Jornada Técnica “Iluminación saludable 4.0”-Presentación LAYRTON

Light+Building 2018. Gracias!
3 April, 2018

La siguiente siguiente información está basada en la presentación que realizamos en la Jornada Técnica “Iluminación saludable 4.0” en Orense el 17.10.2018

Cantidad y calidad de luz

El objetivo de esta presentación es poner en valor las funcionalidades del componente en relación al objeto de la jornada (iluminación saludable).

Se suele hablar del driver como el elemento más crítico en cuanto a vida en la luminaria, pero no debemos olvidar que todos los esfuerzos en diseño y fabricación de este elemento hacen posible las crecientes y sorprendentes prestaciones de los sistemas de iluminación led.

Por ello, basándonos en las tendencias actuales en iluminación, que van mucho más allá de “dar luz” y el tan nombrado Human Centric Lighting, enumeraremos los parámetros eléctricos/electrónicos relacionados con la consecución de un sistema de iluminación óptimo: la cantidad (intensidad de luz y su control) y calidad (homogeneidad de la luz).


Sistemas de iluminación óptimos

Como punto de partida podemos enumerar los pilares básicos de un sistema de iluminación que podemos considerar óptimo y algunos de los términos que los describen.

Desde el punto de vista de una iluminación “sana” podemos resaltar la preservación dentro de lo posible del ritmo circadiano, entendido como los cambios físicos, mentales y de conducta que siguen un ciclo diario respondiendo principalmente a la luz y oscuridad.

Asimismo nos parece interesante incluir dentro de un mismo apartado los términos “bienestar” y “productividad” puesto que en un ambiente de trabajo están íntimamente relacionados siendo la luz un elemento definitivo, tanto en su intensidad como color para mejorar los resultados.


Alumbrado centrado en el ser humano

Centrándonos en el Human Centric Lighting (Alumbrado centrado en el ser humano), podemos decir que:

  • Se basa en seguimiento del ciclo circadiano (luz-oscuridad), apoyo a la actividad y luz natural.
  • Combina beneficios tanto visuales como no visuales (emocionales y biológicos).
  • Tiene como objetivo suministrar la luz adecuada para nuestras actividades, en el sitio y momentos más adecuados e incide más en la influencia positiva que podemos conseguir con la iluminación adecuada dejando de lado la economía y ahorro energético.

En la gráfica de un ciclo diario y los diferentes estados por los que pasa una persona, podemos ver que los dos parámetros principales serán la cantidad de luz (intensidad) y su color.

Respecto al color, entendemos que para instalaciones de alumbrado exterior, más que una variación de color puede interesar un estudio de la necesidad concreta según el lugar y actividad para seleccionar el tipo de led a utilizar. Por ejemplo en carreteras se puede utilizar 2500K, mientras que en un parking se puede ir a 4000K aumentando la sensación de seguridad.

En este punto podemos recordar que el nivel de bienestar aumenta cuando se utilizan luces más frías (blancas) para niveles de iluminación altos y las cálidas en niveles más bajos (Kruithof). Ello nos puede recordar las primeras instalaciones con luz blanca y bajos niveles de iluminación que en ocasiones llegaron a ser cambiadas por baja aceptación al compararse con las anteriores iluminaciones cálidas con lámparas de Sodio alta presión.

En cuanto a la intensidad, podemos ver cómo la luz natural sigue un ciclo de alta intensidad en la mañana y mediodía con luz fría para pasar a más baja intensidad con luz cálida u oscuridad en la noche.

Lógicamente, desde el punto de vista del driver, veremos que la intensidad de luz es el elemento más importante sobre el que mantiene el control.


Cantidad y calidad de luz: El driver

Centrándonos en el driver, la aportación del driver está principalmente ligada a:

La cantidad de luz, en la que tiene las siguientes áreas de influencia:

  • Número de leds que se pueden conectar, según la tensión de salida máxima y mínima admisible en la salida, teniendo en cuenta que si los leds están conectados en serie la suma de las tensiones directas de cada uno deberá estar en el rango de operación del driver.
  • La corriente por los leds, que es directamente proporcional (aproximadamente) al flujo luminoso emitido.
  • La característica CLO que permite compensar la depreciación luminosa de los leds subiendo la corriente proporcionalmente al flujo luminoso que se estima los leds van a perder a lo largo del tiempo.
  • Los sistemas de regulación soportados, que permitirán al sistema de iluminación adaptarse a diferentes circunstancias y requerimientos, en mayor número cuanto más sofisticado sea el sistema (AST a DALI).

