Prezentat ca cerinț ă parțială pentru obținerea titlului de [617197]

Universitatea “Politehnica” din București
Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației

Controlul inteligent al iluminării unei locuințe

Proiect de diplomă
Prezentat ca cerinț ă parțială pentru obținerea titlului de
Inginer în domeniul Electronică și Telecomunicații
Programul de studii de licență Electronică Aplicată și Tehnologia Informației
(ETC – ELA)

Conducător stiințific: Absolvent: [anonimizat]. Alexandru VASILE Daniela BĂLAN

2015

Cuprins
Capitolul 1. Sisteme Automate Programabile ………………………….. ………………………….. ………… 15
1.1.Scurt istoric al evoluției automaticii ––––––––––– ––––––––––– –––––––– 15
1.2.Etapele și avantajele automatizării ––––––––––– ––––––––––– ––––––––– 16
1.3 Scurtă prezentare a elementelor de circuit reale ––––––––––– ––––––––––– ––– 17
1.3.1. Dioda cu joncțiune PN ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 17
1.3.2. Dioda LED ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 22
1.3.3. Display -uri LCD ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 23
1.3.4. Becuri cu incandescență ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 23
1.3.5. Tranzistorul bi polar ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 24
1.3.6. Tiristorul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 31
1.3.7. Triacul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 34
1.3.8. Optocup lorul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 36
1.3.9. Sigurante fuzibile ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 37
1.4 Arhitectura microcontrolerelor ––––––––––– ––––––––––– –––––––––– 39
1.4.1. Caracteristici generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 39
1.4.2. Microcontrolerul ATMEL Atmega328 ………………………….. ………………………….. ………………………….. 41
Capitolul 2. Senzori și traductori ………………………….. ………………………….. ………………………….. 43
2.1. Traductorul și tipurile de traductoare ––––––––––– ––––––––––– ––––––– 43
2.2. Fotorezistorul ––––––––––– ––––––––––– ––––––––––– ––––––– 45
3.1. Generalitati Arduino ––––––––––– ––––––––––– ––––––––––– –––– 47
3.2. Arduino Uno ––––––––––– ––––––––––– ––––––––––– ––––––– 48
3.3. Programarea ––––––––––– ––––––––––– ––––––––––– ––––––– 49
Capitolul 4. Realizarea practică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ..51
4.1. Descrierea realizarii practice ………………………….. ………………………….. …………………………. 51
4.2. Procesul de tehnologizare ––––––––––– ––––––––––– ––––––––––– –- 53
4.3. Schema electronică a montajului ––––––––––– ––––––––––– ––––––––– 54
4.4 Organigrama softului ––––––––––– ––––––––––– ––––––––––– –––– 55
Capitolul 5. Perspective de dezvoltare ………………………….. ………………………….. …………………… 57
Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……59

Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ..61
Anexe ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 63

Listă acronime
A – Amper
AC – Alternative current ( CA – Curent alternativ)
ADC – Analog to digital converter ( Convertor analog digital)
ALU – Arithmetic Logic Unit ( Unitatea aritmetică logică)
CISC – Complex instruction set computer (Set complex de instrucțiuni pentru calculat or)
CPU – Central processing unit (Unitate centrală de procesare)
DAC – Digital to analog convertor (Convertor digital analog)
DC – Direct current (CC – Curent continuu)
EPROM – Erasable programmable read only memory (Memorie numai pentru citire care nu po ate fi
stearsă)
EEPROM – Electrically erasable programmable read only memory (Memorie numai pentru citire care
poate fi stearsă electric)
GND – Ground (Împământare)
H – Henry
Hz – Hertz
I²C – Inter -Integrated Circuit (Circuit inter -integrat)
J – Joule
k – Kilo
KB – kilobyte
m – Mili
mm – Milimetru
M – Mega
MIPS – Million Instructions per Second (Milioane de instrucțiuni pe secunda)
PWM – Pulse width modulation (Modulație în impulsuri)
RAM – Random access memory (Memorie cu acces aleatoriu)
RISC – Reduced instruction set computing (Set redus de instrucțiuni pentru calculator)

ROM – Read -only memory (Memorie numai pentru citire)
s – Secundă
SRAM – Static random acces memory (Memorie statică cu acces aleatoriu)
UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitt er ( Receptor/Emitor universal asincron)
USB – Universal serial bus (Magistrală serială universală)
μ – Micro
VCC – Power supply pins (Pin de alimentare)
W – Watt
° C – grad Celsius

Listă figuri
Fig.1.1. Purtători majoritari de sarcină electrică …………………………………………………………. ..17
Fig.1.2. Caracteristica tensiune -curent a diodei ……………………………………………. .18
Fig.1.3. Dreapta de sarcină a unei diode ……………………………………………………… ……………..19
Fig.1.4. Caracteristicile liniare ale diodei ……………………………………………………19
Fig.1.5. Capacitatea de barieră a unei diode …………………………………………………………………21
Fig.1.6. Reprezentarea curentului tunel a une i diode ………………………………………. .22
Fig.1.7. Structura și circuitul de polarizare al unei diode luminescente …………………………….22
Fig.1.8. J oncțiunile unui tranzis tor bipolar ………………………………………………… ..25
Fig.1.9. Tipurile de conexiuni ale unui tranzistor b ipolar ……………………………………26
Fig.1.10. Caracteristicile statice ale conexiunii emitor comun ………………………………26
Fig.1.11. Caracteristica de transfer în tensiune a unui tranzistor bipolar …………………….27
Fig.1.12. Regimurile de funcționare ale unui transistor bipolar …………….. …………………………27
Fig.1.13. Rezistențele interne ale unui tranzistor bipolar ……………………… …………………………28
Fig.1.14. Curentul de emitor prin tranzistorul bipolar ………………………………………..29
Fig.1.15. Reprezentarea tranzistorului S chottky și a fototranzistorului…… …………………………30
Fig.1.1 6. Structura și schema echivalentă a unui tiristor ……………………….. …………………………31
Fig.1.17. Simbolul și caracteristi ca curent -tensiune a unui triac………………………………35
Fig.1.18. Schema electronica a unui optocuplor ………………………………………………3 6
Fig.1.19. Caracteristicile de protec ție ale unei siguranțe fuzibile …………….. ………………………..38
Fig.2.1. Componenta semipu nții cu infășurări a unui traductor……………………………….44
Fig.2.2. Schema electronică a unui traductor ……………………………………………………… …………..45
Fig.2.3. Caracteristicile statice și spectrale ale fotodiodei …………………………………….46
Fig.3.1. Tipuri de plăci Ar duino……………………………………………………………….47
Fig.4.1. Placă de tip breadboard și dispozitiv p entru lipirea componentelor …………………..5

13
Introducere
În ultimii ani, tehnologia a luat amploare , iar inginerii au propus nenumă rate proiecte ce au ca
scop dezvoltarea de noi aplicaț ii inteligente, bazate pe automatizări. Î n lucrarea de față este prezentată o
categorie importantă din infrastructura unei aș a numite „case inteligente”, mai exact sistemul de
iluminare al acesteia.
Conceptul de „casă inteligentă ” face referir e la o multitudine de automatizări necesare intr -o
locuință: iluminatul, incălzirea, accesul, irigaț iile, sistemul de alarme, toate acestea asigurând controlul
și confortul locatarilor, ch iar și de la distanț e mari, cu ajutorul sistemelor interconectate sau al
internetului.
Avantajele unei astfel de locuințe sunt următoarele: siguranț a, economia de resurse materiale și
de timp, protecția mediului inconjurător, toate acestea neputând fi realizate dacă nu exist au tehnici din
ce în ce mai avansate oferite de cercetă torii în domeniu.
Un promotor ce face pa rte din sistemele de iluminare îl r eprezintă becul cu incandescență,
despre care veți găsi detalii într -unul din capitolele urmă toare. Tehnologia permite mult mai multe
corpu ri de iluminat, ce emit o lumină naturală ș i au rezultate extraordinare, cum sunt atmosfera pe care
o conferă ș i econ omia pe termen lung.
Aceste soluț ii moderne oferite de in gineri au dus la un ritm alert î n dezvoltarea de noi
tehnologii, la o s cădere a costurilor lunare sau anuale ale utilizatorilor și la îmbunătățirea calităț ii
sistemelor actuale de iluminat. Pe lângă toate acestea, un astfel de concept inovator poate fi folosit cu
ușurintă nu numai într -o locuință normală, ci și în clă diri de birouri, magazine de prezentare a
produselor de artă sau a bijuteriilor, în zona parcă rilor sau pe terenurile de sport.
În capitolele următoare se regăsește prezentarea câtorva momente importante în evoluția
automatiză rilor, ce au avut un impact important în dezvoltarea tehnologiei până în ziua de astăzi,
caracteristicile de bază ale dispozitivelor elect ronice folosite cel mai adesea î n realizarea unui sistem
inteligent de iluminat , contribuț ia pe care o au platformele de dezvoltare softwa re în cadrul acestor
procese ș i realizarea unei machete de test pentru un astfel de sistem.
Cu siguranță, în decursul următorilor ani, ingine rii și dezvoltatorii vor îmbunătăț i toate aceste
tehnologii, astfel încât să se ajungă la un număr câ t mai ridicat de utilizatori extinși î n mai multe
regiuni geografice din lume. Până acum, cele mai multe locuințe de acest tip sunt în ță rile dezvoltate
ca: SUA, Germania, Canada, China, Marea Brita nie, Japonia, unde traiul este î n cea mai mare parte
tehnologizat și îmbunătăț it constant. În Româ nia, c onceptul este relativ nou, dar î n curs de dezvoltare.
În cele ce urmează, este prezentată o parte dintr -un astfel de sistem inteligent, ce se regăsește pe
piată, iar numărul utilizatorilor este în creșt ere de la an la an.

14

15
Capitolul 1. Sisteme Automate Programabile
1.1.Scurt istoric al evoluț iei automaticii
În anul 1830, matematicianu l Charles Babbage a propus o Mașină Analitică ce a anticipat s tructura
calculatoarelor de astăzi, chiar dacă posibilitățile tehnologice de la acea vr eme erau mult mai reduse.
Mai târziu, î n jurul anului 1937, a fost propus Calculatorul c u Secvență de Comandă Automată, ce se
baza pe calcula toarele electromagnetice produse de IBM, acesta fiind alcătuit din relee ș i comuta toare.
Tuburile electronice au înlocuit apoi releele dând naș tere primului calcula tor electronic digital ce avea
în compo nență 18 000 de astfel de tuburi și o capa citate de execuț ie de 5 000 de adunări într -o singură
secundă . [7]
La realizarea acestor calculatoare a lucrat ș i matematicianul Jo hn von Neumann, care a stabilit
câteva caracteristici de bază ale acestora:
1. Trebuie să aibă o memorie în care să se rețină rezul tatele și din care să fie citite instrucț iunile
2. Secțiunea de calcul trebuie să fie capabilă să efecteze operații aritmetice ș i logice
3. Mediile de intrare/ieș ire trebuie să aibă capacitatea de introducere, respectiv de a afișa un numă r
nelimitat de rezultate
4. Unitatea de comandă , ce ar e rolul de a interpreta instrucțiunile, trebuie să fie capabilă să
selecteze cât mai multe moduri de desfașurare a activităț ii calculatorului [6,7]
În urmă torii ani, dezvoltarea calculatoarelor a avut mai multe etape:
1. Generația I, cup rinsă între 1946 și 1956 era caracterizată de:
▪ programe cablate și coduri masină la partea software
▪ tuburi electronice ș i relee la partea hardware
▪ viteza de operare era de 10 000 de operații/secundă
▪ memorie de 2 kocteț i [7]

2. Generatia a II -a, cuprinsă între 1957 și 1963 era caracterizată de:
▪ limbaje de nivel î nalt la partea software
▪ cablaje imprimate, tranzistoare și memorii cu fe rite la partea hardware
▪ vitez a de operare de 20 000 de operații/secundă
▪ memorie de 32 kocteț i [7]

3. Generatia a III -a, cup rinsă între 1964 și 1981 era caraterizată de:
▪ limbaje orien tate pe obiect, sisteme expert și baze de date relaț ionale la partea software
▪ circu ite inte grate, microprocesoare ș i sisteme de calcul distribuite la partea hardware
▪ viteza de operare de 30 m ilioane de instrucțiuni/secundă
▪ memoria de 10 Mocteț i [7]

4. Generatia a IV -a, care este încă î n curs d e dezvoltare, este caracterizată de:
▪ programare f uncțională și prelucrare simbolică la partea software

16
▪ arhitecturi paralele la pa rtea hardware
▪ viteza d e operare cuprinsă între 1G și 1T de instrucțiuni/secundă
▪ memoria cuprinsă între zeci și sute de Mocteț i [7]

1.2.Etapele ș i avantajele automatizării
Automatizarea reprezintă implementarea practică a principiilor și mijloacelor cu ajutorul cărora se
asigură cond ucerea proceselor tehnice, fără intervenție umană. Î n limbajul ingineresc, termenii
„automat” sau „automatizare” sunt foarte des u tilizați. Cele mai importante categorii de automatizări
sunt: automatizări de măsurare, automatiză ri de semnalizare, automatizări de reglare, automatizări de
comandă și automatizări de protecț ie. [7]
Scopurile principale ale automatizărilor pe scară largă au fost:
1. Scoaterea operatorului uman din medii cu risc crescut de accidente
2. Asigurarea preciziei execuț iei
3. Creșterea pr oductivităț ii
4. Protejarea echipamentelor ș i dispozitivelor folosite
5. Scăderea consumurilor de energie, combustibil sau materiale
6. Creșter ea siguranței în funcț ionare [7]
Dispozitivul de automatizare a re rolul de a realiza cotrolul și comanda unui proces de prod ucție fără
a necesita intervenția omului. Aș adar, sistemul de automatizare este compus din p rocesul tehnologic
automatizat ș i dispo zitivul de automatizare.
Avantajele tehnice ale automatizării sunt urmă toarele:
1. Creșterea fiabilității producț iei
2. Reducerea uzurii instalaț iior
3. Creșterea calităț ii produselor
4. Mărirea duratei de utilizare a echipamentelor
Avantajele economice ale automatiz ărilor implică :
1. Reduc erea consumului de materie primă necesară
2. Reducerea cheltuielilor de producț ie
3. Creșterea cantitativă a producției într -un interval de timp câ t mai redus
4. Economisirea energiei ș i a combustibililor
Avantajel e de ordin social ale automatiză rilor sunt:
1. Creșterea securității în muncă
2. Îmbunătățirea condițiilor de desfăsurare a activităț ilor dificile
3. Ridicarea nivelului de securitate la locul de muncă [7]

