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Économie d’énergie grâce au Contrôle automatique |  |
Fig. 1 Le contrôle automatique est utilisé dans ce chauffe-eau.
Vous êtes-vous déjà demandé comment les lampadaires « savent » s’allumer quand il fait nuit et s’éteindre pendant la journée, ou comment une porte automatique « sait » s’ouvrir pour vous lorsque vous vous approchez et vous fermez après votre passage? Avez-vous pensé à la façon dont un climatiseur « sait » quand une pièce est assez fraîche et éteint son compresseur, ou comment un chauffe-eau « sait » s’éteindre pour éviter que l’eau ne soit bouillie? Tout cela et bien d’autres sont les merveilles du contrôle automatique. Comme vous le verrez dans ce module, les commandes automatiques sont non seulement pratiques, mais permettent également d’économiser de l’énergie. Regardons de plus près.
Lampadaires
Les lampadaires sont conçus pour s’allumer automatiquement lorsqu’il fait sombre et s’éteindre lorsqu’il y a de la lumière afin d’économiser de l’énergie. Comment les lampadaires détectent-ils l’obscurité et la lumière du jour? Un dispositif couramment utilisé est appelé résistance dépendante de la lumière (LDR). C’est une résistance avec une résistance qui change en fonction de la quantité de lumière qui y tombe. Lorsque le LDR est dans l’obscurité, sa résistance est très importante, typiquement de l’ordre de M 
. Lorsqu’il est sous une lumière vive, sa résistance est de l’ordre de k . Un circuit qui utilise ce changement de résistance à différentes conditions d’éclairage est capable d’allumer et d’éteindre automatiquement les lumières respectivement pendant la nuit et le jour. Le LDR pour les lampadaires doit être positionné de manière à ce que d’autres sources lumineuses ne brillent pas sur le LDR. Une temporisation du circuit de commutation est également nécessaire pour que de courtes périodes d’obscurité (par exemple lorsqu’un oiseau survole le LDR pendant la journée) ou de courtes périodes de luminosité (par exemple lorsque les phares d’une voiture brillent sur le LDR pendant la nuit) n’allument pas ou n’éteignent pas les lumières.
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| Fig. 2 lampadaires ont un contrôle sensible à la lumière qui leur permet de s’allumer automatiquement la nuit. | Fig. 3 La résistance dépendante de la lumière est utilisée dans de nombreux circuits de contrôle automatique. |
Chauffe-eau, fours, réfrigérateurs, climatiseurs
De nombreux appareils, tels que les chauffe-eau, les réfrigérateurs et les climatiseurs, sont conçus pour s’allumer ou s’éteindre automatiquement une fois qu’une température prédéfinie est atteinte. Cela évite de faire fonctionner les appareils en continu et de consommer trop d’électricité.
Certains dispositifs de commande automatique fonctionnent en détectant le changement de température et rompent ou complètent un circuit en conséquence. Ces dispositifs sont couramment utilisés dans les appareils électriques, comme le montrent les sections suivantes:
Bandes bimétalliques
Le principe d’une bande bimétallique est que différents métaux se dilatent à des degrés différents avec les changements de température. En combinant deux métaux différents l’un sur l’autre en une bande, une bande bimétallique est formée. Lorsque les deux métaux se dilatent ou se contractent différemment sous le même changement de température, la bande se plie. Il peut ensuite être utilisé pour allumer ou éteindre un circuit à certaines températures. On trouve souvent des bandes bimétalliques dans les fours. La structure typique de ce type de commande est illustrée à la Fig. 5.
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| Fig. 4 Une bande bimétallique typique | Fig. 5 La structure d’une bande bimétallique |
Le dispositif représenté à la Fig. 5 est typique de ceux utilisés dans les fours. Le métal supérieur (bleu) se dilate plus lorsqu’il est chauffé et se contracte plus lorsqu’il est refroidi que le métal inférieur. Ainsi, lorsque la température à l’intérieur du four descend en dessous d’un certain point, le bilame se plie suffisamment vers le haut pour compléter le circuit, en allumant l’élément chauffant. Dans un réfrigérateur, la configuration inverse est utilisée. Lorsque la température à l’intérieur du réfrigérateur augmente, la bande bimétallique se plie pour allumer le compresseur qui démarre le cycle de refroidissement.
Thermistances
Fig. 6 Une thermistance a une résistance dépendante de la température.
Une thermistance modifie sa résistance en fonction de la température. Contrairement au métal, la résistance d’une thermistance diminue généralement avec l’augmentation de la température. Une thermistance typique a une résistance de quelques centaines d’ohms à température ambiante. Cela diminue continuellement jusqu’à moins d’une centaine d’ohms à 100 oC. Dans une chaudière à eau domestique à commande électronique par exemple, un processeur ou un circuit mesure la résistance de la thermistance. Lorsqu’une résistance indiquant une température particulière est atteinte, les éléments chauffants sont allumés ou éteints.
