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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE CONTROL DE ILUMINACIÓN
LED CON APLICACIÓN MÓVIL COMPATIBLE CON ANDROID
MIGUEL FELIPE PAEZ MONTERO
JHONATAN STIVEN SÁNCHEZ HUERTAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN ELECTRICIDAD
BOGOTÁ D.C.
2017
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE CONTROL DE ILUMINACIÓN
LED CON APLICACIÓN MÓVIL COMPATIBLE CON ANDROID
MIGUEL FELIPE PAEZ MONTERO
JHONATAN STIVEN SÁNCHEZ HUERTAS
Proyecto de grado para obtener el Título de
Tecnólogo en Electricidad
Director
Ing. Luis Antonio Noguera Vega
Docente
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN ELECTRICIDAD
BOGOTÁ D.C.
2017
Bogotá, mayo de 2017
Nota de aceptación:
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Presidente del jurado
_________________________________
Jurado
_________________________________
Jurado
DEDICATORIA
A mi madre Sandra Montero y mi padre Arbey Páez por su incondicional apoyo,
A mi abuela Elsa torres por su compresión y acompañamiento continuo.
Miguel Felipe Paez Montero
A mis padres Carlos Sánchez y Nora Huertas, a mis hermanos;
por ser la fuente de inspiración que me impulsaba a continuar día a día,
gracias por su apoyo y comprensión.
Jhonatan Stiven Sánchez Huertas
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar agradecer a Dios por las bendiciones recibidas, por permitir culminar esta bella
etapa de la vida. A nuestras familias a las cuales queremos llenar de orgullo, gracias por la
comprensión, apoyo y el tiempo que queda en deuda.
Agradecemos al ingeniero Luis Antonio Noguera Vega, docente de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas y director del proyecto, quien nos apoyó con su tiempo y dedicación
durante todas las etapas del proyecto. A la Facultad Tecnológica por prestar sus instalaciones para
el desarrollo de toda la etapa de aprendizaje y desarrollo del proyecto.
A los docentes quienes hicieron parte de nuestra formación académica, que dedicaron su tiempo y
paciencia para formarnos como profesionales íntegros.
A todos los compañeros que hicieron parte de nuestra carrera universitaria, con los que
compartimos las mejores experiencias y de los cuales quedan los mejores recuerdos.
TABLA DE CONTENIDO
pág.
Abstract ........................................................................................................................................... 9
Resumen .......................................................................................................................................... 9
1. Introducción ........................................................................................................................... 10
1.1. Conceptos básicos de iluminación ................................................................................. 13
2. Metodología y criterios iniciales ........................................................................................... 15
2.1. Criterios iniciales............................................................................................................ 18
2.1.1. Elementos de medida .............................................................................................. 18
2.1.2. Elementos del sistema de control ............................................................................ 18
2.1.2.1. Microcontrolador Arduino .................................................................................. 18
2.1.2.2. Módulo WI-FI ESP8266 y sensor de iluminación BH1750…………………….19
2.1.2.3. Potenciómetro digital XPC103P de 10 kΩ ......................................................... 20
2.1.2.4. Circuito optoacoplador ........................................................................................ 21
2.1.2.5. Driver OSRAM OPTOTRONIC OT40W ........................................................... 21
2.1.2.6. Luminaria LED 12 W .......................................................................................... 22
2.1.3. Recinto de mediciones ............................................................................................ 22
3. Desarrollo del sistema de control y resultados ...................................................................... 23
3.1. Tipo de control ............................................................................................................... 23
3.2. Caracterización de luminarias LED de 12 W ................................................................. 24
3.3. Caracterización del driver Osram con potenciómetro análogo y potenciómetro digital
X9C103P ........................................................................................................................ 26
3.3.1. Tratamiento matemático de las señales ................................................................... 28
3.4. Desarrollo código de programación en Arduino ............................................................ 30
3.5. Desarrollo código de programación de aplicación móvil ............................................... 32
3.6. Circuito de control .......................................................................................................... 35
3.7. Características del recinto de instalación del sistema de control ................................... 35
3.8. Resultados sistema de control ........................................................................................ 36
3.8.1. Ubicación del sensor ............................................................................................... 36
3.8.2. Datos esperados ...................................................................................................... 38
4. Conclusiones .......................................................................................................................... 39
5. Bibliografía ............................................................................................................................ 40
6. Apéndice ................................................................................................................................ 42
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Esquema básico de conexión del sistema DALI. 12
Figura 2. Diagrama desarrollo del proyecto. 17
Figura 3. Especificaciones del recinto de medida 23
Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de control de iluminación LED. 24
Figura 5. Medición de características eléctricas de luminarias LED. 24
