Licenta1.2 (autosaved) [305439]

[anonimizat]:

Sl.Dr.Ing.Mircea Tomoroga

Absolvent: [anonimizat]

2017

Cuprins

Capitolul 1. Prezentarea temei 2

Capitolul 2. Proiectarea circuitului 14

Capitolul 3. Realizarea practică 20

Capitolul 4. Rezultate experimentale 28

Capitolul 5. Concluzii 30

Capitolul 6. Bibliografie & Anexe 31

Prezentarea temei & [anonimizat]-uri, functiile suplimentare existand deja pe piata dar nu sub aceasta forma. Functionalitatea suplimentare principala care va face obiectul acestei lucrari o [anonimizat]. O alta functionalitate care se doreste a fi implementata este aprinderea dar si stingerea progresiva a sistemului, aceasta functie vine in ajutorul utilizatorilor astfel ca acestia nu vor fi afectati de fluxul de lumina din momentul aprinderii becului dar nici de lipsa acestuia in momentrul stingerii astfel ca ochiul va avea sufficient timp sa se obisnuiasca in prima faza cu lumina iar ulterios cu lipsa acesteia.

[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], adaptarea dureaza 30-40 [anonimizat]. [anonimizat], ceea ce are ca urmare scaderea pragului de excitabilitate a celulelor receptoare. Aceste procese fac ca adaptarea la trecerea de la intuneric la lumina sa se petreaca mult mai rapid (maxim 3-4 minute).

[anonimizat]. Lumina patrunsa in ochi strabate celulele retiniene pana in stratul pigmentar si este absorbita de pigmentii fotosensibili din celulele cu bastonase si conuri. Celulele receptoare sunt stimulate de radiatii cuprinse intre 390-760 nm. [anonimizat], in retinol si opsina (derivat al vitaminei A), cu eliberare de energie. Aceste procese determina cresterea permeabilitatii membranei celulei receptoare pentru sodiu si aparitia potentialului de receptor.

[anonimizat], nu au acelasi spectru ca luminia naturala si de aici rezulta variatia in calitatea spectrului luminos si necesitatea de masurare si analiza.  [anonimizat].

Lungimile de unda ale spectrului vizibil:

In urmatorul tabel putem sa observam cat de larg este spectrul luminii naturale, spectru pe care doresc sa l reproduca toate dispozitivele de iluminat doar ca unele reusesc sa se apropie mai mult si altele mai putin.

Becul incandescent este cel care reda intreg spectrul lungimilor de unda insa avesta reda cel mai bine lungimile de unda mai mari decat 500nm, becul cu halogen este cel care se apropie cel mai mult de lumina naturala acesta reusind sa redea lungimi de unda intre 450-750nm iar aproape la fel de bine se descurca si becul LED cu lumina calda, acesta cuprinzand lungimile de unda intre 450-650nm iar la polul opus de afla becul flourescent, acesta reusind sa redea doar cateva lungimi de unda dar dintre toate tipurile prezentate anterior cel mai bun randament il are becul cu LED, asadar acesta reuseste sa dea cel mai bun randament si sa redea cel mai bine lumina naturala.

In decursul anilor atat eu cat si alte personae am observant necesitatea acestor functii suplimentare la sistemele de iluminare dar pana in momentul aparitiei LED-urilor acest lucru era destul de dificil de facut deoarece vechile sisteme de iluminat necesitau o tensiune mare de alimentare. In secolul a 20-les iluminatul electric nu era ceva obisnuit, oamenii foloseau lampi cu petrol, iluminare cu gaz, lumanari si focul iar primul corp de iluminat incandescent a aparut in anul 1802 urmand ca dupa 4 ani sa apara si primul system de iluminat practice cu arc electric. Succesul pentr sistemul cu arc electric a venit aproximativ peste 70 de ani cand acest system de ilimutat se folosea in multe spatii publice.

Ulterior la inceputul secolului XX inventatorii au deszoltat cu suces un filament constant stralucitor care venea sa inlocuiasca lumina arcului cu iluminat incandescent. Primele LED-uri au aparut in anul 1960 dar acestea aveau energie de alimentare mica si produceau doar lumina rosie astfel ca acestea erau folosite cu precadere pentru a indica ceva, functionaea unui dispozitiv sau aparitie unor defectiuni. Primul LED albastru a aparut abia in anul 1994 si tot atunci au aparut si LED-urile de inalta eficienta iar aceste doua descoperiri au dus la aparitie Led-ului alb care folisea un strat de fosfor pentru a converti partial lumina albastra emisa in lumina rosie si verde creand o lumina alba.

Pentru LED-urile RGb(Red Green Blue) se poate folosi un singur LED cu trei structuri (Red/Green/Blue) incorporate care sunt comandat pe trei linii separate de comanda a culoarii, sau un 'punct luminos", compus din structuri LED rosu/verde/albastru distincte. Prin comanda separata a fiecarei culori din cele trei se obtin peste 16 milioane de nuante (acest principiu este utilizat si in monitoarele cu led-uri )

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano și Nakamura au primit dupa multi ani premiul Nobel in fizica pentru inventarea LED-urilui albastru, premiul a venit in anul 2014. Philips Lighting a incetat in anul 2008 cercetarea pe lampi flourescente compacte si a inceput sa dedice cea mai mare parte a bugetului de cercetare pentru iluinatul solid-state. In data de 24 septembrie 2009 Philips Lighting North America a fost primul fabricant a obtinut lampi care sa inlocuiasca becul standard de 60W W A-19 ”Edison cu surub de prindere” iar in anul 2011 DOE(Departamentul Energiei) premiul la categoria de 60w penru lampa cu LED-uri Philips dupa mai bine de un an de testare extinsa.

