UNIVERISTATEA OVIDIUS DIN CONSTANȚA FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE SPECIALIZAREA: ELECTRONICĂ APLICATĂ SISTEM AUTOMAT PENTRU… [616947]

1
UNIVERISTATEA OVIDIUS DIN CONSTANȚA
FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE
SPECIALIZAREA: ELECTRONICĂ APLICATĂ

SISTEM AUTOMAT PENTRU MONITORIZARE
ȘI CONTROL AL ILUMINATULUI
DIN INTERIOR

Coordonator științific,
Conf. Univ. Dr. Gabriel Prodan
Absolvent: [anonimizat]

2017

2
CUPRINS

ARGUMENT ……………………………………………………………………………… …..4
CAPITOLUL I
NOȚIUNI INTRODUCTIVE
I.1. SISTEME AUTOMATE ……………………………………………………………… …….5
I.2. SISTEME DE ACHIZIȚII DE DATE …………………………………………… …….…13
CAPITOLUL II
SISTEME DE ILUMINAT
II.1. TEORIA ELECTROMAGNETICĂ A LUMINII ……………………………………………. ……….16
II.2. SURSE DE LUMINĂ ELECTRICĂ ………………………………………………………………. ……..23
II.2.1. BECUL CU INCANDESCENȚĂ ………………………………………………. ………24
II.2.2. BECU L CU DESCĂRCARE ÎN GAZE ……………………………… …..27
II.2.3. LEDURI ……………………………………………………………… .…..29
II.3. CORPURI DE ILUMINAT ………………………………………………………… ……31
II.4. SENZORI DE LUMINĂ …………………………………………………………………… ………….. …….33
II.4.1. FOTOREZISTENȚA ………………………………………………… …….33
II.4.2. FOTODIODA ………………………………………………………… .….36
II.4.3. FOTOTRANZISTORUL ……………………………………………… …..41
CAPITOLUL III
SISTEME ELECTROMECANICE, MOT ORU L ELECTRIC (DE CURENT
CONTINUU, PAS CU PAS)
III.1. MOTORUL ELECTRIC ………………………………………………………… ….…..42
III.1.1. MOTORUL ELECTRIC DE CURENT CONTINUU ……………… ………43
III.1.2. MOTORUL ELECTRIC PAS CU PAS …………………………… ….…45
III.2. COM ANDA MOTORULUI ELECTRIC ………………………………………… …….46
III.3. COMANDA MOTORULUI PAS CU PAS ………………………………………… …..48
CAPITOLUL IV
PROIECTAREA SISEMULUI DE MONITORIZARE …………………………………..53
IV.1. PROIECTAREA SISTEMULUI DE MONITORIZARE ………………… ……… …….54

3
CAPITOLUL V
PROIECTAREA SISTEMULUI DE CONTROL …………………………………………57
V.1. ARDUINO UNO ……………………………………………………………………… ….58
V.2. DRIVER MOTOR ULN2003 SI MOTORUL PAS CU PAS (28 byj -48)……… ……….60
CAPITOLUL VI
REALIZAREA PROIECTULUI
VI.1. CONECTA REA SISTEMULUI DE MONITORIZARE SI CONTROL PE PLACUTA
ARDUINO UNO ………………………………………………………….. ……………………… …………………..62
VI.2. SCRIEREA CODULUI ……………………………………………………………… …64
VI.3. INTERPERTAREA CODULUI …………………………………………………… …..65
CONCLUZII ………………………………………………………………… …………… ….67
BILIOGRAFIE

4
ARGUMENT
Electronica și automatizările sunt cuvinte cu rezonanță foarte mare în lume, aceastea
având un rol important, iar ca ramură industrială se situează prioritar în domeniile de vârf ale
dezvoltă rii.
În viața de zi cu zi fiecare persoană utilizează aparatura audio -video, aparate
electrocasnice ș i multe alte tipuri de aparate fără de care viața fiecă ruia dintre noi nu ar mai
avea farmec. Fiecar e dintre aceste produse prezintă în componenț a lor elemente de circuit
electronice cu un grad de dificultate mai mic sau mai mare.
Electronica programabilă este un domeniu în creștere continuă, creștere în țara noastră
mai ales în industria constructoare de maș ini, de exmplu calculatoarele d e bord sau roboți i
industriali sunt două argument e foarte bune pentru care merită sa fi electronist și bineînț eles
sunt multe altele , dar nu necesită să fie enumerate p entru ca sunt foarte cunoscute ș i mai ales
oameni i care sunt specializați î n acest domen iu, cu meseria de electronist necesită multă
răbdare și mult devotament ș i asta pentru că mereu iese ceva nou, inovator, piesele vech i sunt
devansate de tehnologie î n fiecare an , iar noi electroniștii de meserie o sa ajungem să facem
doar munc ă de supr aveg here daca nu de pe acum se întamplă asta, o să ajungă și țara noastră la
această tehnologi e dar în cativa ani, oricum în viitorul apropriat, pentru că țara noastră este un
teren necultivat în mediul afacerilor.
Auzim din ce în ce mai mult pe la telvizor ș i pe internet de casele smart, de controlul
aparatelor ele ctrocasnice cu telefonul mobil ș i multe alt e aparate electronice care imită
inteligenț a artificial ă, dar toate au la bază un sistem de monitorizare ș i unul de control.
Scopul a cestei lucrări este de a ușura viața omului ș i de a economisi i energie electrică ,
de aceea , am proiectat un sistem de închidere automată a draperiilor dintr -o încăpere în funcț ie
de lumina din exterior, acest sistem fiind unul simplu, putând fi dezvoltat d upă necesităț i.
Totul este realizat cu o placuță Arduino, o fotorezistență ș i un motor pas cu pas.
Lucrarea cuprinde capitole conform tematicii primite. Pentru realizarea ei am studiat
mater ialul biografic indicat precum și alte luc rări științifice cum ar fi: cărți ș i reviste de
specialitate, internetul. În acest fel am corelat cunostințele teoretice și practice dobâ ndite în
timpul facul tății cu cele întalnite în documentația tehnică de specialitate parcursă î n perioada
de elaborare a lucrării de licență.

5
CAPITOLUL I
NOȚIUNI INTRODUCTIVE
I.1. Sisteme automate
Sistemul este o colecție de obiecte convenabil aranjate și interconectate funcțional.
Acesta are ca legături cu exeteriorul doar mărimile cauză și mărimile efect.
Considerând că U 1 ,U2…, U m sunt mărimile cauză (sau variabile de intrare) și că y 1, y2,…, y m
sunt mărimile de efect (sau variabile d e ieșire), schema bloc a unui si stem S se poate
reprezenta ca în figura 1.1.1

Figura 1.1. Schema bloc a unui sistem

Definiții ale sistemului de concept:
Concept informațional – Sistemul este un model fizic realizabil al dependenței lui Y de U,
dacă există o relație de cauzalitate u y și nu există cauzalitate y u.
Concept structural – Sistemul este un model fizic realiz abil al unei structuri de elemente
fizice a căror funcționalitatea poate fi caracterizată prin legi deja evidențiate. Principal, un
astfel de concept poate defini un sistem, dar este imposibil a cunoaște complet structura

1 Dragos Ionel Cosma, Irina Aura Manolache, Aurelian Chivu – Sisteme de reglarea automata, Ed itura CD
PRESS,Bucuresti 2017

6
sistemului, datorită complexitații acestuia și numărul de legi evidențiate care nu permit o
caracterizare completă.
Concept structural -funcț ional – Se numește sistem modelul fizic realizabil al dependenței
lui Y de U, dacă se cunoaște parțial structura S însă suficient pentru a demons tra
cauzabilitatea.
Sistemele se pot clasific a în:
1. Sisteme închise (Fig.1.2.)2

Figura 1.2. Schema bloc a unui sistem închis
În cazul acestui sistem, prin adăugarea sistemului S 3, se transimt la intrarea sistemului
conducător S 2 informații cu privire la evoluția ieșirii, asigurându -se astfel controlul acțiunii
mărimilor perturbatoare asupra procesului condus S 1. Astfel, în cazul sistemului închis, se
disting două căi de transmitere a semnalelor și anume:
• cale a directă, de la intrare la ieșire, prin S 2, S1;
• calea de reactive, de la ieșire la intrare, prin S 3
Sistemul S 3 formează mărimea r, numită mărime de reactive, funcție de mărimea de ieșire y,
iar sistemul conducator S 2 formează mărimea de comandă m, funcție de mărimea de intrare u
și funcție de mărimea de reactive r, ce conține informații cu privire la evoluția ieș irii.
2. Sisteme deschise

2 Dragos Ionel Cosma, Irina Aura Manolache, Aurelian Chivu – Sisteme de reglarea automata, Editura CD
PRESS,Bucuresti 2017

7

Figura 1.3. Schema bloc a unui sistem deschis3
Un sistem deschis are strucura din figura 1.3. unde:
– u este mărimea de intrare;
– m este mărimea de comandă;
– y este mărimea de ieșire;
– p1 și p 2 sunt mărimi perturbatoare;
– S1 este procesul tehnologi c;
– S2 este echipamentul de automatizare.
Cele două sisteme sunt interconectate astfet încat sistemul conducător S 2 asigură
comanda necesară pentru controlul evoluției sistemului condus S 1.
Relația de cauzalita te a întregului sistem este u y. Modificări ale mărimii u
determină modificări ale mărimii y fără intervenția operatorului uman.
Observație: În realitate , asupra sistemului condus S 1 pot acționa pe lângă mărimea m
și alte variabile sau mărimi perturbatoare ( de exemplu p 1 și p 2). Din această cauză, structura
deschisă a sistemului asigură o precizie scazută, în realizarea relației u y,
O desensibilizare a sistemului, la acțiunea p erturbațiilor externe asupra procesului condus, se
obține prin realizarea unei structurii închise.
Sistem automat. Structuri de sisteme automate
Sistemul automat este un caz particular de sistem, la care relația de cauzalitate u y se
realizează în mod automat, fără intervenția operatorului.

3 Dragos Ionel Cosma, Irina Aura Manolache, Aurelian Chivu – Sisteme de reglarea automata, Ed. CD
PRESS,Bucuresti 2017

8
Strucura închisă a unui sistem automat, la care comparația între mărimi se face liniar (prin
diferență), este reprezentat în figura 1.4.4

Figura 1.4. Structura închis a unui sistem automat
Sistemul S 2, adică sistemul conducător (sau instalația de automatizare), are în structura
sa mai multe subsiteme (S 21, S22, S23, S24) care să genereze mărimea de execuție m, în
concordanță cu programul impus de mărimea prescrisă q și mărimea de ieșire y.
Sistemul elementar S 22 asigură comparația valorilor mărimii de intrare i, valori dorite pentru
mărimea de ieșire y, cu valorile obținute pentru aceasta. Mărimea ɛ este abaterea sau eroarea
dintre valorile dorite și valorile obținute, pentru mărimea y. Ea este obținută la ieșirea
sistemului S 22, prin diferența dintre mărimea de referință i și mărimea de ieșire y, și prelucrată
de sistemul S 23 care formează mărimea de comandă u. Adaptarea la proces a variabilei de
comandă u se ralizează prin intermediul sist emului de executie S 24. Astfel, prin intermediul
mărimii de execuție m, căreia i se asociază în general un flux energetic, se acționează asupra
procesului condus S 1. Se observă că reacția sistemului automat închis este negativă. Aceasta
asigură filtrarea p erturbațiilor, creșterea preciziei, reducerea efectelor neliniarităților, etc.
În caz general, schema bloc funcțională a unui sistem automat închis se reprezintă ca
în figura 1.5.

