miércoles, 27 de marzo de 2013

Iluminación LED para el hogar (220/110VAC)

Es probable que pienses en que este será otro aburrido artículo sobre cómo construir lámparas LED para usar con la alimentación domiciliaria de red. Tienes razón, lo es. Sin embargo, las características que destacan a esta publicación son numerosas y, poco a poco, trataremos de describirlas en el artículo. Por supuesto, la más importante para resaltar es el consumo extremadamente bajo, respecto a cualquier otro tipo de luminaria. También debemos considerar, que su relación costo – consumo – beneficio la convierten en un montaje muy interesante de llevar a cabo y que puede encontrar una aplicación ideal “en el lugar menos esperado” de un hogar, de un desarrollo industrial o de nuestro espacio de trabajo. Es decir, la clásica, la de siempre, la lámpara LED conectada a la red, ataca de nuevo para que comprendas su funcionamiento y algunos “secretos ocultos” (¿Por qué el Capacitor (o Condensador) no levanta temperatura y las resistencias si?) que poseen y no debes dejar de conocer.

Cuando comenzamos a incursionar en el mundo de la iluminación LED, todos soñamos con el ideal de transformar nuestra casa en un ejemplo de optimización energética, sin embargo, lo primero que debemos saber es que esta novedosa tecnología no hace milagros y mucho menos, será tan económica de adquirir, ni fácil de construir. Por ese motivo fundamental, que enunciamos en forma primaria (no hace milagros), es que no debemos dejar de tener siempre presente y delante de nuestros ojos al principio de conservación de la energía. Es decir, por muy eficiente que sea el sistema lumínico que construyamos, si la energía eléctrica absorbida de la red es poca, la energía lumínica obtenida tendrá una proporción directa. Dicho en otras palabras, con 6 LEDs no reemplazaremos la iluminación de un gran salón o ni siquiera de un cuarto de baño. Sin embargo, como también dejamos aclarado al principio, estaremos ante un sistema que podremos construir nosotros mismos, al que le daremos la forma y utilidad específica que necesitamos, aprovechando las diferentes propiedades del diodo LED que sin duda alguna, son muchas.

Sobre el párrafo anterior, pesa (mucho) sobre nuestro inconsciente la omni-direccionalidad de una luminaria tradicional como es una lámpara incandescente de filamento de tungsteno o la de las actualmente populares CFL (Compact Fluorescent Lamp) o lámparas de bajo consumo que se comportan como un radiador isotrópico. ¿Recuerdas que es eso? Hablamos de radiador isotrópico cuando hablamos de antenas de radio y mencionamos a un punto suspendido en el espacio, capaz de irradiar señal en todas las direcciones, transformándose en el centro de una esfera. Una lámpara (o luminaria) tradicional hace eso y en muchos casos, no es lo que en verdad necesitamos. Estamos acostumbrados a que así sea, pero no significa que sea lo que queremos. Son dos cosas muy diferentes, ¿verdad? Por lo tanto, puede parecer una desventaja al principio, pero si sabemos aprovechar una de las propiedades más destacadas de un diodo LED, que es lo estrecho que es su haz luminoso (Radiador No-Isotrópico), podremos obtener sistemas más útiles, no más eficientes “energéticamente hablando”. Dicho en otras palabras, 1Watt orientado en una única dirección, puede ser una espada muy útil, comparada con 5Watts de radiación isotrópica (el punto central de una esfera) que se dispersa en infinitos sentidos, mientras que nuestra necesidad es que lo haga en uno solo, o al menos, hacia un sector definido. La imagen superior puede ayudarte a comprender este concepto.