La inceput lampile cu LED-uri variau destul de mult in cromatica fata de lampile cu incandescenta, lampi pe care le-au inlocuit astfel ca a fost dezvoltat un standard intitulat ANSI C78.377-2008

In anul 2008 in Statele Unite ale Americii si Canada programul Energy Star a inceput sa eticheteze lampile/becurile care indeplinesc un set de standarde pentru culoare, speranta de viata, timp de pornire dar si consistenta performantei, de asemenea a aparut si in Regatul Unit un program asemanator care a fost lansat tocmai pentru a identifica produsele de iluminat care respecta standardele si performanta energetica. Societatea de Inginerie pentru Iluminare din America de Nord (IESNA) a publicat  în 2008 un standard documentar, LM-79, care descrie metodele de testare a produselor de iluminat cu semiconductori în funcție de iluminarea lor (lumeni), eficacitate (lumeni per watt) și cromaticitate.

LED-urile folosite ca indicatoare sunt proiectate sa functioneze cu o energie electrica de cel mult 29…..61mW insa in jurul anului 1999 Philips a adus pe piata un led de putere care este capabil sa lumineze continuu cu 1 Watt doar ca aceste LED-uri nu sunt pentru utilizare zilnica acasa, ba mai mult aceste LED-uri de putere au nevoie de radiator care sa permita transferul de caldura din matrita LED-ului dar cei de la Philips nu s-au oprit aici si trei ani mai tarziu au enit cu un alt produs de data asta mai puternic si anume un LED care functioneaza la 5wati avand o eficacitate luminoasa de 18-22 lumeni/watt iar un bec conventional de 100 wati are o eficienta de doar 15lumeni/watt

Figura 5.3 Catalog Lumini Led

In septembrie anul 2003 firma Cree a prezentat cel mai stralucitor LED cu lumina alba de pe piata, acesta avand o eficienta de 65lm/w cu un consum de doar 20mA, acesta fiind mai eficient de patru ori in conparatie cu becrile incandescente standard. Cei de la Cree nu s-au oprit acici cu inovatia astfel ca trei ani mai tarziu acestia au adus un nou prototip de LED alb cu o eficienta luminoasa de 131 lm/w avand un consum de doar 20mA.

Cei de la Nichia Corporation a dezvoltat un LED cu o eficacitate luminoasa de 150 lm/W avand un consum de 20 mA. Comparativ, LED-urile XLAMP Cree, care au fost disponibile comercial incepand cu anul 2011, au o eficienta de 100 lm/W consumand 10W si pot urca la 160 lm/W cu numai 2W consumati. In anul 2012 firma Cree a lansat un LED alb capabil de 254 lm/W. Iluminatul general are nevoie de LED-uri de mare putere, de un watt sau mai mult. Curentii tipici de operare pentru astfel de dispozitive incep de la 350 mA.

In anul 2010 firma Cree a emis un comunicat de presa cu privire la un prototip la care lucreaza acestia, prototip care are o eficienta luminoasa de 208lm/w la temperatura camerei iar temperatura de culoare corelata a fost de 4579 K iar doi ani mai taziu aceeasi firma anunta ca au scos pe piata spre comercializare LED-uri cu eficienta de 200lm/w la temperatura camerei

Durata de viata si rata de defectare

LED-urile sunt si ele supuse imbatranirii insa aceasta imbatranire poate sa fie mai accelerata sau mai lenta. Durata de viata a dispozitivelor semiconductoare (LED-urilor) se incadreaza in intervelul 25000 si 100000 de ore de functionare. Aceasta durata de viata dupa cum se observa are o plaja destul de mare si asta pentu ca LED-urile imbatranesc diferit iar factorii care duc la imbatranirea LED-urilor sunt multipli, printre care amintim setarile de temperatura si curentul la care sunt supuse LED-urile, cu alte cuvinte daca pastram o temperatura optima in jurul LED-urilor si le alimentam cu curentii dati de producatori nu facem altceva decat sa lungim viata LED-urilor ajungand pana aproape sau chiar depasind limita de 100000 de ore, in schimb daca mediul un care dorim sa punem LED-uri nu ne permite sa reglam temperatura astfel incat aceasta sa fie optima sau curentul de la care alimentam LED-urile este mai mare decat curentul nominal dat de producator scurtam viata LED-ului iar scurtarea aceasta este mai mare sau mai mica in fucntie de cat de departe suntem noi de valorile nominale sugerate de producatori.

Degradarea LED-rilor inseamna de fapt scadera traptata a luminii emise de acestea iar aceasta pierdere de lumina duce la pierderea eifientei luminoase, la inceputul erei LED-urilor acestea aveau o durata de viata mult mai mica decat au azi dar tehnologia a avansat destul de mult si azi putem sa ne bucuram de LED-uri o perioada mult mai lunga. LED-urile de putere sunt primele care au o durata de viata mai scazuta decat a celor normale si asta petru ca acestea functionand la curenti mai mari implicit dezvolta si mai multa caldura ceea ce duce la o speranta de viata mai scazuta. Exista si un standard in vigoare care ii obliga pe producatori sa adauge pe eticheta produsului si indicativele L70 sau L50, indicative care ne spun de obicei in ore cand LED-ul va ajunge la o intensitate luminoasa de 70% sau de 50% din intensitatea limonoasa de la inceput.

Lumina genarata de LED-uri in general este rece si asta pentru ca in comparatie cu alte surse de lumina care folosesc combustibili pentru a genera lumina LED-urile au temperatura jonctiunii de 125-150 de grate Celsius, asa specifica producatorii iar pentru o durata de viata mai lunga a LED-ului se recomanda temperaturi mai scazute in jurul LED-ului astfel va scadea si temperatura jonctiunii si asta se traduce prin mai multe ore de functionare.