17
1.3 Scurtă prezentare a elementelor de circuit reale
1.3.1. Dioda cu joncț iune PN
Toate circuitele sau componentele electronice integrate sau discrete sunt realizate cu ajutorul
materialelo r semiconductoare, care prezintă mai multe caracteristici: au o conductibilitate electrică
sensibilă la variațiile de temperatură, aceasta având o c reștere odată cu tempera tura, de asemenea, este
mai mică decât conductibilitatea electrică a metalelor și mai mare decâ t conductibilitatea elect rică a
izolatorilor. O altă caracteristică a materialel or semiconductoare este aceea că este asigurată ș i de
sarcinile positive (goluri), dar ș i de sarcinile negative (electroni). Un material semiconduc tor poate fi
intrinsec atunci câ nd densitatea goluril or pe care le conține este egală cu densitatea electronilor care
participă la conducție, î n caz contrar, materia lul semiconductor este de tip extrinsec. [1,2,4]
Semicon ductorii extrinseci sunt de două feluri: semiconductori de tip n ș i semiconductori de tip
p. Semiconduc torii de tip n se caracterizează printr -o densitate mai mare a electronilor decâ t densitatea
golurilor, iar majoritatea purtătorilor de sarcină este dată de electroni. Semiconduc torii de tip p se
caracterizează printr -o densitate mai mare a goluri lor decâ t densitatea ele ctronilor, iar majoritatea
purtătorilor de sarcină este dată de goluri, minoritari fiind electronii. Per to tal, la nivel macroscopic,
purtătorii de sarcină conținuț i de un semiconductor sunt neutri, neavând o sarcină electrică î n exces.
[1,2,4]

Fig.1.1. Purtători majoritari de sarcină electrică [4]

O joncț iune semiconductoare este generată de două zone ca cele de mai sus , realizate din același tip
de material semiconductor. Având în vedere că există o diferență de concentrație între purtă torii
majorit ari din zonele p și n, atunci electronii situați î n regiune a n vor difuza î n regiu nea p, iar golu rile
din regiunea p vor difuza î n regiunea n. În urm a procesului de difuzie, vor apărea două tipuri de sarcină
spațială: o sarcină spațială pozitivă situată î n zona inițială de tip n și o sarcină spațială negativă situată
în zona inițială de tip p. Acest fapt va genera o regiune de trece re, mai exact o regiune cu purtători
majoritari foarte puțini, în care va apărea un câmp electric intern, a că rui intensitate este proporțională
cu cantitatea de sarcină difuzată . Atunci când cantitatea de sar cină difuzată ajunge la o valoare
constantă, înseamnă că s-a ajuns la echilibru. [1,2,4]
Mărimile caracteristice materialelor semiconductoare sunt:
1. densităț ile golurilor, respectiv densităț ile electronilor

18
2. intensitatea câ mpului electric E(x)
3. potenț ialul electric V(x) și existența unei bariere de potenț ial
4. densitatea de sarcină î n exces ρ(x)
Acest tip de structură semiconductoare poartă denumirea de diodă, fiind cea mai simplă
componentă electronică . Dio da este un dipol compus din două terminale: catodul, conectat la regiunea
de tip n ș i anodul conectat la regiunea de tip p. Ea are o comp ortare diferită atunci când este conectată
într-un circuit electronic, în funcție de sensul diferenței de potenț ial. [1,2,4]
Dacă anodul este situat la un potențial mai m are decât catodul, atunci câmpul extern și câmpul
intern au orientări diferite, î n sens contrar, iar bar iera de potențial se micșorează. Dacă suma câmpurilor
are sensul în direcț ia zonei de tip p, atunci purtătorii majoritari de sarcină nu se deplasează spre
joncțiune, iar în cazul în care dispare bariera de potențial, adică purtă torii m ajoritari de sarcină pot
traversa joncț iunea, dioda va putea fi parcursă de cu rent electric, ceea ce determină o polarizare directă
a acesteia. Dacă anodul este situat la un potențial mai mic decât catodul, atunci câmpul extern se
adaugă câmpului intern ș i se va opune curgerii purtătorilor de sarcină majoritari prin joncți une. Astfel,
bariera de potențial crește, iar joncțiunea are o polarizare inversă , cu alte cuvinte, dio da este blocată .
[1,2,4]
Intensitatea curentului prin diodă este dependentă de tensiunea ext erioară ce se aplică pe aceasta,
dând naș tere u nei caracteristici volt -amperică ce se regasește î n figura de mai jos:

Fig.1.2. Caracteristica tensiune -curent a diodei [4]
Din reprezentarea grafică, se observă că există un curent invers ce poate traversa joncț iunea,
datorat purtă torilor minoritari de sarci nă, mai prec is electronii situați î n regiune a p ș i golurile situate în
regiunea n. Acest curent poartă denu mirea de curent invers de saturaț ie, iar int ensitatea lui poate fi
neglijată î n calcule, deoarece este de ordinul zecilor de microamperi. [1,2,4]

19
Dacă barier a de potential există, inseamnă că vorbim de o polarizare directă a diodei, î n care
curentul invers de saturație este nul. În cazul în care bariera de potenț ial dispare, dioda permite trecerea
curentului a cărui intensitate crește rapid în urma variaț iilor mici de tensiune aplicate diodei. Atunci
când dioda incepe să conducă , apare tensiunea de deschide re, care are o valoare apropiată de 0,6V în
cazul diodelor confecționate din siliciu. În starea de conducție, că derea de tensiune are o creștere foarte
mică , cuprinsă între 0,1V ș i 0,15V. [1,2,4]

Fig.1.3. Dreapta de sarcină a unei di ode [4]
Punctul static de funcț ionare al diodei (punctul M din figura de mai sus) este determinat de
intersecț ia dreptei de sarcină cu caracteristica volt -amperică a diodei. Acesta este influenț at de
tensiunea de alimentare a circuitului E și de valoarea rezistenței R. Atât timp câ t valorile acestora
rămâ n constante, coord onatele punctului nu se modifică .
Dacă cunoaștem valoare intensității curentului prin dioda aflată în conducț ie, putem calcula
panta caracte risticii volt -amperice în punctul static de funcț ionare. De asemenea, se poa te afla și
rezistența în curent continuu a diodei în punctul static de funcț ionare, ca fiind inversul pantei. Poziția
punctului static de funcționare influențează valoarea rezisten ței pe caracteristica volt -amperică. Aceasta
din urmă poate fi liniarizată în mai multe moduri, în funcț ie de valorile tensiunilor pe elementele de
circuit aflate pe ramura unde este conectată dioda. În cazul polarizării directe, dioda poate fi înlocuită
cu un intrerupător ideal î nchis. Modur ile de reprezentare ale diodei ș i caracteristicile liniarizate se
găsesc î n figura de mai jos :

Fig.1.4. Caracteristicile liniare ale diodei [4]
În majoritatea ci rcuitelor, diodele sunt supuse în același timp la o tensiune continuă, dar și la o
tensiune alternativă. Aceasta din urmă determină o deplasare a punctului static de funcț ionare pe
caracteristica volt -amperică . Semnalul este considerat mic (amplitudinea acestuia este mică) atunci

20
când cara cteristica pe care se deplasează punctul static de funcționare este liniară, iar panta aferentă
poartă denumirea de pantă de semnal mic. [1,2,4]
Diodel e sunt folosite cel mai adesea în aplicaț ii pentru redresarea semnal elor alternative. Acestea
sunt în numă r de pa tru și sunt configurate într -o formă integrată, în care dacă se aplică o tensiune
sinusoidală la bornele de intrare ale punții ș i amplitud inea acesteia este mai mare decâ t dublul tensiunii
de deschidere a uneia dintre dio de, atunci va avea loc o conducție a diode lor D1 și D3 în alternanță
pozitivă, respectiv diodele D2 și D4 în alternanță negativă . La bornel e punții se va obține o tensiune
redresată datorită faptului că prin rezistența R va circula curentul, în același sens în cele două
semiperioade. Î n urma trece rii cur entului v a avea loc o redresare specifică, denumită redresare
bialternanță. Că derile de te nsiune pe joncțiunile ambelor diode aflate în același timp în stare de
conducție duc la apariț ia unei amplitudini mult mai mici a tensiunii. [1,2,4]
În cazul î n care tensiunile redre sate au valori mult mai mari, se pot neglija pierderile. Semnalul care
apare este un semnal redresat, periodic, cu frecvența de două ori mai mare decât frecvența semnalului
care a fost inițial aplicat la intrarea punț ii. Pe parcursul acestui proces este nevoie de o tensiune cu
valoare constantă , iar a cest lucru este posibil prin adă ugarea unei rezistențe î n paralel cu un
condensator cu o capacitate de valoare mult ma i mare. Condensatorul se incarcă în urma alternanței
pozitive și se d escarcă în urma alternanței negative prin rezistenț a R. La bornele sarcinii vor avea o
tensiune redres ată ce are fluctuații temporale mai mici decât fluctuațiile ce se obțin în urma redresării
bialternanță simple. Condensatorul C folosit în proces poartă numele de condensator de netezire,
deoarece are rolul de a atenua fluctuaț iile prezente pe parcursul pr ocedeului. Tensiunea redresată are
aceeași polaritate în tot acest timp, chiar dacă fluctuează. Aceasta este formată din două componente:
una variabilă și una continuă î n timp. Raportul dintre cele două poartă denumirea de factor de
ondulaț ie, se notează cu gamma și trebuie să aibă o valoare cât mai mică pentru tensiunea continuă cu
care dorim să alimentă m circuitele electrionice . Valoarea factorului de ondulație se poate micșora ș i cu
ajutorul unor stabilizatoare electronice sau filtre pasive. [1,2,10 ]
În continua re se regă sesc dif erite tipuri de diode folosite î n circuitele electronice:
1. Dioda Zener – Aceasta este o diodă stabilizatoare, polarizată invers, î n care curent ul are o
valoare mică pană la o anumită valoare a tensiunii pe joncțiune. În cazul î n care are lo c o
creșt ere a tensiunii inverse , atunci curentul poate avea o creștere rapidă, iar joncțiunea poate fi
distrusă. Se poate folosi această diodă ca referință de tensiune sau ca sta bilizator de tensiune,
pentru că în timp, tensiunea pe joncțiunea polarizată invers rămâne aproximativ la aceeaș i
valoare, iar curentul invers variază î ntre limite mai m ari. O astfel de tensiune poartă denumirea
de tensiune Zener sau tensiune de stabilizare. [4,10]

2. Dioda varicap – Datorită purtătorilor majoritari de sarcină care difuzea ză, apare o separare de
sarcină electrică, numită sarcină spațială, în jurul joncț iunii semiconductoare . Straturile se parate
de sarcină se pot asimila cu ajutorul unui condensator plan în care armăturile se depărtează î n
același timp cu creș terea tensiuni i inverse a diodei. Această tensiune inversă nu are voie să
depășească valoarea te nsiunii ce corespunde multiplicării î n avalanșă a purtătorilor de sarcină,
de aici rezultâ nd o capacitate numită capacitate de barieră. Dependenț a acestei tensiuni este

21
repre zentată în figura de mai jos. Capacitatea de barieră este cuprinsă între câțiva pF și câți va
zeci de pF. [4,10]

Fig.1.5. Capacitatea de barieră a unei diode

3. Dioda Schottky – Acest tip de diod ă este realizată printr -o joncț iune din metal, de exemplu
platină, aur sau argint și un se miconductor slab dopat, de regulă siliciu. Câ nd me talul este
conectat la un potențial pozitiv față de semiconductor, atunci dioda intră în starea de conducț ie
la o te nsiune cu valoarea mult mai mică decâ t a unei diode standard, mai exact aproximativ
0,35V . Viteza de comutație între cele două stări, cea de conducție ș i cea de blocare este ma i
mare decât cea a unei diode obișnuite, iar timpul în care se realizează comutaț ia este de
aproximativ 50ps. Curentul invers prin diodă este nul, pentru că nu există purtă tori minoritari.
Conexiunea dintre metal și semiconductor este de tip ohmic, fiind realizată prin interpunerea
între cele două materiale a unui strat semiconductor cu gradient de densitate de dopaj . Cea mai
mare densitate se află î n regiunea de contact cu metalul și se micșorează pe măsură ce se
apropie de semiconductor. [4,10]

4. Dioda Es aki (diod a tunel) – Acest tip de diodă este specifică joncțiunilor din arseniură de galiu
sau germaniu foarte mult d opate, unde efectul Zener se obț ine la tensiuni pozitive cu valori mai
mici decâ t valorile te nsiunii de deschidere a joncțiunii. În urma dop ării foarte puternice, zona cu
mai puț ine sa rcini electrice este mai ingustă, iar purtătorii pot să distrugă bariera de potenț ial
prin efectul de tunel la tensiuni dir ecte foarte mici, astfel rezultând o creș tere rapidă a
curentului. În cazul î n care se at inge o valoare maximă de saturație, curentul se micsorează
pentru că tensiunea directă crește, ceea ce duce la o micșorare a înălțimii și o lărgire a barierei
de potenț ial. Aici apare o rezistență diferențială a dio dei tunel, cu o valoare negativă , iar
curentul tunel este reprezenta t de curentul ce corespunde porț iunii OAB din figura de mai jos.
Câmpul electric datorat tensiunii e xterioare de polarizare anulează bariera de potențial, iar
joncțiunea incepe să crească datorită fluxului de purtători de sarcină prin jocțiune. Acest curent
poartă denumirea de curent de injecție. Atunci când dioda tunel este polarizată pe regiunea cu
rezistență diferențială negativă, aceasta poate fi folosită pentru a compensa rezistenta de
pierderi din circuitele oscilante, astfe l avâ nd loc formarea de oscilatoare, care sunt circuite ce
generează semnale variabile în timp, cum sunt oscilațiile sinusoidale. O altă funcționalitate a
diodei tunel este î n circuitele de amplificare a microundelor. [4,10 ]

22

Fig.1.6. Reprezentarea cure ntului tunel a unei diode [4]

1.3.2. Dioda LED
Diod a LED (dioda electroluminescentă ) este un tip de diodă ce funcționează în polarizare
directă. Când are loc injecția de curent prin joncț iune, are loc o recombinare a e lectronilor din banda de
conducție ai zonei n cu golurile din banda de valență a zonei p. În urma procesului, se eliberează
energie su b formă de cuante luminoase, în funcție de lărgimea energetică a benzii interzise. Este
necesară prezența unei rezistenț e de limitare a curentului cu o valoare cuprinsă între 200Ω și 330Ω î n
cadrul circuitului de polarizare a diodei. Materialele semiconductoare din care sunt realizate aceste
diode , de cele mai multe ori sunt compuș i ai galiului, ceea ce influențează foarte mult lungimile de
undă ale radiaț iilor emise de acestea. Nu se folosesc germaniul sau sil iciul deoarece energia electrică se
convertește în energie termică și mai puțin în energie luminoasă. Î n fig ura de mai jos este reprezentată
structura unei diode lumin escente, valorile standard ale curentului prin aceasta, tensiunea la borne, cât
și circuitul de polarizare. [1,2,4,10]

Fig.1.7. Structura și circuitul de polarizare al unei diode luminescente [4]