4 Dragos Ionel Cosma, Irina Aura Manolache, Aurelian Chivu – Sisteme de reglarea automata, Ed. CD
PRESS,Bucuresti 2017

9

Figura 1.5. Schema bloc a unui sistem automat închis5
Elemene le sistemului automat închis sunt:
– P care este procesul tehonologic sau instalația automatizată;
– Ti, este traductorul de intrare;
– Tr este traductorul de reactive;
Ti,Tr au rolul de a converti o mărime de o anumită natur ă fizică într -o mărime de o altă
anumită natură fizică. În unele cazuri este posibil ca unul dintre traductoare sau ambele să
lipsească. Traductorul de intrare T i, primește mărimea prescrisă q, ce reflectă valoarea dorită
pentru m ărimea de ieșire y, și formează mărimea de intrare I, iar traductorul de reactive T r,
primește mărimea de ieșire y și formează mărimea de reactive r.
– EC este elementul de comparative. Acesta formează prin diferență mărimea de
eroare ɛ=i-r;
– RA este regulatorul automat care formează mărimea de comandă u prelucrând
eroarea ɛ, după o anumita lege de reglare;
– EE este elementul de execuție care primește mărimea de comandă u și care
elaborează mărimea de execuție m ce acționează asupra procesului, modificând mărimea de
ieșire y.
Schema funcțională a unui sistem SA se simplifică și mai mult dacă elementul de
exeuție, traductorul de ieșire și procesul sunt grupate într -un singur bloc notat cu F ( Figura

5 Dragos Ionel Cosma, Irina Aura Manolache, Aurelian Chivu – Sisteme de reglarea automata, Ed. CD
PRESS,Bucuresti 2017

10
1.6.)6
Ansamblul rezultat în urma grupării F=EE+P+T, se numește parte fixată .

Figura 1.6. Schema bloc simplificată a unui sistem automat închis
Structura evidențiază faptul că mărimile măsurate sunt transmise direct la intrarea
sistemului de inte rpretare decizională (EC+RA).
Sistemele automate închise cu structurile prezentate mai sus sunt sisteme de relglare
automată după eroare.
Când o mărime perturbatoare p importantă (cum este consumul, în cazul unei
instalații), ce acț ionează asupra procesului, este cunoscută și ușor măsurabilă se poate folosi
un sistem automat de reglare combinată (Figura 1.7.)
În cazul unui astfel de sistem, reglarea se face după eroare, cu compensarea mărimii
perturbatoare.
Pentru compensarea mărimii perturbatoare p, partea fixată F s -a secționat în două părți:
– F1 partea din F care nu este influențată de p;
– F2 partea de F care este influențată de p.
Mărimea perturbatoare este măsurată cu un traductor T p, numit traductor de perturbație,
iar cu un regulator RP, numit regulator de perturbație, se formează o mărime u p care însumată
algebric cu mărimea de comandă u ɛ formează mărimea de comandă u=u ɛ – up, mărime de
intrare pentru sec țiunea F 1 a părții fixate.

6 Dragos Ionel Cosma, Irina Aura Manolache, Aurelia n Chivu – Sisteme de reglarea automata, Ed. CD
PRESS,Bucuresti 2017

11
După F 1 se obține o mărime care are două componente:
– una datorită lui u ɛ, care se transmite la ieșirea sistemului;
– una provenită de la u p, care are rolul de a compensa mărimea pe rturbatoare p.

Figura 1.7. Schema bloc simplificată a unui sistem automat de reglare combinată.7

7 Dragos Ionel Cosma, Irina Aura Manolache, Aurelian Chivu – Sisteme de reglarea automata, Ed. CD
PRESS,Bucuresti 2017

12
Clasificare sistemelor
Criteriul Tipul sistemului automat
1. După tipul e cuației care descrie
comportarea dinamică a sistemului a) Sisteme automate liniare
b) Sisteme automate neliniare
2. După caracteristicile de transfer
ale procesului tehnologic a) Sisteme automate pentru procese invariante în
timp;
b) Sisteme automate pentru procese cu
caracteristici variabile
3. După modul de variație a mărimii
de referință a) Sisteme automate cu referință constantă în timp;
b) Sisteme automate cu referință variabilă în timp
(referință cunoscută, necunoscută apriori)
4. După modul de variație a
mărimilor din sisteme a) Sisteme automate continue
b) Sisteme auto mate discrete (numerice, cu
eșantionare, etc)
5. După modul de parametrici reglați a) Sisteme automate monovariabile
b) Sisteme automate multivariabile
6. După construcția dispozitivului de
automatizare și tipul de semnale
folosite a) Sisteme automate cu echipamente unificate
b) Sisteme automate cu echipamente specializate
7. După natura echipamentelor de
automatizare Sisteme automate cu echipamente:
a) electrionice;
b) pneumatic;
c) hidraulice;
d) mixte( electrohidraulice, electropneumatice)
8. După viteza de răspuns a
proceselor automatizate a) Sisteme automate pentru procese lente
b) Sisteme automate pentru procese rapide

13

I.2. Sisteme de achiziții de date
Generalități și clasificări ale sistemelor de achiziții de date (SAD)
Sistemele de achiziție de date sunt sisteme complexe de supraveghere a unor procese în
care i ntervin, de regulă , mai multe mărimi fizice.
Ele realizează prelevarea prin intermediul unor traductoare adecvate, de semnale
analogice sau numerice (în funcți e de natura traductorului), în scopul memorării, transmiterii
sau prelucrării informației achiziționate.
Memorarea poate fi facută direct sau după prelucrarea datelor, p e intervale de timp mai
lungi, medii sau scurte.
Transmiterea datelor e necesar a fi facută pe distanțe mai lungi sau mai scurte.
Prelucrarea informației poate consta în operații simple (comparări), până la prelucrări
matematice complicate (integrări, diferențieri, medieri, calcul de transformare Fourie r, etc.).
Scopul prelucrării diferă de la caz la caz: comanda unui proces (industrial, militar, de
cercetare), sau numai informare asupra evoluției procesului prin vizualizarea datelor.
Operația cea m ai importantă este conversia analog – numerică, realizată cu unul sau
mai multe circuite. În funcție de tipul aplicației mai pot fi necesare și alte circuite analogice de
prelucrare.
Configurația și tipurile de circuite utilizate într -un sist em de achiziție de date depind
de o serie de factori:
– rezoluția și precizia cu care se cere realizarea conversiei A/N;
– numărul de canale analogice investigate;
– frecvența de eșantionare pe fieca re canal;
– capacitatea sistemului de prelucrare în timp real a datelor;
– necesitatea condiționării (adaptării) semnalului analogic de intrare.
Datele achiziționate pot fi:
1. Analogice (tensiuni, curenți – continue sau alternative) și reprezintă, de regulă, ieșirile
unor traductoare ce supraveghează mărimile care intervin în procesul condus;
2. Numerice, provenind de la traductoare cu ieșire numerică sau de la alte echipamente
implicate în desfășurarea procesului.

14
SAD va fi prevăzut deci cu un număr corespunzator de intrări adecvate acestor date:
– intrări analogice;
– intrări numerice.
Altă operație frecvent întâl nită în SAD este eșantionarea și memorarea temporară a
eșantioanelor prelevate. Frecvența de eșantionare se stabilește în funcție de:
– spectrul de frecvență al semnalelor de intrare;
– viteza de lucru a convertorului A/N;
– precizia impusă procesului de prelucrare.
O frecvență minimă și care permite determinarea parametrilor statistici ai semnalului
este dublul frecvenței maxime din spectrul acestui semnal. Dacă se cere ca eșantioanele
prelevate să reprezinte cu suficientă precizie un semnal continuu de la intrare, fără a mai
calcula valori intermediare eșantioanelor prelevate, frecvența de eșantionare trebuie sa fie de
cel putin 8…10 ori mai mare decât frecvența celei mai înalte armoni ci. Perioada de
eșantionare nu poate fi mai mică decât timpul de conversie.
Înaintea eșantionării, semnalele analogice sunt supuse unor operații de adaptare cu
sistemul de prelucrare, numite generic de condiționare.
Acestea pot fi:
– amplificare/atenuare cu câstig programabil;
– amplificare cu izolare galvanică;
– comutare automată a intervalelor de măsurare;
– compresie logaritmică;
– filtrare;
– conversie tensiune – frecvență;
– conversie curent – tensiune.
Clasificări ale sistemelor de achiziție de date:
1. După condiț iile de mediu în care lucrează :
– sisteme destinate unor medii favorabile (laborator),
– SAD destinate utilizării în condiț ii grele de lucru (echipamente militare, instalaț ii
telecomandate, anumite procese industriale, etc.).
2. După numă rul de canale supravegheate:
• monocanal, cu una din variantele:

15
– numai circ uite pentru conversia directă a semnalului;
– preamplificator urmat de circuitele de conversie;
– preamplificat or, circuite de eș antionare -memorare, urmate de circuite de
conversie;
– preamplificator, circuite de condiț ionare a semnalului ș i una din variantele
anterioare;
• multicanal î n una din variantele:
– cu multiplexarea ieș irilor unor convertoare analog -numerice, fiecare
convertor corespunzând unui canal;
– cu multiplexarea intrărilor circuitelor de eș antionare -memorare (S/H –
sample and hold –engl.);
– sisteme de achizțtie destinate multiplexării semnalelor de nivel scă zut.

16
CAPITOLUL II
SISTEME DE ILUMINAT
II.1. TEORIA ELECTROMAGNETICĂ A LUMINII

Este dificil să ne imaginăm viața fără telefoane mobile, radio și televiziune.
Descoperirea undelor electromagnetice care fac posibilă parte din tehnologia modernă a avut
la bază o teorie abstractă care a împlinit anul acesta 150 de ani.
Cunoș tințele noastre privind existența acestor unde reprezintă un rezultat direct al
teoriei electromagnetismului propusă de James Clerk Maxwell în ianuarie 1865.
Electromagnetismul a fost descoperit mai întâi în forma sa fizică, apoi și teoretic. În
jurul anului 1820 fizicianul danez Hans Oersted a observat că atunci când se aplică un curent
electric, un magnet aflat în apropiere, cum ar fi acul unei busole, se mișcă, ca și cum curentul
electric ar fi, în sine, un magnet.
Apoi, în 1831, în anul în ca re Maxwell se năștea în Edinburgh, fizicianul și chimistul englez
Michael Faraday descoperea că dacă miști un magnet prin interiorul unei înfășurări de fire se
creează un curent electric în fire, fără ajutorul unei baterii ori al altei surse de electricita te.
Faraday a fost atât de surprins de această abilitate de a crea electricitate prin mișcarea
magneților, încât a creat un mic prototip al unui generator electric. El, de asemenea, a creat un
prototip al unui motor electric, dar vor fi necesare zeci de an i pentru ca inginerii să poată cr eea
motoare și generatoare funcționale.
Cu toate acestea, tehnologii rudimentare au început să fie create aproape imediat după
descoperirea fenomenului electromagnetismului. O realizare remarcabilă a fost telegra ful –
primul sistem global de telecomunicații de mare viteză.
Cum funcționează electromagnetismul?
Fără o înțelegere teoretică adecvată a electromagnetismului era dificil să fie rezolvate
probleme tehnice ca supraîncălzirea firelor de telegraf ori distorsiune a semnalului pe distanțe
lungi. Nu că teoria nu a progresat: fizicienii au stabilit aspecte cheie ale comportamentului
sarcinilor electrice și ale curentului. Începuseră să cuantifice complexele interacțiuni
magnetice și electrice presupuse de electromagnetism.
Dar niciunul nu a putut crea o teorie solidă care să combine toate legile electricității și ale