Caldura reziduala este inamicul principal al LED-urilor deoarece aceasta le scurteaza durata de viata daca nu se tine cont de eliminarea ei, inginerii trebuia sa gaseasca o cale prin care sa transporte caldura din interiorul LED-ului inspre un disipator de calura(radiator), acesta reuseste prin convectie sa scada temperatura LED-urilor asadar o etapa foarte importanta in proiectarea LED-urilor o constituie proiectarea termica. De obicei LED-urile de putere mica si medie nu au nevoie de radiator acestea disipand o caldura rezonabila in schimb LED-urile de putere sunt cele care au nevoie de o atentie sporita cand vine vorba de disiparea caldurii

Temperatura nominala la care Led-urile rezista cel mai mult este de 25 de grade celsius asadar daca Led-urile se afla intr-o carcasa neventilata sau sunt im medii cu temperaturi cu mult peste 25 de grade de exemplu afara direct in soare aceste nu doar ca au o durata de viata mai mica dar este posibil sa se distruga in scurt timp deoarece in aceast situatie temperatura jonctiunii atinge valori cu mult mai mari fata de tempetara nominala.

Mediul cel mai favorabil pentru LED-uri este un loc racoros ca de exemplu in frigider sau in congelator unde se inregistreaza temperaturi mult sub 25 de grade temperatura nominala de functionare a LED-urilor, dar si temperatura prea scazuta poate sa afecteze LED-urile nu doar sa le faca bine asa ca unele LED-uri aflat in astfel de medii au circuite de incalzire

Materialele din care se construiesc LED-urile

LED-urile sunt fabricate din diferite materiale semiconductoare anorganice, aceste materiale determina de fapt si culoare Led-ului.

LED-urile albastre pot fi folosite alaturi de cele rosii si verzi iar acestea impreuna dau lumina alba sau sunt folosite separat in ecrane video mari, acestea sunt LED-urile RGB( Red Green Blue). Inceputul erei LED-urilor albastre a fost in anul 1971 cand a aparut primul LED albastru doar ca acesta nu producea destul de multa lumina ca sa poata sa fie folosit in diferite aplicatii. Aproape 10 ani mai arziu progresul tehnologic a facut posibil utilizarea LED-urilor albastre in diferite domenii. Shuji Nakamura a fost cel care a inventat Led-ul albastru.

LED-urile care emit lumina alba sunt construite in doua moduri, primul ar fi folositea a trei LED-uri individuale RGB iar prin amestecarea acestor trei culori primare se va optine un LED care va emite lumina alba, al doiea mod de a optine lumina alba este folosirea unui material din fosfor pentru a realiza conversia luminii monocromatice de la LED-urile albastre sau UV(untraviolet) la lumina alba care are un spectru larg.

Am descoperit ca exista nu mai putin de 3 modalitati de a combina culori pentru a produce lumina alba:

Prima modalitate ar fi prin folosirea a trei LED-uri RGB iar prin combinarea acestor culori vom obtine lumina alba, aceasta modalitate de combinare a culorilor de foloseste cu precadere pentru a ilumina fundalul ecranelor

A doua modalitate: folosirea luminii UV sau UV LED plus fosfor RGB dau o lumina alba dar care are o lungime de unda mai mica decat lumina obtinuta prin prima modalitate

A treia modalitate si cea mai eficienta si mai folosita dintre toate cele trei metode, in acest caz se combina LED-ul albastru cu fosfor galben iar rezultatul va fi lumina alba

Tipuri de LED-uri

Controlul LED-urilor

LED-urile sunt construite din jonctiuni PN, iar in momentul in care acesta este polarizat direct electronii se recombina in interiorul dispozitivului si elibereaza energie sub forma de fotoni. Curentul care va trece prin LED trebuie sa fie limitat si stabil deoarece acesta influenteaza luminozitatea LED-ului. Curentul care face LED-ul a lumineze se poate limita in mai multe feluri:

Prin folosirea uni simplu rezistor care are rolul de a limita curentul din LED

Folosind un convertor dc-dc care ne ofera la iesire o tensiune constanta

Folosind o sursa de curent constant

In cele ce urmeaza am sa prezint pe scurt cele trei feluri de alimentare ale Led-urilor

Folosirea rezistorului:

Aceasta metoda de limitare a curentului cu ajutorul unui rezistor este cea mai simpla si usor de implementat metoda iar daca pe langa sursa de tensiune mai adaugam si un comutator vom obtine cel mai simplu circuit de alimentare pentru Led-uri. Aceasta metoda are insa si un dezavantaj mare si anume acela ca sursa fiind atat de simpla este afectata de variatiile de temperatura dar si de fluctuatiile de tensiune de la bornele bateriei iar cum intensitatea LED-urilor depinde de curent iar daca acesta nu este constant vor aparea fluctuatii in intensitate

Folosirea sursei de curent constant sau a sursei de tensiune constanta

Metoda aceasta vine sa compenseze neajunsurile aduse de metoda rezistorului astfel ca aceasta metoda rezolva exact problema cu fluctuatiile de tensiune sau de curent, aceste surse de tensiune sau de curent constant sunt foarte precise iar fluctuatiile sunt minime

In graficul de mai sus avem 3 grafice care vin sa ne arate cum arata grafic comanda LED-urilor folosind in prima figura de la stanga la dreapta sursa de tensiune constanta, in a doua figura o sursa de curent constant iar in ultima figura o combinatie intre ceva doua.

Cea de a treia varianta cea in care folosim o combinatie intre o sursa de tensiune constanta si una de curent constanta este cea mai eficienta dintre toate cele trei prezentate, o data ce curentul maxim admis de sarcina este atins, bucla de control a circuitului va tine curentul la o valoare constanta si va reduce incet tensiunea de iesire.