Les thermistances utilisent des semi-conducteurs pour réaliser les changements de résistance. De nombreuses thermistances sont constituées d’une fine bobine de matériau semi-conducteur tel qu’un oxyde métallique fritté. Le matériau a la propriété que, à mesure que la température augmente, plus d’électrons dans le matériau sont excités et capables de se déplacer pour la conduction de l’électricité. Comme plus de porteurs de charge sont disponibles pour la conduction, la résistance du matériau diminue avec l’augmentation de la température.
Régulateurs de température modernes
Fig. 7 Ce régulateur de température utilise un thermocouple pour mesurer les changements de température. Lorsque la température mesurée (22 oC) approche d’une certaine valeur (42 oC), la puissance électrique délivrée à la prise est automatiquement réduite.
Les régulateurs de température modernes utilisent des thermocouples pour mesurer le changement de température détaillé de l’objet surveillé. Le thermocouple convertit les données de température en signaux électriques. Les composants électroniques du contrôleur utilisent ces informations pour déduire un changement de température futur et contrôler la puissance de sortie d’un appareil (p.ex. chauffage ou climatiseur) en conséquence pour maintenir la température de l’objet dans une plage prédéfinie. Les utilisateurs peuvent facilement prérégler la plage de température en fonction de leurs besoins.
Les thermocouples utilisés dans les régulateurs de température sont généralement constitués de deux fils de métal / alliage différents attachés ensemble (par exemple par soudage) à une extrémité. L’extrémité attachée sert à mesurer la température et s’appelle la jonction chaude. L’autre extrémité du thermocouple est connectée à un appareil de mesure de tension et s’appelle la jonction froide. Lorsque la température des deux jonctions est différente, une différence de potentiel apparaîtra entre les deux matériaux différents. La différence de potentiel est approximativement proportionnelle à la différence de température entre les deux jonctions. Ce phénomène est appelé effet Seebeck. Les thermocouples sont généralement très durables, peuvent être placés dans des espaces restreints et peuvent mesurer des températures élevées, ce qui en fait des thermomètres très polyvalents.
Capteurs de mouvement pour les lumières et les escaliers mécaniques
Capteurs de mouvement infrarouges pour le contrôle de l’éclairage
Les capteurs de mouvement infrarouges sont couramment utilisés pour allumer automatiquement les lumières lorsque la présence de personnes est détectée. Cela permet d’économiser de l’énergie tout en fournissant un éclairage adéquat si nécessaire. Ce contrôle est particulièrement utile pour les couloirs ou les pièces qui ne sont pas fréquemment utilisés.
Des capteurs de mouvement de type passif sont généralement utilisés. « Passifs » signifie ici qu’ils sont sensibles au rayonnement infrarouge émis par les objets détectés (p.ex. corps humain), mais ils n’ont pas de source active pour émettre un rayonnement infrarouge.
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| Fig. 8 capteurs de mouvement infrarouges sont utilisés pour contrôler l’éclairage dans les couloirs. | Fig. 9 La structure interne du capteur de mouvement infrarouge. |
Quelle est la structure de ces capteurs de mouvement infrarouges et comment fonctionnent-ils? Regardez la photographie du capteur de mouvement infrarouge. La surface incurvée à l’avant est un type spécial de lentille appelé lentille de Fresnel qui focalise le rayonnement infrarouge sur le dispositif de détection infrarouge, un capteur pyroélectrique, à l’intérieur. La lentille de Fresnel est faite d’un matériau transparent au rayonnement infrarouge, en particulier à la gamme de rayonnement infrarouge émis par le corps humain, mais pas à la lumière visible.
Les capteurs pyroélectriques sont constitués d’un matériau pyroélectrique qui produit une tension lorsqu’il y a un changement de température. Lorsqu’une personne passe, par exemple, il y a un changement de la quantité de rayonnement infrarouge qui atteint les capteurs pyroélectriques, ce qui déclenche un changement de température et produit une tension. La tension générée peut ensuite être utilisée pour le contrôle de l’éclairage.
Capteur de mouvement pour escaliers mécaniques
Fig. 10 capteurs de mouvement infrarouges sont utilisés pour contrôler les escaliers mécaniques afin d’économiser de l’énergie pendant les heures de pointe.
Pour le contrôle des escaliers mécaniques, des capteurs de mouvement infrarouges de type actif qui émettent un faisceau de rayonnement infrarouge à travers l’entrée des escaliers mécaniques sont utilisés. Habituellement, la source du faisceau infrarouge (appelée émetteur) et le détecteur infrarouge sont du même côté tandis qu’un réflecteur est du côté opposé. Lorsqu’une personne passe entre l’émetteur et le réflecteur, le faisceau infrarouge est interrompu et l’escalator est allumé. Lorsque la trajectoire du faisceau est rétablie pendant un certain temps, l’escalator est éteint et l’énergie est ainsi économisée sans affecter le service.
L’animation suivante vous montre le fonctionnement de certaines commandes automatiques.
Nous avons introduit plusieurs types de dispositifs et de matériaux de contrôle automatique. Maintenant, cliquez sur l’activité suivante pour expérimenter avec ces appareils.