită, urmând ca restul graficului să fie obținut prin interpolare, pentru care aceste puncte sunt date de intrare(în acest exemplu LED-ul descris este de tip CITIZEN CLLxxx).

Sa trecut apoi la calcularea intensității luminoase(Iv) pentru fiecare sursă de lumină declarată folosind relația (1.23).

Prin rularea acestor comenzi se definește practic suprafața de iluminat având un număr de 10.000 eșantioane(100*100 distribuite la distanțe egale una față de cealaltă), fiecărui eșantion fiindu-i atașat o variabilă în care se va stoca nivelul iluminanței(Ev), ce va fi calculat în continuare.

Acesta este blocul funcțional din codul sursă responsabil cu calculul nivelului de iluminanță pentru fiecare eșantion(punct din spațiu). Prin intermediu buclelor repetitive “for” se trece prin fiecare punct din spațiu în care mai întâi este calculat vectorul normalei dus la planul în care se află sursa de lumină, apoi unghiul dintre aceasta și vectorul care are originea în punctul sursei de lumină și vârful în punctul curent(în care se face calculul) și în final, cunoscând toate variabilele necesare, se trece la calcularea nivelului de iluminanță folosind relația (1.24). Pasul precedent este realizat pentru fiecare sursă de lumină în parte, iar nivelul de iluminanță final în acel punct se obține prin adunarea aritmetică a rezultatelor obținute de toate sursele. După ce se cunoaște nivelul iluminanței(Ev) pentru toate punctele din spațiu se poate afla nivelul mediu al iluminanței pe toată suprafața(Ev,med) printr-o simplă medie aritmetică, iar coeficientul de uniformitate este calculat folosind expresia:

,unde Ev,min = minimul iluminanței(Ev) dintre toate eșantioanele.

Folosind reprezentarea grafică a rezultatelor, am putut compara modelul Matlab creat de mine cu simulări făcute de pachete software comerciale(ex: DIALux), reieșind abateri de maxim 2 lux pentru același tip de configurație, abateri care însă pot fi neglijate în scopul acestei lucrări.

Revenind la ideea aflării unei configurații optime pentru sistemul nostru de iluminat am apelat la programul scris în Matlab încercând secvențial diferite configurați pentru care am obținut rezultatele din Tabelul 1.4. Toate configuratiile sunt făcute pe un ”stâlp” ce se află la o distanță de 1 metru pe axa oX(oX = axa lungimii suprafeței de măsurat) și 5 metrii pe axa oY(oY = axa lățimii drumului), cu alte cuvinte în punctul (1 ; 5) de pe suprafață. Sursele de lumină cu care a fost ”echipat stâlpul” sunt LED-urile de putere CITIZEN CLL042-1818A5-503M1A2 și CITIZEN CLL042-1218A5-303M1A2 fiind caracterizate de un indice de redare al culorilor(CRI) mai mare de 80, o temperatură de culoare de 5000K și respectiv 3000K și un flux luminos ɸv la ieșire de 7170lm și respectiv 4755lm în condițiile unui curent aplicat prin joncțiune(IA) de 1,08A. Caracteristica de directivitate a radiațiilor emise este aceeași pentru ambele surse de lumină(Figura 1.21), întrucât fac parte din aceeași clasă de LED-uri:

Figura 1.21 – Caracteristica de directivitate surse de lumină LED CITIZEN CLLxxx

Tabel 1.4 – Configurații/Rezultate preliminare.

După cum se poate observa doar ultima configurație respectă standardul, ea constând în trei surse caracterizate fiecare de un flux luminos ɸv de 4755lm, 4755lm și respectiv 7170lm, plasate la o înălțime de 12 metrii și înclinate sub un unghi de 5°, 30° și respectiv 55° față de planul suprafeței. Gradul de uniformitate impus de stadard pentru categoria ”Drumuri naționale, inclusiv în localități” este U0 > 0.4, dar este de dorit ca în cazul aplicației noastre acesta să fie cât mai aproape de ideal (de 1), datorită faptului că pietonul trebuie să fie iluminat de către sursa de lumină și în situația în care acesta s-ar afla la extremitățiile suprafeței de iluminat, unde nivelul iluminanției este minim.

Figura 1.22 – Graficul liniilor izolux, configurație preliminară.

Se constată apariția unui focar în care nivelul de iluminare este de peste 23lux acesta având centrul raportat la axele XoY în punctul (3,84 ; 5), iar la extremități se observă o scădere accentuată a nivelului de iluminare, acesta ajungând la o valoare minimă de 7lux. Pentru a se putea face o analiză mai corectă în Figura 1.23 ne este prezentat graficul nivelului de iluminare de-a lungul axei oY și privit din centrul axei oX(oX =1/2 * latime drum = 5 metrii);

Figura 1.23 – Nivelul de iluminare VS Lungime suprafață în secțiune, configurație preliminară.