23
Caracteristica spectrală sau culoarea radiației emise este influențată de tipul impurităților
folosite și de lă rgimea benzii interzise. Se utilizează semiconductoare cu banda interzisă mai largă
astfel încâ t spectrul em is să fie î n domeniul vizibil. Astfel de semiconductoare sunt GaAs, GaAsP. Cele
mai importa nte caracteristici ale unui LE D sunt: caracteristica spectrală și variația relativă a intensității
luminoase în funcț ie de curentul emis. Culoarea roșu reprezintă maximul ră spunsului lumin os, iar
tensiunea pe structura în polarizare directă are o valoare s tandard de 1,5V.
Diodele LED au o utilizare practică foarte amblă, î n multe domenii. Sunt folosite pentr u
realizarea elementelor de afiș are sau ca indicatoare luminoase. Iluminarea se realizează prin extensia
luminii provenite de la un LED, cu ajutorul un ei cavități piramidale ce are rolul de a reflecta ș i difuza
lumina. [1,2,4,10]

1.3.3. Display -uri LCD
Afișaj ul cu cristale lichide este un dispozitiv care este capabil să indice cif re, litere, imagini sau
grafi ce constituit dintr -o matrice de celule lichide ce își schimbă culoarea sub acțiunea unui câ mp
electric sau a unui curent.
Cristalele lichide influențează direcția de propagare a luminii când sunt supuse unei ten siuni
electri ce. Acestea nu produc lumină , iar consumul de e nergie are o valoare re lativ scăzută . Ecranul sau
display -ul este comandat electronic cu ajutorul unui decodificator de caractere alfan umerice sau
numerice, utilizat î n mare pa rte la ceasurile care au un afiș or LCD, adică un afișor digital, ș i nu au ace
indicatoa re. Se mai folos esc în semnalizări electronice sau se găsesc în componența electrocasnicelor.
[23,24]
În urma unor combinații chimice organice aflate în stare lichidă, rezultă cristalele lichide.
Acestea sunt substanț e ce au proprietatea unui solid aflat în stare de agregare cristalină și a unui lichid
convenț ional. Moleculele cri stalelor lichide sunt compacte și prezintă diferite cara cteristici cum sunt
birefringența și refracția dublă. Dacă se utilizează o sursă de lumină p olarizată , atunci se poate vedea
clar, cu aju torul microscopului, regiunile în care moleculele substanței au o textură diferită, adică sunt
orientate pe direcț ii diferite.
Cristalele lichide po t fi liotropice, unde concentrația apei ș i infl uența temperatu rii modifică
structura moleculelor sau pot fi termotropice, unde există o fază de tranziție dată de fluctuațiile de
temperatură . [23,24]

1.3.4. Becuri cu incandescenț ă
În 1879, omul de știință T homas Edison a inventat becul incandescent, perfecționâ nd in venția
lui Humphrey Dav is, care a ajuns la concluzia că un ac carbonic produce lumină cu ajutorul
electricității. Edison a descoperit că becul cu filament funcționează un timp mult mai lung fără a se
arde, astfel acesta a devenit un obiect uzual, folosit o riunde, în viaț a de zi cu zi. [25]

24
Încălzirea până la incandescență a filamentului metalic generează lumină , iar pe acest procedeu
se bazează funcționarea becului. În cazul î n care sarcinile negative (electronii) din filament pierd sau
castigă energie, se produce o schimbare de scurtă durată a orbitalilor, iar e liberarea fotonilor cu o
anumită frecvență se realizează prin trecerea de pe un nivel energetic superior pe un nivel ener getic
inferior al electronilor. [25]
Rezistența la mișcarea electroniă este influențată de gros imea conductorului, astfel: dacă acesta
este gros, se incălzește mult mai greu față de un conductor subț ire, deoarece nu este atât de rezistent.
Radiația electromagnetică pe care o produce mișcarea electronilor generează diferite v alori ale
frecvenț ei, aces tea de cele mai multe ori sunt în intervalul infraroși ilor, iar temperatura poate aju nge la
valori ce depăș esc 2500°C. [25]
Epuizarea materialului d in care este facut filamentul, ș i anume tungstenul, este influențată de o
temper atură ridicată, mai intâi producându -se subțierea ș i apoi ruperea filamentului, rezultâ nd arderea
becului. Atomii de tungsten părăsesc filamentul și se depun pe balonul de sticlă al becului, tot din
cauza temperaturii foarte mari. [25]
Un bec incandescent este compus din:
1. Două tije metalice cu rolul de susținere al filamentului ș i de a realiza trecerea curentului electric
prin bec
2. Un clopot de sticlă plin cu argon, care este un gaz inert
3. Un soclu pentru înș urubarea becului
4. O montură de sticlă ce are rolul de a prinde cele două tije [25]
Pe piață există mai multe tipuri de becuri, cum sunt:
1. Becul cu halogen – Acesta creează o lumină aproape de lumina naturală, mai precis lumina albă,
produce multă caldură, în interior se gasește halogen, iar încapsularea este facută în cuarț, nu în
sticlă
2. Becul fluorescent – Acest tip de bec este mult mai eficient, deoarece ar e o captușeală de fosfor
pe partea interioară ș i este ump lut cu gaz inert; lumina produsă de bec este reflectată de fosfor ș i
are proprietatea de a distorsiona culorile [25]

1.3.5. Tranzistorul bipolar
Tranzistorul bipolar este o componentă electronică formată din trei regiuni semiconducto are
extrinseci, numite npn și pnp, realizată î ntr-un cristal semiconductor. Fiecare din aceste zone prezintă
un contact ohmmic cu câ te un terminal exterior, acestea având câte o denumire standard ș i anume:
emitor (notat cu E) care este principalul furnizor de sarcini electrice, baza (notată cu B) care
controlează cantitatea de sarcină care ajunge la colector și colectorul (notat cu C) care are rolul de a
colecta sarcinile electrice. Cele două joncț iuni care apar sunt: jo ncțiunea emi toare și joncț iunea
colec toare, care se gă sesc reprezentate în figura de mai jos: [1,2,4,10]

25

Fig.1.8. J oncțiunile unui tranzistor bipolar [4]

La conducția electrică participă sarcini e lectrice, mai precis electroni și goluri, fiecare având
propriul rol în funcț ional itatea structurii, astfel derivă denumirea de structură bipolară , iar den umirea
tranzistorilor este dată în funcț ie de ordinea regiunilor: tranzistor pnp, respect iv tranzistor npn.
Particularităț ile structurii unui tranzis tor bipo lar sunt urmatoarele: lărgimea bazei este mult mai mică
decât lungimea de difuzie a purtatorilor de sarcină majoritari din emitor, aceștia regăsindu -se într -un
numă r de aprozimativ 10 microm etri, iar baza este mult mai puțin dopată decâ t emitorul tranzisto rului.
[1,2,4,10]
Conducția electrică între emitor și colector este realizată atunci când joncț iunea colectoa re este
polarizată în sens invers, iar joncțiunea emitoare este polarizată în sens direct. Această polarizare se
face cu ajutorul unei si ngure surs e de alimentare. Purtătorii de sarcină din semiconduct or contribuie la
formarea curenț ilor exteriori: curentu l de emitor, curentul de bază ș i curentul de colector. La acești
curenți exteriori participă doar electronii de conducție din metal. Golurile, deși sunt purtătorii
majoritari de sarcină, sunt accelerate în câmpul de polarizare directă a joncț iunii emitoare, aceștia
putând traversa b aza, apoi sunt preluate de joncțiunea colectoare, mai prec is de câmpul electric de
polarizare inversă a acesteia. [1,2,4 ,10]
Parametrul α, nu mit factor de curent, este fracț iunea d in curentul de emitor care ajută la
formarea curentului de colector. V alorile acestuia sunt cuprinse între 0,97 și 0,99. Golurile care pleacă
din emitor se recombină cu electronii aflați î n baza t ranzi storului, dar într -un numă r foarte mic,
deoarece baza are o lărgime mică și este slab dopată . Curentul de colector este form at din curentul care
traversează joncțiunea colectoare polarizată invers, care este curentul de purtători minoritari ș i curentul
de emitor multiplicat cu factorul de curent. [1,2,4,10]
Parametrul β, numit factor de amplificare a curentului continuu sau factor de amplificare static,
este coeficientul de m ultiplicare a curentului de bază . Acesta are o valoare supraunitară . Cu alte
cuvinte, tranzistoru l bipolar este un element activ comand at în curent, unde curentul purtătorilor
minoritari de sarcină are o valoare mică, sub un microamper . De asemenea, tranzistorul bipolar poate fi
privit ca un cuadripol atunci câ nd un ul dintr e terminale face parte ș i din circuitul de intrare, dar ș i din
circuitul de ieșire, acesta din urmă putâ nd fi con ectat la masa circuitului, adică la borna de potenț ial
nul. [1,2,4,10]

26
În cadrul unul transistor putem vorbi despre trei conexiuni posibile: em itor comun (a), baza
comună (b) și colector comun (c), acestea avâ nd fiecar e atât parametrii de intrare, cât și de ieșire ș i de
transfer cu va lori diferite. Cea mai utilizată conexiune este emitor comun, î n care putem vorbi despre
familii de caract eristici statice de intrare, ieșire ș i respectiv transfer. Mărimile cu ajutorul că rora putem
modifica celelalte mărimi, adică mă rimile de cont rol, sunt: tensiunea dintre colector și emitor și
curentul de bază , acestea fiind variabile independente, iar variabilele dependente rămânând curentul de
colector și tensiunea dintre bază ș i emitor. [1,2,4,10]
În figurile de mai jos sunt reprezentate cele trei tipuri de conexiuni și caracteristicile statice ale
conexiunii emitor comun:

Fig.1.9. Tipurile de conexiuni ale unu i tranzistor bipolar [4]

Fig.1.10. Caracteristicile statice ale conexiunii emitor comun [4]

Caracteristica de transfer în tensiune este o altă caracteristică importantă a tranzistorului bipolar,
deoarece are r olul de a defini regimurile de funcționare ale acestuia. Această caracteristică este
reprezentată în figura de mai jos, împreună cu o schemă de trasare a acesteia:

27

Fig.1.11. Caracteristica de transfer în tensiune a unui tranzistor bipolar [4]

Regimurile de funcț ionare ale tranzistorului bipolar sunt urmă toarele:
1. Regimul blocat – În care joncțiunile emitoare ș i colectoare sunt blocate
2. Regimul în zona activă – În care joncțiunea emitoare se află în conducție, iar joncțiunea
colectoare este blocată
3. Regimul saturat – În care joncțiunile emitoare și colectoare sunt în conducți e
Atunci când tranzistorul se găsește într -o schemă de prelucrare a s emnalelor generatoare de oscilaț ii
armonice sau a s emnalelor de amplificare, acesta functionează în zona activă. Dacă acesta lucrează în
starea de blocare sau î n starea de saturație ș i trec e foarte repede prin zona activă, atunci acesta lucrează
în regim de comutație. Un astfel de regim se regăsește î n circuite le digitale. Un alt parametru
caracteristic acestui tip d e tranzistor este puterea maximă pe care acesta o disipă fără să se distrug ă din
cauza temperaturii ridicate. Regimurile de funcț ionare al e tranzistorului bipolar se regăsesc în graficul
de mai jos:

Fig.1.12. Regimurile de funcționare ale unui transistor bipolar [4]

28
Joncț iunile t ranzistorului bipolar trebuie să fie polarizate în curent continuu, adică joncțiunea
colectoare să fie caracterizată de o polarizare inversă, iar joncțiunea emitoare să aibă o polarizare
directă . Această polarizare este realizată cu ajutorul unei singure s urse de alimentare, fiind utilizate
scheme de polarizare î n curent continuu, cum este cea cu divizor de t ensiune î n baza tranzistorului.
Astfel ne dorim ca tranzistorul să lucreze î ntr-un anumit punct static de funcț ionare, iar joncțiunile sale
să fie pola rizate, ș tiind ti pul acestuia. Valorile rezistenț elor din circuitul de polarizare se calcul ează atât
cu aj utorul legilor lui Kirchhoff, cât ș i pe baza ecuațiilor de legătură dintre curenț ii care intră și curenț ii
care ies din tranzistor. Aces t lucru se poa te simplifica dacă cunoaștem intervalul în care se încadrează
valorile rezistenț elor din circuitul de polarizare ș i anume: pentru acesta este între zeci ș i sute de kΩ,
pentru este între câțiva kΩ ș i zeci de kΩ, iar pentru Rc valorile nu trebuie să depășească 10 kΩ.
Rezistenț ele și au valori mult mai mari decât celelalte rezistenț e din cir cuit deoarece
acestea trebuie să consume curent mai puț in de la sursa de alimentar e și de asemenea au rolul de a
asigura polarizar ea bazei tranzistorului as tfel încât joncțiunea emitor să fie în stare de conducție, adică
să aibă o valoare de aproximativ 0,65V dacă este confecț ionat din siliciu. [1,2,4,10]
Rezistenț a trebuie să aibă o valo are cât mai mică pentru a consuma cât mai puțin. Aceasta
poate să nu fie montată în circuit, iar emitorul să fie legat la masă, dar este totuși necesară pentru că are
rolul de a stabiliz a termic punctul static de funcț ionare. [1,2,4,10]
Rezistenț a este rezis tența din co lector, care reprezintă și sarcina tranzistorul ui când acesta
lucrează ca un element activ î n circuitel e de prelucrare de semnale sau î n circuitele de amplificare.
Condiția de conducț ie a tranzistorului bipolar influențează foarte mult valoarea maximă pe care o poate
atinge această rezistență . [1,2,4,1 0]
Căderea de tensiune pe rezistența din colector poate să fie mai mare atunci câ nd tranzistorul este
parcurs de un curent de colector mic, dar aceast fapt să nu ducă la trecerea tranzistorului î n starea de
conducție. Î n figura de mai jos sunt reprezentate rezistențele despre care am discutat pănă acum.