17
magnetismului într -o abordare unitară.
O asemenea teorie urma nu doar să realizeze un sumar al rezultatelor experimen telor
realizate, ci și să spună cum electricitatea și magnetismul funcționau împreună pentru a
produce electromagnetismul.
Unul dintre obstacolele majore era reprezentat de faptul că nimeni nu știa cum forțele
electrice și forțele magnetice se t ransmiteau prin spațiu.
Majoritatea fizicienilor presupunea u că aceste forțe acționau instantaneu: dacă ții un
magnet lângă un cui de fier, pare că magnetul atrage cuiul instantaneu. Nu vezi/auzi/simți
nimic în spațiul dintre magnet și cui; așa că părea că forța magnetică acționează la distanță.
Prin urmarea, părea că forța magnetică "sare" de la magnet la cui în mod direct, exact cum
părea că gravitația se deplasează în adâncimea spațiului, de la Soare la Pământ.
Succesul matematicii gravitaționale a lui Newton părea să sprijine o asemenea
abordare. De exemplu, pentru a arăta că gravitația generează mișcarea planetară, suficient a
fost doar ca legile matematice newtoniene să deducă forma orbitelor planetare și să se
realizeze comparaț ia dintre orbitele observate de astronomi cu cele deduse pe baza calculului
matematic.
Nu era necesar să se știe cum ajunge gravitația de la Soare la planete ori de la Pământ la un
corp aflat în cădere, pentru că nu există nici o necesitate matematică pent ru a ști ce se întâmplă
în spațiul dintre două corpuri care interacționează.
Mulți dintre discipolii lui Newton credeau că forța gravitațională nu se propaga prin
spațiu și timp, ci pur și simplu "sărea" de la Soare la o planetă, de la obiect l a obiect.
Solidele conexiuni matematice dintre gravitație, electricitate și magnetism au întărit
ideea acțiunii la d istanță a electromagnetismului. Faraday nu era însă convins. El era
autodidact și nu înțelegea matematicile complicate utilizate de către fizicienii importanți ai
zilei pentru a descrie electricitatea și magne tismul și acțiunea la distanță. Dar Faraday a avut o
abordare mai practică a subiectului, fiind de părere că trebuie să existe un fel de câmp care
umple spațiul din jurul obie ctelor electrice și magnetice, câmp care asistă propagarea forțelor.
Unde electromagnetice
Interacțiunile dintre corpurile electrizate a căror stare de electrizare este stabilă în timp
poartă numele de interacțiuni electrice . În cazul în care se realizează transferul stării de
electrizare dintr -o regiune a corpului în alta, sau în cazul în care un corp electrizat suferă o

18
deplasare, apare un nou tip de interacțiune pe care o numim interacțiune magnetic ă.
În general, cele două interacțiuni prezentate anterior sunt simultan prezente, constituind
împreună interacțiunea electromagnetică.
Studiul interacțiunilor electromagnetice a arătat că acestea se propagă din aproape în
aproape cu viteză finită, egală cu viteza l uminii în mediul respectiv.
Suportul material care asigură transmiterea acestor interacțiuni în spațiu, ocupat sau
neocupat de substanță, îl constituie câmpul electromagnetic.
Starea locală a câmpului electromagnetic este descrisă de vectorii H- intensitate camp
magnetic si E – intensitate camp electric.
Existența undelor electromagnetice a fost demonstrată de către Heinrich Hertz (1857 –
1894) în anul 1887. El a reușit să determine viteza de propagare a undelor electromagnetice și
a pus în evidență printr -o serie de experimente proprietățile acestora. Hertz a demonstrat faptul
că undele electromagnetice sunt similare undelor luminoase, acestea din urmă fiind de fapt o
categorie de unde electromagnetice.
Emisia undelor elect romagnetice
Definț ii:
– undele electromagnetic e sunt emise de sarcini aflate în mișcare accelerată ;

Figura 2.1.1. Sarcina oscilantă

19

Figura 2.1.2 Dipolul oscilant
– unda electromagnetică este un ansamblu de câmpuri electrice și magnetice ce
variază în timp pe masura ce se propagă în spațiu generân du-se reciproc ;

Figur a 2.1.3. Unde electromagnetice î n timp

Figur a 2.1.4. Unde electromagnetice în spaț iu
Exemple de unde electromagnetice (Fig. 2.1.1, 2.1.2, 2.1.3, 2.1.4)8

8 Bedford, B.D.; Hoft, R.G. (1964). Principles of Inverter Circuits . New York: Wiley.

20
Lumina ca undă electromagnetică

Figura 2.1.5. Propagarea luminii ca undă electromagnetic ă9
Câmpurile E ș i B sunt perpendiculare pe direcția de propagare dar și între ele; sunt în
faza (își ating valorile maxime ș i minime în acelaș i timp) ; se propagă cu viteza luminii,
indiferent de frecvență; oscilează atât în spațiu liber (în vid) cât și î n medii materiale elastic .

Spectrul undelor electromag netic e (Fig. 2.1.6, 2.1.7)10
Spectrul undelor electromagnetice acoperă un domeniu foarte larg. Astfel, el cuprinde
undele gama, raze X, undele ultraviolete, vizibile, infraroșii și undele radio. De remarcat faptul
că undele luminoase (domeniul vizibil) studiate în principal de optică reprezintă numai un mic
segment din spectrul undelor electromagnetice.

9 Bedford, B.D.; Hoft, R.G. (1964). Principles of Inverter Circuits . New York: Wiley.

10 Bedford, B.D.; Hoft, R.G. (1964). Principles of Inverter Circ uits. New York: Wiley.

21

Figura 2.1.6. Spectrul undelor electromagnetice

Figura 2.1.7. Spectrul vizibil. Spectrul continuu al luminii natural

22
Teorica electromagnetic ă macroscopic ă a luminii .

Figura 2.1.8. Interferenț a luminii (Dispozitivul lui Young)11

În punctual P funcțiile de undă ale celor unde sunt:
E1(r1,t)=E 0sin(ɯt -kr1)
E2(r2,t)=E 0sin(ɯt -kr2)
Δφ=2𝜋
𝜆(r2-r1)
Erez,p=E 1+E2
sin a+sin b=2cos𝑎−𝑏
2 sin𝑎+𝑏
2

11 Bedford, B.D.; Hoft, R.G. (1964). Principles of Inverter Circuits . New York: Wiley.

23
II.2. SURSE DE LUMINĂ ELECTRICĂ
(bec cu incandescență, cu descărcare în gaze, leduri)
Lumina este forma vizibilă de energie, observabilă de ochiul uman, ce este radiată
prin mișcarea particulelor î ncarcate energetic.
Lumina soarelui conține energia necesară plantelor să crească. Plantele transformă
energia solară într -o formă chimică printr -un proces numit fotosinteză . Petrolul, cărbunele ș i
gazele naturale, sun t resturi de plante ce au trăit cu milioane de ani în urmă. Energia din aceste
combustibile ce se eliberează prin ardere, este energia chimică transformată din lumina
soarelui. Când animalele digeră alimente (plan te sau alte ani male) ele de asemenea eliberează
energia depozitată prin fotosinteză .
Oamenii de știință au observat că lumina se comportă ca o particulă, uneori și ca o
undă. Particulele de lumină se numesc fotoni. Fotonii sunt d iferiți de particulele materiale prin
faptul că nu au masă și se mișcă cu viteza constantă de 300.000 km/s. Undele asociate cu
lumina s unt numite unde electromagnetice pentru că consistă în schimbarea câmpurilor
magnetice ș i electrice .
Emisiile de lumina
Lumina poate fi emis ă sau radiată de electroni care gravitează î n jurul nucleului
atomul ui lor. Electronii pot gravita în atomi numai în anumite cazuri. Aceștia se numesc
orbitali și au o anumita cantitate energ etica. Cantitatea de energie de care atomul are nevoie
pentru fiecare orbital se numeș te energie de nivel pentru un atom.
Fiecare atom are o cantitate unică de energie, și energiile corespunzătoare fotonilor pot
forma învelișuri ce împreună se numesc spectrul atomic. Acest spectru este ca o ampren tă
după care fiecare atom poate fi identificat.
Procesul de identificare a unei substanțe dintr -un spectru se numeș te spectroscopie.
Legile care descriu învelișul de energie al orbitalil or și al atomilor sunt legi ce aparț in “Teoriei
Quantice ”. Ele au fost i nventate în 1920 special pentru măsurarea radiațiilor luminoase și
mărimii atomilor.

24
II.2.1. BECUL CU INCANDESCEN ȚĂ

Figura 2.2.1.1. Bec cu incandescență12
Principalele elemente constructive sunt balonul din sticlă, filamentul metalic ș i soclul.
Balonul sau anvelopa lă mpii are rolul de a evita cont actul dintre aerul atumosferic ș i
filament.
El are forme d iferite ( standard, sferic, lumânare, pătrat) în funcție de destinația
izvorului de lumină, dar î n toate s ituațiile corespunde unei suprafeț e izoterme de cel mult
1500C a filamentului lî mpii.
Baloanele din sticlă clară transmit î n totalitate lumina, dar prezintă o luminozitate
rdicată, jenantă .
Din acest motiv se preferă baloanele din:
– sticlă mată cu asperități obținută pe cale chimică sau mecanică;
– sticlă lăptoasă ce are în compoziție oxizi de thoriu sau fosfor;
– sticlă opală (opalină) obținută prin acoperirea sticlei clare cu un strat de silicați,

12 Chiasson, John (2005). Modeling a nd High -Performance Control of Electric Machines

25
sau prin includerea în masa sticlei a unor suspensii de ipsos, talc, oxizi de plumb etc;
– sticlă opalizată prin procedee el ectrostatice sau prin depunerea unui strat subțire
de oxid de titan;
– sticlă colorată și sticlă de tip solar cu spectru corectat.
Sticlele mate, lăptoase, opaline și opalizate sunt destinate confecționării lămpilor cu
lumină difuză ce asigură un microclimat luminos confortabil.
Soclul lămpii prezintă diverse variante constructive (cu filet –tip Edison, baionet –tip
Swan, neted –tip sofită cu contacte la ambele capete ale lămpii de formă cilindrică) și asigură
legăt ura mecanică și electrică la dulia corpului de iluminat.
În funcție de domeniul de utilizare și tipul constructiv al sursei de lumină, soclurile se
confecționează din aluminiu, alamă sau alamă nichelată.
Filamentul lămpii se poate realize din diverse metale greu fuzibile (tantal, rheniu,
molibden, wolfram), dar se preferă wolframul sau tungstenul caracterizat prin temperatură de
topire ridicată (3665 K), rezistență mecanică bună, volatilizare redusă la temperaturi înalte și
ductibil itate apreciabilă, fapt care permite obținerea prin trefilare a unor fire cu un înalt grad
de uniformitate.
Pentru a evita oxidarea wolframului, baloanele lămpilor de mică putere – până la 25W
inclusiv acestea se videază, iar temperatura de luc ru a filamentului simplu spiralat este de
2400 -2600 K. La temperaturi de lucru mai mari, procesul de volatilizare a filamentului se
accelerează și particulele ce se desprind de pe acesta ajung pe balonul lămpii, îl opacizează și
diminuează eficacitatea lum inoasă, concomitent cu reducerea secțiunii transversale a firului de
wolfram.
Lămpile cu puteri mai mari de 25W au balonul umplut cu gaze inerte și filamentul dublu
spiralat.
Aceste măsuri au permis creșterea temperaturii de lucru a wolframu lui la cca. 2700 .. 3050 K,
fără a diminua durata de funcționare a lămpii. În consecință, crește eficacitatea luminoasă.
Prezența gazelor inerte are dezavantajul că majorează pierderile de energie prin apariția
fenomenelor de conducție și conv ecție termică. Gazele inerte frecvent utilizate sunt argonul
(Ar) și azotul (N), în proporție de 2:1, iar presiunea de umplere este de 0,7 at, valoare ce
ajunge la cca. 1 at în timpul funcționării lămpii. Prezența azotului evită apariția arcului elec tric
între intrările de curent. Înlocuirea argonului cu kripton (Kr), caracterizat prin greutate atomică