Figura 6. Curva de corriente vs iluminancia en luminarias LED de 12 W. 25
Figura 7. Caracterización del driver OSRAM en luminarias LED. 26
Figura 8. Curva de resistencia vs iluminancia en luminarias LED de 12 W. 27
Figura 9. Dimerización de luminarias con un potenciómetro digital de 10 kΩ 28
Figura 10. Curva suavizada de resistencia vs iluminancia en una luminaria LED 29
Figura 11. Diagrama de flujo del código de Arduino. 31
Figura 12. Diagrama de flujo de la aplicación móvil.. 33
Figura 13. a) Modo manual de la aplicación, b) Modo automático de la aplicación. 34
Figura 14. Diagrama circuito de control. 35
Figura 15. Curvas de rangos de detección del sensor. 37
Figura 16. Curvas de rangos de detección del sensor. 38
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Equipos de medida utilizados en montajes. ........................................................ 18
Tabla 2. Ficha técnica del microcontrolador Arduino....................................................... 19
Tabla 3. Ficha técnica del Módulo WI-FI. ........................................................................ 20
Tabla 4. Ficha técnica del sensor BH1750 compatible con Arduino. ............................... 20
Tabla 5. Ficha técnica del potenciómetro digital. ............................................................. 21
Tabla 6. Ficha técnica del driver OSRAM. ....................................................................... 21
Tabla 7. Ficha técnica Luminaria LED de 12 W. ............................................................. 22
Tabla 8. Mediciones sistema de control LED ................................................................... 38
Tabla 9. Costos asociados al sistema de control de iluminación LED .............................. 42
9
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE CONTROL DE
ILUMINACIÓN LED CON APLICACIÓN MÓVIL COMPATIBLE CON ANDROID
Abstract
This project has as objective to design and implement an ilumination’s control system LED
which allow the luminious intensity’s regulation in luminaries LED of 12 Watts, which, for its
tecnics characteristics are used mainly in the residential and commercial sector. Through
measurements of the electrical characteristcs of the luminaries LED and the behavior that have the
driver it was determined and designed the prototype of manner it does a best control over the
luminaries and it be the most efficient possible, it was determined the number of luminaries which
can be dimmerize with this driver. The results obtain show that this type of driver can dimmerize
whatever type of LED luminary that have the driver external to it, can be configurate the prototype
of control obtaining the illuminance's curve, besides, it was determined that is possible configurate
this type of electronic potentiometer for dimmerize a LED luminary of different power. Finally it
was done a wireless communication between the movil application compatible with Android
devices and the Arduino microcontroller through of the Intranet, doing the control be more flexible
and economic. This movil application is the interface that allows the user to interact with the
control system.
Resumen
Éste proyecto tiene como fin diseñar e implementar un sistema de control de iluminación
LED el cual permita la regulación de intensidad luminosa en luminarias LED de 12 W, las cuales,
por sus características técnicas son usadas principalmente en el sector residencial y comercial. A
través de mediciones de las características eléctricas de las luminarias LED y el comportamiento
que tiene el driver se determinó y diseñó el prototipo de manera que éste realizara un mejor control
sobre las luminarias y que sea eficiente, se determinó el número de luminarias las cuales se pueden
10
dimmerizar con este driver. Se realizó una comunicación inalámbrica entre la aplicación móvil
compatible con dispositivos Android y el microcontrolador Arduino a través de la intranet,
haciendo que el control sea más flexible y económico. Esta aplicación móvil es la interfaz que
permite al usuario interactuar con el sistema de control. Los resultados obtenidos evidencian que
este tipo de driver puede dimmerizar cualquier tipo de luminaria LED que tenga el driver externo
a ella, se puede configurar el prototipo de control obteniendo la curva de resistencia vs iluminancia,
además se determinó que es posible configurar este tipo de potenciómetro digital para dimmerizar
una luminaria LED de diferente potencia.
1. Introducción
En la actualidad se manejan diferentes tipos de fuentes de luz, algunas son fuentes naturales
como el sol, mientras que otras son fuentes de luz artificiales como las lámparas. Las fuentes de
luz artificiales tienen sólo dos modos de operación, encendido o apagado (control on-off) y al final
todo tiene que ser controlado manualmente. Esto conducen al derroche energético y al mismo
tiempo un control manual no es eficaz en la era moderna (Cesár, 2017). Los sistemas de control
de iluminación más modernos son bastante robustos y costosos por lo que no son fácilmente
accesibles y en algunos casos dependen de los fabricantes de estas lámparas haciendo que sea un
sistema cerrado.
Este proyecto tiene como fin diseñar un sistema de control de iluminación para luminarias
LED el cual se encarga de regular la intensidad luminosa de luminarias, además de una aplicación
móvil para el sistema operativo Android, esta aplicación tendrá un sistema de comunicación
inalámbrica con el microcontrolador Arduino para que el sistema sea más flexible, por lo cual será
un sistema comercial. El sistema es tanto autónomo, en el cual funcionará y se regulará haciendo
11
mediciones con sensores y enviando estás señales de control a un microcontrolador; y manual en
donde se controla el sistema mediante un dispositivo móvil o Smartphone.
En la actualidad los sistemas de control de iluminación son sistemas cerrados y por sus
características no presentan una solución económica y confiable al problema de eficiencia
energética. La solución más efectiva y disponible en el mercado de la mayoría de fabricantes de
lámparas como lo son Philips, Helvar, Osram entre otros; es el sistema de control DALI por sus
siglas en inglés (Digital Addresable Lighting Interface), es una interfaz de comunicación digital
para sistemas de iluminación. Este sistema es un estándar internacional, de acuerdo a la norma IEC
62386, que asegura la compatibilidad e intercambiabilidad entre equipos de diferentes fabricantes.