Fig.1.13. Rezistențele interne ale unui tranzistor bipolar [4]

Temperatura mediului în care lucrează dispozitivele electrice influențează foarte mult
conductibilitatea electrică a ma terialelor semiconductoare. Dacă temperatura variază, aceasta determină

29
o variație mare a densității de purtători minoritari față de purtătorii majoritari de sarcină . Astfe l, la
tranzistorul bipolar, creșterea temperaturii duce la creșterea semnificativă a curentului de purtă tori
minoritari, adică curentul rezidual prin joncțiunea bază colector. Acest fapt determină o mărire a
temperaturii joncț iunii, având loc o reacție în lanț a acestui fenomen, de aici rezultând fenomenul de
ambalare termică. În cazul î n care temperatura ambian tă scade, atunci fenomenul nu mai are loc.
Variațiile de temperatură determină de asemenea și o instabilitate a punctului static de funcț ionare.
[1,2,4,10]
Pentru a putea fi posibilă stabilizarea termică a punctului static de funcțion are, avem nevoie de
rezistenț ele și în circuitul de polarizare a tranzistorului. Divizorul de tensiune din baza
tranzistorului are rolul de a asigura un potențial relativ constant al bazei î n raport cu masa, deoarece
rezistențele sunt mai puțin se nsibile la variaț iile de tem peratură, în comparaț ie cu conductorii . Astfel,
vom avea o egalitate între curentul din colector și curentul din emitor, ceea ce înseamnă că o creș tere a
curentului de colector determină a creștere a curentului de emitor și de a semenea o creștere a că derii de
tensiune pe rezistența . Tensiunea pe joncț iunea emitor va scădea, deoarece potențialul bazei față
de masă are o valoare constantă. Acest lucru va influența curentul de emitor, care va scădea la rândul
lui, dar ș i a celui de cole ctor, iar fenomenul se atenuează . Mai jos este reprezentată schema celor
discutate: [1,2,4,10]

Fig.1.14. Curentul de emitor prin tranzistorul bipolar [4]

Atunci când ne dorim o polarizare a joncț iunilor tranzistorului nu este necesar divizorul de
tensiune în bază , ci doar utilizarea curentului de bază, care are o valoare foarte mică, de până la câțiva
zeci de microamperi. În schimb, valoarea rezistenț ei trebuie să fie cuprinsă între câ teva sute de kΩ,
poate c hiar 1MΩ pentru a determina o cădere de tensiune ce asigură un potenț ial pe baza tranzi storului
ce poate deschide joncțiunea bază -emitor. O astfe l de modalitate este avantajoasă deoarece impedanț a
de int rare are o valoare mare, chiar și în absența rezistenț ei , dar prezintă și dezavantajul că
stabilatatea este mult mai mică în cazul variațiilor de temperatură . [1,2,4,10]

30
În cazul în care tranzistorul se află într -o conducție puternică , intersitatea curentulu i de bază
poate ajunge la valori de zeci de microamperi și poate influența într -o mare măsură punctul static de
funcționare. Astfel, neglijarea curentului de bază rămâ ne la aleger ea proiectantului. [1,2,4,10]
Pentru a analiza regimul dinamic al tranzistorului bipolar, s e pot face presupuneri pentru
ușurarea acesteia și anume: porțiunea de caracteristică de transfer ce corespunde regiunii de funcționare
activă trebuie să fie liniară, iar pe durata aplică rii semnalu lui variabil la intrare, această regiune va
conține punctul static de funcționare. În practică se găsesc mai multe tipuri de tranzistoare bipolare cum
sunt: tiristorul, triacul, tranzistorul Schottky, fototranzistorul. [1,2,4,10]
Structura unui tranzistor Schott ky este asemănă toare cu cea a tran zistorului bipolar, dar prezintă
în plus câteva caracteri stici: atunci când acesta lucrează în regim de comutație, trebuie să treacă rapid
dintr -o stare î n alta. L a trecerea din starea de saturație î n starea de blocare, p urtătorii minoritari , mai
precis electronii din bază, trebuie să fie aduși î n colector, iar golurile din colector trebuie să fie aduse în
bază. Un astfel de proces se realizează î ntr-un timp scurt, dar nu instantaneu, acesta purtâ nd denumirea
de proces de redistribuire a sarcinilor, iar timpul se numește timp de comutație. Numărul purtătorilor d e
sarcină redistribuiți este mai mic atunci câ nd tensiunea de polarizare directă a joncțiunii bază -colector
este mică în timpul regimului de saturaț ie. Tensiunea de polarizare directă a acestei joncțiuni se
realizează dacă este prezentă o structură semicon ductoar e de tipul unei diode Schottky între bază și
colector. Această diodă împiedică creș terea tensiunii de polarizare directă a joncț iunii peste valoarea de
0,35V în regimul de saturație, astfel timpul de comutație din starea de saturație î n starea de bl ocare va
avea o scă dere fo arte mare, iar viteza de comutație se va mări considerabil. [1,2,4,10]
Fototranzistorul este un dispozitiv electronic î n care apar e efectul fotoelectric intern, ș i anume
generarea perechilor electron -gol î ntr-un semiconductor sub influența unei radiații electromagnetice a
cărei lu ngime de undă se situează î n domeniul ultraviolet sau domeniul vizibil. Atunci câ nd supunem
conductorul la o diferență de potenț ial, acesta va fi parcurs de un cu rent cu o intensitate dependentă de
mărimea fluxului luminos incident. Dacă se utilizează proprietatea structu rii de tranzistor care
amplifică curentul, atunci va avea loc creșterea intensității fluxului. Diferența de potențial dintre bază
și emitor este realizată de fluxul l uminos incident ce cad e pe joncțiunea emitoare. Micș orarea barierei
de po tențial a joncțiunii ș i deschiderea acesteia este influențată de per echile electron -gol existente. Î n
struc tura fototranzistorului poate să lipsească baza, iar caracteristicile de ieșire sunt asemănătoare cu
cele ale unui tranzistor bipolar uzual, singurul parametru î nlocuit este , în locul că ruia apare fluxul
luminos sau iluminarea. [1,2,4,10]

Fig.1.15. Reprezentarea tranzistorului Schottky și a fototranzistorului [4]

31

1.3.6. Tiristorul
Tiristorul este un dispozitiv elecronic realizat dintr -un cristal de siliciu cu patru regiuni alternate
ca polarizare PNPN, care formează trei joncțiuni denumite J1, J2, J3 acest lucru ducând la o schemă
echivalentă formată din două tranzistoare, unul PNP iar celălalt NPN. [4,10,11]
Acest dispozitiv are două zone extreme denumite P1 și N2 fiecare reprezentând anodul (zonă
P1), respectiv catodul (zonă N2). Regiunea P2 este cea apropiată de catod, această conectându -se la
poartă sau grilă, adică la electrodul de comandă.
Configurați a menționată poartă denumirea de diodă redresoare comandată. În figura de mai jos
sunt reprezentate structura și schema echivalentă a acestei componente:

Fig.1.16. Structura și schema echivalentă a unui tiristor [11]

Tiristorul este caracterizat de u rmatorii parametri:
1. [V] – tensiunea de stră pungere în direct
2. [V] – tensiunea de amorsare (tensiunea de poartă )
3. sau [V] – tensiunea inversă continuă
4. – curentul continuu direct de amorsare sau de poartă
5. – curentul anodic direct mediu
6. [A] – curentul continuu direct de menț inere (
7. [A] – curentul de acrosaj ( )
8. di/dt[A/µs] – viteza critică de creș tere a curentului anodic
9. dv/dt[A/µs] – viteza de creș tere a tensiunii anodice
10. [s] – timpul de dezamorsare prin comutarea circuitului [11]
În timpul amorsă rii unui tir istor, tensiunea de la borne coboară brusc la valoar ea zero, iar curentul
are o creștere dependentă de impedanța circuitului exterior. Curentul anodic influentează fo arte mult
puterea disipată de tiristor, la creș terea acestu ia crește ș i puterea, ceea ce duce la o densitate mare de
curent. În cazul în care puterea disipată este mai mare decât valoarea maximă la care poate ajunge
aceasta, atu nci dispozitivul nu va mai f uncționa ș i se va distruge. [4]

32
Tiristorul se poate deschide chiar și fara semnalul de poarta, iar în urma acestui fenomen viteza de
crește re a tensiunii anodice va avea o valoare foarte mare. Capacitatea interna a componentei
influent ează producea acestui fenomen. în cazul în care viteza de variatie a tensiunii anodice are o
valoare mare , atunci tiristorul se poate distruge printr -un efect dI/dt sau se poate deschide printr -un
efect dV/dt. De asemenea este necesar ca valoarea curentului d e mentinere să fie mai mica decat
valoarea curentului de acrosaj. [4]
Curentul continuu direct de mentinere caracteriz ează trecerea tiristorului din starea de conductie în
starea de blocare. în cazul în care curentul anodic printr -un tiristor amorsat are o scadere , atunci
componenta electronica iese din conductie și se bloch ează la o anumita valoare critica, aceasta avand
denumirea de curent de mentinere. în cazul în care se aplica o tensiune alternativă intre anod și catod,
atunci fiecare semialternanta pozitia a tensiunii anod -catod este amorsata, iar semialternantele negative
sunt dezamorsate. [4]
Curentul de acrosaj caracteriz ează trecerea tiristorului din starea de blocare în starea de conductie .
în cazul în care se aplica un impuls pozitiv pe poarta acestuia, curentul anodic isi va mari valoarea pana
la valoarea maxima admisa, care este influentata de rezistenta circuitului exterior. în cazul în care are
loc o intrerupere a curentului pe poarta inainte ca valoarea curentului anodic să ajunga aproape de cea
critica , a tunci nu va avea loc amorsarea. [4]
Dacă se cunoaste caracteristica tensiune anodica -curent anodic a tiristorului, atunci se poate
determina modul de functionare al acestuia. Se intalnesc doua regimuri de functionare influentate de
polarizarea anod -catod . Tiristorul este blocat atunci când este aplicata o tensiune continua intre anod și
catod, sensul acesteia nu influent ează. în cazul în care se aplica o tensiune cu o valoare mai mare,
atunci tiristorul va ramane blocat pana la o valoare în care se strapunge, acest proces avand loc atat în
polarizare directa pentru anodul pozitiv, cat și în polarizare inversa pentru catodul pozitiv, iar curentul
prin acesta are o crește re brusca. [4]
Tensiunea inversa co ntinua reprezinta valoarea tensiunii anodice la care tiristorul se srtapunge
atunci când este blocat invers. Aici se aplica o tensiune cu polarizarile urmatoare: plus pe catod și
minus pe anod, ceea ce duce la polarizarea directa a joncți unii J2 și polari zarea inversa a joncți unilor J1
și J3. Curentul invers care ci rcula are o valoare foarte mica, dar se poate intampla să apara un fenomen
de avalansa care determina trecerea unui curent mare prin tiristor și strapungerea celor doua joncți uni
J1 și J3. în acest caz, circuitul esterior are rolul de a limita tiristorul pentru a nu se ajunge la fenomemul
de avalansa. [4,11 ]
Dacă se aplica polaritatile tensiunii de polarizare în felul urmator: plus pe anod și minus pe catod,
regimul de functionare al tiristorul ui ca fii cel direct, unde joncți unea J2 este polarizata invers, iar
joncți unile J1 și J3 sunt polarizate direct. în urma trecerii de la starea la blocare la statea de conductie a
tiristorului, acesta va amorsa. [4,11]
Există mai multe moduri în care un tiristor poate amorsa:
1. Amorsarea prin crește rea temperaturii – curentii reziduali se pot mari datorita crește rii excesive
a temperaturii chiar și atunci când nu există curentul de poarta

33
2. Amorsarea prin crește rea tensiunii – joncți unea J2 se strapung e atunci când tensiunea
depaseste valoarea , avand loc o multiplicare în avalansa a purtatorilor de sarcina. Curentul
direct de conductie va avea o valoare mare și va curge prin tiristor, dar mai intai acesta trebuie
limitat de circuitul exter ior. Din momentul în care se produce amorsarea, va incepe scaderea
tensiunii
3. Amorsarea prin curent de poarta – prin electrodul de comanda are loc o injectie de curent atucni
când se aplica o tensiune care polariz ează în mod direct joncți une J3, intre poarta și catod.
Atunci când curentul de poarta are o valoare mare, deschiderea tiristorului se realiz ează la
tensiuni cu valori mai mici ale tensiunii . Acest tip se amorsare este foarte des utilizat în
practica.
4. Amorsarea prin variatia rapida a tensiunii – Aceasta metoda consta în aplicarea unei
tensiuni mai mica decat ce prezinta o variatie foarte rapida în timp. Apare o capacitate
de bariera determinata de joncți unea polarizata invers J2, care se incarca cu un curent atunci
când tensiunea anodica are o variatie în timp. Se poate produce amorsarea și în absenta
semnalului de poarta , curentul prin tiristor devine mult mai mare, iar viteza tensiunii anodice
crește extrem de repede. Astfel de variatii rapide se pot stopa prin montarea circuitelor de tip
RC în paralel, acestea avand valori uzuale cuprinse intre 50Ω și 1000Ω, respectiv intre 0,1µF și
5µF. [4,11]
Trecerea tiristorului din starea de conductie în cea de blocare este caracterizata de curentul de
mentinere. Prin inversarea polaritatii tensiunii sau prin anularea acesteia, un tiristor amorsat poate
să treaca în starea de blocare. Se mai poate recurge și la aplicarea pe poarta a mai multor impul suri cu
fronturi abrupte atunci când se lucr ează cu tiristoare aflate în regim de comutatie.
Pentru acest procedeu avem nevoie de un nou parametru numit viteza critica de crește re a
curentului anodic, ce este defi nit de relatia: (Δi/Δt)max. Dacă se mont ează mai multe inductante
inseriate, are loc o micsorare a vitezei de crește re a curentului. Datorita tuturor acestor caracteristici
prezentate pana acum, tiristorul are o larga utilizare pentru reglarea și comanda curentilor și tensiunilor.
[4,11]
In cazu l în care avem un circuit ce contine doua tiristoare conectate în serie, trebuie să ne
gandim cum putem să repartizam caderile de tensiune pe cele doua componente, în orice regim de
functionare ar lucra acestea. Rezistenta anod -catod a tiristoarelor ajunge pana la valori de MΩ atunci
când este în stare blocata, ceea ce poate determina depasirea tensiunii inverse . Evitarea acestei
situatii se poate face prin montarea în paralel a rezistoarelor ce au aceeasi valoare . Aceeasi valoare a
curentului I determina intrarea în conductie, iar puterea disipata intr -un tiristor crește atunci când acesta
are un timp de intarziere, notat cu foarte mare. Intrarea în conducti este generata de mai multe
procese ce trebuie să se produca simultan și anume: impu lsurile trebuie să fie tari, comanda trebuie să
fie identica și produsa de acelasi generator. Tot aici, efectul termic se poate neglija, în cazul în care
acesta este produs de o nesincronizare a proceselor, și de asemenea nu mai sunt necesare masurile
suplimentare de protectie. Din cauza timpilor de recombinare diferiti, iesirea din condutie poate să fie
nesimetrica. Intr -o astfel de situatie se poate bloca unul dintre tiristoare mult mai repede și atunci preia
toata tensiunea de alimentare, în timp ce al doilea tiristor este intr -un interval de stocare. O astfel de