Por otro lado, también el driver aporta a la calidad de la iluminación dos elementos:

  • El rizado de la corriente, que tendrá influencia en el flícker y efecto estroboscópico. En este punto hay que reseñar que pueden aceptar diferentes porcentajes de rizado según sea la aplicación. Por ejemplo en aulas, oficinas, instalaciones industriales etc., es recomendable un rizado muy bajo que evite la aparición de efectos indeseados provocando falta de concentración , dolor de cabeza, malestar etc., y en otros sitios donde las personas no pasan largos ratos haciendo una actividad de concentración (calles, carreteras, etc.) se pueden admitir valores más altos aun sabiendo de las limitaciones.
  • El otro valor es más “intangible” pero es muy importante. Se trata de las opciones de configuración que el driver puede aportar para que el sistema de iluminación pueda hacer aquello para lo que está diseñado e incluso adaptarse a diferentes situaciones sin variar sus componentes, sino únicamente determinados parámetros. Se evitará así realizar instalaciones no optimizadas. Se puede conseguir de dos maneras:

1.Con drivers programables, cuya configuración será responsabilidad del fabricante de la luminaria.

2.Con opciones de customización en fábrica, que se basará en la cooperación del fabricante del dispositivo y el de la luminaria para conseguir un producto totalmente ajustado a la aplicación ahorrando costes posteriores de manipulación y configuración.


Número de LEDS e intensidad

Teniendo como objetivo primario la consecución de unos niveles de iluminación necesarios y distribución de la luz en un determinado proyecto, el siguiente paso será decidir un número de leds determinados y una corriente de funcionamiento por los mismos.

El driver deberá poder dar esos requerimientos de una manera funcional, sin que el fabricante de la luminaria tenga que recurrir a segundas opciones que no den la garantía de un óptimo funcionamiento.

En los casos donde las cantidades no son excesivas o se puedan automatizar procesos de configuración, la mejor opción puede ser acudir a un driver programable. Y las opciones aumentarán cuando su operating window sea más amplio. Esto dará la opción de tener producto en stock y reducir plazos de entrega, además de realizar pruebas o preseries y ajustar sobre la marcha posibles variaciones.

Cuando se trata de instalaciones de envergadura puede ser más interesante la cooperación entre el fabricante de la luminaria y el del componente para conseguir un producto que cumpla exactamente con los requerimientos necesarios sin ninguna operación adicional.

En la figura podemos ver cómo un driver programable con un amplio operating window puede proveer de una gran cantidad de soluciones. Así mismo se muestra una pantalla de configuración de los parámetros programables en un driver LAYRTON® de 40W.


Depreciación LED

Otro de los factores donde el driver puede influir es en la minimización de los efectos de la inevitable depreciación de los led.

La depreciación tiene su origen principalmente en la degradación del encapsulado de silicona que pierde transparencia debido principalmente a la temperatura y le emisión fotónica (a mayor corriente por el led, mayor emisión luminosa y mayor depreciación). Debe recordarse que la eficiencia aumenta bajando la corriente.

En media potencia (y baja) a la depreciación del encapsulado se añade la degradación del plástico con el que se construyen los leds (a diferencia de sustratos cerámicos) y teniendo en cuenta que por diseño parte de la luz emitida se refleja en las paredes plásticas, la depreciación es mayor.

La característica de depreciación del flujo en leds se describe con los parámetros indicados. Hablaremos indistintamente de led o módulos led.


Depreciación LED

Teniendo como objetivo primario la consecución de unos niveles de iluminación necesarios y distribución de la luz en un determinado proyecto, el siguiente paso será decidir un número de leds determinados y una corriente de funcionamiento por los mismos.