DALI es el sistema de control de iluminación más usado a nivel mundial, sin embargo, cuenta con
varias deficiencias las cuales se evidencian a continuación:
Flexibilidad: Este sistema cuenta con un máximo de 64 luminarias que pueden ser
controladas por un único controlador, por lo tanto, en instalaciones eléctricas con mayor cantidad
instalada de estas luminarias necesita de dos o más controladores y sistemas independientes de
control. Este sistema cuenta con una limitación de distancia ya que la luminaria más lejana del
controlador puede estar a una longitud máxima de 300 m, sobrepasada esta distancia los fabricantes
no aseguran que el control de la luminaria sea efectivo.
Costos: Cada luminaria necesita de su propio driver, además de un cableado para la parte
de control independiente del cableado de potencia, esto para llevar la señal de control a cada driver.
Comunicación: El sistema de mando general necesita tener una conexión física con el
controlador, es decir, el software o interfaz debe estar conectado al controlador de los drivers, por
lo tanto, se delimita el lugar desde donde se puede instalar el panel de control de todo el sistema.
Como se observa en la Figura 1 el funcionamiento y esquema de conexiones del sistema DALI:
12
Figura 1. Esquema básico de conexión del sistema DALI.
Fuente: http://blog.ledbox.es/ledbox-2/productos/dali-una-interfaz-comun-para-todos-los-componentes-de-
iluminacion
Los controles de iluminación son cada vez más sofisticados. Debido a que el costo de
energía aumenta continuamente, es necesario hacer esfuerzos para minimizar el consumo de
energía en sistemas de iluminación. “El control de los sistemas de iluminación juega un papel
importante en un sistema de iluminación, todos los dispositivos de control de iluminación tienen
dos funciones básicas: abrir o cerrar los circuitos de iluminación y regular la intensidad luminosa
en las lámparas. El objetivo de esta estrategia de control es variar la intensidad luminosa de acuerdo
a la luz captada por el sensor en el ambiente a controlar, llegándose a tener un ahorro de energía
de hasta el 60 %. Para lograr esto se utilizan regularmente sistemas automáticos con ajuste de la
intensidad luminosa, aunque el ahorro depende de varios factores, como las condiciones
climáticas; la forma, orientación y diseño del edificio, los sensores y el diseño de la instalación; y
13
las actividades propias del edificio. Las zonas a iluminar tienen que ser adyacentes a las ventanas
y a no más de 4 metros y los sensores deben estar montados sobre el área de trabajo.” (Ibarra
Pereyra & Rojas Anzaldo, 2013)
1.1. Conceptos básicos de iluminación
Es importe definir los métodos más comunes para medir la cantidad de luz presente y
generada, así como para establecer las fórmulas para el cálculo de los diversos aspectos.
Tradicionalmente existen diferentes métodos para medir el rendimiento de iluminación. Los
siguientes son los términos familiares que son comunes a todas las fuentes de iluminación eléctrica
(incluyendo LED).
“Flujo luminoso: Cantidad de luz emitida por una fuente luminosa en todas las direcciones
por unidad de tiempo. Su unidad es el lúmen (lm).
Lúmen (lm): Unidad de medida del flujo luminoso en el Sistema Internacional (SI).
Radiométricamente, se determina de la potencia radiante; fotométricamente, es el flujo
luminoso emitido dentro de una unidad de ángulo sólido (un estereorradián) por una fuente
puntual que tiene una intensidad luminosa uniforme de una candela.
Luminancia (L): En un punto de una superficie, en una dirección, se interpreta como la
relación entre la intensidad luminosa en la dirección dada producida por un elemento de la
superficie que rodea el punto, con el área de la proyección ortogonal del elemento de
superficie sobre un plano perpendicular en la dirección dada. La unidad de luminancia es
candela por metro cuadrado. Bajo el concepto de intensidad luminosa, la luminancia puede
expresarse a partir de la ecuación 1:
𝐿 (𝐶𝑑
𝑚2) =
𝑑𝑙
𝑑𝐴(
1
cos ∅) (1)
14
Lux (lx): Unidad de medida de iluminancia en el Sistema Internacional (SI). Un lux es
igual a un lúmen por metro cuadrado (1 lx = 1 lm/m2 )” (Energias, 2010)
La iluminación LED es una tecnología innovadora que ha tenido grandes avances y un auge
en los últimos años en el mercado debido a sus ventajas económicas, y ya que es una alternativa a
las tecnologías de lámparas convencionales que comparadas con la LED son de baja eficiencia y
corta vida útil, como lo son las lámparas incandescentes estas fueron comercializadas desde 1879
debido a su simplicidad, pero de igual forma es la menos eficiente, actualmente están siendo
remplazadas y en algunos países están prohibidas, remplazándolas por lámparas fluorescentes
compacta o fuentes de luz LED.
El control de iluminación LED para diferentes niveles de iluminación se puede realizar de
varias formas unas de ellas son la PWM y el TRIAC, este tipo de control es requerido en diversos
ambientes otorgando mayor confort visual, acoplándose a diversas necesidades, según un estudio
realizado por el centro de investigación de la iluminación controlando la intensidad lumínica
necesaria en un espacio se puede ahorrar cerca del 6% de la potencia total. De otro lado, ratifico
que con un sistema controlado que incorpore la luz ambiente se puede llegar a tener un ahorro
hasta del 30 – 40 % de la energía consumida.