34
solicitare este bine să fie evitata prin protectia circuitelor de tip RC și prin intarzierea scaderii
curentului prin circuit, acest fapt fiind posibil prin montarea bcobinei L în serie cu tiristoarele. Tot acest
proces mentionat mai sus poarta denumirea de conexiune seriala. [4,11]
Echilibrarea repartitiei curentului prin cele doua tiristoare este influentata foate mult de
dispersia caracteristicilor curent -tesiune și variatia cu temp eratura a tiristoarelor. Acestea pot duce la
fenomenul de amorsare term ica, care poate fi diminuat dacă se plas ează tiristoare pe radiatoare comune
pentru a se evita variatia diferita a caracteristicilor de temperatura și de asemenea prin alegerea unor
tiristoare imperecheate, adica tiristoare ce au parametri apropiati. Totusi, nu sunt excluse
dezechilibrele, cauzate de temperatura, ce pot aparea în regimurile dinamice de intrare și iesire din
conductie. O solutie des utilizata este conectarea tiristoarelor prin divizoare anodice, acestea din urma
fiind realizate cu ajutorul a doua bobine identice cu un cuplaj mutual negativ. [4,11]
Alte dispozitive asemanatoare tiristorului sunt triacul și diacul. Triacul este un dispozitiv ce
contine doua tiristoare în paralel și în antifaza montate pe acelasi cristal de siliciu. Acesta poate fi
amorsat prin impulsuri pozitive și negative și în componenta să o singura poarta. O astfel de
componenta este cel mai adesea utilizata în circuitele de curent alternativ neredres at deoarece are
proprietatea de a conduce curentul în ambele sensuri. [4,11]
Diacul este un dispozitiv electronic realizat dintr -o dioda cu conductie în ambele sensuri. Doua
tiristoare în paralel și în antifaza, dar fara poarta, au o caracteristica curent -tensiune asemanatoare cu
cea a diacului. Atunci când se depaseste pragul de intoarcere al caracteristicii, se realiz ează amorsarea
curentului. O astfel de componenta este utilizata pentru comanda tiristoarelor și a triacelor. [4,11]
Tiristorul este folosit cel mai adesea la redresarea comandata, unde la intrarea în circuit este
aplicata o tensiune alternativă periodica cu amplitudinea mult mai mica decat tensiunea de strapungere.
Perioada semnalului comandat au aceeasi perioada cu impulsurile pozitive aplic ate pe poarta. Circuitul
se deschide și incepe să circule curentul în momentul în care se va deschide tiristorul. în cazul în care
se schimba polaritatea tensiunii de intrare, atucni curentul se va stinge, iar procedeul se repeta. Factorul
de umplere al cu rentului din circuit are o valoare de aproximativ 50%, dar se poate modifica prin
variatia amplitudinii și defazajului dintre semnalul de comanda și cel redresat. [1,4,10]

1.3.7. Triacul
Triacul este un dispozitiv electronic compus din cinci straturi echivalat cu doua tiristoare
montate antiparalel în acelasi monocristal de siliciu, cu un singur electrod de comanda. Forma
caracteristicii curent -tensiune pentru sensurile tensiunii aplicate în circuitul principal corespunde cu
tiristorul polarizat în sens direct, astfel se foloseste și denumirea de tiristor bidirectional. în figura de
mai jos sunt reprezentate simbolul și caracteristica curent -tensiune.

35

Fig.1.17. Simbolul și caracteristica curent -tensiune a unui triac [4]

Electrozii intre care circula curentul principal sunt numiti terminale , respectiv . Cu ajutorul
semnalelor celor doua polaritati se poate realiza comanda pe poarta pentru fiecare dintre cele doua
sensuri ale curentului principal.
Modurile de f unctionare ale triacului sunt urmatoarele:
1. Tensiunea are o valoare pozitivă , poarta este comandata printr -un semnal pozitiv, iar
structura are o comportare asemanatoare cu cea a unui tiristor conventional de tip în
care stratul are rolul de poarta catodica. [1,4,10]

2. Tensiunea are o valoare pozitivă , iar tensiunea de poarta are o valoare negativă . Comanda
structurii este realizata prin joncți unea , acesta din urma fiind un electrod de
comanda de tip joncți une pn. La aplicarea potentialului negativ pe poarta se amors ează tiristorul
auxiliar datorita suntului de emitor care circula intre . Potentialul lui este situat în
partea stanga a stratului , iar joncți unea este polarizata direct, ceea ce duce la amorsarea
tiristorului principal . Aceasta comanda se face indirect pe poarta catodica , astfel
realizandu -se comanda pe poarta a tiristorului. [1,4,10]

3. Tensiunea , cat și tensiunea au o valoare negativă . Comanda structurii principale de tip
este realizata prin emitorul auxiliar . Tiristorul auxiliar se amors ează
atunci când joncți unea este polarizata direct, iar tiristorul principal se
amors ează atunci când are loc o crește re de curent prin joncți unea . Aceasta comanda se
realiz ează indirect cu ajutorul portii anodice . [1,4,10]

4. Tensiunea are o valoare negativă , iar tensiunea are o valoare pozitivă . Potentialul pozitiv
pe poarta al structurii principale polariz ează direct joncți unea . Electronii din
sunt injectati în care difuzand, sunt colectati de joncți unea . Amorsarea structurii
principale este influentata de creșterea curentului prin joncți une. Pe poarta anodica se
efectu ează comanda în mod indirect, de la distanta. [1,4,10]

36
Triacul se utiliz ează în circuitele de comanda și reglare a puterii de curent alternativ. Tensiunea
de autoaprindere trebuie să fie mai mare decat valoarea de varf aplicataa triacului intre terminalele
pentru a se asigura amorsarea dispozitivului pe poarta, indiferent de valoare instantanee a
tensiunii de alimentare. Prin tensiune continua, tensiune alternativa, tensiune alternativă resresata
sau prin impulsuri se realiz ează comanda portii. [1,4,10]

1.3.8. Optocuplorul
Optocuplorul este un dispozitiv electronic care se mai numeste și optoizolator sau izolator optic,
acesta avand rolul de a transfera un semnal electric intre doua circuite izolate utilizand lumina.
Aceste componente impiedica tensiunile inalte să afecteze sistemul care primeste semnalul, avand o
rezistenta de pana la 10kV pentru tensiunea de intrare/iesire și de asemenea la vitezele de pana la
10kV/ µs ale socurilor de tensiune. Un astfel de optoizolator este compus dintr -o diode LED și un
fototranzistor montate în aceeasi capsula. astfel de dispositive sunt folosite pentru transmiterea
semnalelor digitale de tip on/off sau cele discrete, dar și pentru semnale analogice. Mai jos sunt
reprezentate componenta și diagram a schematica unde avem un fototranzistor în dreapta, sursa de
lumina în stanga și bariera dielectrica în centru. [1,4,1 2]

Fig.1.18. Schema electronica a unui optocuplor [12]

Optocuplorul are în componenta un LED, ca sursa de lumina, cu rolul de a converti semnalul
electric de intrare în lumina, un canal optic inchis și un fotosenzor cu rolul de detectie a luminii din
partea de intrare, modul ează un curent electric continuu ce poate proveni de la o sursa de alimentare
externa sau gener ează în mod direct energie electrica. [12]
Senzorul optic poate să fie o fotodioda, un fotorezistor, un fototranzistor, un triac sau un
redresor de siliciu controlat. Avand în vedere ca dispozitivul contine un LED, acest lucru face
posibila realizarea simetrica și bidirectionala. Fotodioda optoizolatoare conduce catre un comutator
de putere, mai precis o pereche complementara de tranzistori. Echipamentul poate fi supus unor
supratensiuni induse de fulgere, de transmisii de radio -frecventa, de perturbari ale alimentarii, de
tranzitii de impulsuri sa u de descarcari electrostatice, astfel se pot produce suprasarcini de pana la o

37
mie de ori mai mari decat limitele tensiunii de lucru ale compon entelor. în acest caz este nevoie de
o siguranta ridicata în functionare, adica de a bloca astfel de tensiuni sau tranzitii de tensiune, acest
lucru fiind posibil printr -o bariera de izolare fizica care asigura protectia echivalenta cu o izolare
dubla. Pri n utilizarea unei fascicul de lumina modulata ce leaga intrarea și iesirea, se produce
transformarea semnalului util în lumina, de aici ajungand peste canalul dielectric și captand lumina
pe partea de iesire, apoi transformand -o în semnal electric. Optozup loarele sunt dispozitive
unidirectionale ce nu pot realiza transmisia de putere, ci doar modularea fluxului de energie prezent
pe partea de iesire. Nu este necesara asemanarea impedantelor intre partile de intrare și cele de
iesire. [4, 12]
Exista mai mult e tipuri de optoizolatoare:
1. Fotodioda – este o dioda optoizolatoare ce foloseste ca surse de lumina LED -uri și ca senzori,
fotodiodele cu siliciu. Atunci când aceasta are o polarizare inversa cu o sursa de tensiune
externa, lumina primita are rolul de a mari intensitatea curentului invers ce curge prin dioda.
Aceasta din urma are rolul de a modula fluxul de energie de la sursa externa, denumirea
procesului fiind fotoconductie. Dioada converteste energia luminoasa în energie electrica în
cazul în care n u există polarizare externa dacă la borne se aplica o tensiune de pana la 0,7V.
Drenarea sarcinii printr -o cale de inalta impedanta externa duce la colectarea energiei, iar acest
proces poarta denumirea de modul fotovoltaic. [4,12]

2. Fototranzistorul – este un dispozitiv optoelectronic realizat pe o structura de tranzistor, în care
curentul de colector este comandat de un flux lumino s. Acesta poate avea doar emitor și
colector , baza fi ind neconectata sau lasata în gol. Pentru slabilizarea unui punct static de
functionare, componentele sunt totusi prevazute cu electrodul de baza. [4,12]

1.3.9. Sigurante fuzibile
Sigurantele fuzibile sunt aparate electrice cu rolul de a proteza impotriva supracurentilor prin
topirea unui conductor calibrat conectat în serie cu un receptor protejat, pentru a asigura intreruperea
automata a circuitului. [18,19]
Elementul principal al sigurantei este conductorul metalic calibrat. Acesta este montat în serie cu
receptorul protejat, adica este parcurs de acelasi curent care trece și prin repector, este dimensionat
termic pentru a se toti și a intrerupe circuitul inainte ca receptorul să fie avariat din cauza
supracurentilor. Sigurantele fuzibile sunt cele mai ieftine, sigure și usor de folosit aparate electrice
pentru protectia impotriva suprasarcinilor, dar sunt cele mai slab dimensionate din punct de vedere
termic. [18,19]
O siguranta fuzibila are rolul de a asigura doar intreruperea circuitului, iar dupa inlocuirea acesteia
se poate se restabileste circuitul. Intr -o masa de nisip de cuart este inglobat elementul fuzibil astfel
incat stingerea arcului electric este determinata de prelungirea caldurii de catre granulele de nisip. Din

38
momentul în care firul ajunge intr -o stare lic hida, masa de lichid nu mai pastr ează forma geometrica a
firului, aceasta din urma fiind supusa deformarii datorate de fortele elecrodinamice din bucla de curent
și de fortele Lorentz din masa lichidului. [18,19]
Incalzirea firului ajunge la temperatura de topire notata cu θ 1 pe durata t 1, acest proces fiind urmat
de topirea în intregime și conservarea temperaturii în timpul t 1+t2. în intervalul t 2+t3 are loc incalzirea
lichidului pana la temperatura de vaporizare notata cu θ 2, de aici rezultand formarea arcului electric. în
mod normal, arcul se form ează intre picaturile de metal mai devreme. Cea mai importanta caracteristica
a sigurantelor fuzibile este caracteristica de protectie, ce mai poarta denumirea de caracteristica timp –
curent sau carateriristica de topire. O alta caresteristica a acestor dispozitive este caracteristica termica
de tinere a aparatului protejat de siguranta fuzibila inpotriva supracurentilor. Orice supracurent
periculos care poate aparea în timpul functionarii echipamentului ca fi in trerupt prin topirea fuzibilului
inainte ca acesta să produca avarii. în figurile de mai jos se gasesc procesul de topire al fuzibilului sub
actiunea curentului de scurtcircuit și caracteristicile de protectie a doua sigurante fuzibile diferite.
[18,19]

Fig.1.19. Caracteristicile de protecție ale unei siguranțe fuzibile [18]

Notatiile prezente în figurile de mai sus sunt urmatoarele:
I∞ – curentul limita de toipre, adica cel mai mare curent pentru care fuzibilul nu se topeste timp de
aproximativ doua ore ; cele doua ore considerate sunt echivalemte cu un timp infinit

39
In – valoarea eficace a curentului permanent care aprare în circuit atunci când siguranta este
inlocuita cu ajutorul unei coneziuni de impedanta neglijabila
Imt – curentul minim de topire, adica cel mai mic curent pentru care fizibilul se topeste sigur în mai
putin de o ora
Functionarea unei sigurante fuzibile nu este garantata la o tensiune medie , deoarece aceasta poate
determina o topirea fuzibilului, fapt ce d uce la supratensiuni ce depasesc valorile admise. Astfel se
poate determina o capacitatea de rupere a sigurantei. Dependenta valorilor instantanee ale
curentului limitat determina realizarea curbei de limitare. Aceasta poate avea caracteristici diferite
pentru curentul de scurtcircuit asimetric pe o durata și o limitare mult prea mare. [18,19]

Clasele de functionare ale sigurantelor fuzibile sunt urmatoarele:
1. Clasa de functionare g – este folosita pentru sigurante de uz general și cuprinde sigurantele ce au
elemente de inlocuire care rezista la actiunea curentilor egali sau mai mici decat curentul
nominal

2. Clasa de func tionare a – este folosita pentru sigurante asociate și cuprinde sigurantele cu
elemente de inlocuire ce rezista la actiunea curentilor egal i sau mai mici decat curentul nominal
și pot intrerupe toti curent ii pana la capacitatea nominala de rupere a acestora [18,19]

1.4 Arhitectura microcontrolerelor
1.4.1. Caracteristici generale
Microcontrolerul este o structura electronica utilizata în controlul unui proces fara a fi nevoie de
interventia umana. Tehnologiile analogice au initiat dezvoltarea acestor structuri, prin folosirea de
componente electronice electromagnetice și electronice discrete, totusi prezentau cateva dezavantaje:
consumul e nergetic era foarte ridicat, dimensiunile foarte mari și fiabilitate redusa. Cele mai utilizate
microcontrolere la ora actuala sunt cele Motorola (6809) și Intel (8086/8088). [3,6]
Un microcontroler este un microcircuit compus dintr -o unitate centrala numi ta CPU și o memorie
ce permit interectiunea cu mediul extern. Sistemele incapsulate -integrate sunt aplicatiile în care se
utiliz ează cel mai des acest tip de dispozitiv. Domeniile în care se gasesc cel mai adesea sunt:
climatizarea, electrocasnicele, industria aerospatiala și industria automobilelor, în medicina și la
realizarea perifericelor calculatoarelor. [3,6]
Unul dintre cele mai importante elemente caruia trebuie să ii acordam atentie deosebita este
arhitectura unitatii centrale de calcul. Acea sta arhitectu ra poate fi de mai multe tipuri: RISC< CISC sau
Harvard.