26
mai ridicată (deși mai scump), are următoarele avantaje: pierderi termice mai mici, lumină cu
grad de alb mai ridicat, dimensiuni reduse ale balonului de sti clă la aceeași put ere unitară a
sursei de lumină. Lămpile cu incandescență de utilizare curentă se construiesc pentru tensiuni
de 125/130, 220 și 230 V, au puteri de 15 .. 1000W, eficacitate luminoasă de 10 .. 18 lm/W și
o durată de funcționare de 1000 ore .
Notă: În prezent se realizează o gamă extrem de variată de lămpi cu incandescență
pentru iluminatul interior sau exterior, dintre care cităm:
– lămpi cu baloane opalizate, umplute cu amestecuri N+Ar sau N+Kr;
– lămpi cu balon tip lumânare din sticlă clară sau mătuită, cu suprafața exterioară
netedă, torsadată (răsucită) sau cu model;
– lămpi cu balon cilindric opalizat de diametru (25, 37 mm) și lungime (210,
310mm) variabile, prevăz ute cu contacte electrice la capete (tip sofită);
– lămpi rezistente la temperaturi înalte (280, 300 C) utilizate, printre altele, la
iluminatul interior al cuptoarelor de aragaz când se deschide ușa acestora;
– lămpi cont ra insectelor, destinate iluminatului balcoanelor, teraselor etc. La
acestea, pe suprafața exterioară a balonului se depune un strat special galben -portocaliu ce va
difuza o lumină galbenă ce nu atrage insectele. Efectul este mai puternic dacă în vecinătat e se
montează o lampă cu balon clar, ce emite o lumină albă ce atrage puternic insectele.
– lămpi sferice colorate cu 0% cadmiu, în construcție cu filament întărit, rezistente
la intemperii și variații de temperatură, cu soclu baionet.
Balonul opalizat are o culoare vie (alb, galben, roșu, albastru, verde, clar) când lampa
este stinsă și conservă nuanța de culoare când aceasta este aprinsă.
Toate lămpile mai sus prezentate sunt prevăzute cu două siguranțe fuzibile
încorporate, dimensionate pentru puterea nominală a sursei de lumină.
În afara acestor izvoare de lumină se mai produc:
– lămpi pentru tensiuni joase (12, 24, 36 V) destinate iluminatului local sau
corpurilor de iluminat port ative;
– lămpi pentru autovehicule în construcție întărită, varianta Rezista, cu soclu tip
baionet. Pentru faruri se realizează becuri cu două faze, care au două filamente cu alimentare
independentă;
– lămpi cu spectru bog at în infraroșu, lămpi pentru proiectoare etc

27
II.2.2. BECUL CU DESCĂRCARE ÎN GAZE
Descărcarea electric ă este un proces de trecere al curentului printr -un dielectric în
prezența unui câmp electric exterior. La gazele reale fenomenul este posibil datorită
preexistenței purtătorilor de sarcină (ioni pozitivi și negativi, electroni) generați de cauze
naturale ( radiația cosmică, telurică, atmosferică). Astfel, într -o incintă cilindrică de sticlă (fig.
2.2.2.1) umplută cu gaz inert la joasă presiune și prevăzută la capete cu doi electrozi plan –
paraleli, purtătorii de sarcină au o mișcare haotică și în circuitul ex terior nu avem curent
electric.
Dacă la bornele tubului se aplică o tensiune U deplasarea sarcinilor electrice devine
ordonată și în circuitul considerat apare curentul I. Mobilitatea ridicată a electronilor conduce
la contacte electron -atom și, în funcție de energia schimbată la impact, deosebim ciocniri
elastice și neelastice. Ciocnirile elastic e măresc numai energia cinetică a atomului și, în
consecință, va crește temperatura mediului de descărcare. Ciocnirile neelastice majorează
energia i nternă a atomului și acesta se excită (simplu sau î n trepte) sau chiar ionizează. Stările
de excitație durează puțin (10 -8…10 -9s) și la revenirea electronului pe orbita stabilă, radiația
emisă va avea o lungime de undă mai mare sau cel mult egală cu cea a radiației incidente, deci
poate aparține și domeniului vizibil al spectrului, de unde luminescența gazului. Gradul de
luminescență este puternic dependent de presiunea și compoziția mediului de descărcare.
Astfel, o descărcare în gaze inerte și vapori de mercur la joasă presiune (0,01…0,1 mm Hg)
conduce la un spectru de emisie bogat în radiațiile de rezonanță ale mercurului λ1=184,9 nm și
λ2=253,7 nm. Dacă presiunea crește radiațiile de rezonanță se reduc (sunt absorbite de gaz) și
cresc cele luminoase datorate excitării în trepte a atomilor de mercur. Eficacitatea luminoasă η
[lm/W] a descărcării în vapori de mercur prezintă un minim în domeniul presiunilor medii,
(fig. 2.2.2.2.) fiind ridicată la joasă (JP) și înaltă (IP) presiune. Eficacitatea luminoa să a
descărcării la joasă presiune crește apreciabil (ramura punctată) dacă pe peretele interior al
lămpii se depune un strat de luminofor.
Dacă tubului de descărcare (fig. 2.2.2.1.) i se aplică o tensiune continuă, crescătoare, atunci se
poate obține o d ependență U=f(I) numită caracteristica statică a descărcării în gaze inerte și
vapori metalici (fig.2.2.2.3.) ce prezintă mai multe porțiuni și anume :
– Zona 0A – curentul din circuit respectă legea lui Ohm și este generat de purtătorii
de sarcină preexistenți în tub ;

28
– Zona AB – la creșterea tensiunii la bornele tubului apare un exces de purtători de
sarcină ce conduc la curentul de saturație Is=IBce nu respectă legea lui Ohm ;
– Zona BC – la tensiunea U >U Bciocnirile neelastice conduc la ionizarea prin șoc a
gazului, descărcarea capătă un caracter de avalanșă și se numește lentă (întunecată, Towsend),
fiind fără emisie de lumină.
În momentul în care U= Ua= UC descărcarea devine luminescentă și aceasta este tensiunea de
aprindere sau străpungere a gazului de umplere ;
– Zona CD – în vecinătatea catodului apare sarcina spațială pozitivă, ceea ce conduce
la o dependență U=f(I) cu pantă negativă numită descărcare subnormală în licărire, iar în t ub
se observă o succesiune de porțiuniluminoase și întunecate ;
– Zona DE – tensiunea între electrozi rămâne constantă deoarece densitatea de curent
catodică se conservă și avem o descărcare luminescentă normală. Pe această porțiune a
carac teristicii U=f(I) lucrează lămpile cu electrozi reci, numite șilămpi în regim de licărire;
– Zona EF – descărcarea luminescentă devine anormală, iar bombardamentul ionic
intens la care este supus catodul conduce la emisiunea termoelectronic ă a acestuia ;
– Zona FH – gazul din tub este complet ionizat și apare descărcarea în arc electric, la
care dependența tensiune –curent este cu pantă negativă. Pe acest domeniu lucrează lămpile cu
electrozi calzi de joasă presiune (FG) și î naltă pr esiune (GH…).
Exemple: Fig. 2.2.2.1, 2.2.2.2, 2.2.2.313

Figura 2.2.2.1 Lampa cu Figura 2.2.2.2. Dependenț a Figura 2.2.2. 3. Caracteristica
descărcare î n c.c η = f(p) în vapori de mercur static ă U=f(l) b a descărcării î n
la curent constan t I = 4A gaze inerte ș i vapori metalici

13 Chiasson, John (2005). Modeling and High -Performance Control of Electric Machines

29
II.2.3. LEDURI
Diodele electroluminescente sau LED (Light Emitting Diode) au fost dezvoltate după
anul 1962. Timp de mai mulți ani ele au fost folosite doar în semnalizări sau afișaje liminoase
datorită luminii slabe emise și a paletei restrânse de culori.
În prezent s -au înregistrat progrese uriașe în obținerea luminii albe la
eficacitățiluminoase comparabile cu lămpile cu descărcări în vapori metalici.
LED -urile sunt diode semiconductoare care au proprietatea de a converti energia
electrică în lumină. Operația de conversie se fac e la rece, ceea ce oferă o eficacitate luminoasă
cu mult mai bună decât a lămpilor cu incandescență. Ca și în oricare diodă o parte din
electronii liberi se recombină cu golurile zonei „p”, adică “cad” din zona de conducție pe un
nivel energetic inferior, eliberând energie sub formă de radiație electromagnetică. Pentru ca
radiația să fie în domeniul vizibil este necesar ca materialele semiconductoare să fie dopate cu
anumite elemente chimice (aluminiu, galiu, fosfor, indiu, azot) într -o concentrație riguroa să.
Deoarece conțin din construcție un mic proiector cu reflector și lentilă de dispersie
(fig.2.2.3.1.), LED -urile emit lumină prefer ențial într -o anumită direcție.

Figura 2.2.3.1. Structura unui led14
Intensitatea luminoasă maximă este după axa optică și se diminuează odată cu
depărtarea de aceasta. “Conul de maximă vizibilitate“ definește zona la marginea căreia
intensitatea scade la 50% din maxim. Uzual se folosesc LED -uri cu con de 15 -120 grade. Led –

14 Chiasson, John (2005). Modeling and High -Performance Control of Electric Machines

30
urile cu unghi mic se folosesc pentru iluminarea un or spații înguste și la mai mare distanță, dar
ridică probleme la obținerea uniformității dorite a iluminării. Deoarece fluxul luminos al unui
singur LED este mic este necesar a se folosi mai multe LED -uri concentrate pe un singur
suport (fig. 2.2.3.2).