En este proyecto se utilizaran luminarias con tecnología LED con posibilidades de controlar la
intensidad lumínica emitida debido a sus ventajas, estas luminarias estarán controladas por un
driver basado en PWM (Hussain, Azah, & M A, 2012).
El objeto que realiza el control se llama driver y es el encargado de variar la tensión de
entrada de la luminaria, este control lo realiza por modulación por ancho pulso por sus siglas en
inglés (PWM). “La técnica de PWM consiste en producir un pulso rectangular con un ciclo de
15
trabajo determinado, este ciclo de trabajo puede variar de 0 a 100%. Un ciclo de trabajo del 0%
significa que la señal siempre está nivel bajo; y un ciclo de trabajo del 100% significa la señal
siempre en nivel alto, el número de casos intermedios posibles es un número finito llamado
resolución del PWM y se expresa como 𝐿𝑜𝑔2(#𝑐𝑎𝑠𝑜𝑠)”. (Terven, 2014).
Así, variando el ancho de pulso varía el valor rms de la señal y se cambia el nivel de tensión
de entrada de las luminarias led. Como se mencionó, el principal objetivo es proporcionar un
sistema de iluminación de ahorro de energía y eficiente mediante la evaluación de la iluminación
exterior y luego ajustando las luminarias led a un nivel predeterminado. El circuito se compone
principalmente de un elemento de detección (sensor), que es seguido de la unidad de proceso de
Arduino, que toma la entrada de elemento de detección y su salida es controlada por un
potenciómetro digital el cual controla el driver, a la salida de este se encuentran las luminarias
LED. El sensor detecta la luz y envía los datos a Arduino. El diagrama de bloques que representa
el sistema de control se observa en la Figura 4. El Arduino analiza los datos y da su respuesta para
controlar el sistema. El Arduino se programa de tal manera que ajusta automáticamente las luces
para dar el resultado más exacto posible.
2. Metodología y criterios iniciales
Para la realización del proyecto se desarrollaron cuatro etapas detalladas en la Figura 2.
La primera etapa consistió en la indagación de la documentación referida al tema de sistemas de
control de iluminación LED dimmerizables, se indagó sobre sus características y principales
falencias y cualidades que tienen estos sistemas comerciales. Durante la segunda etapa se analizó
la información obtenida en la etapa anterior y se tomó en cuenta las consideraciones técnicas
necesarias para llevar a cabo el sistema de control. Se realizó un análisis de los tipos de control
utilizados en luminarias LED y cuál de ellos es el más indicado para el diseño. Realizado este paso
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se procede a ejecutar las mediciones correspondientes a las luminarias, como lo son mediciones
de potencia, mediciones de corriente y tensión, y medición de intensidad luminosa. Para llevar esto
a cabo se realizaron las mediciones con los equipos de medida del laboratorio de máquinas
eléctricas de la universidad Distrital Francisco José de Caldas, estos equipos se observan en la
Tabla 1. Además de esto, se realizó la caracterización del potenciómetro digital, el sensor
compatible con Arduino y el módulo de comunicación inalámbrica, además del driver el cual
regula la intensidad luminosa en las luminarias. Finalmente se realiza el análisis de datos los cuales
serán usados en la siguiente etapa.
Durante la tercera etapa del proyecto se realizó la programación del código en Arduino y
la aplicación móvil compatible con Android teniendo en cuenta los datos obtenidos en la etapa
anterior, en esta etapa se realizaron las pruebas del protocolo de comunicación inalámbrica.
Además, se realizaron pruebas del sensor de iluminación, determinando la mejor posición de
ubicación y rangos de funcionamiento del mismo. Para finalizar el proyecto se realizó una
retroalimentación de todo el sistema de control, analizando su funcionamiento y permitiéndolo
comparar con otros sistemas de control.
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Figura 2. Diagrama desarrollo del proyecto.
Fuente: Elaboración propia.
18
2.1. Criterios iniciales
A continuación se muestran los criterios iniciales tomados en cuenta para la realización del
proyecto, entre estos se encuentran los elementos de medición y los elementos que conforman el
sistema de control.
2.1.1. Elementos de medida
Las mediciones de tensión, corriente e iluminancia entre otras, se realizaron con los
elementos de medida pertenecientes al laboratorio de electricidad de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas. Estos elementos se mencionan a continuación en la Tabla 1.
Equipos de medida
Multímetro Fluke 179
Osciloscopio Rigol DS1102E
Luxómetro Digital Extech HD450
Pinza Amperimétrica Digital Extech 380942
Fuente De Alimentación Eléctrica Variable De Corriente
Continua Extech 382270 Tabla 1. Equipos de medida utilizados en montajes.
Fuente: Elaboración propia.
2.1.2. Elementos del sistema de control
Estos elementos que se presentan a continuación, fueron seleccionados luego de realizar
un estudio del mercado disponible en Colombia y un análisis de sus características técnicas.