In decursul anilor si-au facut aparitie pe piata tot mai multe circuite integrate care fac exact ce fac si sursele prezentate mai sus astfel ca implementarea acestora este mai usoara iar aceste circuite integrate poarta numele de drivere de alimentare

Una din primele si cele mai vechi metode de alimentare a LED-urilor cu o sursa de curent constant este construita din tranzistoare

Printre altele exista si drivere de alimentare a LED-urilor in comutație care au la baza o sursa in comutație astfel ca regulatorul de tensiunea in comutație are rolul de a păstra tensiunea constanta la diferite sarcini doar ca pentru a putea păstra tensiunea constanta este necesar sa existe protecție la supratensiune.

Cele mai uzuale tipuri de surse de alimentare in comutație:

Buck – tensiunea de ieșire este mai mica decât cea de la intrare

Boost – tensiunea de ieșire este mai mare decât cea de la intrare

Buck-Boost – este o structura ridicatoare-coboratoare de tensiune cu iesire inversata

Sepic – convertorul acesta nu face altceva decât sa împrumute din funcțiile convertoarelor Buck si Boost, acesta micșorând sau crescând tensiunea de la iesire chiar daca la un moment data tensiunea prezenta la intrare este mai mica decat cea de la iesire

Flyback – si acest convertor este la baza tot o combinație intre convertoarele Buck si Boost doar ca acesta are un transformator care izolează galvanic intrarea de ieșire in loc de inductoare.

Exemple Drivere de alimentare

LED driver cu L6902

In figura de mai sus avem un Driver de alimentare in comutatie de tip buck pentru 6 LED-uri, iar rezistentele R1 si R3 au rolul de protectie la supratensiune ( tipic 23.3V ) iar in cazul in care se defecteaza un LED se va intrerupe alimentarea tuturor LED-urilor.

Mai jos avem un tabel cu valorile rezistentelor in functie de curentul LED-ului

LED Driver cu LTC3783

Driverul LCT3783 este de tip flyback si poate sa ofere la ieșire un curent de 150mA pentru mai multe LED-uri conectate in serie iar numărul de LED-uri care pot fi conectate in serie este egal cu 120v/3.6v=33LED-uri. Protecția la supratensiune se activează la 130v si de dezactivează automat când tensiunea scade sub 120v de aici si 120v din formula de mai sus iar cei 3.6v reprezintă tensiunea de alimentare pentru fiecare LED.

Capitolul 2: Proiectarea Circuitului

Intr-un final am decis sa nu încep proiectul de la zero ci sa caut pe piața un corp de iluminat cu LED-uri care sa se muleze pe cerințele mele dar in același timp sa fie un produs care sa-mi permită aducerea de modificări necesare astfel încât acesta sa corespundă in totalitate cu cerințele mele. După câteva căutări pe site-urile de specialitate si in câteva magazine online am găsit un produs care arata destul de bine si îmi satisface cele doua cerințe.

Prima mea cerința cu privire la produs era sa fie un corp de iluminat cu LED-uri, iar cea de a doua presupunea ca produsul sa dispună de un acumulator. Pe piața din Romania nu se prea găsesc astfel de corpuri de iluminat cu LED-uri care sa dispună si de un acumulator, cele mai multe fiind acele indicatoare de urgenta care ne arata ieșirea doar ca acestea nu se mulează pe cerințele mele. O data găsit produsul l-am comandat si am așteptat sa ajungă iar in timpul acesta am făcut mai multe căutări cu privire la modul de comanda al acestui bec si la modul de alimentare.

Becul a ajuns si se prezinta exact cum se vede in pozele de mai sus, acesta vine intr-un înveliș de plastic alb si dispune de o dulie normala dar si de un mâner, pentru ca acest bec poate fi folosit si doar cu acumulatorul. Dupa ce a ajuns becul am inceput sa il desfac sa vad cum anume functioneaza si unde as putea sa intervin ca sa ii aduc modificarile dorite.

In cele din urma am hotarat in prima faza sa-i aduc urmatoarele functii suplimentare:

Temporizare de 20 s

Stay ON

Acest bec cu LED-uri este gandit ca un corp de iluminat care sa fie montat intr-un loc unde avem nevoie de putina lumina si in momentul in care se intrerupe reteaua principala dar si in momentul in care dorim sa-l stingem. In prima faza acest bec nu se va stinge imediat ce am actionat intrerupatorul iar aici intervine prima functie suplimentara adusa si anume temporizarea de 20 de secunde.

Se intampla sa avem in casa sau in jurul casei unele zone unde mai avem nevoie de putina lumina si dupa ce actionam intrerupatorul in pozitia OFF iar asta poate pentru ca intrerupatorul nu este langa usa de la iesire sau avem mai multe iesiri iar noi avem treaba la alta usa dar avem nevoie de putina lumina si in momentul in care seara dorim sa stingem becul iar tocmai pentru ca intrerupatorul este la usa o data stins becul nu vom mai vedea drumul inapoi inspre pat.

Aceasta temporizare vine sa rezolve exact aceasta nevoie a noastra de a mai beneficia de cateva secunde de lumina dupa actionarea intrerupatorului. O data actionat intrerupatorul temporizatorul va incepe sa contorizeze cele 20 de secunde dupa care va actiona asupra LED-urilor iar pentru ca becul nostru dispune de doua randuri de LED-uri am hotarat ca dupa temporizare sa se stinga doar un rand din cele doua, cel mai mare. Dupa ce au trecut cele 20 de secunde si randul de LED-uri s-a stins noi vom decide daca mai avem nevoie de celalalt rand de LED-uri sau nu.