Para expresarlo con más ejemplos cotidianos, lo mismo sucede entre una lámpara sostenida en la mano y una linterna, la que emite un haz orientado y concentrado. O comparar dos lámparas de filamento de tungsteno del siguiente modo: una de 100W colgando a un metro de elevación sobre el suelo y otra de 50W ubicada en el faro de un automóvil. Allí tenemos otra clara aplicación en la que, con menor consumo energético, podemos obtener mejores resultados en aplicaciones específicas y eso es lo que debemos buscar cuando pensamos en luminarias LED. Luego de comprender el concepto elemental de que el LED no hará magia para ti, podemos pasar a analizar el circuito que utilizaremos en nuestro desarrollo de hoy. Explicado en forma elemental, construiremos un circuito que nos permita alimentar una serie de 6 LEDs blancos, de alto rendimiento (imagen superior) y 10 milímetros de diámetro (cada uno) e incluiremos todo el sistema eléctrico / electrónico en el cuerpo de una vieja lámpara CFL, tal como hicimos hace algunos años, en otro montaje. En aquél, la energía tomada de la red domiciliaria era adaptada a la que necesitaban los LEDs (también eran 6) por resistencias de alto valor (tanto en Ohms como en disipación de potencia) que regulaban la corriente y la tensión que se aplicaría a la serie de LEDs. En esta oportunidad, el circuito utilizará el otro método habitual, que es la utilización de un capacitor para que actúe como un elemento resistivo ante la tensión alterna aplicada.


Una de las características naturales que posee un capacitor, al ser sometido a trabajar en un circuito donde existe una tensión alterna (como es la tensión de red domiciliaria), es que según su valor capacitivo (Faradios y sus sub-múltiplos) ofrecerá mayor o menor resistencia al paso de la corriente, comportándose en definitiva y a los fines prácticos, como una resistencia. Esto es una propiedad sobre la cual no profundizaremos en este artículo, porque la entendemos como conocida por la mayoría y porque explicar lo que sería la Reactancia Capacitiva nos desviaría demasiado del eje central del artículo. Esta reactancia “se comporta como” una resistencia al paso de la corriente alterna y es inversamente proporcional a la capacidad y a la frecuencia de trabajo del capacitor. Sólo este concepto será necesario para saber que variando el valor de capacidad que coloquemos en la entrada de nuestro circuito podremos “ajustar” la corriente de trabajo de los LEDs que incorporemos a nuestra lámpara o luminaria. Para conocer el valor del capacitor necesario, debemos tener en claro también, la cantidad de LEDs que colocaremos y las resistencias que agregaremos al circuito. Si bien dejaremos que el capacitor (C1) se encargue de hacer el trabajo más importante, agregaremos un par de elementos resistivos a nuestro diseño.


En el circuito mostrado antes, R1 se utiliza para sumar una componente resistiva al circuito, R2 actuará como un pequeño “fusible” ante problemas en el puente rectificador Br1 y R3 se encargará de descargar por completo a C1 y C2, al momento de desconectar la lámpara de la tensión de red. Br1 tendrá por objetivo rectificar y permitirnos utilizar una tensión continua en la carga (los LEDs) y C2 atenuará, en gran medida, el rizado provocado por la rectificación. Como puedes observar, a la función que cumple cada componente en el circuito se la puede explicar en un par de líneas, mientras que las características “ocultas” del funcionamiento del circuito, nos lleva (y llevará) varios párrafos de texto, como complemento de la explicación desarrollada en este video que acompaña al artículo donde, en forma paradójica, nos falló el tema central de este artículo: la iluminación. Observa:



Repasemos algunos de los “secretos” explicados en el video. Nunca dejes de colocar la carga para la que fue diseñada esta “fuente” de corriente constante, es decir, nunca dejes este circuito sin “carga” (que en este caso son los 6 LEDs). C2 comenzaría a cargarse, gracias a la provisión de corriente constante, hasta valores peligrosos de tensión que podrían provocar su propia destrucción. Otros diseñadores suelen colocar aquí un diodo zener para proteger “la carga” o un varistor en la entrada de red, para absorber picos de tensión que podrían ser destructivos para los LEDs. Aquí podemos detenernos y ratificar lo que expresamos en el video. Si obligamos a trabajar a nuestro circuito con una corriente máxima para los LEDs, los picos de tensión, o transitorios, pueden llevar la corriente que circulará por los LEDs a valores peligrosos o destructivos, pero si decidimos sacrificar un pequeño porcentaje de luminosidad, en función de una mayor seguridad de la lámpara, el uso del varistor puede quedar descartado y las variaciones de tensión pueden ser absorbidas sin problemas por la carga.


