¿Cómo funcionan las farolas? Fotocélulas, temporizadores y controladores LED explicados

Una farola no espera a que una sala de control le avise que ha caído la noche. Un pequeño sensor de luz en la parte superior de la carcasa mide el brillo ambiental y, en un umbral de entre 10 y 20 lux, cierra sus contactos y envía energía eléctrica al controlador dentro del dispositivo. El controlador convierte la corriente alterna en corriente continua regulada y el módulo LED convierte esa corriente en luz. Toda la secuencia dura unos segundos y se repite todas las noches sin que nadie toque un interruptor.

Ver una farola como tres bloques funcionando en secuencia hace que los problemas del mundo real sean más fáciles de diagnosticar. Una lámpara encendida al mediodía, una lámpara que parpadea antes de estabilizarse, un poste que se atenúa a la mitad a la 1 de la madrugada y vuelve a su brillo máximo cuando se acerca un automóvil. Cada síntoma apunta a la capa de control, el controlador o el módulo LED. Las secciones siguientes siguen esa cadena en orden y luego enumeran los controles que evitan errores costosos cuando se piden farolas en volumen.

Las tres cuadras dentro de una farola en funcionamiento

Cada luminaria montada en poste, desde una linterna residencial de 50 W hasta una farola arterial de 240 W, contiene los mismos tres bloques funcionales.

• Potencia y conductor. Al poste llega tensión de red, normalmente de 120 V, 230 V o 277 V monofásica, y hasta 347 V o 480 V en algunos corredores norteamericanos. El controlador rectifica la CA, corrige el factor de potencia y alimenta los LED con una corriente constante, normalmente de 350 mA a 1,05 A, según el diseño del módulo.
• Motor ligero. Chips LED montados en una placa con núcleo metálico. La luz del chip semiconductor atraviesa una capa de fósforo y emerge como luz blanca. Las luminarias comerciales bien construidas ofrecen entre 120 y 160 lúmenes por vatio a nivel de luminaria, después de las pérdidas ópticas y térmicas.
• Capa de control. Una fotocélula, un temporizador astronómico, un sensor de movimiento o un controlador en red deciden cuándo el conductor recibe energía y cuánta corriente debe suministrar. En instalaciones más antiguas, se trata de una fotocélula con cierre giratorio en un receptáculo en la parte superior de la carcasa. En los dispositivos más nuevos, puede ser un sensor montado en la superficie conectado directamente a la placa del controlador.

Debido a que los bloques son independientes, una falla en uno rara vez se parece a una falla en otro, lo que ahorra muchas conjeturas en el sitio.

Cómo decide una fotocélula que está lo suficientemente oscuro

El elemento sensor es una celda de sulfuro de cadmio cuya resistencia cae a medida que aumenta la luz, o un fotodiodo de silicio emparejado con un circuito comparador. En ambos casos, la electrónica compara el nivel medido con una referencia y activa un relé o un interruptor de estado sólido.

Dos cifras importan. El umbral de encendido se establece normalmente entre 10 y 20 lux, lo que corresponde al anochecer bajo un cielo despejado. El umbral de apagado es deliberadamente más alto, a menudo dos o tres veces el valor de encendido. Esa brecha se llama histéresis, y sin ella, el dispositivo se apagaría en el momento en que su propia salida elevara el nivel de luz ambiental, luego se volvería a encender, funcionando durante toda la noche.

La posición del sensor decide la confiabilidad

Una fotocélula tiene que ver el cielo, no el aparato que controla. Cuando un sensor se enfrenta a una pared cercana, a una señal reflectante o al haz del siguiente poste, el circuito de retroalimentación puede mantener la lámpara encendida después del amanecer. Lo mismo sucede cuando la ventana del sensor está cubierta de polvo o una telaraña, que es la razón más común por la que una farola permanece encendida todo el día.

Temporizadores, sensores de movimiento y controles inteligentes

Un cronómetro astronómico funciona de manera diferente. Almacena latitud, longitud y fecha, calcula la puesta y la salida del sol con un margen de error de uno o dos minutos y cambia el circuito en consecuencia. Es inmune a ventanas sucias y ubicaciones con sombra, pero un corte de energía que borra el reloj, o un cambio de horario de verano que el controlador no conoce, cambia el horario hasta que alguien lo corrige.

La detección de movimiento agrega una segunda capa de ahorro. Un detector de microondas o infrarrojo pasivo mantiene el dispositivo en un nivel de espera de aproximadamente el 20 al 30 por ciento y lo eleva a su máxima potencia cuando un vehículo o un peatón ingresa a la zona. En carreteras con poco tráfico, esto puede reducir el consumo de energía nocturno en un tercio. La detección infrarroja pasiva es menos confiable en climas muy fríos y ambos tipos necesitan apuntar con cuidado para evitar activaciones falsas del follaje en movimiento.

El alumbrado público conectado en red va más allá. Un controlador en un enchufe NEMA o Zhaga informa el consumo de energía, las horas de funcionamiento y los códigos de falla a través de una malla inalámbrica o un enlace NB IoT. Los operadores pueden atenuar circuitos completos, ejecutar perfiles de fin de semana separados y detectar un conductor fallido antes de que los residentes llamen. Esta visión general de la perspectivas de aplicación de las farolas inteligentes cubre lo que realmente implican los despliegues a escala de ciudad.