40
Proprietatile arhitecturii RISC:
– Instructiunile se executa intr -un singur ceas și sunt intr -un numar cat mai redus
– Decodificarea instructiunilor este cablata
– Se folosesc 4, 8, 16 sau 3 2 kbiti de memorie FLASH programabila (arhitectura RISC avansata)
– Load și Store sunt doua instructiuni prin care se executa accesul la memorie
– Foloseste 131 instructiuni (arhitectura RISC avansata)
– Modurile de adresare sunt simple
– Se utiliz ează modul pipeline
– Este compusa din 32 x 8 registre de uz general (arhitectura RISC avansata)
– Procesorul trebuie să aiba un numar cat mai mare de procese interne
– Este acceptate adaugarea de coprocesoare sau memorii cache [6,13]

Proprietatile arhitecturii CI SC:
– Instructiunile sunt în numar foarte mare și se executa în mai multe cicluri masina
– Modurile de adresare sunt în numar cat mai mare
– Accesul la memorie se face prin mai multe tipuri de instructiuni
– Registrele interne sunt în numar mic
– Instructiunile masina sunt de un nivel mai ina lt [6,13]

Proprietatile arhitecturii Harvard:
– In structura sistemului de calcul s unt utilizate doua memorii: de program și de date
– Ciclurile de citire/scriere se suprapun cu ciclul de extragere a codului operatie din memorie
– Viteza de lucru este mai mare
– Pentru codul instuctiunii se folosesc cuvinte cu diferite lungimi
– Se pot folosi seturi complexe de instructiuni
– Exista doua magistrale: una de date pentru program și una de date pentru datele programului,
avand dimensiuni dif erite
– Este utilizata în structura microcontrolerelor de tip Atmel AVR sau a procesoarelor de semnal
– Exista memorii diferite în care se stoch ează programul și datele acestuia
– Memoria program este de tip FLASH, adica programul nu se pierde la intreruperea te nsiunii de
alimentare
– Datele se stoch ează în memorii de tip EEPROM sau SRAM [6,14]
Unica forma de reprezentare a informatiei pe care o poate procesa un microcontroler este limbajul
masina, desi un programator utiliz ează preponderent limbajul de asamblare, unde una din instructiuni
are ca omolog o instructiune masina. Cele mai avantajoase caracteristici ale unui program în limbaj de
asamblare sunt rapiditatea cu care se executa și faptul ca este un limbaj compact, de mici dimensiuni.
Implementarea la nivel inalt a unui limbaj, dar mai apropiat de un limbaj natural poarta denumirea
de interpreter. Citirea și executia instructiunilor în mod secvential sunt proprietati de luat în calcul

41
pentru un program interpretat. Compil atoarele combina lejeritatea în programare data de un interpreter.
Programul este translatat direct în limbaj de asamblare sau în limbaj masina, iar codul masina care se
gener ează este executat în mod direct ca un tot unitar de catre microcontroler și are dimensiuni mari.
Perifericele utilizate au urmatoarele caracteristici:
– Timer „Wahchdog” programabil cu oscilator se parat pe cip
– USART programabil serial
– Counter de prescalare separata (Timer pe 8 biti)
– Counter de prescalare separata și capturare (Timer pe 16 biti)
– Controlul timpului real se face cu un oscilator separat [6,13]
Alte caracteristici ale unui microcontroler:
– Foloseste surse de intrerupere atat interne, cat și externe
– Are un oscilator intern calibrat
– Function ează în 6 moduri sleep: power -save, power -down, de asteptare și de asteptare extins, de
reducere a zgomotului și modul inactiv
– Intervalul de temperatura este cuprins intre 40 ° C și 85 ° C
– Tensiunea de operare este cuprinsa în intervalul 1,8V și 5,5V
– Modul de operare are 0,2mA
– Modul power -save are 0,1μA
– Modul power -down are 0,75μA
– Frecventa de lucru variaza în functie de tensiunea de operare [3,6]
Porturile de intrare/iesire sunt de tip citire -modificare -scriere când se folosesc ca porturi digitale de
intrare/iesire. în cazul în care dorim să schimbam directia pinului unui port, putem folosi instructiunile
CBI și SBI, fara a schimba starea celorlalti pini. Pinul conducator este suficient de puternic pentru a
conduce direct un display cu LED -uri, iar bufferele de iesire function ează în doua moduri. Pentru un
singur port sunt alocate trei locatii de adreasa a memoriei de intrare/iesire și anume: pinii de intrare
PINx, registrul de date PORTx și directia registrului DDRx. Majoritatea pinilor folositi sunt
multiplexati cu functii alternativ e pentru careacteristicile periferice pe c are le inglob ează dispozitivul.
Proprietatile timer -ului:
– Este compus din doua comparatoare independente de iesire
– Registri comparatori de iesire sunt buffere duble
– Are o perioada variabila a modulului PWM
– Are rolu l de a genera frecventa
– Este proiectat pe 16 biti [6]

1.4.2. Microcontrolerul ATMEL Atmega328
Caracteristicile microcontrolerului ATMEL Atmega328 sunt urmatoarele:

42
– Este un dispozitiv ce face parte dim familia microcontroalelor CMOS pe 8 biti de mica putere
bazat pe arhitectura RISC avansata
– Instructiunile sunt executate intr -un singur ciclu de ceas
– Registrele de uz general sunt de 32 x 8 biti
– Se folosesc 4, 8, 16 sau 32 kbiti de memorie FLASH programabila
– Are 6 canale de tip ADC de 10 biti
– Se folosest e programarea seriala USART
– Are un comparator analogic on chip
– Foloseste 23 de linii de intrare/iesire programabile
– Foloseste 6 canale PWM
– Toate cele 32 de registre sunt direct conectate la Unitatea Aritmetico -Logica ( UAL)
– Este de zecce ori mai rapid decat un microcontroler ce foloseste arhitectura CISC [17]

43
Capitolul 2. Senzori și traductori
2.1. Traductorul și tipurile de traductoare
Traductoarele sunt dispozitive electronice ce au proprietatea de a genera o varia tie a unei
marimi electrice atun ci când sarcina sufera o mod ificare. Traductoarele mai poarta denumirea de
senzori, fiind com ponente active ale captoarelor, unde se pot identifica și alte componente cum sunt:
piese de fixare și de preluare a sarcinii, elemente de conexiune, elemente elastice, sisteme miniaturizate
de conditionare a semnalelor, elemente de protectie la umiditate sau suprasarcina. [20,21]
Tipurile de traductoare cu o larga utilizare sunt urmatoarele: traductoarele de temperatura sau
termometre, traductoare ind uctive de proximitate, traductoare potentiometrice și traductoare
diferentiale, etc. Acestea sunt descrise pe larg în randurile ce urm ează.
Traductoarele de temperatura sunt de doua tipuri: cu contact sau fara contact cu obiectul
masurat. Prima categorie, a traductoarelor cu contact cu obiectul masurat, se imparte in: traductori cu
senzori neelectrici și traductori cu senzori electrici. Traductoarele cu senzori neelectrici se baz ează pe
dilatarea metalelor, a lichidelor (alcool sau mercur) și a gazelor(aces tea poarta denumirea de
manometre) și de asemenea utiliz ează senzori chimici, la care orice dilatare a unui corp poate fi
preluata de un traductor de deplasare, rezultand un termometru bazat pe dilatare. Traductoarele cu
senzori electrici utilizate cel mai adesea sunt termocuplul și termorezistorul. [5,20,21]
Pentru masurarea temperaturii în situatiile în care nu este posibila accesarea obiectului datorita
temperaturii foarte ridicate, se folosesc termometrele în infrarosu, senzori cu fibre optice sau captoare
de imagini în infrarosu. Constanta de timp a termometrelor este influentata de tipul senzorului, de
obiectul de masurare sau de rezistenta termica dintre senzor și obiectul de masurare, locul de montare
al senzorului, etc. Aceste constante de timp au valoarea de aproximativ 1s pentru termocuoluri fara
teaca de protectie și termometre cu termorezistoare. în cazul în care se folosesc senzori cu teaca
metalica, atunci valorile constantelor de timp cresc. Cele mai mici valori ale constantelor de timp s e
regasesc la termometrele cu fotodetectoare cuantice în infrarosu. [5,20,21]
Pentru prevenirea degradarii semnalului din cauza erorilor provocate de diferentele de
temperatura, adaptorul electronic trebuie pozitionat langa punctul de masurare. Tensiunile furnizate de
aceste adaptoare și de termocupluri sunt supuse la zgomote, tocmai din aceasta cauza adaptoarele
electronice au proprietatea de a converti tensiunea în curent, acesta fiind transmis pe distante mari, fara
perturbatii. Eliminarea zgomotelor de inalta frecventa și izolarea electrica sunt realizate de unitatile de
conditionare care asigura eliminarea buclelor de masa și filtrarea trece jos. [5,20,21]
Dupa tipul iesirii și a modului de comanda, traductoarele de temperatura sunt incadrate in: clase
pentru monitorizarea proceselor, clase analogice, clase cu iesiri numerice și clase cu intrari/iesiri
numerice. Dacă la iesire rezulta o tensiune ce depinde liniar de temperatura, atunci se poate vorbi de un
traductor analogic ideal. în cazul traductoarelor cu intrari/iesiri numerice, temperatura este transmisa
printr -o magistrala serie catre un microcontroler. Tot pe aceasta magistrala se transmit datele în sens
invers, de la microcontroler catre traductor, pentru a se stabili limita de temper atura la care va avea loc
intreruperea microcontrolerului. Un astfel de traductorse foloseste la masurarea temperaturii în

44
calculatoare, la determinarea frecventei de tact a unui microprocesor sau la controlul vitezei în cazul
unui ventilator.
Traductoarel e cu iesiri numerice au aceste iesiri pe o singura linie, indiferent de tipul acestora.
în cazul în care se adauga un comparator și o referinta de tensiune unui traductor analogic, atunci
iesirea se intrerupe dacă se depaseste o anumita temperatura data. în componenta traductoarelor pot
aparea linii de intarziere, iar atunci datele de iesire iau forma unei perioade de semnal logic.
Traductoarele de temperatura pentru monitorizarea proceselor au rolul de a monitoriza tensiunile de
alimentare ale sistemului. [5,20,21]
In ceea ce priveste traductoarele inductive de proximitate, acestea au o functionalitate care se
bazează pe masurarea curentilor indusi în suprafata conductoare de liniile de flux magnetic generate de
infasurarea activa a senzorului, aceasta fiind alimentata la un curent de frecventa foarte inalt, de
aproximativ 1MHz. Astfel, se masoara distanta dintre senzor și suprafata piesei din materialul
conductor luata ca reper. Curentul indus este invers proportional cu distanta Δl, când acesta crește ,
distanta scade. Cu ajutorul unei semipunti cu impedante se determina variatiile acestui curent. în bratele
semipuntii sunt conectate infasurarile, activa și pasiva, cea din urma avand rolul de a compensa efectul
variatiei de temperatura. Demodularea iesir ii din semipunte este facuta de sistemul electronic, dupa
care este transformata intr -un semnal analog care depinde liniar de distanta dintre senzor și reper. în
figura de mai jos este reprezentata componenta semipuntii cu infasurari:

Fig.2.1. Componenta semipunții cu infășurări a unui traductor [20]
Sensibilitatea traductorului este ridicata, iar metoda de masurare fara contact poate fi aplicata și
în cazul unui reper cu material izolator, dacă se lipeste pe suprafata acestuia o folie subtire de aluminiu.
Pentru controlul automat al grosimii straturilor depuse și dimensiunilor se foloseste aparatura de
masurare specializata.
Traductorul potentiometric este compus dintr -o rezitenta de tip solenoid cu cursor deplasabil, în
care pozitia u nui element mecanic poate și controlata. Solenoidul este pus la o tensiune U i. Rezistenta
acestuia are valori cuprinse intre 10Ω și 10MΩ, în functie de lungimea și diametrul sarmei ce se
bobin ează pe un suport izolator cilindric. în practica, acest tip de traductoare se utiliz ează pentru
masurarea unghiurilor de rotatie ce depasesc 15° și a deplasarilor liniare de peste 10mm. [5,20,21]

45
Traductoarele diferentiale ajuta la detectia deplasarii unui miez magnetic prin masurarea
variatiei de inductanta care se p roduce intr -un ansamblu de bobine cu campuri magnetice inlantuite.
Bobinele sunt de trei feluri: bobina primara, bobina secundara 1 și bobina secundara 2, monate intr -un
suport izolator tubular. Inductia mutuala dintre infasurarea primara și celelalte doua infasurari
secundare este controlata de pozitia miezului magnetic. Dacă miezul este centrat fata de bobine, atunci
tensiunile induse în celelalte doua infasurari au valori egale, dar în antifaza, iar tensiunea la iesire are
valoarea zero. Se poate produce un dezechilibru de inductanta mutuala intre infasurari atunci când are
loc deplasarea miezului spre dreapta sau spre stanga, ceea ce da nastere unei tensiuni de iesire pozitivă
sau negativă . Astfel de traductoare sunt robuste, cu histerezis nul și o sensibilitate mare, ceea ce duce la
utilizarea lor frecventa în aplicatii. Mai jos se regaseste schema acestui dispozitiv electronic: [5,20,21]

Fig.2.2. Schema electronică a unui traductor [20]

2.2. Fotorezistorul
Fotorezistorul, dupa cum ii spune și numele,este un rezistor din material semiconductor,
rezistenta să fiind influentata de valoarea pe care o are intersitatea fluxului luminos incident. Acesta
este realizat dintr -o placuta din material semiconductor omogen ce are la capete contacte ohmice.
Protectia acestei structuri este data de o capsula din material plastic sau printr -un lac protector. [4]
O marime ce caracteriz ează functionarea fotorezistorului este rezistenta la intuneric, notata cu
R0, adica rezistenta la echilibru termic . Lumina este absorbita uniform în tot materialul, ceea ce duce la
generarea de perechi de tip electron -gol care asigura scaderea valorii rezistentei și a rezistivitatii.
Viteza de generare a perechilor electron -gol pentru un flux incident monocromatic este data de relatia:
GL= ⁄ , unde: – raportul dintre numarul de fotoni absorbiti și numarul de fotoni ce
patrund în material (poarta denumirea de coeficient de absorbtie) ; r – coeficientul de reflexie a luminii
la suprafata; – raportul dintre numaru l de purtatori generati și numarul de fotoni absorbiti (poarta
denumirea de randament de generare, iar A – aria expusa la lumina. Crestarea concentratiei de purtatori
mobili este determinata de generarea de perechi electron -gol, astfel se obtine un echilib ru intre cele