El driver deberá poder dar esos requerimientos de una manera funcional, sin que el fabricante de la luminaria tenga que recurrir a segundas opciones que no den la garantía de un óptimo funcionamiento.

En los casos donde las cantidades no son excesivas o se puedan automatizar procesos de configuración, la mejor opción puede ser acudir a un driver programable. Y las opciones aumentarán cuando su operating window sea más amplio. Esto dará la opción de tener producto en stock y reducir plazos de entrega, además de realizar pruebas o preseries y ajustar sobre la marcha posibles variaciones.

Cuando se trata de instalaciones de envergadura puede ser más interesante la cooperación entre el fabricante de la luminaria y el del componente para conseguir un producto que cumpla exactamente con los requerimientos necesarios sin ninguna operación adicional.

En la figura podemos ver cómo un driver programable con un amplio operating window puede proveer de una gran cantidad de soluciones. Así mismo se muestra una pantalla de configuración de los parámetros programables en un driver LAYRTON® de 40W.


Depreciación LED

Veamos la situación inicial y dos situaciones diferentes donde se da una depreciación del flujo luminoso.

En el segundo dibujo la depreciación de todos los leds ha sido uniforme. Ello implica que sus tolerancias de fabricación son bajas y que la distribución de la temperatura ha sido igual en toda la superficie (buen diseño de luminaria).

En este caso se puede ir aumentando la corriente en el tiempo para mantener el flujo luminoso de manera uniforme, si bien la eficiencia bajará.

En la tercera imagen vemos una degradación diferente de los led, posiblemente debida a una alta tolerancia de los led o a diferencias en la disipación de los mismos en diferentes zonas de la luminaria. En este caso al aumentar la corriente de los led se puede producir a una degradación acelerada más fácilmente por zonas si no se es conservador. Una variante sería cuando hubiera leds apagados.


Sistemas de regulación: AST (Astronómico)

Además de poder seleccionar la intensidad de luz más adecuada para el proyecto, se debe seleccionar el sistema de regulación más adecuado para cada situación con el objetivo de optimizar los niveles de ahorro y confort.

Lo ideal será seleccionar los parámetros inicialmente y seleccionar los componentes más adecuados, de manera que se ahorre en complejidad y coste.

Cuando hablamos de alumbrado exterior (calles, parques…) un sistema muy utilizado es la regulación astronómica por escalones donde se ajustan unos niveles y periodos de tiempo según nuestras necesidades. Y estos niveles se autoajustan a la duración de la noche, variable en las diferentes épocas del año.

Este sistema tiene la ventaja de que no requiere cableado adicional, por lo que se puede instalar en una luminaria ya existente (instalación) sin recurrir al complejo y costoso procedimiento de crear líneas adicionales.

La posibilidad de añadir un periodo transitorio a cada escalón añade un plus de confort, al evitar escalones bruscos en los niveles de luz.

Variante: regulación ORT, donde el origen de los escalones es la conexión del sistema (ver detalles en www.layrton.com)


Sistemas de regulación: BP (Doble nivel)

Otro sistema más sencillo de configurar y más flexible pero más complicado de implementar porque necesita línea adicional es el doble nivel.

Puede ser la opción adecuada en instalaciones antiguas que ya posean el cableado.

La ventaja es que se puede dar una señal de tensión en cualquier momento para el cambio de nivel (manual o automáticamente) cambiándolo cuando sea necesario. Como limitación funcional es que sólo se puede regular un nivel.


Sistemas de regulación: 1-10V (Regulación analógica)

Sistema de regulación analógico, donde el valor de ajuste lo fija una tensión continua de control de 1 a 10V.

Presenta el inconveniente de la línea adicional necesaria, que además tiene polaridad, por lo que hay que tener precaución en la conexión.

La regulación es continua entre el valor mínimo y el máximo.

No es muy aplicable en alumbrado urbano y quizás más en industrial u otro tipo de aplicación particular.

Variante: 0-10V con posibilidad de apagado (stand by) cuando la tensión de control baja de 1V (ver detalles en www.layrton.com)


Sistemas de regulación: DALI (Regulación digital)

DALI es un sistema de control y regulación.