Sunt persoane care nu pot sa adoarma daca este bezna totala in camera asa ca acel rand de 9 LED-uri ii va oferi o lumina destula cat sa poata adormi dar nu prea multa incat sa-l deranjeze, sau poate alegem sa punem becul intr-o incapere unde din anumite motive avem nevoie de putia lumina tot timpul. In schimb daca dupa acea temporizare de 20 de minune nu dorim ca cele 9 LED-uri sa mai produca lumina putem foarte simplu sa le stingem de la distanta folosind telecomanda cu infrarosu care ne ofera posibilitatea fie de a aprinde din nou si celalalt rand de LED-uri fie sa le stingem pe toate.

Pana acum am prezentat functia de temporizare urmand ca acum sa spun cateva cuvinte si despre cea de a doua functie si anumea cea denumita Stay ON, aceasta functie dupa cum ii spune si numele este o functie care se foloseste si ea de acel acumulator extern al becului. Acumulatorul poate sa isi faca simtita prezenta fie in momentrul in care noi dorim sa folosim functia de temporizare fie in momentrul in care reteaua principala sufera defectiuni iar noi avem nevoie de lumina in continuare dar nu avem la indemana un generator de curent care sa ne faca becul sa lumineze.

Asadar in momentul in care trecem pe acumulator avem la dispozitie doua optiuni de iluminat iar alegera unei optiuni sau a celeilalte depinde doar de nevoia noastra de iluminare.

In primul rand putem sa optam pentru ca becel nostru sa foloseasca in continuare ambele randuri de LED-uri pentru o lumina mai buna, dar ce trebuie avut in vedere la acest mod este ca durata de luminare este mai mica decat la celalalt mod. Mai concret in modul Full becul va emite lumina timp de 2-3 ore dar mai trebuie sa tineti cont de un lucru si anume ca in acest timp de 2-3 ore lumina emisa de LED-uri nu va fi constanta, aceasta scazand progresiv pana in momentrul in care nu va mai lumina deloc

Al doilea mod de iluminare este acel mod in care folosim de unul dintre cele doua randuri de LED-uri, acest mod se foloseste mai des in situatiile in care avem nevoie de lumina dar nu de prea multa. Acest mod de iluminare este mai economic comparativ cu celalalt mod iar pentru simplul fapt ca avem doar jumătate din lumina maxima posibil emisa avem si o durata de iluminare aproape dubla, 4-5 ore

Acum ca aveam produsul la dispozitie am inceput sa ma gandesc la diferite scheme prin care as putea sa implementez acel temporizator despre care ziceam anterior. Primul lucru care mi-a venit in minte cand ma gandeam cum sa realizez temporizatorul a fost circuitul integrat LM 555, circuit pe cale l-am mai folosit si in alte proiecte pentru facultate. O data gasit un punct de plecare am inceput sa caut pe internet mai multe detalii despre acel circuit integrat cu care sa realizez temporizatorul si nu dupa mult timp aveam deja o schema in minte.

Surpriza cea mare pentru mina a fost cand am descoperit ca eu nu am pe placa mea tensiune de peste 4.5v asa ca imediat ce am gasit prima solutia am fost nevoit sa caut o alta. Am cautat pe internet daca exista si o varianta a acestui circuit integrat dar care sa aiba o tensiune de alimentare ceva mai mica, astfel incat sa pot sa-l conectez la placuta mea. Dupa cateva cautari am descoperit o varianta CMOS a circuitului LM555 care se numeste ICM7555 iar acest circuit are o gama ai larga de tensiuni de alimentare si anume tensiunea minima este de 2v iar cealalta extrema este la 18v. Principala functie a cestui integrat ICM 7555 corespunde cu functia vechiului LM555 si anume aceea de a genera inatrziere dar si de a genera impulsuri, iar intarzierile care se pot aduce cu acest circuit incep de la ordinul microsecundelor si ajunge pana la ordinul orelor. Cum era de asteptat si factorul de umplere este ajustabil, acesta putand fi modificat de utilizator. Viteza maxima de operare a circuitului este de 1Mhz.

In imaginea de mai sus avem configuratia pinilor atat pentru capsula cu 8 terminale (DIP-8)care este cea mai folosita dar si pentru modelul cu 14 terminale, eu am ales pentru proiectul meu prima varianta si anume capsula cu 8 terminale. Pinii 1 si 8 vedem ca sunt folositi pentru alimentare, pinul 1 fiind legat la masa iar pinul 8 la tensiunea de alimentare.

Pinii de triger si de reset vedem ca sunt activi pe front descrescator asa ca va trebui sa tinem cont si de acest lucru. Pe langa acesti pini mai avem la dispozitie si pinul de iesire, pin prin care va iesi comanda noastra spre circuitul nostru dar si pinii de discharge si threshold care se vor lega impreuna iar la acestia vom atasa un fltru RC, iar acest filtru RC ne va da durata temporizarii care se calculeaza simplu cu formula T=1.1*RC asadar daca se cunoaste T adica durata temporizarii urmatorul pas esta sa se aleaga valorile pentru R si pentru C astfel incat sa se obtina temporizarea dorita.

Integratul ICM 7555 poate sa functioneze intr-o gama destul de larga de temperaturi si anune, temperatura minima la care inca mai functioneaza circuitul este -25 de grade celsius iar limita superioara este +85 de grade celsius, dar exista si alte variante ale acestui integrat care au limita inferioara la -55 de grade celsius iar limita superioara la +125 de grade si asta pentru a putea sa functioneze in cele mai ostile medii unde omul nu ar putea rezista fara ajutor.