46
doua fenomene, de recombinare și de generare. Conductanta G a fotorezistorului este direct
proprotionala cu intensitatea fluxului luminos, depinzand de valoarea densitatii spectrale. [4]
Inertia fotorezistentei și pragul fotoelectric sunt alt e doua marimi ce caracteris ează acest
dispozitiv. Prima reprezinta timpul necesar pentru stabilirea valorilor stationare ale concentratiilor de
purtatori mobili, iar cea de -a doua este lungimea maxima pe care o poate avea unda astfel incat efectul
fotoelec tric să fie inca prezent. [4, 26]
Un alt dispozitiv optoelectronic foarte des utilizat este fotodioda. Aceasta este realizata pe baza
unui contact metal -semiconductor, în polarizare inversa sau a unei joncți uni pn. Perechile de electroni –
goluri ce sunt generate în interiorul regiunii de sarcina spatiala influent ează curentul prin joncți unea
polarizata invers, în absenta luminii. în caz contrar, apar purtatori suplimentari, adica un curent
suplimentar notat I L. Sub actiunea luminii, purtatorii de sarcina generati în regiunile neutre au o
deplasare spre zona de sarcina spatiala prin curentii de difuzie sau cei de camp, astfel, doar o parte
dintre acestia formand curentul suplimentar și ajungand la joncți unea metalurgica. [4,26]
Capacitatea spectrala a fotod iodei reprezinta raspunsul acesteia în functie de lungimea de unda a
radiatiei luminoase.Aceasta are un raspuns maxim la o mungime de unda de λ p=850nm, iar radiatiile
infrarosii și vizibile sunt cuprinse în domeniul spectral. Caracteristicile statice și spectrale ale
fotodiodei sunt repezentate în figura de mai jos:

Fig.2.3. Caracteristicile statice și spectrale ale fotodiodei [4]
Fotoelementul este un dispozitiv optoelectronic cu converteste în mod direct energia luminoasa
în energie electrica. Acesta este la fel ca fotodioda, insa are o suprafata mai mare pentru a oferi o
energie electrica crescuta. Fotoelementele mai poarta denumirea de baterii solare, deoarece se foloseste
preponderent energia solara. Circuitul de lucru al fotoelementului cuprinde r ezistenta de sarcina, notata
cu R s, ce ajuta la generarea unui curent de sens contrar tensiunii la borne în joncți une. [4,26]
Fototiristorul este un dispozitiv optoelectronic montat pe o strcutura de tiristor, în care
aprinderea de face sub actiunea unui flux luminos. în cazul în care intensitatea fluxului luminos isi
mareste valoarea, atunci are loc o scadere a tensiunii.
Fototranzistorul face parte tot din categoria dispozitivelor optoelectronice, insa acesta este bazat
pe o structura de tranzistor, unde un flux luminos comanda curentul de colector. Baza tranzistorului
poate fi lasata în gol, astfel ramanand doar doi electrozi, emitorul și colectorul. Singurul rol pe care il
are electrodul de baza este de a stabili punctul static de functionare. [4,26]

47
Capitolul 3. Sistemul de dezvoltare Arduino Uno
3.1. Generalitati Arduino
In cadrul Institutului de Design Interactiv din Ivrea, Italia a luat nastere un proiect dedicate
studentilor, în anul 2005. Acestia au utilizat un BASIC Stamp destul de scump la acea vreme, valoarea
acestuia ajungand la aproximativ 100 de dolari. Unul dintre fondatori a fost Massimo Banzi, care a
contribuit la un design de calibrare și a predate o teza destre hardware în cadrul institutului. Cercetatorii
au incercat să dezvolt e platforma de cablare, pentru a fi mai ieftina și mai usor de folosit. Unul dintre
acestia a fost David Cuartielles. Intre timp pretul acestei platforme a ajuns la 30 de dolari și la o
utilizare cat mai mare în randul programatorilor. [15]
Arduino es te un microcontroler compus dintr -o singura placa, ce face posibila aplicarea unor
medii interactive. Partea hardware consta intr -o placa cu sursa deschisa, asemanatoare cu un
microcontroler de 32 biti Atmel ARM sau 8 biti Atmel AVR. Cele mai recente modele au în
componenta 6 pini analogici de intrare, 14 pini digitali de intrare/iesire și o interfata USB ce face
posibila atasarea altor placi de extensie. Platforma Arduino a fost priectata cu scopul de a crea
dispozitive ce interaction ează cu mediul lor, prin utilizarea de actuatori și senzori. Ca exemple în care e
regaseste platforma sunt: detectoarele de viteza, robotii sau termostatele. Mediul de dezvoltare este
integrat și rulează pe orice tip de calculator personal, astfel incat permite utilizatorilor să scrie
programe cu ajutorul limbajelor de programare C sau C++. în momentul de fata, o placa Arduino are un
pret de aproximativ 20 euro și poate fi achizitionata sub forma de kit -uri ce se pot asambla sau deja
asamblate. [15]
Placa Arduino este compusa dintr -un microcontroler Atmel de 8 biti AVR în care componentele
sunt complementare, pentru usurinta incorporarii în circuite. Unitatea de baza este conectata la diferite
module interschimbabile, numite scuturi. Acestea comunica cu placa în mod direct cu a jutorul unor ace
sau printr -o magistrala seriala I2C astfel incat aceste scuturi să fie folosite în paralel. Seria de cipuri
folosita de Arduino este compusa din Atmega8, Atmega168, Atmega328, Atmega 1280 și Atmega
2560. [15, 22]
Majoritatea placilor au în componenta un oscilator cu cristal de 16MHz (acesta poate fi inlocuit
cu un rezonator ceramic) și un regulator liniar de 5V. Frecventa de rulare poate să fie mai mica, de
8MHz. Microcontrolerul Arduino este preprogramat, nefiind nevoie de o programare ext erna, iar
aceasta caracteristica duce la usurinta în folosire chiar și pe un calculator obisnuit.
Placile sunt programate printr -o conexiune seriala de tip RS232. există și placi Arduino în serie,
ce contin un circuit ce permite conversia semnalelor la nivel TTL și la ivel RS232. Majoritatea placilor
sunt programate prin USB, fiind implementate cu ajutorul cipurilor ada ptorului, adica FT232 sau FTDI.
Arduino Mini foloseste o placa detasabila a adaptorului USB, iar placile Arduino Nano au pini pe
partea i nterioara a placii pentru conectarea facila la placile care nu sunt deja lipite. Compania care
produce aceste placi este SparkFun El ectronics , iar hardware -ul Arduino este fabricat în Italia. Mai jos
se regasesc cateva tipuri de placi Arduino: [15, 22]

48

Fig.3.1. Tipuri de plăci Arduino [22]

3.2. Arduino Uno
Arduino Uno este o placa cu microcontroler ce se baz ează pe Atmega328. Aceasta difera de placile
precedente, unde nu sunt utilizate FTDI, dar are în componenta un microcontroler Atmega8U2,
programat ca un convertor USB serial.
Arduino uno poate fi alimentat cu o sursa externa sau printr -o conexiune USB. O baterie sau Un
adaptor AC/DC poate produce puterea externa, acesta din urma fiind conectat în mufa de alimenta re
printr -o priza de 2,1mm. Dacă se utilizează o tensiune ce depaseste valoarea de 12V, atunci regulatorul
de tensiune se poate defecta. [15, 22]
Pinii de alimentare ai placii sunt:
1. GND – sunt acele de la sol
2. IOREF – sunt pinui de pe placa ce ofera o tensiune de referinta ce influent ează functionarea
microcontrolerului; dacă scutul este bine configurat, se poate determina tensiunea acestor pini
3. VIN – reprezinta tensiunea de intrare în placa Arduino când se utiliz ează o sursa externa de
alimentare
4. 5V – acest pin are rolul de a emite în mod regulat valoarea de 5V; placa se poate alimenta cu
energie electrica de la conectorul USB sau de la mufa de alimentare DC
5. 3v3 – reprezinta o sursa de 3,3V ce gener ează reglementarea de la bord [15, 22]
ATmega328 ofera o comunicare seriala de tip UART TTL c u o putere de 5V, fiind disponibila pe
acele digitale RX și TX. Software -ul Arduino este compus dintr -un monitor de serie ce realiz ează
trecerea datelor catre placa. în momentul în care datele sunt transmise, cele doua LED -ul, RX și TX,
vor clipi prin intermediul unui cip USB serial. Arduino Uno este proiectat astfel incat resetarea să fie
facuta de software în timp ce este conectat la calculator. Cu ajutorul unui condensator cu o capacitate
de 100nF se realiz ează conectarea la linia de resetare ATmega328. Atunci când linia este pornita, are
loc resetarea circuitului, astfel orice cod pe care dorim să il incarcam necesita o simpla apasare a
butonului de Upload, rezultand o incarcare de scurta durata. în momentul în care placa este cone ctata la
calculator, are loc resetarea de fiecare data când este facuta o conexiune software prin USB. [15, 22]

49
Arduino Uno are în componenta o siguranta programabila cu rol de protectie al porturilor USB la
suprasarcina sau scurtcircuit, de aceea platform a nu afect ează calculatorul. Siguranta poate să intrerupa
automat conexiunea dacă se aplica pe USB mai mult de 500mA, atat timp cat parametrii nu sunt în
limitele normale. Se poate folosi o carcasa pentru protectia placii deoarece este prevazuta cu patru
orificii pentru suruburi. [15, 22]
Caracteristicile placii Arduino sunt urmatoarele:
1. Microcontroler de tip ATmega328
2. Tensiunea d e intrare este cuprinsa int re 7V și 12V
3. Tensiunea de intrare limita este cuprinsa intre 6V și 20V
4. Tensiunea de lucru este de 5V
5. Contine 6 pini analogici
6. Contine 14 pini digitali
7. Memoria SRAM este de 2kB
8. Memoria EEPROM este de 1kB
9. Viteza este de 16MHz
10. Intensitatea de iesire este de 40mA
11. Intensitatea de iesire pe 3.3V este de 50mA [15, 22]

3.3. Programarea
Arduino Uno poate fi programata cu propriul soft, iar initial trebuie urmati cativa pasi pentru
setarea acesteia. Din meniul programului se set ează placa pe care dorim să lucram, în caz contrar,
semnalul codificat, respectiv decodificat, este diferit de la o placa la alta și nu poate fi interpretat
corect. Apoi, trebuie selectat portul de intrare în calculator, pentru a fi citita platforma de procesare.
In zona de meniu se afla butoanele interactive:
1. Crearea unui proiect nou
2. Deschiderea proiectului
3. Salvarea proiectului
4. Verificarea erorilor din program
5. Incarcarea programului în placa de dezvoltare
6. Monitorizarea seriala, folosit prntru comunicarea prin portul serial cu calculatorul
Microcontrolerul ATmega328 din componenta platformei este scris cu un program ce permite
incarcarea unui nou cod fara a fi nevoie de alte elemente hardware sau circuite aditionale. Prin
protocolul STK500 se realiz ează comunica rea dintr eplatforma și calculator .
Mediul de dezvoltare integrat Arduino reprezinta o aplicatie scrisa în Java și include un editor de
cod cu caracteristici, alinierea automata și conectarea legaturilor. Programele Arduino sunt scrise în C
sau C++, iar utilizatorii trebuie să defineasca functiile de executie astfel incat să fie permisa rularea
programului. Aceste functii de executie sunt:

50
1. Functia de deschidere
2. Functia de configurare, ce rul ează o singura data la inceputul programului, pentru a initializa
setarile în cadrul acestuia
Mediile de dezvoltare Atmel AVR Studio sau Atmel Studio pot fi folosite pentru dezvoltarea soft –
urilor pentru Arduino, la fel cum platforma Arduino utiliz ează microcontrolere Atmel. [15, 22]

51
Capitolul 4. Realizarea practică
4.1. Descrierea realizarii practice
Sistemul inteligent de control a luminii a fost realizat în principal în jurul unui microcontroller
Atmega328 prod us de ATMEL, acesta are un procesor pe 8 biti cu arhitectura RISC, memorie FLASH
de 32kByte și un convertor analog -digital pe 10 biti.
Pentru generarea semnalului de ceas am folosit un cristal de quartz de 16MHz conectat la
microcontroler prin intermediul a doi pini dedica ți pentru oscilatorul extern, condensatorii C6 și C5
sunt specifici oscilatorului de tip Pierce și au o valoare apropiata de capacitatea cristalului de quartz.
Grupul RC format din R3 și C4 are rolul de a activa microcontrolerul prin apli carea valorii de 1 logic
pe portul de “Reset” al microcontrolerului, condensatorul C4 are rolul de a introduce o mică întâ rziere
de timp pentru a evita apariț ia de reset -uri cauzate de zgomot.

Afișarea se face pe un display LCD 2×16 caractere de tipul RC1 602-BIW -ESX, acesta este un
display de tip STN negativ de culoare albă cu iluminare transmisivă cu LED de culoare albastră .
Display -ul este comandat de microcontro ler folosind modul de comandă de cu 4 biti de date, un bit de
enable și un bit ce indică scrierea sau citirea din registri.

Rezistorul semireglabil R2 form ează un divizor reglabil de tensiune și are rolul de a seta
contrastul display -ului, pozitia cursorului acestuia se stabileș te experimental în funcție de preferinț a
utilizatorului. Rezistorul R1 este folosit pentru limitarea curentului prin LED -ul responsabil cu
iluminarea, valoarea de catalog a tensiunii pe backlight este V F=4.2v și IF=100mA.

Alimentarea display -ului se face direct de la tensiu nea de alimentare de 5V preluată de la
magistrala USB, fiind ace eași sursă de alimentare folosita și pentru microcontroler, senzor și optotriace.
Pentru a suplimenta filtrarea tensiunii de alimentare și a elimina eventualele componente parazite ce
pot aparea din cauza firelor lungi am fo losit doua condensatoare C1 și C2 de tip ceramic multistrat,
împreună cu inductorul L1 acestea form ează un filtru trece -jos. Condensatorul C3 este de tipul ceramic
și are valoarea de 100nF, acesta s -a montat direct pe pinii de alimentare a microcontrolerul ui pentru
rejectia riplurilor de frecvență înaltă. Existenț a tensiunii de 5V de alimentare este semnalată prin
intermediul LED -ului D2, rezistorul R9 are rolul de a limita curentul prin acesta. Dioda Zener D1 are
rolul de a proteja circuitul la inversarea polarităț ii tensiu nii de alimentare sau apariț ia unor
supratensiuni.

Utilizatorul interaction ează cu sistemul prin intermediul a 4 butoane: S1, S2, S3 și S4. La
apasarea acestor butoane microcontrolerul primeste un semnal de valoarea 1 logic iar în stare neapasata
rezistorii R4, R7 și R8 tin semnalul la valoarea de 0 logic. Prin intermediul butonului S1 se poate reseta
microcontrolerul fara a intrerupe alimentarea acestuia.

Semnalul de sincronizare cu reț eaua de 220 este generat prin intermediul unui opt ocuplor,
acesta primește tensiunea de la rețea prin intermediul unei punți de diode redresoare și a rezistorilor
R11 și R14, aceștia din urmă avand rol de limitare a curentului prin LED -ul optocuplorului. Semnalul

52
de sincronizare apare sub forma unor pulsu ri cu frec vența de 100Hz în colectorul tranzistorului din
optocuplor, aceste pulsuri sunt sincronizate cu trecerea prin zero a tensiunii de la reteaua de 220.
Semnalul de sincronizare este introdus direct în microcontroler, din acest motiv a fost nevoie de o
izolaț ie galvanică foarte bună realizată prin intermediul optocuplorului.