Para proyectos que necesitan programas de atenuación e informes de fallas integrados en el dispositivo en lugar de agregarlos más tarde, una farola inteligente de 240 W con un enchufe de controlador integrado es un punto de partida práctico en la lista de especificaciones.

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¿Qué sucede entre el poste y el chip LED?

Entre la conexión del poste y el motor de la luz se encuentra el conductor, y éste hace más que cambiar el voltaje. Mantiene la corriente constante a medida que los LED se calientan, por lo que la salida se mantiene estable tanto en una cálida noche de verano como en una fría noche de invierno. La eficiencia del controlador de 88 a 92 por ciento es normal y el cuerpo metálico detrás de la placa es la ruta térmica que mantiene la temperatura de la unión dentro del rango clasificado por el fabricante.

Las luminarias de exterior también cuentan con una protección que las lámparas de interior no necesitan. Un dispositivo de protección contra sobretensiones a bordo de clase 10 kA absorbe los transitorios que suben por el poste durante la caída de rayos cercanos. Las juntas y el cuerpo de aluminio fundido tienen una clasificación IP66, la lente suele cumplir con IK08 o mejor, y el prensaestopas y la junta son las piezas con mayor probabilidad de admitir agua después de años de ciclos térmicos.

La ventaja con respecto a las fuentes de luz más antiguas es fácil de ver en números redondos. Una lámpara de sodio de alta presión de 150 W produjo aproximadamente 15.000 lúmenes y consumió unos 175 W una vez contadas las pérdidas de lastre. Una luminaria LED moderna de 140 lúmenes por vatio alcanza la misma luz entregada con aproximadamente 100 W de entrada, y debido a que la óptica apunta el haz a la carretera en lugar de irradiar en todas direcciones, la iluminancia vial utilizable suele ser mayor con la misma cifra de lúmenes.

La salida estable a ese nivel depende de que el motor de iluminación y el diseño térmico trabajen juntos, que es en torno a lo que se construye un dispositivo como esta farola LED de 150 W.

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Las farolas solares utilizan la misma lógica con una ruta de energía diferente

Una farola solar sustituye la conexión a la red eléctrica por un panel fotovoltaico, un controlador de carga y un paquete de baterías, y mantiene la misma lógica de control al final de la cadena. Durante el día el panel carga la batería a través de un controlador MPPT. Al anochecer, la fotocélula o el temporizador liberan la energía almacenada al conductor.

El tamaño es aritmético más que conjeturas. La energía diaria equivale a la potencia de la luminaria multiplicada por las horas de funcionamiento, ajustada a cualquier perfil de atenuación. Una luminaria de 60 W que funciona cinco horas a plena potencia y cinco horas al 30 por ciento consume alrededor de 390 vatios hora, que un paquete de fosfato de hierro y litio de 12,8 V y 100 Ah cubre con margen, y un panel de 120 a 150 W se recarga en un día soleado normal. Los sitios con largos períodos nublados necesitan de dos a tres noches de autonomía.

Los diseños divididos colocan el panel y la batería en un estante separado para que el poste cargue menos peso, mientras que los diseños integrados mantienen todo en el cabezal del dispositivo para una instalación más rápida. Ninguno de los dos necesita zanjas, razón por la cual las unidades solares son comunes en parques, plazas y caminos rurales donde el costo de una conexión a la red es mayor que la luz misma.

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Lo que los compradores deben confirmar antes de realizar un pedido

La mayoría de las quejas sobre el alumbrado público que se remontan a la contratación provienen de una de dos situaciones. Se citó una cifra a nivel de chip en lugar de a nivel de luminaria, o se eligió la luminaria sin comprobar el sistema de control con el que debe trabajar. La siguiente tabla enumera los valores que vale la pena confirmar por escrito.

Otros tres puntos merecen un lugar en la misma conversación. Confirme que el diámetro de montaje y la inclinación del brazo coincidan con el poste y la clase de carretera, ya que una entrada de 60 mm no encajará en un soporte de 76 mm. Solicite datos de mantenimiento de lúmenes de LM-80 y TM-21 en lugar de una cifra de vida útil de marketing. Finalmente, enumere las certificaciones que requiere el mercado de destino, como CE, RoHS o TUV, para que el cumplimiento se resuelva antes de que comience la producción.

Síntomas de campo y lo que suelen significar

Una vez que los tres bloques están claros, la mayoría de las llamadas de servicio se resuelven en una breve lista de causas.

• La luz permanece encendida durante todo el día. La ventana de la fotocélula está sucia, a la sombra o fallada, o un temporizador astronómico perdió su fecha después de un corte.
• Parpadeo o un breve abandono. Un controlador defectuoso, un terminal de horquilla suelto o interferencia en el par de atenuación.
• Ciclismo de ida y vuelta cerca del amanecer. La banda de histéresis es demasiado estrecha o el sensor capta luz de un polo vecino.
• Brillo total a las 2 a. m. en una carretera que debería atenuarse. El perfil de control nunca se cargó o el controlador de red se salió de la malla.
• Rendimiento inferior al del primer día sin comando de regulación. Degradación del módulo LED, una cadena fallida o un controlador que redujo la corriente para protegerse del calor.

El alumbrado público es un sistema simple una vez que se divide en sus partes. Algo decide que está oscuro, algo convierte la red eléctrica o la energía CC almacenada en una corriente controlada, y algo convierte esa corriente en luz. Los fallos apuntan a uno de esos tres bloques, y una buena especificación determina el rendimiento de los tres antes de que se firme el pedido.

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