Modul de functionare pe care dorim sa il obtinem de la acest circuit integrat este cel monostabil pentru ca de asta avem nevoie in momentul de fata, avem nevoie de o stare stabila care sa ne ofere o temporizare. In cazul nostru temporizarea dorita este de 20 de secunde, iar aceasta se obtine modificand valorile pentru capacitorul si resistorul care formeaza filtrul RC de la terminalele Vdd, Discharge,Threshold si Control Voltage folosind formula

T out=-ln(1/3)RC=1.1RC

aceasta este schema temporizatorului nostru in configuratie de monostabil.

Urmatorul pas dupa ce am aflat gama de tensiuni de alimentare posibile ale circuitului integrat a fost sa caut in schema circuitului un punct de unde sa pot sa alimentez integratul ICM7555 astfel incat acesta sa realizeze temorizarea exac la momentul dorit de mine, dar inainte sa fac asta am lipit pe placuta doua fire pentru a putea sa alimentez circuitul deoarace acum acesta nu se mai alimenta pe unde fusese el gandit si asta pentru ca am desfacut l-am dat jos din carcasa lui.

Iar pentru ca am dorit ca temporizarea sa inceapa in momentrul in care se intrerupe alimentarea de la retea trebuia sa gasesc un punct care in functionare corecta sa aiba o tensiune mai mare sau egala cu 2V pentru ca asta este limita inferioara a tensiunii de alimentare a integratului

Structura interna a integratului este prezentata in poza de mai jos

iar functia principala a acestui circuit integrat este aceea de a gerera temporizari/intarzierei sau de a genera impulsuri

In imaginea de mai sus avem schema circuitului nostru de temporizare cu protecțiile necesare. Schema circuitului e conceputa in programul Eagle 8.2.1 free, așadar am folosit varianta pusa la dispoziție de cei de la Eagle gratis si mi-am permis sa folosesc varianta aceasta întrucât acesta nu este un proiect care va ieși pe piață si nu are nevoie de aprobări si programe cu licență plătită.

Alimentarea circuitolui se face pe la pinul 8 iar pinul de masa este pinul 1, pinul 2 este pinul de trigger unde noi vom avea un circuit care ne va genera impulsul dorit, pinul 3 este pinul de iesire, iar semnalulpe care il vom obtine la pinul 3 il vom folosi pentru a comanda circuitul cu LED-uri in vederea controlarii acestuia.

Pinl 4 este pinul de reset iar datorita faptului ca pinul de reset este activ pe 0 logic am ales sa il conectez la Vcc astfel incat acesta sa fie tot timpul inactiv si doar in momentul in care doresc sa aplic un reset circuitului sa il trag la ground iar acesta sa fie activ.

Pinul 5 este pinul de Voltage control iar recomandarea producatorului este sa se foloseasca un capacitor de 100 nF intre pin si ground-ul circuitului astfel nu vom avea probleme cu perturbatiile

Pinul 6 threshold se conecteaza impreuna cu pinul 7 discharge dar si cu pinul de alimentare (8) iar conexiunea cu ground-ul se face printr-un rezistor si un capacitor conectati in serie, este important de stiut ca modificand valoarea acestor doua componente( resistor si capacitor) modificam de fapt timpul de intarziere al integratului. Formula care se foloseste pentru a determina timpul de intarziere vom folosi formula T=1.1*R*C iar in cazul nostru am folosit un rezistor cu valoarea de 200kohm si un capacitor avand capactatea de 100nF.

Inlocuind in formula valorile noastre obtinem un T teoretic de 22 de secunde

T=1.1*200*10^3*100*10^-6=

=220*100*10^-3=

=22 s

Ca sa verific functionarea corecta a acestui circuit am conectat la pinul de iesire un LED in serie cu un rezistor si am observat ca temporizatorul nostru isi facea treaba iar cele 22 de secunde de intarziere pe care le-am obtinut pe foaie le-am obtinut si in practica. In momentul in care deconectam sursa principala de alimentare de la circuitul nostru se aprindea LED-ul care emitea lumina timp de 22 de secunde.

Acum ca aveam schema temporizatorului gata mai aveam o misiune de indeplinit, si anume sa realizez o alta schema, in prima faza o schema teoretica iar mai apoi sa o implementez fizic, aceasta schema este responsabila cu generarea unui impuls pentru pinul de trigger astfel încât acesta sa dea comanda temporizatorului.

Pinul nostru de trigger fiind activ in zero logic aveam nevoie de un circuit care sa ne furnizeze acel impuls de la 1 logic la 0 logic un timp suficient cat sa sesizeze si pinul acest lucru dar după aceasta cădere de tensiune este necesar ca semnalul sa urce iar la linia de 1 logic pentru ca integratul nostru sa sesizeze ca a primit acel impuls, deși pinul de trigger este activ in 0 logic acesta va comunica mai departe faptul ca a primit un 0 logic abia când semnalul revine iar la linia de 1 logic.

Dupa cateva cautari am ajuns la concluzi ca cel mai simplu si mai usor de implementat circuit care sa ne ofere acel impuls de care avem nevoie este un circuit monostabil făcut cu tranzistoare.

In figura de mai sus avem circuitul monostabil care in teorie este capabil sa ne ofere acel impuls de care ziceam ca avem nevoie pentru a trage linia de 1 logic la 0 logic o perioada destul de scurta iar apoi sa urcam iar potențial.