Senzorul de lumină este realizat prin intermediul unui divizor rezistiv cu R15 și R16, unde R15
este un fotorezistor. Astfel caderea de tensiune pe R16 este direct proportionala cu intensi tatea
luminoasă , valoa rea acestei tensiuni este citită cu ajutorul convertorului analog -digital din
microcontroler. Controlul becurilor se realiz ează printr-un grup separat de comandă pentru fiecare bec,
astfel avem 3 grupuri de putere formate di ntr-un triac de putere, un optotriac, doi rezistori și o
siguranță.

Comanda de la microcontroler către triac este izolată galvanic prin intermediul unui optotriac,
rezistorii R6, R12 și R16 au rolul de a limita curentul prin LED -ul optotriacului. Rezistorii R5, R10 și
R17 au rolul de a limita curentul de poarta a triacului. Triacele de putere sunt de tipul “BT136”, acestea
au un curent nominal de 4A și suporta o tensiune maxima de 600V. Pentru becurile 1 și 2 (la acestea se
poate varia luminozitate a) s-au folosit optotriace de tip “MOC3022” și pentru becul 3 s -a folosit un
optotriac de tipul” IS621”, acesta are un circuit special de dete ctare a trecerii prin zero a reț elei.

Având în vedere curentul maxim suport at de triacele de putere rezultă că pu terea maximă care
poate fi comandată de fiecare grup este de circa 800W, insa aceasta putere poate fi limitată prin
intermediul siguranț elor fuzibile.

53

4.2. Procesul de tehnologizare
La realizarea practică am ținut cont de necesitatea obținerii unei izolă ri galvanice bune î ntre
partea de control și partea de putere, pentru a îmbunătăți siguranța persoanelor care lucr ează și a reduce
defectarea cir cuitului.
Am utilizat optotriace pentru comanda circuitului de putere, iar porț iunea de circuit în care
avem o tensiune de 2 20V a fost separată de cea unde se lucr ează la 5V, izoland -o cu ajutorul unui
plastic neconductiv. Mai jos se re gasesc imagini pentru o mai bună intelegere a procesului.
Alimentarea se poate face de la orice port USB, printr -o mufa USB -mamă , ce este compatibila
cu orice cablu. Pentru conectarea facilă a becurilor s -au folosit reglete de cablaj. Grupul de comanda al
becurilor este realizat din triace, fiecare dintre acestea fi ind alimentat printr -o siguranță fuzibilă, astfel
nu se pot în tâmpina probleme de nefunctionalitate, deoarece atunci când se strică unul din grupuri,
celelalte continuă să funcț ioneze normal.
Dezvoltarea și testarea circuitului se realiz ează cu ajutorul unei placi de tip breadboard, ce nu
implica foarte multe lipituri permanente asupra componentelor. Software -ul a fost realizat cu ajutorul
placii de dezvoltare Arduino Uno v.3, programele și librariile furniza te de producatorii Arduino. După
realizarea inscrierii programului software pe microcontroler, acesta a fost extras de pe placa de
dezvoltare și introdus în soclul circuitului real, lângă celelalte componente.

Fig.4.1. P lacă de tip breadboard și dispoz itiv pentru lipirea componentelor [28]

54

4.3. Schema electronică a montajului

55

4.4 Organigrama softului

56

57
Capitolul 5. Perspective de dezvoltare
Senzorii de iluminat sunt folosiți din ce în ce mai mult, deoarece oferă confort atât în interiorul
locuinței, cât și în afara acesteia. Având în vedere că î n interior aceștia pot fi setati în funcț ie de nevoile
utilizatorului, gradual, cu ajutorul dimmer -ului, se pot îmbunătăț i prin utilizarea unei telecomenzi
Bluetooth ce poate fi folosită de oricine persoană, indiferent de vârstă .
De asemenea, p rin adaugarea unui se nzor de mișcare, atât în interiorul locuinței, cât și în afara
acesteia, se sporețte confortul, dar și siguranț a utilizatorului. Se permite setarea timpului de aprindere,
unghiul de detecție și modul de iluminare, în funcț ie de nevoi. Cel mai adesea sunt u tilizați în spații
înguste, cum sun t holurile, birourile sau bucatăria. În afara locuinței, iluminarea zonei poate fi făcută cu
un detector infraroșu, astfel încât să nu existe alarme false . Se pot ilumina terasele, parcările, zonele d e
acces sau gră dinile.
Pe viit or, tot aici se pot implementa și senzori cu detecție vocală, aceștia sporind confortul și
reducâ nd costurile energiei electrice. Un astfel de senzor poate fi utilizat de aproximativ toate
persoanele, excepție făcând cele cu dizabilități. Astfel, crește performanța utilizării, deoarece, în cazul
în care în locuință există animale de companie, acestea nu sunt detectate de senzor. Performanț ele
senzorilor de iluminat sunt î n continuă creștere, în funcț ie de aparitia de noi tehnologii, de nivelul de
cunoș tințe al utilizatorilor și de dorinta de evoluț ie al acestora.

58

59
Concluzii
În urma realiză rii acestui proiect am acumulat foarte multe noțiuni despre disp ozitivele
electronice folosite în viaț a de zi cu zi, cum sunt senzorii, diodele, optocuploarele, triacele,
tranzistoarele, dar mai ales mi -am mărit aria cunostinț elor despre programarea microcontrolerelor ț i
ceea ce presupune realizarea unei plăci de test, ce poate fi folosită cu succes în diferite scopuri.
De asemenea, am înteles importanț a unui proiect de o mai mare amploare, c um este acest
proiect de licentă, dar și demersurile ce trebuiesc parcurse în realizarea lui. Noț iunile pe care le -am
acumulat pe parcursul facultății mi -au fos t de ajutor în înț elegerea fenomenelor ce stau la baza
anumitor procese tehnice, î n alegerea componentelor pe care le -am folo sit și î n implementarea acestuia .
Acestă lucrare reprezintă baza unui proiect mult mai vas t ce se poate realiza la o scară mult ma i
mare, avînd în vedere că î n ultimii ani, tehnologia s -a dezvoltat foarte mult, iar cerințele pieței sunt din
ce în ce mai ridicate. Așadar, se pot folosi noțiunile prezentate anterior î n realizarea u nei locuințe
inteligente, a cărei dotări să conțină senzori multipli, atît de iluminare, cât și de mișcare, pentru a ușura
cât mai mult traiul cotidian, cât și pentru scă derea consumului de energie , iar beneficiile pe care le
oferă automatizarea unei case, în funcție de dorinț a proprietarului.

60

61
Bibliografie
[1] Electronică industrială. Componente și circuite electronice de bază – Alexandru Vasile – Editura
Cavallioti, București 2004
[2] Componente electronice pasive – Alexandru Vasile, P. Svasta, V. Golumbeanu – Editura Cavallioti,
București 2007
[3] Programarea microcontrolerelor din familia Intel. Aplicații practice hardware – Alexandru Vasile,
Sever Pasca, Elisabeta Buzoianu – Editura Man -Dely, București 2009
[4] Dispozitive și circuite electronice – D. Dascălu, M. Profirescu, A. Rusu, I. Costea – Editura
Didactică și Pedagogică, București 1982
[5] Electronică industrială – P. Constantin, C. Rădoi. V. Lăzărescu, N. Drăgulănesc u, O. Radu –
București 1983
[6] Arhitectura sistemelor de calcul – Radu Ră descu – Editura Politehnica Press, București 2009
[7] Procesoare Intel. Programare în limbaj de asamblare – V. Lungu – Editura Teora, București 2001
[8] The Automation Evolution – Matt Adams, Glenn Snyder, Matt Szuhaj – 2012
[9] An Abbreviated History of Automation & Industrial Controls Systems and Cybersecurity – Michael
Assante, Tim Conway – SANS Institute, August 2014
[10] Bazele electronicii analogice și digitale – S.D. Anghel – Editura Presa Universitara Clujeana, Cluj –
Napoca 2007
[11] http://www.tehnium -azi.ro/page/index/_/articles/notiuni -teoretice -din-electronica/Tiris torul
[12] https://ro.wikipedia.org/wiki/Optocuplor
[13] http://www.csit -sun.pub.ro/~cpop/Cursuri_SM/SM1/SM1_Introd ucere.pdf
[14] https://www.scribd.com/doc/13273418/22/Arhitectura -Harvard
[15] https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino
[16] http://subiectepentrutoti.ro/informatica_54c6c1a3cd453.html
[17] http://www.atmel.com/images/Atmel -8271 -8-bit-AVR -Microcontroller -ATmega48A -48PA -88A-
88PA -168A -168PA -328-328P_datasheet_Complete.pdf
[18]http://aparate.elth.ucv.ro/Echipamente%20electrice/Laborator/Studiul%20sigurantelor%20fuzibile.
pdf
[19] https://ro.wikipedia.org/wiki/Siguranță_fuzibilă
[20] http://www.resist.pub.ro/Cursuri_master/MEVSM/curs_4.pdf

62
[21] http://ep.etti.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_5.pdf
[22] http://www.robofun.ro/arduino_uno_v3
[23] https:// ro.wikipedia.org/wiki/Afișaj_cu_cristale_lichide
[24] https://ro.wikipedia.org/wiki/Cristal_lichid
[25] http://www.scientia.ro/tehnologie/39 -cum-function ează-lucrurile/355 -cum-function ează-becul -cu-
incandescenta.html
[26] http://eprofu.ro/docs/electronica/carte/fotorezistor -fotodioda -fototranzistor.pdf
[27] https://www.scribd.com/doc/57000278/casa -inteligenta
[28] http://www.adelaida.ro

63
Anexe

64

65

66

67

68

69

70

71

72
Meniu Butoane
#include <LiquidCrystal.h>

/* ########### INITIALIZARE DISPLAY
LCD
* LCD RS pin to digital pin 12
* LCD Enable pin to digital pin 11
* LCD D4 pin to digital pin 5
* LCD D5 pin to digital pin 4
* LCD D6 pin to digital pin 9
* LCD D7 pin to digital pin 10
* LCD R/W pin to ground
*/
LiquidCrystal lcd(13, 12, 11, 10, 9, 8);

int menu=0;
int bec1=0;
int bec2=0;
int bec3=0;
int dim1=30;
int dim2=30;
int button1=0;
int button11=1;
int button2=0;
int button22=1;
int button3=0; int button33=1;
int TRIAC1 = 7;
int TRIAC2 = 6;
int TRIAC3 = 5;
int lumina=50;
int i=10;

void setup()
{
attachInterrupt(0, light, FALLING);

analogReference(DEFAULT);
pinMode(1, INPUT);
pinMode(2, INPUT);
pinMode(3, INPUT);
pinMode(4, INPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
pinMode(8, OUTPUT);
pinMode(13, OUTPUT);
lcd.begin(16, 2);

lcd.print("SISTEM AUTOMAT DE
ILUMINARE");
lcd.setCursor(0, 1 );

73
lcd.print("DANIELA BALAN – ETTI 2015");
delay(500);
for (int pozitie= 0; pozitie < 13; pozitie++) {
lcd.scrollDisplayLeft();
delay(270);
}
delay(400);
lcd.clear();

}

void light() {

if (dim1 < 10){
digitalWrite(TRIAC1, LOW);
}
if (dim2 < 10){
digitalWrite(TRIAC2, LOW);
}

if (dim1 >= 100){
digitalWrite(TRIAC1, HIGH);
}
if (dim2 >= 100){
digitalWrite(TRIAC2, HIGH); }

if ((dim1 >10 && dim1 <100) || (dim2>10
&& dim2<100)) {
if(dim1>d im2){
delayMicroseconds(86*(102 -dim1));
digitalWrite(TRIAC1, HIGH);
delayMicroseconds(86*(dim1 -dim2));
digitalWrite(TRIAC2, HIGH);
}
if(dim2>dim1){
delayMicroseconds(86 *(102 -dim2));
digitalWrite(TRIAC2, HIGH);
delayMicroseconds(86*(dim2 -dim1));
digitalWrite(TRIAC1, HIGH);
}
if(dim2==dim1){
delayMicroseconds(86*(102 -dim1));
digitalWrite(TRIAC2, HIGH);
digitalWrite(TRIAC1, HIGH);
}

delayMicroseconds(500);
digitalWrite(TRIAC1, LOW);
digitalWrite(TRIAC2, LOW);

74
}

}

void loop() {

if(i<1){
i=30;
lumina=analogRead(A0);
lumina=(lumina/10);
}
i–;

if(lumina<35){
digitalWrite(TRIAC3, HIGH);
}
else{
digitalWrite(TRIAC3, LOW);
}

//####### PAGINA 0 MENIU #####
if(menu==0){
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("BEC1:");
lcd.setCursor(6, 0); if(dim1==0)
lcd.print("OPRIT ");
else
lcd.print("PORNIT");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("AJUSTARE:");
lcd.setCursor(12,1);
lcd.print("% ");

button3 = digitalRead(3);
button2 = digitalRead(6);

if(button2 != button22){
if(button2==1 && dim1<100){
dim1=dim1+10;
}}
button22=button2;

if(button3 != button33){
if(button3==1 && dim1>=10 ){
if(dim1==100){
lcd.setCursor(12, 1);
lcd.print(" ");
}
dim1=dim1 -10;
}}

75
button33=button3;
lcd.setCursor(10, 1);
lcd.print(dim1);
if(dim1==100){
lcd.setCursor(13,1);
lcd.print("%");
}
}

//##### PAGINA 2 MENIU ######## afisare
bec2
if(menu==1){
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("BEC2:");
lcd.setCursor(6, 0);
if(dim2==0)
lcd.print("OPRIT ");
else
lcd.print("PORNIT");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("AJUSTARE:");
lcd.setCursor(12,1);
lcd.print("% ");

button3 = digitalRead(3); button2 = digitalRead(6);

if(button2 != button22){
if(button2==1 && dim2<100){
dim2=dim2+10;
}}
button22=button2;

if(button3 != button33){
if(button3==1 && dim2>=10 ){
if(dim2==100){
lcd.setCursor(12, 1);
lcd.print(" ");
}
dim2=dim2 -10;
}}
button33=button3;
lcd.setCursor(10, 1);
lcd.print(dim2);
if(dim2==100){
lcd.setCursor(13,1);
lcd.print("%");
}
}
//####### PAGINA 3 MENIU #####
if(menu==2){

76
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("ILUMINARE EXT: ");
lcd.setCursor(0, 1);
if(lumina<35){
lcd.print("PORNITA");
}
else{
lcd.print("OPRITA ");
}
}
//####### PAGINA 4 MENIU #####
if(menu==3){
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("SENZOR LUMINA: ");
lcd.setCursor(6,1);
lcd.print(lumina); lcd.setCursor(8,1);
lcd.print("%");
}
// INCREMENTARE PAGINA MENIU
button1 = digitalRead(13);
if(button1 != button11){
if(button1==1){
menu++;
lcd.clear();
}
if(menu>3)menu=0;
}
button11=button1;
lcd.setCursor(15, 1);
lcd.print(menu);
}