2.1.2.1. Microcontrolador Arduino
Para el sistema de control la tensión de alimentación es suministrada por una fuente de
alimentación externa a 12 V DC, ésta fuente se alimenta de la red con tensión nominal de 120 V
AC. El Arduino es una placa electrónica basada en el ATmega328P. Cuenta con 14 pines digitales
de entrada / salida (de los cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM) y 6 entradas analógicas.
La tensión de salida de estos pines es 5 V DC (Arduino, 2016). La velocidad a la que se programa
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el Arduino para el sistema de control es de 19200 Baudios. Las principales características técnicas
se observan en la Tabla 2.
Microcontrolador ARDUINO
Microcontrolador ATmega328
Voltaje de operación 5 V
Voltaje de entrada 7 - 12 V
Pines de entrada - salida digital 14 (6 de PWM)
Pines de entrada analógica 6
Frecuencia de reloj 16 MHz
Peso 25 g Tabla 2. Ficha técnica del microcontrolador Arduino.
Fuente: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
2.1.2.2. Módulo WI-FI ESP8266 y sensor de iluminación BH1750 compatibles con
Arduino
El módulo WI-FI ESP2866 utiliza una tensión de alimentación de 3.3 V DC la cual, para
el sistema de control es suministrada por un regulador de voltaje, éste dispositivo se alimenta de
una fuente externa con tensión nominal de 12 V DC. El módulo posee una comunicación serial
con la cual envía y recibe datos del microcontrolador Arduino, en la Tabla 3 se observan las
características técnicas de éste módulo. Al igual que el módulo WI-FI, el sensor de luz BH1750
utiliza una tensión de alimentación de 3.3 V, este sensor digital posee tres modos de uso en los
cuales se puede ajustar la resolución de medida y el tiempo de muestreo. La conexión del sensor
con el Arduino se realiza por medio de dos pines análogos, los cuales varían su salida en un rango
de tensión dependiendo de la iluminancia captada. Se puede apreciar la ficha técnica en la Tabla
4.
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Módulo WI-FI ESP8266
Protocolo soportado 802,11 b/g/n
WI-FI 2,4 GHz
Seguridad WPA / WPA2
Voltaje de operación 3 - 3,6 V
Voltaje de entrada 3,3 V
Impedancia de entrada 50 Ω
Corriente máxima 12 mA Tabla 3. Ficha técnica del Módulo WI-FI.
Fuente: http://download.arduino.org/products/UNOWIFI/0A-ESP8266-Datasheet-EN-v4.3.pdf
Sensor digital de luz BH1750
Voltaje de operación 3 - 5 V
Rango de medición 1 - 65535 lux
Modos de operación 3
Low resolution mode Resolución 4 lux
Low resolution mode Time 16 ms
High resolution mode Resolución 1 lux
High resolution mode Time 120 ms
High resolution mode 2 Resolución 1 lux
High resolution mode 2 Time 120 ms Tabla 4. Ficha técnica del sensor BH1750 compatible con Arduino.
Fuente: http://saber.patagoniatec.com sensor-digital-de-luz-bh1750//
2.1.2.3. Potenciómetro digital XPC103P de 10 kΩ
Este potenciómetro digital se alimenta de una tensión de 5 V DC a través de una fuente
externa, el control y variación de resistencia se hace a partir de las salidas de los pines digitales
del microcontrolador Arduino mediante señales PWM (modulación por anchos de pulso), el
potenciómetro cuenta con 100 posiciones, cada una de ellas con un valor de resistencia especifico.
Se usan estos potenciómetros por su bajo consumo de potencia y su gran precisión (Intersil, 2016).
En la Tabla 5 se evidencian los datos relevantes del potenciómetro.
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Potenciómetro digital X9C103P
Voltaje de operación 5 V
Corriente de operación 4,4 mA
Valor de taps 100
Resistencia mínima 40 Ω
Máxima resistencia 10 kΩ Tabla 5. Ficha técnica del potenciómetro digital.
Fuente: http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/X/9/C/1/X9C103P.shtml
2.1.2.4. Circuito optoacoplador
Éste circuito conocido también como optointerruptor, es un esquema que permite, a través
de un diodo LED y un receptor óptico, realizar la conmutación de un contacto dependiendo del
estado de energización o desenergización del diodo LED. Este circuito optoacoplador permite
realizar una mejor conmutación que si este se realizara a través de un relé, esto debido a que el relé
genera fallas y problemas con las tierras.
2.1.2.5. Driver OSRAM OPTOTRONIC OT40W
Este driver tiene una tensión de alimentación de 120 V AC y una corriente nominal de 0.44
A. Este nivel de tensión se obtiene directamente de la red residencial. La tensión de salida varía en
un rango de 10 V DC a 55 V DC y una corriente de salida en un rango de 350 mA a 1050 mA. La
potencia nominal de este dispositivo es de 40 W (OSRAM, 2016). Este driver realiza el control de
iluminación por medio de modulación de anchos de pulso (PWM) y se puede modificar mediante
una resistencia variable. Se evidencia la ficha técnica en la Tabla 6.