Circuitul monostabil cu tranzistoare este un circuit usor de implementat, acesta ne avand multe componente, doar doua tranzistoare ambele avand emitorul legat direct la ground, trei rezistoare si un capacitor iar intrarea se leaga printr-un rezistor la intrarea circuitului unde ai nevoie de impuls, in cazul nostru iesirea circuitului monostabil se va conecta pinul de trigger(pinul 2) al circuitului integrat ICM 7555

In imaginea de mai sus avem atât primul circuit realizat de noi care îndeplinește funcția de temporizator cat si al doilea circuit care are rolul de a crea un impuls care sa comande intrarea circuitului de temporizare astfel încât acesta sa înceapă sa contorizeze cele 22 de secunde impuse de noi cu ajutorul celor doua componente pasive( rezistor si capacitor)

In cele ce urmeaza am sa va prezint si realizarea practica a acestor circuite

Capitolul 3. Realizarea practica

Realizarea practica a proiectului de diploma a inceput dupa ce am finalizat cele doua figuri de care aveam nevoie pentru ca circuitul final sa poata sa indeplineasca cerintele impuse la inceput. Dupa ce am pus la punct cele doua scheme si le-am unit următorul pas a fost sa fac rost de componentele, aparatele si uneltele necesare iar aceasta parte pot sa spun ca a fost cea mai usoara parte a proiectului si asta multumita profesorului coordonator care spre norocul meu detine magazinul RET din timisoara (magazin cu specific electronic) ba mai mulr de atat dispune si de un loc special amenajat unde se poate lucra la astfel de proiecte, asadar domnul profesor mi-a pus la dispozitia absolut toate uneltele, ustensilele, aparatele si componentele de care era nevoie pentru ca eu sa duc la bun sfarsit aceasta lucrare de licenta.

Lista de unelte, aparate si componente de care am avut nevoie pentru a putea realiza partea practica:

in primul rand am avut nevoie de circuitul integrat ICM 7555 iar aceasta prima componenta a gasit-o destul de usor desi este varianta mai putin populara a circuiului LM 555

Pe urma am facut rost de componentele pasive si active incepand cu rezistoarele de diferite valori, continuand cu capacitorii electrolitici dar si ceramici de mai multe valori, tranzistoare NPN pe cale le-am folosit in circuitul care are sarcina de a genera un impuls

A trebuit sa imi mai pregatesc fire cu care sa fac legatura intre toate componentele si nu in ultimul rand am avut nevoie de doua placute de test unde am proiectat circuitele

Pe langa acesta componente am avut nevoie si de cateva unelte fara de care nu as fi putut sa duc aceasta lucrare la bun sfarsit, incepant de la cleste pentru dezizolat fire, continuand cu cositorul pentru lipirea componentelor, multimetru pentru masuratea diverselor tensiuni, penseta pentru componentele cu gabarit mic si nu in utimul rand am avut nevoie de o statie de lipit

Mai jos am sa prezint cateva fotografii care sa ilustreze aparatura folosita :

Aici avem cele doua placute de test, penseta, clestele si hartiile folosite pe post de ciorne

In aceasta poza avem statia de lipit fara de care nu putea sa duc la bun sfarsit lucrarea si un cleste folosit in special pentru taiatul firelor la cotele necesare.

Aici avem multimetrul, cutiuța cu componente, lupa si alte foi pentru calcule si pentru scheme

Prima varianta a circuitului temporizator a arata asa:

Aceasta este prima versiune a circuitului temporizator, asa cum se poate observa placuta de test este pentru un circuit integrat cu 16 terminale dar noi am folosit doar jumatate dintre acestea iar componentele folosite sunt cu tehnologie de fabricatie THD. Aceasta varianta este una functionala iar pentru a verifica functionarea corenta a circuitului am legat la pinul de iesire un LED rosu in serie cu o rezistenta de 1 kOhm pentru limitarea curentului prin LED. LED-ul se aprindea doar in momentul in care sursa principala de tensiune era intrerupta astfel am putut sa observam ca circuitul nostru cu functia de temporizator functiona corect si asta pentru ca dupa cele 22 de secunde LED-ul se stingea.

A doua varianta si cea finala a acestui circuit a ramas in mare parte la fel doar ca am deconectat LED-ul de la iesire.

Urmeaza a doua placuta de test pe care am populat-o cu componente

In imaginea de mai sus avem circuitul monostabil realizat cu doua tranzistoare NPN avand ambele emitorul conectat la ground, in partea din dreapta unde este firul rosu este intrarea circuitului, intrare care in cazul nostru vine de la circuitul care se ocupa de controlul LED-urilor si mai exact am luat semnalul dintr-un punct in care am observat ca in fucntionare corecta aveam un potential egal cu potentialul de la baterie iar in momentul intreruperii alimentarii de la retea potentialul cade si el la 0 volti ceea ce cautam si noi sa obtinem.

Pentru constructia acestui circuit am folosit si un condensator electrolitic pe langa cele doua tranzistoare si 4 rezistoare iar iesirea circuitului care merge direct la intrarea integratului ICM 755 este in partea stanga, firul negru cu portocaliu.

Aici avem o privire de ansamblu asupra intreg proiectrului cuprinzand atat circuitul cu care a venit becul si bateria cat si cele doua circuite pe care le-am folosit pentru ca becul final sa se comporte in modul dorit de mine.

Am facut si o proiectare a unui circuit imprimat care sa ne permita sa punem ambele circuite pe aceeasi placuta dar si sa obtinem o placa avand gabaritul destul de mic incat sa incapa in carcasa cu care a venit becul nostru la inceput pentru ca nu dorim sa lasam proiectul in faza aceasta de testare ci sa il asamblam frumos in carcasa lui iar acesta sa dispuna de cateva functii suplimentare, functii la care nu s-au gandit cei ce au proiectat acest bec cu LED-uri

Pentru proiectrea circuitului imprimat am folosit acelasi program Eagle 8.2.1 free pe care l-am folosit si pentru a desena schema electrica a circuitului iar ca reguli de proiectare am ales ca toate traseele sa fie pe parte de jos a placii( bottom) si asta pentru ca am ales tot componente cu tehnologia THD pentru realizarea practica si asta pentru ca deja aveam componentele folosite la dezvoltarea placutelor de test.