Figura 2.2.3.2. Lampa cu led15
Numărul lor vari ază de la 3 la ordinul sutelor în funcție de destinația acestei surse de
lumină.
Principalele avantaj e ale surselor de lumină cu LED sunt:
 eficacitatea luminoasă ridicată (peste 60lm/W);
 puteri absorbite mici, de ordinul waților;
 durată de viață mare (deoarece nu au filament sau electrozi calzi) de ordinul
zecilor de mii de ore;
 dimensiuni reduse;
 sunt rezistente la intemperii și agenți chimici;
 au propria lentilă de dispersie, deci pot fi folosite în proiectoare fără adăugarea de
sisteme optice;
 oferă o gamă largă de culori, dar și lumină albă cu diferite temp eraturi de culoare
(preponderent alb -rece);
 au timp de reacție extrem scurt (fracțiuni de milisecundă);
 prin realizarea de panouri cu matrici cu diode de diferite culori, și prin comanda
lor corespunzătoare, poate fi r ealizat iluminatuldinamic.
Printre dezavantaje se pot menționa:
– necesitatea prezenței a mai multor LED -uri pe o lampă;
– prețul înc ă ridicat al unei lămpi cu LED;

15 Chiasson, John (2005). Modeling and High -Performance Control of Electric Machines

31
– limitatea aplicațiilor l a iluminatul local datorită unghiu lui mic de maximă
vizibilitate;
– luminanța este foarte ridicată pe direcția axială, de aceea crează disconfort vizual
dacă sunt privite direct;
– necesitatea unui circuit electronic integ rat în structura lămpii pentru adaptarea
tensiunii rețelei la tensi uneade alimentare a LED -urilor;
– fiabilitatea circuitului electronicde alimentaremult mai slabă decât a LED -urilor.

II.3. CORPURI DE ILUMINAT
Corpurile de ilumi nat sunt componente ale instalațiilor electrice în care se montează
lămpi cu incandescență, lă mpi fluorescente.
Conditiile teh nice generale pe care trebuie să le îndeplinească construcț ia co rpurilor de
iluminat sunt date î n STAS 8114/89.
Pentru realizarea tuburilor, în funcție de necesități, se au î n vedere: materialul folo sit,
modul de racordare, protecția împotriva solicită rilor mecanice, aptitudinea de a fi îndoite,
compo rtarea la temperatură , caracteristici electrice (de izolare), protecția contra pătrunderii
corpurilor străine solide ș i lichidelor, rezistența la substanț e corozive sau poluante, rezistente
la acțiunea radiaț iilor solare.
Corpul de iluminat este un apara t care servește la distribuirea, filtrarea sau
transformarea lă mpilor, construit din toate piesele necesare pentru fix area și protejarea
lămpilor, precum ș i pentru conectarea acestora la circuitul de alimentare.
Corpul de iluminat are rolu funcțional dinstinct si are ca părți componente sistemul
optic ș i atmătura
Sistemul optic cuprinde urmă toarele elemente:
– reflectoare , bazate pe fenomenul de reflecț ie;
– refractoare , bazate pe fenomenul de refracț ie;
– ecrane difuzate din substanțe translucide, care având suprafaț a mare , acoperă
lămpile din corp, reducand luminanț a prin difuzie;
– filtre colorate;

32
– grătare de ecrane din elemente opace sau translu cide, dispuse pentr u a masca
lămpile de vederea directă , sub un unghi determinat.
Armă tura corpului – constă în ansamblul pieselor, în general metalice, care asigură
fixarea lămpii ș i a sistemului optic.
Echiparea ș i montarea corpurilor de iluminat
Corpul de iluminat este un aparat electric destinat î n principal distribuției ș i transmi siei
fluxului luminos emis de lă mpi.
Acesta cuprinde elemen te de fixare, elemente de protecție ș i de a limentare cu energie
electrică .
Corpul de iluminat are doua componente principale:
– sistemul optic: are ca scop redistribu irea fluxului luminos emis de lămpi, astfel
încat pe o suprafață să se obțina o iluminare corespunzătoare. De asemenea, se va micșora
luminanța exagerată a lă mpilor cu ajutorul unor ecrane, să scoată lampa din câ mpul vizual.
Este const ituit din elemente reflectante și transmitatoare de lumină .
– armătura: este confecționată din materiale metalice și are rolul de fixare a lămpii
și al sis temului optic, de protejare față de mediu, de a alimenta lampa cu energie electrică sau
de fix are a elementelor de aprindere și stabilizare a descărcărilor, dacă este cazul.
În general, corpurile de iluminat sunt simetrice. Acestea pot avea simetrie plană, î n
raport cu un plan sau cu 2 plane perpendiculare ș i simetrie c ilindrică (axială), în raport cu o
axă.
La sursele cu simetrie axială avem urmă toarele elemente geometrice:
– axa longitudinală ;
– plane paralele respectiv perpendiculare pe axa de simetrie.
La sursele cu simetrie plană avem:
– axa longitudinală ;
– plan transversal, perpendicular pe axa de simetrie;
– două pla ne longitudinale: vertical ș i orizontal.
La corpurile de iluminat mai î ntalnim:
– centrul lu minos, care reprezintă un punct convențional ales î n interiorul corpului
de iluminat, ce servește la calculul iluminării și măsurării ei;
– axa optică, care reprezintă o dreaptă ce trece prin centru l luminos ș i poate avea

33
una din urmatoarele direcț ii: axa de simetri e (la sursele cu simetrie axială), intersecț ia planelor
de simetr ie (la sursele cu simetrie plană în raport cu două plane perpendiculare) sau o direcț ie
din planul de simetrie, după intens itatea luminoasă maximă a surs ei (la sursele cu simetrie
plană față de un singur plan).
II.4. SENZORI DE LUMINĂ (FOTOREZISTENȚA,
FOTODIODA, FOTOTRANZISTORUL)
Definiț ii:
Senzorul este un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau cantitativ prin proprii
mărimi măsurabile, la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Ca
parte componentă a unui aparat sau sistem tehnic detector poate măsura/înregist ra de exemplu
presiunea, umiditatea, câmpul magnetic, accelerația, forța, intensitatea sonoră, radiații ș.a.
Senzorul este un dispozitiv care măsoară o mărime fizică (masă, presiune,
temperatură, umiditate etc.) și o transformă într -un semnal care poate fi citit de către un
observator printr -un instrument sau poate fi prelucrat.
Exista mai multe clasificări; una dintre ele se referă la senzori de tip:
– activ: consumator de energie, de exemplu radar (măsurarea di stanțelor prin
emitere de radiatii electromagnetice)
– pasiv: de exemplu fotorezistența cu care se poate măsura intensitatea luminii
incidente.
În automatizare, informația calitativă/cantitativa măsurabilă livrată de senzori, dupa o
eventuală amplificare și prelucrare servește la controlul și reglarea sistemelor tehnice
automate.

II.4.1. FOTOREZISTENȚA
Fotorezistenț ele sunt compo nente electronice pasive care își modifică rezistența
electrică în funcție de intensitatea radiaț iei luminoase inci dente pe suprafata fotosensibilî .
Cele mai cunoscute fotorezistenț e sunt cele realizate din sulfură de cadmiu ș i cele
realizate din selenura de cadmiu.

34
Fotorezistențel e din C d S au o sensibilitate spectrală maxi mă pentru lungimea de undă
de 600 nm, iar fotorezistențele din CdSe au o sensibilitate pentru lungimea d e undă de 720nm.
Fotorezistențele se pot utiliza atât în curent continuu cât și î n curent alternativ.
Rezistența ohmic ă a fotorezistenței scade cu creșterea ilumină rii.
Coeficie ntul de modificare a rezistenței cu temperatura este scazut și se micșorează cu
creșterea ilumină rii.
Tipu ri constructive de fotorezistenț e
Timpul de r ăspuns este de ordinul zecilor și sutelor de milisecunde, ș i anume
aproxi mativ 10 ms pentru fotorezistențele din Cd Se ș i 100 ms pentru cele din Cd S. De altfel
viteza mică de răspuns reprezintă un dezavantaj al fotorezistenț elor.
Parametri cei mai i mportanți ai fotorezistenț elor sunt:
– rezistența de î ntuneric R p definită ca rezistența electrică a fotorezistenț ei
neiluminate;
– sensibilitatea specifică definită ca raportul , unde I L reprezintă curentul prin
fotorezistență atunci când este alimentată la o tensiune U și iluminată cu fluxul Φ.
Dintre caracteristicile cel e mai semnificative se specifică urmă toarele:
– caracteristica curent -tensiune care repre zintă dependeța curentului prin
fotorezistența de tensiunea la borne, luâ nd iluminarea E v ca parametru;
– dependența rezistenț ei de iluminare.
Fotorezistorii po t fi intrinseci sau extrinseci . Un semiconductor intrinsec se bazează pe
proprii purtători și de obicei nu este foarte eficient într -o astfel de aplicație (de exemplu
siliciul). Într -un astfel de semiconductor, electronii sunt situați în banda de valență și deci
fotonul incident trebuie să aibe o energie relativ mare pentru a putea genera perechi electron –
gol (energia sa trebuie să fie cel puțin egală cu energie benzii interzise).
Dispozitivele ce folosesc semiconductori extrinseci conțin anumite impurități numite
dopanți , al căror nivel energetic fun damental este mai apropiat de banda de conducție a
semiconductorului. Ca urmare a acestui fapt energia necesară electronilor pentru a ajunge în
banda de conducție este mult mai mică.
În forma lor cea mai răspândită, fotorezistorii conțin sulfa t de cadmiu (CdS). Acesta
este depus pe un substrat izolator, după care structura este încapsulată într -o rășină

35
transparentă sau în sticlă pentur a se evita expunerea la condițiile de mediu.

Exemplu de set de caracteristici esențiale specificate pentru un fotorezistor (ORP12).
Maximul sensibilității spectrale 610nm
Rezistența la 50lx 2400Ω
Rezistența la 1000lx 130Ω
Rezistența la întuneric 10MΩ
Tensiunea maximă 110V
Puterea disipată maximă la 25șC 200mW
Timpul tipic de creștere a rezistenței 75ms
Timpul tipic de scădere a rezistenței 350ms

Figura 2.4.1.1. Exemple de fotorezistori16

16 Ion Mihai, Dorin Merișca, Eugen Mânzărescu – Manual pentru autorizarea electricienilor instalatori , Centrul
de Informare și Documentare pentru Energetică, București, 1998

36
II.4.2. FOTODIODA
Fotodiodele – sunt dispozitive de fotorecepț ie a radiație ielectromagnetice de spectru definit de
natura materialelor folosite la fabricare, având ca rezultat formarea unui curent electric numit
curent fotoelectric .
La baza funcțiunii sta efectul fotovoltaic : – apariția unei tensiuni electromotoare într –
o joncțiune p -n când aceasta este iluminată. Prin acest efect se realizează conversia directă a
energiei luminoase în energie electrică.
Fotodioda se împarte in17:
Fotodiodă pn: aceste dispozitive au dimensiuni redus e, sensibilitate ridicată și o viteză
mare de răspuns, proprietăți ce le fac indispensabile în multe aplicații moderne, printre care și
comunicațiile optice.