 Como te explicamos en el video, no utilices la fórmula partiendo de buscar obtener una corriente específica. Utiliza los valores de capacitores comerciales, a los que puedes tener acceso y observa si la “corriente resultante” puede ser útil para tus objetivos. Si quieres realizar otro tipo de luminaria (por ejemplo una construcción lineal) con mayor o menor cantidad de LEDs, no debes olvidarte de realizar el cálculo apropiado para el numerador de la fórmula. Esto mismo vale para cuando la tensión de red sea 220V(AC) o 110V(AC). En todos los casos, habrás notado que hemos puesto un énfasis especial en no llevar la corriente de LED a un valor máximo. Con el transcurso del tiempo el LED, que es considerado una fuente fría de iluminación, que no desprende calor como lo hace cualquier otro tipo de luminaria, también levanta temperaturas que, con la acumulación de tiempo, puede ser nociva para su rendimiento. En términos domésticos, podríamos decir que el LED comienza a “quemarse” lentamente con una pérdida de desempeño que termina por inutilizarlo. Si en cambio, te decides por una menor corriente de LED, evitarás este deterioro lento, pero constante y tu lámpara tendrá una duración notoriamente mayor.


El cálculo es muy simple y los elementos que ves son fáciles de deducir. "I" es la corriente que circulará por los LEDs, Vred es la tensión de línea, Vled es la tensión final de acuerdo a la cantidad de LEDs que utilices, R en este caso sería 1100 Ohms (R1 + R2), Fred es la frecuencia de red (50/60 Hz) y C es el valor del capacitor expresado en Farads (observa la explicación en el video para la asignación de estas unidades). Por otro lado, la ubicación de los componentes en el PCB (descarga el PCB desde AQUÍ) no tiene mayores inconvenientes por tratarse de una cantidad reducida de materiales, pero queremos poner algo de atención en C1. Este capacitor, puede ser de una tensión de aislación elevada y prudente, de acuerdo a la red eléctrica en que será conectado. Por ejemplo, para una red de 220VAC, un capacitor con una tensión de aislación de 630Volts o de 400Volts estaría bien y para el caso de 110VAC, con 250Volts o 400Volts no habría problemas. Sin embargo, debes saber que vienen capacitores ideales para el trabajo en corriente alterna y lo expresan en su nomenclatura, en su leyenda. En nuestro caso por ejemplo, hemos utilizado uno de 220nF (0.22uF) con una aislación de 275Volts de tensión alterna, el que fue reciclado de los circuitos de entrada de un viejo TV. Tú también puedes conseguirlos fácilmente en cualquier fuente de monitor de ordenador o de TV que tengas por allí para reciclar componentes.

 
 Recuerda que esto NO es una fuente multiuso de las que se conocen como “Transformerless”. Este circuito será útil para esta aplicación y podrás calcularlo en pocos minutos, adaptándolo a la cantidad de LEDs que quieras utilizar o a cualquier otro tipo de carga, pero siempre observa eso, “que exista una carga”. Recuerda y ten presente, que no podrás obtener grandes cantidades de corriente para alimentar diodos LED de alta potencia con este circuito. Los resultados máximos de corriente con esta topología no llegarán a superar los 50 o 60mA (0,06A), por lo tanto, debes tener la precaución de no disminuir demasiado el valor de R1 porque todo el circuito terminará trabajando en un límite peligroso. Por último, no queda más que recordarte que no lograrás milagros de luminotecnia con un puñado de LEDs de pocos centavos. Utiliza el ingenio y coloca tu mayor atención en la disposición mecánica de tu construcción particular y aprende a obtener provecho de las características que puede ofrecerte cada tipo de LED. Un ejemplo muy claro de esto es lo que Felixls ha hecho en su "Espacio de Trabajo". Observa lo que se obtiene cuando la inteligencia se aplica a las necesidades y se aprovechan las características de los elementos que intervienen en el desarrollo. ¿Para qué tener una luz que se "pierda" sobre el techo, paredes y lugares que no son útiles? Toda la iluminación concentrada sobre la mesa de trabajo. Sin dudas, un ejemplo excelente de la idea que te intentamos transmitir (¡Gracias Sergio!)