Driver OSRAM OPTOTRONIC OT 40
Voltaje de operación 120 - 277 V AC
Corriente 0,44 A
Factor de potencia 0,90 - 0,95
Distorsión armónica total 10%
Potencia 40 W
Voltaje de salida 15 - 56 V DC
Corriente de salida 350 - 1050 mA Tabla 6. Ficha técnica del driver OSRAM.
Fuente: https://www.osram.com/osram_com/products/led-technology/electronic-control-gears-for-led-modules-and-
dimmers/outdoor-ecg-for-led-modules/constant-current-dimmable/optotronic597835/index.jsp
22
2.1.2.6. Luminaria LED 12 W
Esta luminaria LED de 12 W de la marca SYLVANIA posee una tensión de alimentación
de 85 V DC a 255 V DC y flujo luminoso nominal de 720 lm (SYLVANIA, 2017). La entrada de
tensión de está luminaria está conectada a la salida de PWM del driver OSRAM que hace posible
la dimerización de la luminaria. En la Tabla 7 se observan datos relevantes de la ficha técnica.
Panel LED 12 W SILVANIA
P24337
Voltaje 85 - 265 V
Potencia 12 W
Tipo LED
Flujo luminoso 720 lm
Clasificación IP 44
Ángulo de apertura 120°
Color Blanco Tabla 7. Ficha técnica Luminaria LED de 12 W.
Fuente: http://www.havells-sylvania.com.co/FICHASTECNICAS/PANEL%20LED/P24337%20-
%20P24612%20PANEL%20LED%20REDONDO%2012W%203K%20-%206K.pdf
2.1.3. Recinto de mediciones
En este lugar se realizaron las mediciones de iluminancia de la luminaria LED para
determinar las características técnicas requeridas por el espacio en donde se ubica el sistema de
control de iluminación. Este espacio que pertenece a la Universidad Distrital cuenta con las
siguientes características, paredes las cuales permiten mediciones de iluminancia con un error en
la medición mínimo, simula una habitación común, entre otras. En la Figura 3 se observa un
esquema en el cual se presentan las especificaciones del recinto.
23
Figura 3. Especificaciones del recinto de medida
Fuente: Elaboración propia
3. Desarrollo del sistema de control y resultados
A continuación se realiza una descripción detallada de los procesos realizados para el
desarrollo del sistema de control de iluminación LED.
3.1. Tipo de control
Durante un análisis de los tipos de control que existen en la actualidad, se revisó cuál tipo
es el más adecuado para el sistema que se va a utilizar en la luminaria LED. El microcontrolador
Arduino controla la iluminación de un entorno, la magnitud física de iluminancia es convertida en
una variable eléctrica a través de un sensor de luz, a partir del valor de referencia o iluminancia
deseada y el dato captado, se determina la intensidad de luz necesaria para aplicar a la luminaria
LED. En la Figura 4 se representa el diagrama de bloques del sistema de control.
24
Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de control de iluminación LED.
Fuente: Elaboración propia.
3.2. Caracterización de luminarias LED de 12 W
Durante ésta prueba se realizó una medición simultánea de tensión y corriente para
determinar la potencia demandada por las luminarias, se alimentó las luminarias con una fuente de
corriente directa variable. En el primer ensayo solo se realizó la conexión de una luminaria LED,
durante el segundo ensayo, fueron dos las luminarias conectadas en paralelo, de igual manera en
el tercer ensayo se realizó la conexión en paralelo de tres luminarias LED de 12 W. Se realizó la
medición de iluminancia con el luxómetro extech hd450, para los tres ensayos se mantuvo el
luxómetro a la misma distancia de referencia la cual fue de 43 cm y la lectura solo se realizó sobre
una luminaria, además, ésta medición se realizó en un ambiente en el cuál la iluminancia exterior
se encontraba aislada. El esquema eléctrico de las mediciones se puede observar en la Figura 5.
Figura 5. Medición de características eléctricas de luminarias LED.
Fuente: Elaboración propia.
25
Se realizó ésta medición con el fin de determinar la iluminancia total a la potencia nominal
de cada arreglo de luminarias, obteniendo los siguientes resultados:
Figura 6. Curva de corriente vs iluminancia en luminarias LED de 12 W.
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 6 se observa el comportamiento lineal que poseen las luminarias LED en cuanto
a corriente vs iluminancia, esto se comprueba a través del coeficiente de correlación el cual para
las gráficas es de 0.983, 0.989 y 0.992 respectivamente, con estos datos calculamos la potencia
disipada por las luminarias a diferentes niveles de tensión y la iluminancia en cada uno de ellos a
una distancia de referencia. El valor de iluminancia a potencia nominal se tomó como 2194 LUX
con una corriente de 305,7 mA. Éste se convierte en nuestro valor de referencia como el 100% de
iluminación. Además, es posible observar que al conectar las luminarias LED de 12 W en paralelo,
y alimentar hasta llegar a consumir la potencia nominal de cada luminaria, no se llega al nivel de
iluminancia nominal que proporciona la misma luminaria conectada sola. Por ejemplo, al conectar
en paralelo dos luminarias LED se evidencia que solo llega al 93,4% de iluminación a potencia
0
500
1000
1500
2000
2500
0 200 400 600 800 1000
Ilum
inan
cia
[lx]
Corriente [mA]
Iluminancia
1 luminaria
2 luminarias
3 luminarias
Lineal (1 luminaria)
Lineal (2 luminarias)
Lineal (3 luminarias)
26
nominal; al conectar tres luminarias LED se evidencia que alcanza el 93,2% de iluminación, siendo
una reducción bastante significativa respecto a la iluminancia de referencia.