Figura 2.4.2.1.1. Structura simplificata a unei diode p-n

17 Ioan Dumitrache, Ingineria Reglării Automate,Editura POLITEHNICA,2005 ( Fig. 2.4.2.1.1., Fig 2.4.2.1.2.)

n p+
SiO 2 E Electrod Strat antire flex hν > Eg VOUT R
p
e VR
W If
Electrod
Regiunea
sărăcită +
eNd x
-eNa ρnet
E(x)
Emax x a)
b)
c)

37
Figura a prezintă o structură simplificată a unei fotodiode p+n (semnul + denota faptul
ca, concentrația de impurități acceptoare din zona p este mult mai mare decât concentrația de
impurități donoare din zona n). Partea ce urmează a fi expusă la lumină este prevăzută cu o
fereastră, iar pentru minimizarea reflexiilor este folosit un strat antireflex, de obicei Si 3N4.
Regiunea p+ este în general foarte subțire (maxim 1μm) și este de obicei obținută prin difuzie
planară într -un strat epitaxial n.
Figura b prezintă distribuția de sarcină spațială de -a lungul joncțiunii p+n. Regiunea
sărăcită se întinde aproape în totalitate în zona slab dopată n și în general are o grosime de
câțiva microni.
În mod normal fotodioda lucrează în polarizare inversă (în polarizare directă se
comportă ca o diodă obișnuită). Tensiunea inversă aplicată VR se regăsește de -a lungul zonei
sărăcite (rezistive) W, rezultând într -o cădere de tensiune la capetele acesteia de V0+V R, unde
V0 este tensiunea internă. Valoarea câmpului poate fi determinată prin integrarea densității de
sarcină spațială netă ρnet din Figura b de-a lungul lungimii W. Acest câmp este prezent numai
în regiunea sărăcită și nu este uniform. Variația aces tuia este prez entată în Figura c, având un
maxim în zona joncțiunii. Regiunile dinafara stratului sărăcit sunt regiunile neutre în care
există purtători de sarcină majoritari. De multe ori este convenabil ca aceste zone să fie
considerate doar prelungiri ale electrozilo r către regiunea sărăcită.
Când un foton cu energie mai mare decât lățimea benzii interzise Eg pătrunde în
semiconductor, acesta este absorbit, iar energia sa dă naștere unei perechi electron -gol (un
electron în banda de conducție și un gol în banda de valență).
De obicei procesul de fotogenerare se produce în zona sărăcită. Acțiunea câmpului
intern E din această zonă duce la separarea perechii electron -gol astfel create, electronul și
golul deplasându -se în direcții opuse până când ajung în zonele neutre. Deplasarea acestor
purtători duce la apariția unui curent electric prin circuitul extern, numit fotocurent ( If). Durata
fotocurentului corespunde timpului necesar pentru ca purtătorii de sarcină să ajungă în zonele
neutre. Când gol ul ajunge în regiunea neutră p+ se recombină cu un electron care pătrunde în
această zonă provenind de la sursa de alimentare. Când un electron ajunge în zona n, un
electron din această zonă părăsește dispozitivul și ajunge la sursa de alimentare. Valoarea
fotocurentului depinde de numărul de perechi electron -gol generate și de vitezele de drift ale
purtătorilor ce traversează zona sărăcită. Din moment ce câmpul intern nu este uniform și

38
absorbția fotonilor incidenți se produce pe o distanță ce depinde de lungimea de undă a
acestora, determinarea dependenței de timp a fotocurentului nu poate fi făcută prin metode
simple.
Fotodioda cu joncțiune pn are două mari dezavantaje:
1. Capacitatea joncțiunii sau a regiunii sărăcite nu este suficient de scăzută pentru a permite
detecția semnalelor la frecvențe de modulație ridicate;
2. Regiunea sărăcită este de maxim câțiva microni, ceea ce înseamnă că la lungimi de undă
mari, unde adâncimea de penetrare este mai mare decât lungimea regiunii sărăcite, majoritatea
fotonilor sunt absorbiți într -o zonă în care nu există un câmp de separare al perechilor
electron -gol.
Fotodioda p -i-n

Figura 2.4.2.2.1. Structura simplificata a undei diode p -i-n

n+ p+
SiO 2 Electrod Strat antire flex i-Si
Electrod
eNd
x
-eNa ρnet
E(x)
E0 x a)
b)
d)
hν > Eg
VOUT R
VR + If E p
e c)

39
Fotodioda p -i-n se referă la un dispozitiv semiconductor care are o structură de tipul
p+―intrinsec―n+, după cum e ste arătat schematic în Figura a. Regiunea intrinsecă are un
dopaj mult mai sla b decât zonele p+ sau n+ și o lățime mult mai mare (de obicei între 5 și
50μm în funcție de aplicație).
În modelul pin idealizat putem considera regiunea i-Si ca fiind cu adevărat intrinsecă.
La formarea inițială a structurii, golurile difuzează din zona p+ și electronii din zona n+ în
stratul i-Si, unde se recombină și dispar. Acest proces lasă în urmă un strat subțire de ioni
acceptori încărcați negativ în zo na p+ și alt strat subțire de ioni donori încărcați pozitiv în zona
n+, după cum este arătat în Figura b. Cele două straturi sunt separate de stratul i-Si de grosime
W. Între ionii pozitivi și ionii negativi se crează astfel un câmp intern uniform E0 de-a lungul
stratului i-Si (Figura c), spre deosebire de cazul fotodiodei pn, unde câmpul intern este
neuniform. În absența unei tensiuni aplicate la bornele dispozitivului, echilibrul este menținut
de acest câmp intern E0, care previne difuzia continuă a purtătorilor majoritari în zona i-Si.
Datorită separării straturilor de sarcini pozitive și negative din interiorul structurii, aceasta se
comportă ca un condensator cu armături plane, a cărui capacitate este dată de:

WACr
S0, unde A este aria secțiunii, iar ε0εr este
permitivitatea semiconductorului (Si). Mai mult decât atât, deoarece lățimea W este fixată din
construcție, capacitatea joncțiunii nu depinde de tensiunea aplicată, spre deosebire de cazul
fotod iodei pn. CS este de ordinul a 1pF în fotodiodele pin rapide, astfel încât împreună cu un
rezistor de 50Ω, constanta de timp a RC S este de aproximativ 50ps.
La aplicarea unei tensiuni de polarizare inverse Vr la bornele fotodiodei pin, aceasta se
regăsește aproape în totalitate pe lățimea stratului i-Si, din moment ce lățimile straturilor de
donori și acceptori sunt neglijabile în comparație cu W. Tensiunea inversă Vr va crește
potențialul intern la V0+V r, după cum este arătat în Figur a 2d. Câmpul intern E este în
continuare uniform, ajungând la:

WV
WVEEr r0 (Vr>>V 0)

40
Structura pin este proiectată astfel încât absorbția fotonilor are loc predominant în
stratul i-Si. Perechile electron -gol generate aici sunt apoi separate de câmpul intern E (Figura
2b). Deplasarea sarcinilor prin stratul i-Si dă naștere unui fotocurent care este detectat sub
forma unei tensiuni la bornele rezistorului serie R. Timpul de răspuns al fotodi odei este dictat
de timpii de tranzit ai purtătorilor de -a lungul distanței W. O eventuală creștere a lui W va duce
la un număr mai mare de fotoni absorbiți în această regiune și deci o creștere netă a eficienței
cuantice a dispozitivului, însă viteza de răspuns va scădea din cauza creșterii timpilor de
tranzit. Pentru un purtător de sarcină generat la marginea stratului i-Si, timpul de tranzit
(timpul de drift) prin acest strat va fi

ddriftvWt ,unde vd este viteza de drift.

Pentru a mării viteza de răspuns a dispozitivului trebuie micșorat timpul de drift , adică
trebuie crescută viteza de drift, lucru ce se poate realiza prin creșterea tensiunii aplicate la
borne. În cazul câmpurilor foarte puternice însă, vd nu urmărește comportamentul așteptat μdE
(unde μd este mobilitatea de drift), ci tinde să se limiteze la o valoare vlim , care este de ordinul
a 105ms-1 pentru câmpuri mai mari de 106Vm-1 în cazul siliciului. De exemplu, în cazul unui
strat i-Si de 10μm, considerând că purtătorii se deplasează la vitezel e de saturație, timpul de
drift este de aproximativ 0.1ns.

41
II.4.3. FOTOTRANZISTORUL
Fototranzistorul18 este un dispozitiv optoelectronic f ormat dintr -un tranzistor, al că rui
curent de colector este comandat de un flux luminos.
1. Simbol, aspect fizic ș i marcaj

Figura 2.4.3.1. Fototranzistor – simbol,configuraț ie terminale

Figura 2.4.3.2. Fototranzistor – aspect fizic
2. Principiul de funcț ionare
Deoarece comanda curentului de colector I c revine fluxului lu minos Ф, structura se
realizează și fără electrodul bază .
Fototranzistorul cu bază poate stabiliza PSF la variațiile de temperatură .
Polarizarea se face ca la un tranzistor obiș nuit. Tranzistorul se plasează într -o capsulă
prevazută cu o fereastră în care este montată o lentilă pentru focalizarea fluxului luminos.
3. Parametri limită
Tensiunea maximă colector – emitor U Cemax
Curentul de colector maxim I Cmax
Puterea di sipată maximă Pdmax
Sensibilitatea S = Ic / Ф

18 Ioan Dumitrache, Ingineria Reglării Automate,Editura POLITEHNICA,2005 (Fig. 2.4.3.1., Fig. 2.4.3.2.)

42
CAPITOLUL III
SISTEME ELECTROMECANICE ,
MOTORUL ELECTRIC (DE CURENT CONTINUU,
PAS CU PAS)
III.1. MOTORUL ELECTRIC
Un motor electric (sau electromotor ) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia
electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică,
este realizată de un generator electric . Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două
tipuri de mașini electrice , același dispozitiv putând îndeplin i ambele roluri în situații diferite.
Principiul de funcț ionare
Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe baza forțelor electromagnetice ce acționează
asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă și motoare
electrostatice construite pe baza forței Coulomb și motoare piezoelectrice.
Utilizare
Majori tatea motoarelor electrice funcționează pe baza forțelor electromagnetice ce acționează
asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă și motoare
electrostatice construite pe baza forței Coulomb și motoare piezoelectrice.
Elemente constructive
Statorul este partea fixă a motorului, în general exterioară, ce include carcasa, bornele de
alimentare, armătura feromagnetică statorică și înfășurarea statorică.
Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr -un ax și o
armătură rotorică ce susține înfășurarea rotorică. Între stator și rotor există o porțiune de aer numită
întrefier ce permite mișcarea rotorului față de stator.
Clasificare
Motoarele electrice pot fi clasificate după tipul curentului electric ce le parcurge :
– motoare de curent continuu;
– motoare de curent alternativ.
În funcție de numărul fazelor curentului cu care funcționează, motoarele electrice pot fi :
– motoare monofazate; – motoare polifazate (cu mai multe faze).

43

III.1. 1. MOTORUL E LECTRIC DE CURENT CONTINUU
Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin
conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut
observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator.
Astfel el a constatat, că generatorul "inițial" era de fapt o mașină electrică reversibilă, care
putea lucra ca un convertizor de energie bidirecțional.

Figuura 3.1.1. Motorul electric de current continuu19

Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate
care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce
schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic de excitație să
exercite în permanență o fo rță față de rotor.
În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu
pot fi clasificate în:
1. Motor cu excitație independentă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt

19 Constantin Ghiță – Mașini electrice , Editura. Matrix Rom, București, 2005

44
conectate la două surse separate de tensiune;
2. Motor cu excitație paralelă – unde înfășurarea statorică și înfășur area rotorică sunt legate
în paralel la aceași sursă de tensiune;
3. Motor cu excitație serie – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt leg ate în
serie;
4. Motor cu excitație mixtă – unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una
conectată în paralel și una c onectată în serie.
Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli
magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii
rotori ci se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă
sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua
deplasarea până la următoare a aliniere a polilor magnetici.
Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită
câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți
permanenți. Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înf ășurării rotorice și
invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea
tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin
prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metod e vizează o tensiune variabilă ce poate fi
obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward -Leonard), prin înserierea unor
rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere ( redresoare comandate, choppere ).
Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu câmpul
magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de câmp se face, așadar , cu diminuare a
cuplului dezvoltat de motor.
La motoarele serie același curent străbate înfășurarea de excitație și înfășurarea
rotorică. Din această considerație se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie:
– pentru încărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul
curentului electric absorbit;
– motorul nu trebuie lăsat să funcționeze în gol pentru că în acest caz valoarea
intensității curentului electric absorbit est e foarte redusă și implicit câmpul de excitație este
redus, ceea ce duce la ambalarea mașinii până la autodistrugere.
Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc în tracțiunea electrică

45
urbană și feroviară (tramvaie, locomotive ).
Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de
alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație.
La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează
schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Așadar, motorul
serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează o dată în
decursul unei perioade .
Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește în apli cații casnice de
puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).