Tu ingenio, la mecánica y los LEDs son la materia prima importante. El resto es un par de cuentas simples. Y como ya lo sabes, te esperamos en el Foro de Servisystem para resolver problemas, mostrar resultados y compartir tus experiencias en la construcción de lámparas LED alimentadas desde la red eléctrica. No olvides extremar los recaudos y cuidados en la aislación de los circuitos y al manipular elementos pertenecientes a la red eléctrica domiciliaria. Un error puede ser fatal; no te confíes y organiza tu trabajo de la manera más segura que lo puedas hacer. ¡Te esperamos para que nos cuentes tus resultados y opiniones!

10 comentarios:

Marcos dijo...

Excelente Artículo !!

Cual seria el consumo de la red de esta lampara, obviamente los leds consumen a lo sumo 120ma a 3.3v o sea en total > 0.4 watts

Pero cual seria la eficiencia de la mini fuente utilizada, perdemos mucho ?

Por otro lado es viable usar una fuente switching de 12v de varios ampers, suppongamos 5A y cablear junto a los cables de 220 los lugares de la casa donde necesitamos energía continua y así hacer un uso mas eficiente de la energía o es inviable llevar energia continua de 12v a toda la casa con una fuente switching ?

Muchas Gracias !!

Mario dijo...

Hola Marcos!
Me alegra que te guste el artículo!

El capacitor determina la corriente que se absorbe de la red y en este caso es 15mA, como dice el artículo.
El cálculo de potencia para este circuito es complejo, pero utilizando números simples, es 220V * 0,015A = 3,3W.

Respecto al tema de la fuente Switching, no te lo aconsejo, pero ten en cuenta que es sólo una idea mía. No significa que sea la verdad absoluta. Con ese método que mencionas, llenarás toda la casa de EMI. (Hay un artículo de estos días donde hablamos de ella)

Por supuesto que funcionaría la idea, pero así como te puede traer beneficios, te traerá problemas y creo que éstos serán mayores.

Saludos!
Mario

Marcos dijo...

Mario un lujo la respuesta, muchas gracias

Por eso lo preguntaba porque tambien lei el articulo de EMI, habia pensado en perdidas de voltaje por los cables etc, pero no habia pensado en ese otro punto, pero me motivaba la idea de que si uno tiene muchas fuentes transformadoras por la casa pense que era mas eficiente tener una sola y que se use para todo, pero como decis las ventajas son menos que las desventajas.

Las lamparas de led que venden por ejemplo en DealExtremme usan fuentes de este estilo tenes idea ? yo tengo una de led con control remoto, no he medido el consumo real, pero ilumina muchisimo:

http://dx.com/p/e27-7-5w-led-3-channel-rgb-color-light-bulb-with-touch-remote-control-86-264v-168272

Voy a medir con el multimetro clamp cuando consume en realidad de la red. Tenia ganas de comprar este otro que se ve interesante:

http://dx.com/p/e27-7w-4000k-700lm-14-smd-5730-led-warm-white-light-bulb-white-golden-85-265v-157711

y la ultima pregunta y perdon por el abuso, si una lampara de este estilo recibe un pico de tensión podria prenderse fuego ? me da miedo ese punto en cuanto a la seguridad de los leds, si los circuitos (en especial los chinescos baratos) pueden soportar voltajes extremos sin que se prendan fuego, etc

Saludos
Marcos

Mario dijo...

OK Marcos!

Otro problema que le encuentro al tema de la fuente grande de 12V es que debiera estar 24Hs * 365 encendida, por si a alguien se le ocurre encender la luz de algún lugar de la casa. En lugar de ahorrar energía estarías gastando mucho más.

Respecto al fuego, he visto miles de formas de destrucción de un LED, pero nunca que tomen fuego. El LED se "cocina" o "explota" y se abre. En el 99% de los casos no se pone en cortocircuito, se abre.

Muy bonita lámpara esa de Deal Extreme ... lástima el precio :(

Saludos!
Mario

Marcos dijo...