3.3. Caracterización del driver Osram con potenciómetro análogo y potenciómetro digital
X9C103P
Durante ésta prueba se realizó la medición de iluminancia con el luxómetro extech hd450,
para los tres ensayos se mantuvo el luxómetro a la misma distancia de referencia la cual fue de 43
cm y la medición de iluminancia solo se realizó en una luminaria. En el primer ensayo solo se
realizó la conexión de una luminaria LED, durante el segundo ensayo, fueron dos las luminarias
conectadas en paralelo, de igual manera en el tercer ensayo, se realizó la conexión en paralelo de
tres luminarias LED de 12 W. En ésta prueba se realizó la dimerización de las luminarias con el
driver Osram utilizando un potenciómetro análogo y el potenciómetro digital. El esquema eléctrico
de las mediciones se observa en la Figura 7.
Figura 7. Caracterización del driver OSRAM en luminarias LED.
Fuente: Elaboración propia.
Con esta prueba se realizó la dimerización de las luminarias, primero con un potenciómetro
análogo con el cuál se pudo dimensionar el valor de resistencia máxima, necesaria para dimmerizar
al 100% las luminarias; y luego, con un potenciómetro digital el cual es controlado por el Arduino.
27
En la Figura 8 se observa el comportamiento de las luminarias al ser controladas con el
driver. La relación entre la resistencia y las luminarias LED no tiene un comportamiento lineal.
Como se observa en la Figura 8 se determinó que el valor del potenciómetro para controlar dos
luminarias LED está alrededor de 25 kΩ y para tres luminarias de 50 kΩ, sin embargo no es posible
adquirir este tipo de potenciómetro debido a que no es un dispositivo comercial en Colombia. Para
el sistema de iluminación, no es posible realizar control sobre dos o tres luminarias debido a
limitaciones del mercado colombiano, esto a que es necesario la adquisición de un potenciómetro
digital de 50 kΩ el cual no es comercial en el país.
Figura 8. Curva de resistencia vs iluminancia en luminarias LED de 12 W.
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 9 se observa la dimerización con el potenciómetro digital de 10 kΩ. Se infiere
que al conectar dos luminarias en paralelo y mantener el mismo valor de resistencia, solo se puede
llegar a dimmerizar las luminarias hasta un 60,5%. Además si se conectan tres luminarias en
paralelo manteniendo el potenciómetro en 10 kΩ solo se llega tan solo al 49,8% de iluminación.
Esto se deba a que el driver está diseñado para controlar solo una luminaria y está dimensionado
0
500
1000
1500
2000
2500
0 10000 20000 30000 40000 50000
Ilum
inan
cia
[lx]
Resistencia [Ω]
Iluminancia
1 luminaria
2 luminarias
3 Luminarias
28
para 40 W, al conectar varias luminarias y ser una carga menor a la nominal causa este problema
de funcionamiento.
Figura 9. Dimerización de luminarias con un potenciómetro digital de 10 kΩ
Fuente: Elaboración propia.
Con base en estos resultados se decide realizar el control de iluminación LED en sólo una
luminaria, puesto que no es viable realizar el control sobre dos o tres luminarias con este driver
haciendo necesario el uso de elementos que no son accesibles en el país
3.3.1. Tratamiento matemático de las señales
Se realizó la parametrización de la curva para una sola luminaria y se halló el modelo
matemático que describa su comportamiento, en la Figura 10 se observa esta curva. Esto se realiza
con el fin de utilizar la función de la curva en el desarrollo del programa de Arduino.
0
500
1000
1500
2000
2500
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ilum
inan
cia
[lx]
Resistencia [Ω]
Iluminancia
1 luminaria
2 luminarias
29
Figura 10. Curva suavizada de resistencia vs iluminancia en una luminaria LED de 12 W.
Fuente: Elaboración propia.
Para el sistema de control de iluminación LED sólo se utiliza la parte de la función que es
logarítmica desde 579 LUX en adelante debido a que este es el mínimo valor desde el cual
comienza a dimmerizar la luminaria en un valor cercano al 25%. El factor de correlación de la
señal sin suavizar es de 0,9977 y con la línea suavizada es de 0,9981. Solo basta realizar una
conversión a porcentaje para obtener el valor con el cual se va a trabajar en la plataforma de
Arduino y el cual se va a programar. Esta conversión se hace tomando como referencia el valor de
iluminancia nominal que hallamos en las pruebas anteriores el cual es 2194 LUX y se observa en
la ecuación 2.
𝐿(%) =𝐿(𝑟)
2194∗ 100%
A continuación en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se presentan las
ecuación de resistencia en función de la iluminancia en luminarias LED.