III.1.2. MOTORUL ELECTRIC PAS CU PAS
Motorul electric pas cu pas este un convertor electromecanic care realizează
transformarea unui tren de impulsuri digitale într -o mișcare proporțională a axului său.
Mișcarea rotorului pas cu pas constă din deplasări unghiulare discrete, succesive, de mărimi
egale și care reprezintă pașii motorului.
Motorul pas cu pas mai prezintă proprietatea de a putea intra în sincronism faț ă de
impulsurile de comandă chiar din stare de repaus, funcționând fără alunecare iar frânarea se
efectueaza, de asemenea, fără ieșirea din sincronism. Datorită acestui fapt se asigură porniri,
opriri si reversări bruște fără pierderi de pași pe tot domeni ul de lucru.
Viteza unui motor pas cu pas poate fi reglată în limite largi prin modificarea
frecvențeiimpulsurilor de intrare. Astfel, dacă pasul unghiular al motorului este 1,8° numărul
deimpulsuri necesare efectuării unei rotații complete e ste 200, iar pentru un semnal de intrare
cu frecvența de 400 impulsuri pe secundă turația motorului este de 120 rotațiipe minut. MPP
pot lucra pentru frecvențe intre1.000 si 20.000 pași / secundă, având pași unghiulari cuprinși
între 180° si 0,3°.

46

Figura 3.2.1. Motorul electric pas cu pas20

III.2. COMANDA MOTORULUI ELECTRIC
Foarte multe aplicații din domeniul microcontrollerelor au sarcina acționării unor
motoare. De exemplu aplicațiile auto -motoarele de la geamurile electrice, motoarele
indicatoarelor de bord etc. sau aplicațiile din domeniul echipamentelor periferice – imprimantă,
hard disc etc. Sau aplicațiile industriale – acționări de vane, robinete etc.
Motoarele pot fi:
• de curent continuu cu perii sau fărăperii;
• moto are pas cu pas;
• de curent alternativ cu inducție;
• motoare cu reluctanță comutată.

20 Constantin Ghiță – Mașini electrice , Editura. Matrix Rom, București, 2005

47

Figura 3.2.1. Motorul electric21

Principiul de funcț ionare al motorului electric
Când curentul trece prin rotorul motorului se generează un camp magnetic care la
rândul lui genereazî o forță electromagnetică. Rotația rotorului induce o tensiune î n bobinajul
rotorului ce este opusă ca sens ten siunii aplicate rotorului. Cu cât motorul se rotește mai
repede cu atât tensiunea rezultată este mai aproap e ca valoare de tensiunea indusă .
Un motor poate efectu a un lucru mecanic mai mare dacă primeș te mai mult curent.
Acest lucru se poate realiza atunci când asupra rotorului se aplică o sarcină, această sarcină
reduce tensiunea mă rind î n acest fel curentul care poate trece prin rotor.
Motoarele cu, curent continuu se pornesc cu mecanism e speciale deoarece viteza
rotației controlează trecerea curentului prin rotor.

21 Constantin Ghiță – Mașini electrice , Editura. Matrix Rom, București, 2005

48
Motorul ș i perii le colectoare se pot avar ia dacă rotorul este î n repaus. Pentru a evita
oprir ea rotorului și avariarea mot orului se va folosi o rezistență în serie. Această rezistență va
limita curentul până când rotorul va reintra în funcț iune.

III.3. COMANDA MOTORULUI PAS CU PAS
Motorul pas c u pas este un dispozitiv pentru conversia informațiilor numerice în lucru
mecanic pe baza unui consum de energie de la o sursă.
Motorul pas cu pas este un motor de curent continuu comandabil digital, cu deplasarea
unghiulară a rotorului propor țională cu numărul de impulsuri primite. La fiecare impuls
rotorul execută un pas unghiular apoi se oprește pânăla sosirea unui nou impuls.
Motorul pas cu pas este capabil de reversarea sensului de mișcare. Dacă este comandat
corect (cu o fre cvențămai micădecât cea admisibilă) rămâne în sincronism cu impulsurile de
comandă la accelerare, mers constant și încetinire.
O schemă bloc de acționare este dată în figura 3.3.22

Figura 3.3.1. Schema bloc de acț ionare a motorului pas cu pas

22 Constantin Ghiță – Mașini electrice , Editura. Matrix Rom, București, 2005

49
Se poate observa din schema bloc că traductorul de poziție poate lipsi pentru că, în
aplicații mai simple motorul va executa numărul de pași comandat și va ajunge în poziția
dorită. Se câștigă astfel o simplificare a schemei dar se pierde la perform anță. Comanda cu
traiectorie de viteză este posibilăprin variația frecvenței impulsurilor dar schema de acționare
se complică.
Motoarele pas cu pas pot fi motoare unipolare sau bipolare. La motoarele bipolare comanda
pașilor se face prin inversarea curen tului prin înfășurări. Principiul comenzii seamănă cu cel
de la comanda motorului de curent continuu, cu diferența că în acest caz de regulă sunt 2
înfășurări. În acest caz controllerul trebuie să poată inversa polaritatea pentru o deplasare a
curentului î nambele sensuri. Controllerul trebuie să alimenteze înfășurările succesiv cu o
anumită secvență pentru un sens și secvența inversă pentru celă lalt sens.
În figura 3.3.223.o parcurgere a 4 faze înseamnă o rotire de 360°. Motoarele reale au
mai multe înfășurări și un pas înseamnă o deplasare unghiulară mică.

Figura 3.3.2. Structura motorului pas cu pas bipolar

Conectarea unei înfășurări (de exemplu 1a -1b) la cele 2 canale PWM permite
inversarea curentului ca în diagramele din figura de mai jos:

23 Constantin Ghiță – Mașini electrice , Editura . Matrix Rom, București, 2005

50
Factorul de umplere al PWM1P0 Factorul de umplere al PWM1P0
este > decât al PWM2P0, este < decat al PWM2P0,
tensiunea aplicată este pozitivă tensiunea aplicata este negativa

Figura 3.3.3. Inversarea curentului in infasurari la motoarele bipolare24
Motoarele pas cu pas unipolare folosesc o priză mediană legată la alimentare,
inversarea curentului obținându -se prin legarea la masă succesivă a terminalelor extreme ale
înfășurării (ex. Fig.3.3.4.).
Se obțin astfel câmpuri magnetice de sens contrar fărăn inversarea polarității.

Figura 3.3.4. Inversarea curentului in motoarele unipolare

Înfășură rile motorului sunt conectate ca î n figura 3.3.5.
Prizele mediane sunt legate la alimentare și secvența de impulsuri și se aplică terminalelor 1a,
1b, 2a, 2b.

24 Constantin Ghiță – Mașini electrice , Editura . Matrix Rom, București, 2005

51

Figura 3.3.5. Structura și infășură rile motorului unipolar25
Secvențele digitale pentru comanda unui motor pas cu pas unipolar cu 4 faze în
varianta cea mai simplăsunt date in figura 3.3.6.

Un pas intr -un sens Un pas in sensul contrar Mentinere
Figura 3.3.6. Secventele digitale pentru comanda unui motor pas cu pas unipolar

Pentru exemplificare se alege un port paralel pentru microcontrollerelor compatibile
x86, linia D0 este cel mai puțin semnificativ bit și un motor pas cu pas cu 3 faze. Un pas
înseamnă parcurgerea tuturor fazelor.

25 Constantin Ghiță – Mașini electrice , Ed. Matrix Rom, București, 2005 (Fig. 3.3.5., Fig. 3.3.6.)

52

Figura 3.3.7. Schema de conectare a unui motor pas cu pas la un port paralel și programul
Programul din acest exemplu este dat pentru a arăta principiul de comandă. Este
necesară introducerea unei întârzieri pentru menținerea alimentării fazei un timp suficient
pentru acționarea electromecanică, timp care depinde de motor. Schema mai trebuie
completată cu amplificatoare de curent și/sau tensiune pentru acționarea motorului.
Observație
Un canal PWM poate fi folosit pentru a comanda o fază a motorului pas cu pas pentru
a obține un curent variabil. Semnalul PWM nu asigură succesiunea fazelor ci v aloarea medie a
tensiunii de alimentare a unei faze. Conectarea ieșirilor PWM la fazele unui motor unipolar
este dată în figura 3.3.8.

Figura 3.3.8. Comanda PWM a fazelor unui motor unipolar
Un modul de comandă poate controla un motor pas cu pas asigurân d un curent bine
definit prin înfășurări. Acest tip de comandă creează de exemplu posibilitatea de a comanda
motorul cu un curent mai mare la pornire sau permite realizarea unor traiectorii optime de
viteză (regim accelerat – frânat).

53
CAPITOLUL IV
PROIECTAREA SISTEMULUI DE MONITORIZARE
Sistemul de monitorizare e ste realizat cu o fotorezistență de 5mm care este
confecționată din: sulfură de cadmiu, suprafață ceramică, electrozi, suprafață sensibila, 2 pini
de conectare si un strat de răsină .

Figura 4.1. Fotorezistență de 5mm Figura 4.2. Structura constructivă a
fotorezistenței

Aplicațiile pentru fotorezistență pot fi multiple:
– controlul expunerii camerei ;
– focalizarea automata a dispozitivelor cu doua cellule ;
– controlul lumii stradale ;
– senzori de lumina ;
– cantare electronice cu doua celule ’
– jucari i;
– oglinda retovizoare automata ;
– sistem automazitat pentru monitorizarea si controlul iluminatului din interior

54
IV.1. PROIECTAREA SISTEMULUI DE
MONITORIZARE
Pentru proiec tarea sistemului de monitorizare avem nevoie:
– LED ;
– Fotorezistență (LDR) ;
– Rezistență de 220 ș i 10k ohm ;
– Cabluri;
– Placă de conectare .

Figura 4.1.1 Necesarul de material e
Conectarea componentelor:
1. Conectarea ledului pe placă ;
2. Rezistorul de 220 se va conecta la minusul ledului (picioruș ul mai scurt) ;
3. Un cablu (galben) la celă lalt picior al rezistorului ;
4. Și un cablu (portocaliu) la piciorul ră mas al ledului ( picoruș ul mai lung) .

55

Figura 4.1.2 Conectarea ledului
Conectarea fotorezistenț ei:
1. Conectarea fotorezistenței pe placă
2. Rezistența de 10k ohm la un picioruș al fotorezistenț ei
3. Un cablu (roșu) la celă lalt picioaruș al fotorezistenț ei
4. În punctu l unde fotorezistența întîlnește rezistenț a de 10k ohm vom mai adă uga un cablu
(alb)
Circuitul final al sistemului de monitorizare înglobează cele două mini sisteme,
legătura dintre ele fiind realizată prin conectarea celor două rezistențe și a cablului galben care
mai târziu î l vom co necta la GND cum se poate vedea î n figura 4.1.4 .