Din Figura 1.23 ne dăm seama că pe ansamblu nivelul de iluminare pe întreaga suprafață este îndeajuns pentru a respecta stadardul, dar apare un punct critic (după 11,71metrii raportat la lugimea drumului) când nivelul iluminației scade sub nivelul mediu de 15lux impus de standard. Este de dorit a se obține o caracteristică a nivelului de iluminare pe toată suprafața cât mai plată, care să aibă un nivel mediu mai mare de 15lux, totodată astfel obținându-se un coeficient de uniformitate(U0) optim. Pentru aceasta se impune amplasarea unui nou ”stâlp” poziționat longitudinal opus față de primul, și anume raportat la axele XoY în punctul (18 ; 5). Am recurs din nou la simularea în Matlab cu configurațiile din Tabelul 1.5, ambii ”stâlpi” având aceeași configurație a surselor de lumină cu care sunt ”echipați”.

Tabel 1.5 – Configurații/Rezultate finale

Se observă că soluția optimă este de departe dată de ultima configurație, în Figura 1.24 fiind arătată reprezentarea grafică în 3dimensiuni a rezultatelor.

Figura 1.24 – Reprezentarea grafică a soluției recomandate.

Arhitectura recomandată constă astfel în amplasarea a 2 stâlpi în punctele (1 ; 5) și (18 ; 5) raportat la axele suprafeței de interes XoY(oX- lungime, oY – lățime), fiind echipate fiecare cu două surse de lumină LED CITIZEN CLL042-218A5303M1 și CITIZEN CLL042-1818A5503M1 la o înălțime de 10m, cu o înclinație față de planul suprafeței de 0 si respectiv 50°. În aceste condiții se obține un nivel mediu al iluminării Ev,med de peste 28lux cu un coeficient de uniformitate U0 de 0,68, satisfăcând astfel normele impuse. Această configurație a surselor este de asemenea recomandată și datorită faptului că, în condițiile în care din considerente economice sau tehnice, este posibilă utilizarea doar unui singur stâlp soluția este în continuare plauzibilă, întrucât aceasta se încadrează la limita standardului(vezi Tabel 1.4).

Folosind configurația recomandată mai sus se realizează iluminatul optim în care se are în vedere și eficiența energetică, dar în condițiile în care lucrarea noastră se referă la o trecere de pietoni, accentul cade pe siguranță, astfel că este de dorit a se folosii două surse de lumină LED de acelaș tip CITIZEN CLL042-1818A5503M1 cu un flux luminos de 7170lm.

Caracterul inteligent al acestei lucrări este realizat astfel printr-un control a fluxului de lumină debitat de cele două LED-uri folosite, având stabilit un punct de funcționare pentru trafic redus, în care una din surse de pe fiecare ”stâlp” este comandată să emită 4755lm(caz în care se obține rezultatul descris anterior pentru configurația recomandată unui iluminat optim), și un punct de funcționare în care este sesizat prezența traficului pietonal, caz în care ambele surse vor emite 7170lm obținând astfel un nivel al siguranței mai bun(Ev,med = 33,92lux ; U0 = 0,71), dar cu un consum energetic mai ridicat. Pentru a optimiza consumul energetic se poate folosii de asemenea, un senzor de lumină sub forma unei fotorezistențe, care să sesizeze prezența unei alte surse de lumină, fie ea artificială sau naturală, caz în care este redus în mod proporțional fluxul luminos debitat sistemul de iluminat. În vederea realizării achiziției de date de la senzori, iar apoi, pe baza unui algoritm intern, comanda fluxului luminos debitat de cele două LED-uri am folosit un sistem de calcul integrat sub forma unui microController.

Capitolul 2 Proiectarea Modulelor

2.1 Descrierea sistemului

Din modul în care au fost fixate obiectivele și constrângerile în capitolul precedent se poate deriva o schemă bloc a întregului sistem de iluminare pe baza căruia, mai departe, fiecare modul va putea fii analizat și proiectat corespunzător.

Fig 2.1 – Schema bloc a Sistemului de Iluminare

După cum se poate observa în Figura 2.1 sistemul este compus din:

a. Sursa/sursele de lumină: formată din două LED-uri de putere CITIZEN CLL042-1818A5503M1 capabile să asigure fluxul luminos ɸv necesar unei bune vizibilități pe timp de noapte;

b. Modul driver sursă/surse de lumină: modulul care furnizează energie electrică sub forma unui curent constat surselor de lumină LED, astfel încât aceasta să debiteze fluxul luminos dorit;

c. Modul microController: format dintr-un microController și componente auxiliare, care pe baza unui algoritm intern și a datelor primite de la senzori stabilește necesarul de flux luminos și transmie în consecință unu sau mai multe semnale de comandă driverelor;

d. Modul senzori – colectează date de la mediul extern cu privire la nivelul traficului pietonal, dar și a condițiilor ambientale ;

e. Sursa de Tensiune Continuă – modulul care convertește tensiunea de intrare alternativă (230V a.c.) la diferite nivele de tensiune continuă necesare alimentării fiecărui modul.