Am ales sa pun si un plan de ground pentru a disipa mai bine caldura emisa de componente desi nu am componente de putere

Capitolul 4. Rezultate experimentale

In cadrul acestul capitol intitulat rezultate experimentale am sa va aduc la cunostinta anumite aspecte pe care le-am observat in decursul dezvoltarii proiectului

In primul rand am observat ca circuitul meu care a venit cu becul nu este foarte bine pus la punct si gandit si asta in primul rand pentru ca desi producatorul a declarat pe cutia produsului ca acesta are trei moduri de operare, DC, AC si OFF ei bine eu am observat ca modul AC nu se comporta asa cum m-as fi asteptat sa se comporte si anume modul AC este tot un mod DC si spun asta pentru ca atat in modul DC cat si in cel AC alimentarea se face tot din baterie si in acest mod bateria se incarca foarte putin pentru ca tot curentul este absorbit de LED-uri, iar eu ma asteptam ca in modul AC o parte din curent sa alimenteze LED-urile si o alta parte sa alimenteze bateria doar ca experimental am observat sa desi proietul era conectat la reteaua de 220v tensiunea din bateria scade constant si intensitatea LED-urilor scade constant desi becul este conectat la retea. Singrul mod in care se incarca bateria este modul OFF, modul in care LED-urile sunt stinse, asadar asazisele 3 moduri de functionare sunt de fapt doar doua, unul DC si unul OFF. Solutia ar fi imlementarea unei surse de curent constant si m-am gandit la asta dar aceasta imbunatatire o sa o aduc in versiunea a doua a acestui bec cu LED-uri pentru ca v-a exista si o a doua versiune mult imbunatatita.

Am lasat becul alimentat timp de 24 de ore, timp suficient pentru ca bateria sa se incarce la maxim si eu sa pot sa observ care este nivelul maxim de tensiune din baterie. Dupa 24 de ore tensiunea la bornele bateriei masura 4.77V iar tensiunea pe dioda zenner masura 7.27V, urmand ca dupa momentul opririi alimentarii tensiunea sa scada dupa primele 5 secunde la 4.2V, dupa 20 de secunde ajungea la 4.0V iar dupa 10 minute tensiunea ajunsese deja la 3.75V iar de aici tensiunea scade aproximativ cu 2mV/minut

Dupa ce tensiunea pe baterie ajunge la pragul de 2.8V se stabilizeaza unde ramane aproape o ora, iar duoa aceasta ora tensiunea incepe iar sa scada pana ce ajunge la pragul de 0V.

Capitolul 5. Concluzii

In acest capitol am sa prezint care sunt concluziile la care am ajuns dupa ce am parcurs toti acesti pasi in vederea realizarii lucrarii de licenta.

Ce am dorit sa realizez si ce am realizat de fapt?

Scopul meu la inceputut acestei lucrari de diplona era ca la finalul acestui intervel de timp in care am facut cercetari in domeniul Led-urilor si al aplicatiilor care folosesc LED-uri sa am un produs functional care sa aiba ca obiect principal LED-urile si nu doar atat, aceata sa dispuna de un acumulator care sa il ajute sa lumineze si in momentele in care nu avem tensiune la reteaua nationala, dar scopul acestui produs nu a fost doar acesta, pe langa posibiliatea iluminarii in conditii precare acest sistem cu LED nu a fost gandit ca un sistem de iluminat pe care utilizatorii sa il foloseasca 24 din 24, acest bec a fost gandit ca n sistem auxiliar de iluminare.

Pe langa acel acumulator am mai dorit ca acest sistem de iluminare inteligent sa mai indeplineasca un neajuns si anume acel neajuns de care ne lovim in deosebi seara in momentul in care am terminat cu toate activitatile pentru ziua respectiva si dorim sa stingem luminile din camera, dar dupa ce facem asta mai trebuie sa ajungem in siguranta pana la pat, iar daca nu avem la indemana un telefon care sa ne lumineze calea sau orice alta sursa de lumina poate fi mai problematic sa parcurgem acel drum simplu si scurt, tocmai din lipsa de lumina.

Aceata situatia mai poate fi intalnita in locurile straine, in vizita la prieteni, rude sau in vacante unde nu suntem obisnuiti cu distributia lucrurilor in camera iar acest lucru ar putea sa ne puna niste probleme.

La finalul acestei lucrari pot sa spun ca am reusit sa realizez ce mi-am propus si anume ca sistemul meu de iluminat cu LED-uri sa ne ajute cand avem nevoie cu ce avem nevoie, sistemul meu dispune de un acumulator care vine sa ne furnizeze ince 2-3 ore de functionare in conditii vitrege, dispune de un temporizator care are menirea de a intarzia stingerea LED-urilor si mai are si o telecomanda care ne ajuta sa trecem prin cele 3 moduri de functionare AC, DC si OFF dar in acelasi timp de ajuta si sa stinge randurile de LED-uri pe rand si sa decidem noi daca avem nevoie de ambele randuri de LED-uri sau doar de unu.

Capitolul 6. Bibliografie & Anexe

https://ro.wikipedia.org/wiki/LED

https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

http://www.tehnium-azi.ro/page/articole_articles/_/articles/notiuni-teoretice-din-electronica/led-uri-si-montaje-cu-led-uri-r39

https://en.wikipedia.org/wiki/Street_light

https://en.wikipedia.org/wiki/LED_street_light

https://en.wikipedia.org/wiki/Li-Fi

http://www.4led.ro/ro/2016/03/11/dali-sistem-inteligent-de-control-al-iluminatului/

https://www.luminaled.ro/pages/versiuni

http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/icm7/icm7555-56.pdf

https://www.luminaled.ro/pages/versiuni