56

Figura 4.1.3 Conectarea fotorezistenț ei

Figura 4.1.4 Schema finală a sistemului de monitorizare

57
CAPITOLUL V
PROIECTAREA SISTEMULUI
DE CONTROL

Partea de control a sistemului si a motorului pas cu pas (28byj -48) o vom realiza cu
ajutorul placii de dezvoltare arduino uno si a driver motor ULN2003.
Pentru proiectarea sistemului de control vom avea nevoie:
• Arduino uno
• Modulul ULN2003APG
•Cabl uri

Figuta 5.1 Necesarul de materiale

58
V.1. ARDUINO UNO
Arduino este o companie open -source care produce atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe
microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora.
Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea
de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități
sau procese în lumea reală.

Figura 5.1.1 Arduino uno
Proiectul este bazat pe designul plăcilor cu microcontroler produse de câțiva furnizori,
folosind diverse tipuri de microcontrolere.
Aceste plăci pun la dispoziția utilizatorului pini I/O, digitali și analogici, care pot fi
interfațați cu o g amă largă de plăcuțe numite scuturi (shield -uri) și/sau cu alte circuite. Plăcile
au interfețe de comunicații seriale, inclusiv USB pe unele modele, pentru a încărca programe
din calculatorele personale.
Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino vine cu un mediu de dezvoltare
integrat (IDE) bazat pe proiectul Processing, care include suport pentru limbaje de programare
ca C și C++.

59
Din punct de vedere Hardware:
O plăcuță Arduino este compusă dintr -un microcontrol er Atmel AVR de 8 -, 16- sau
32-biți (deși începând cu 2015 s -au folosit microcontrolere de la alți producători) cu
componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite.
Un aspect important la Arduino este că a cesta dispune de conectori standard, care
permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile
numite shield -uri.
Unele shield -uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, dar altele
sunt adresabile individual prin magistrala serială I²C permițând utilizarea mai multor module
în paralel.
Până în anul 2015 plăcuțele Arduino oficiale au folosit cipuri Atmel din seria
megaAVR, în special ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega 1280 și ATmega2560,
iar în 2015 au fost adăugate cipuri de la alți producători. O multitudine de alte procesoare au
fost folosite de dispozitive compatibile Arduino.
Multe plăcuțe includ un regulator liniar de 5 V și un oscilator cu cuarț de 16 MHz (sau
un rezonator ceramic în unele variante), deși anumite plăcuțe, cum ar fi LilyPad, funcționează
la 8 MHz și nu necesită regulator, datorită restricțiilor de formă.
Un microcontroler instalat pe Arduino vine preprogramat cu un bootl oader care
simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, în comparație cu alte dispozitive
care necesită programatoare externe. Acest aspect face Arduino o soluție simplă, permițând
programarea de pe orice computer ordinar. În prezent, boot loader -ul optiboot este bootloader –
ul implicit instalat pe Arduino UNO.
La nivel conceptual, când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino,
programarea tuturor plăcuțelor se face prin conexiune serială. Implementarea acesteia diferă în
funcție de versiunea hardware.
Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza
conversia între nivelele logice RS -232 și cele TTL. Plăcuțele Arduino din prezent sunt
programate prin USB, având integrate ci puri de conversie US B-serial, cum ar fi FTDI FT232.
Unele modele UNO, mai noi, folosesc un cip AVR separat programat să funcționeze
ca un convertor USB -serial, care poate fi reprogramat printr -un port ICSP dedicat. Alte
variante, cum ar fi Ard uino Mini și versiunea neoficială Boarduino, folosesc adaptoare

60
detașabile USB -serial, cabluri, Bluetooth sau alte metode.
Plăcuța Arduino are expuși mulți dintre pinii de intrare/ieșire ai microcontrolerului,
pentru ca aceștia să fie folosiți de alte circuite. Diecimila, Duemilanove și UNO oferă 14 pini
digitali de intrare/ieșire, dintre care 6 pot produce semnale PWM și 6 intrări analogice care, de
asemenea, pot fi folosite ca intrări/ieșiri digitale. Acești pini sunt accesibili prin partea
superioară a plăcuței, prin intermediul unor barete mamă cu pasul între pini de 2,54 mm.

V.2. DRIVER MOTOR ULN2003 SI MOTORUL
PAS CU PAS (28 byj -48)
Modulul de comandă ULN2003 ne va ajuta să controlam mult mai uș or motorul pas cu
pas (28byj -48) comandat de că tre microcontrolerul de pe placa Arduino uno.

Figura 5.2.1 Modulul ULN2003APG
Conectarea modului driver motor ULN2003 la placa Arduino uno se va realiza cu
ajutoru l a patru cabluri precum urmează :
– INT1 – digital pin 8 (cablul portoc aliu)
– INT2 – digital pin 9 (cablul galben)
– INT3 – digital pin 10 (cablul verde)

61
– INT3 – digital pin 11 (cablul albastru)
Cablurile rămase, respective mov ș i alb vor fi conect ate mai tâ rziu la un acumulator.

Figura 5.2.2 Conectarea modului ULN2003APG
Finalizarea sistemului de control este realizat ă cu placa Arduino uno după cum se
poate observa și în figura 5.2.3 .

Figura 5.2.3 Sistemul de control

62
CAPITOLUL VI
REALIZAREA PROIECTULUI
VI.1. CONECTAREA SISTEMULUI DE MONITORIZARE
SI CONTROL PE PLACUTA ARDUINO UNO

După sistemul de monitorizare ș i cel de control vom pune toate componentele cap la
cap, vom real iza toate conexiunile aferente ș i vom scrie codul pentru sistem ul au tomat pentru
monitorizare ș i control al iluminatului din interior.

Figura 6.1.1 Si stemul automat de monitorizare ș i control al iluminatului din interior

63

Figura 6.1.2 Sistemul automat de monitorizare
și control al iluminatului din interior în funcț iune

Conectarea sistemului de monitorizare la placa Arduino este realizată prin cablul
galben de la rezistența de 10k ohm ș i rezistenț a de 220 la GND.
Cablul roșu î l vom conecta la 5V. La pinul 3 vom conecta cablul portocaliu, iar ce l alb
la A0 după placa Arduino.
Motorul pas cu pas î l vom conecta la portul special de pe modulul de comandă
ULN2003. Tot pe modulul ULN2003 vom conecta ș i un acumulator de 9V la porturile 5 -12V
pentru a putea susține motorul, cum putem obser va în figura 6.1.2 .

64
VI.2. SCRIEREA CODULUI
Pentru scrierea codului vom folosi programul gratuit oferit de Arduino uno.

Pentru a putea controla motorul pas cu pas este nevoie de a importa o libră rie
<Stepper.h>.
Trebuie definiți toț i pini i folosiți de pe plăcuț a Arduino uno.

65
VI.3. INTERPRETAREA CODULUI
Interpretarea codului:
#include <Stepper.h> // includerea librariei pentru motorul pas cu pas
// definirea pasilor motorulului
#define STEPS 100
// definirea clasei pentru pasii motorului si declararea pinilor
Stepper stepper(STEPS, 8, 9, 10, 11);
int sensorPin = A0; // selectare pinului de input pentru fotorezistenta
int ledPin = 3; // selectare pinului pentru LED
int sensorValue = 0; // stocarea variabilei pentru senzor
int previous = 0; / / citirea anterioara de la analog input
void setup(){
pinMode(ledPin, OUTPUT); // declararea ledPin ca si iesire (OUTPUT)
stepper.setSpeed(50); // definirea pasilor motorului la 50 de rotatii pe minut
}

void loop() {
// citirea valorii de la senzor
sensorValue = analogRead(sensorPin)/4; // citirea valorii de la senzor
analogWrite(ledPin, sensorValue); // in functie de valorile sezorului scade sau creste intensitatea
luminoasa

stepper.step(sensorValue – previous); // citirea valorilor d e la senzor si in functie de valorile senzorului
mutarea numarului de pasi la motor

}

66

Figuta 6.2.1. Proiectul final

În lipsa detecției de lumină sesizată de fotorezistență, motorul pas cu pas se învarte în așa
fel încât să deschidă draperiile.

67
CONCLUZII
Conceptul de smart house reprezintă controlul automatizat al casei, auducând un grad ridicat
de confort, securitate și în același timp economisire a energiei.
S-a dovedit în timp, odata cu evoluția tehnologiei, că sistemele simple nu mai pot
răspunde cu succes cerințelor de confort și siguranță în utilizarea instalațiilor de iluminat,
prize, climatizare și securitate.
Acest sistem oferă m ai multe beneficii și anume:
– eficiență energetică;
– timp economisit;
– usurință de folosire;
– cost scăzut;
Dezvoltare ș i valorificare pe viitor :
1. Închiderea draperiilor automat ziua ș i aprinderea luminilor cu un senzor de miș care;
2. În funcție de temperatura de afară se pot î nchide draperiile și porni aerul condț ionat ;
3. Sisteme de securita te cu rulouri de metal, actionațe atât manual cât și auto mat de o
consolă;
4. Deschiderea draperiilor iarna pentru a putea pătrunde lumina soarelui și pornirea
încălzir ii în pardoseală;
5. Oprirea aerului con diționat la deschiderea ușii către exterior și pornirea unei pă turi de
aer;
Potențialul acestui sistem poate fi foarte vast și utiliz at în numeroase domenii. După cum am
precizat și mai sus acest proiect face parte din casa smart.

68
BIBLIOGRAFIE
[1] Alexandru Gacsádi, Virgil Tiponuț , “Sisteme de achiziții de date”, Editura
Universității din Oradea, 2005 ;
[2] Traian Jurca, Dan Stoiciu, “Instrumentație de măsurare, Structuri și circuite”,
Editura de Vest ,Timișoara, 1996;
[3] Marius Bodea, L Turic, I Mihuț, V. Tiponuț, “Aparate electronice pentru măsurare
și control” , Editura Did actică și Pedagogică, București, 1985;
[4] E. Pop, V. Stoica, I. Naforniță, E. Petriu, “Tehnici moderne de măsurare și
control”, Editura Facla, Ti mișoara, 1983;
[5] Constantin Ghiță “Mașini electrice ”, Editura Matrix Rom, București, 2005;
[6] I on Mihai, Dorin Merișca, Eugen Mânzărescu “Manual pentru autorizarea
electricienilor instalatori , Centrul de Informare și Documentare pentru Energetică ” ,București,
1998 ;
[7] Bedford, B.D.; Hoft, R.G “Principles of Inverter Circuits ” New York: Wiley,
1964 ;
[8] Chiasson, John “Modeling and High -Performance Control of Electric Machines ”,
2005;
[9] Dragos Ionel Cosma, Irina Aura Manolache, Aurelian Chivu Sisteme de reglarea
automata, Ed itura CD PRESS, Bucuresti, 2017 ;
[10] Ion Neagu, Ti tu Costachescu, Aurel Predescu “ Instalatii electrice pentru
constructii Proiectare si executie ”, Editura Scrisul Romanesc, 1978 ;
[11] Ioan Borza “ Instalatii pentru constructii: ghid de documentare, proiectare,
executie si exploatare ”, Editura Politehnica, 2003 ;
[12] Ioan Dumitrache “ Ingineria Regl ării Automate ”, Editura P olitehnica, 2005 ;
[13] M. Sîmpăleanu, “Circuite pentru conversia datelor”, E ditura Tehnică, București,
1991;
Surse Bibliografice internet
[14] https://ro.wikipedia.or
[15] http://webhost.uoradea.ro
[16] http://webhost.uoradea.ro