2.2 Proiectarea driver-ului de curent constant

Așa cum am vazut în subcapitolul 1.2.4 “Lămpi Bazate pe Dispozitive Conductoare”, pentru a avea un control precis și eficient a fluxului luminos debitat de LED-uri este necesară comandarea acestora în curent și nu în tensiune. În sistemul de iluminat propus de mine acest rol este îndeplinit de driverul de curent constant, care preia energie electrică de la sursa de tensiune continuă și o transferă LED-urilor sub forma unui curent constant, care poate fi modulat în funcție de semnalele de comandă venite de la microController(de exemplu modulare PWM sau stabilirea unui alt punct de funcționare). Pentru a putea determina specificațiile acestui modul am plecat de la caracteristicile din foaia de catalog a LED-ului folosit:

Figura 2.2 – Caracteristici LED CITIZEN CLL042-1818A5503M1;

dependența tensiunii ce cade pe LED(VF) în funcție de curentul prin joncțiune(IF);

valoarea relativă a fluxului luminos debitat de LED în funcție de curentul prin joncțiune(IF).

Din Figura 2.2 b) observăm că nivelul relativ de flux luminos ɸv de 100%, nivel în care LED-ul debitează 7170lm, este atins la o valoare a curentului prin joncțiune IF de 1,08A, în condițiile unei temperaturi a carcasei Tc de 25°C. Pentru a asigura o toleranță rezonabilă, driver-ul va trebuii să fie capabil să asigure LED-urilor un curent constant de până la 1,2A.

Un prim circuit avut în vedere este prezentat în Figura 2.3:

Figura 2.3 – Montaj experimental Driver de curent constan pentru LED-uri de putere.

Acestă topologie este folosită în circuitele analogice integrate ca protecție la suprasarcină a etajelor finale de amplificare[curs cia9], dar în această implementare, are rol de sursă lineară de curent. În câteva cuvinte, circuitul funcționează astfel: în momentul aplicării unei tensiuni continue VDD suficient de mare astfel încât dioda LED să intre în conducție și să asigure o deschidere completă a MOSFET-ului Q1, tensiunea culeasă de rezistorul RG și care este aplicată pe Grila lui Q1 îl determină pe acesta să se deschidă, fapt ce conduce la apariția unui curent IF prin circuit. Pe măsură ce valoarea curentului crește, căderea de tensune de pe terminalele rezistenței serie RS crește și ea. În momentul în care tensiunea “sesizată” de rezistența RS ajunge la valoarea căderii de tensiune bază-emitor pentru tranzistorul bipolar Q2(VBE,ON pentru tranzistorii cu siliciu ≈ 0,7V) acesta la rândul lui se deschide, fapt ce conduce la blocarea MOSFET-ului Q1 prin tragerea Grilei sale la masă. Așadar, curentul prin LED(IF) este fixat de valoarea rezistenței RS și a căderea de tensiune bază-emitor(VBE,ON) pentru tranzistorul bipolar Q2 folosit:

Injectarea unui semnal PWM direct pe grila MOSFET-ului Q1 va conduce la o modulare a curentului IF prin LED, ceea ce se traduce, așa cum a fost arătat în subcapitlul 1.2.4 “Lămpi Bazate pe Dispozitive Conductoare”, print-o modificare proporțională a intensității fluxului luminos debitat de LED.

Avantajele unui astfel de montaj sunt date de simplicitatea sa, costul redus pe care îl prezintă și de faptul că datorită caracterului său linear, curentul prin LED(IF) nu prezitnă valori de riplu(semnalul curentului este format doar din componenta continuă, nefiind supraimpus peste acesta nici o componentă alternativă sau zgomot). Din păcatele dezavantajele montajului, care nu sunt de neglijat, sunt date de dependența curentului prin LED(IF) cu temperatura, dependență introdusă de deriva termică a tensiunii bază-emitor a tranzistorului bipolar Q2( ≈ -2mV/°C pentru tranzistorii cu siliciu; vezi relația 1.22), dar și de existența unei puteri disipate de MOSFET-ul Q2, ce scade eficiența monatajului, precum și fiabilitatea lui.

Puterea disipată de tranzistorul MOSFET Q2 este dat de faptul că acesta este utilizat în regiunea activă a sa, jucând rolul unei rezistențe dinamice. Pentru a minimiza pierderile de conducție prin MOSFET este necesar operarea sa doar în saturație, caz în care pentru a îndeplinii rolul de driver de curent constant, în montaj este implementată o configurație a unei surse de putere în comutație Buck comandată în curent, precum cea din Figura 2.4.

Figura 2.4 – Schemă electrică simplificată a unei surse de putere în comutație Buck comandată în curent.

2.3 proiectarea sursei de tensiune continua

2.4 proiectarea microControlerului si a sistemelor de senzori

Capitolul 3. Realizarea practică, punerea în funcțiune și testarea

Capitolul 4. Concluzii

Bibliografie