En cuanto a la regulación, es continua entre los valores máximos y mínimos pero además se puede configurar el valor de inicio, el de reencendido tras un fallo, etc.

Necesita una línea de control adicional que maneja poca potencia y con alta fiabilidad. No tiene polaridad.

Además se puede dar una dirección a cada driver y controlarlo unitariamente o en grupos, pudiéndose conseguir segmentar una instalación y ajustar a diferentes niveles máximos y mínimos diferentes zonas según las necesidades.

Adicionalmente se pueden obtener datos del driver como fallo en el módulo…


Sistemas de regulación: Sensor de presencia

Otro de los elementos que proporciona confort y ahorro energético es la utilización de sensores de presencia.

En lugares donde haya poco tráfico de coches y/o personas se puede controlar el nivel de iluminación entre dos niveles, uno de los cuales puede ser apagado en casos críticos.

Se puede conseguir reducir los niveles de iluminación (contaminación lumínica) y aumentarlos sólo cuando sea necesario hasta un nivel admisible y predeterminado.


Rizado de corriente: Flicker y efecto estroboscópico

En cuando a la calidad de la luz, un aspecto básico es la uniformidad de la misma y la minimización de efectos de flicker y estroboscópico que pueden afectar al bienestar y la seguridad de las personas.

Aunque la percepción de la luz no sigue a la forma de onda de la corriente (menos cuando más es la frecuencia), asumiremos que los efectos del flicker y estroboscópico dependen de:

  • El porcentaje de rizado de la onda de corriente, que representa la diferencia entre los valores máximo y mínimo de la corriente en relación al valor medio.
  • La frecuencia del rizado, de manera que los efectos de flicker suben cuando la frecuencia de la onda de corriente baja. Tendremos en cuenta que para valores superiores a 100Hz la percepción visual del flicker será muy baja o inexistente aunque se pueden dar efectos asociados no visuales si la aplicación no es correctamente elegida (oficinas, aulas…).
  • De la forma de onda (cuadrada, senoidal..), de forma que por ejemplo para ondas cuadradas se puede llegar a porcentajes de rizado de la corriente del 100% (regulación PWM).

Rizado de corriente: Flicker y efecto estroboscópico

Un driver puede tener normalmente dos componentes de rizado en la corriente de salida. Un componente de baja frecuencia (100 ó 120Hz) y uno de alta frecuencia. La probabilidad de tener efectos de flicker y estroboscópico aumentará cuando el rizado de baja frecuencia sea mayor.

No queremos decir con esto que un rizado de baja frecuencia no sea admisible. Sólo implica que se debe elegir el driver adecuado a la situación que se presente según criterios como disponibilidad y coste además de los anteriormente nombrados.

Por ejemplo, en lugares como instalaciones industriales y otros interiores como aulas, oficinas etc., no se debería admitir valores de flicker de baja frecuencia considerables. En un parking o una carretera donde se va de paso, un flicker (no visible casi nunca) no conllevará ningún problema.

Recordamos que una frecuencia de 100Hz es ya prácticamente imperceptible al ojo humano aunque no podamos descartar efectos no visibles indeseados.


Rizado de corriente: Flicker y efecto estroboscópico

En esta figura vemos el rizado de AF que transporta la onda de BF anterior. En este caso estamos hablando de 62kHz, por lo que no se esperan efectos ni por flicker ni por efecto estroboscópico.


Rizado de corriente: Flicker y efecto estroboscópico

En esta figura vemos el rizado de AF que transporta la onda de BF anterior. En este caso estamos hablando de 62kHz, por lo que no se esperan efectos ni por flicker ni por efecto estroboscópico.


Rizado de corriente: Flicker y efecto estroboscópico

En este caso vemos una onda de corriente sin componente de BF por lo que estamos ante una situación ideal en la que la corriente suministrada a los leds es de una alta calidad, lo que se proyectará a la luz emitida. Se trata de un driver LAYRTON® programable de 110W ajustado a 700mA.


Rizado de corriente: Flicker y efecto estroboscópico

Y la componente de AF asociada, de 117kHz confirma la idea anterior.