Mario

Claro, pero por ejemplo la fuente de la PC esta prendida todo el tiempo aunque este enchufada no ? porque le da corriente al Mother en todo momento, por eso supuse que las fuentes de switching tipo las de PC no gastaban casi nada en modo "stand by"

De todas formas una idea loco que surgio del tema de las dicroicas que pense tiraban 12v por toda la casa, pero por ahi son transformadores en lugar de fuentes switching

Lo del fuego no lo decia por los leds sino por los otros componentes, en especial los capacitores o resistencias, a esos les tenia miedo, pero soy muy ignorante en el tema electronico por lo que es solo un comentario, porque a las cosas chinas les tengo un poco de desconfianza (sobre todo cargadores o pilas de Li-ion) que se cuentan por cientos los casos que han tomado fuego sobre todo por malos componentes, De todas formas las de bajo consumo actual podrian tener el mismo problema.

Finalmente con respecto a la lampara no es de las baratas, pero como tenia buenos review la compre y me sorprendio la calidad sobre todo del disipador de calor, re buenos materiales, el control no es infrarojo es de RF y anda hasta 10 metros tranquilo, en fin, no es barata pero de buena calidad seguro, en un local de iluminacion me pedian $400 por una lampara de led de 3w muy simple con infrarojo. En perspectiva mucho mas economico, el unico problema fue la espera, las tiras de led que compre de 5m RGB super economicas, me traje estas

http://dx.com/p/jr-5050-waterproof-72w-4500lm-300-5050-smd-led-rgb-light-strip-w-remote-controller-12v-175950

Consumen por ahi mucha electricidad (aunque solo 72W para generar 4500lm es eficiente verdad ?)
Lo uso para iluminar la pared detras del tele, use unos 80cm y sobra, le tengo que bajar la intensidad para que no sea molesto

Saludos
Gracias por despejar las dudas !!

Lucas Martín Treser dijo...

Hola Mario! Una consulta: que rendimiento le sacas a esos LEDs? Podes reemplazar lámparas incandescentes?

Me gustaría de a poco encarar esto para ahorra energía en mi casa.

Saludos!!!

Mario dijo...

Hola Lucas!

Te cuento brevemente: es una luz direccional y es apta para ciertas aplicaciones. No reemplaza a la tradicional, pero en muchos casos esa característica de direccionalidad es más útil. También es útil su bajo consumo como luz de noche. Además, puedes manejar los LEDs de buena corriente ya que puedes sacarle hasta 100mA a este tipo de construcciones. Esos LEDs pueden equivaler "EN FORMA DIRECCIONAL" a un tubo fluorescente corto. Es difícil explicar una comparación, sólo al experimentar se logra una verdadera dimensión.

Magia no es. Con 4W o menos no harás milagros, pero si los sabes administrar ...

Abrazo!
Mario

Lucas Martín Treser dijo...

Voy a armar una para empezar a experimentar y después te cuento! Gracias por el artículo.

Juan José Lozada dijo...

Hola a todos.. el artículo y videos excelentes, se les agradece mucho...

Al grano, estaba pensando en montar una como estas... pero de ser posible (lo és, pero estando en proceso de investigación los consejos son mas que bienvenidos..)
hacer que el circuito de los Leds, por razón básica de necesidad de que si uno falla, los demás no fallen, montarlos en circuito paralelo, en vez de en serie...

Comprendo que dado el ejemplo de este circuito en particular, dado su bajo consumo, los leds practicamente no corren riesgo, pero si uno intentara aún realizando lo mismo pero con leds en paralelo, con todo lo que significa, algo que los expertos tengan para decir al respecto? Ademas de un diseño de un pcb distinto, quizas mas grande? Es que también querría montar unos 16!, si, dieciséis, para la lampara en cuestión, y encima, en paralelo :S:S:S:S:S, que me dicen...
Desde ya gracias, excelentes los artículos y tutoriales

Anónimo dijo...

Hola a todos. Sin pensar en LEDs y mirando el grado de mercurio y el peligro de toxicidad de las bajo consumo en el hogar, me choque con su video en youtube y así llegue a la pagina web... Me gusto tanto el articulo y recordando mis años de estudiante (allá por los 80´s) que no pude evitar salir a comprar los materiales para hacerme "UNA", al menos una de estas lamparas para comprobar sus seguras bondades. Gracias gente. Marcos.E desde Temperley - Buenos Aires - Argentina.