𝑅(𝑙) =
𝐿 − 576
0,00122609122576 < 𝐿 < 579
𝑒𝐿+7366,2
1028,6 579 < 𝐿
0
500
1000
1500
2000
2500
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Ilum
inan
cia
[lx]
Resistencia [Ω]
Iluminancia
1 luminaria
(2)
(3)
30
3.4. Desarrollo código de programación en Arduino
Para desarrollar el código de Arduino se tuvo en cuenta los datos obtenidos anteriormente,
estos datos de la ecuación 3 de resistencia en función de iluminancia, esta es necesaria para
controlar el potenciómetro digital mediante señales de PWM. Además, fueron necesarios los datos
porcentuales de iluminación en una luminaria, es decir, el valor de resistencia en los cuales se
obtienen los niveles porcentuales característicos de 25%, 50%, 75% y100%. Por otra parte, se
controla el relé magnético mediante una salida digital; con esto teniendo un tiempo de respuesta
muy rápido en la parte de energización y desenergización del driver, mientras tanto en el modo
automático en el cual se mantiene la iluminancia deseada de acuerdo a las condiciones de luz
exterior, se utilizó el sensor de luz BH1750 proporciona dos variaciones de tensión y con estas se
obtiene el nivel de iluminación captada, este dato es necesario para definir el valor de iluminación
deseada y establecer el set point del sistema, este dato es importante para controlarlo a través de
las variaciones de las posiciones del potenciómetro digital, todas estas funciones que controlan el
sistema son recibidas mediante un módulo WI-FI ESP8266 el cual realiza una comunicación serial
con el microcontrolador Arduino a una velocidad de 12600 baudios garantizando un nivel de
velocidad aceptable de recepción de datos. Con todos estos elementos es posible establecer un
control aceptable sobre las luminarias LED tan solo es necesario conectarse a una red WIFI y
manejar el sistema mediante la aplicación móvil para Android. En la Figura 11 se observa el
diagrama de flujo del código de Arduino.
31
Figura 11. Diagrama de flujo del código de Arduino.
Fuente: Elaboración propia.
32
3.5. Desarrollo código de programación de aplicación móvil
La programación de la aplicación móvil se realizó en la plataforma “App Inventor 2”, esta
plataforma es desarrollada por estudiantes del MIT “Intituto Tecnológico de Massachussetts”, es
un software que permite un fácil desarrollo de aplicaciones móviles compatibles con el sistema
Android sin usar código de programación en Java. La interfaz permite al usuario, a través de
arrastrar y unir bloques de funciones, programar la aplicación de manera intuitiva y de forma
visual, todo esto sin usar una línea de código. “El editor de bloques utiliza la biblioteca Open
Blocks de Java para la creación de lenguajes de programación visuales” (Ramírez, 2017).
La aplicación móvil para el sistema de control posee dos modos de uso. El primero
designado “modo manual”, se encarga y permite al usuario controlar las luminarias a propio gusto,
desde el encendido y apagado de la luminaria, pasando por la variación de intensidad luminosa a
cualquier valor además de unos valores ya preestablecidos. El segundo modo de uso designado
“modo automático” permite al usuario regular la intensidad luminosa al valor deseado, sin
embargo, permite guardar este valor de iluminación para controlar y regular la luminaria, es decir,
si la iluminación exterior disminuye, el microcontrolador dará la orden de aumentar la intensidad
luminosa; por otro lado, si la iluminación exterior aumenta, el microcontrolador dará la orden de
disminuir la intensidad luminosa en la luminaria.
Finalmente, la aplicación móvil permite configurar la dirección IP y el nombre de la
luminaria a gusto del usuario, esta configuración puede realizarse para 4 luminarias diferentes,
presentando un margen de control más amplio. En la Figura 12 Se observa el diagrama de flujo
correspondiente a la aplicación móvil.
33
Figura 12. Diagrama de flujo de la aplicación móvil..
Fuente: Elaboración propia.
34
Figura 13. a) Modo manual de la aplicación, b) Modo automático de la aplicación.
Fuente: Elaboración propia.
Finalmente se presenta en la Figura 13 una imagen que muestra la interfaz de la aplicación
móvil en un dispositivo Android. En la parte A se puede observar el modo manual en el cual se
pueden establecer los rangos de atenuación de la luminaria ya predeterminados, y con la barra
deslizable cualquier valor al que se desee ajustar. En la parte B se observa el modo automático en
el cual se puede dimmerizar la luminaria y establecer el Set Point del sistema. Cabe resaltar que
esta aplicación es compatible con cualquier versión de Android.
35
3.6. Circuito de control
En la Figura 14 se observa el circuito implementado en el sistema de control de iluminación
LED para luminarias de 12 W.
Figura 14. Diagrama circuito de control.
Fuente: Elaboración propia.
3.7. Características del recinto de instalación del sistema de control
Debido a la baja potencia de estas luminarias, y al diseño compacto especializado para
aplicaciones de uso residencial y comercial se recomienda hacer uso en espacios cerrados con un
36
área menor o igual a 10 m2. Durante la instalación del sensor, se recomienda hacerlo a una altura
mayor o igual a 1,8 m, de igual manera se debe garantizar que su instalación sea en un lugar en el
cual no se interponga algún objeto entre el sensor y la fuente de luz, además, se sugiere la
instalación del sensor con un ángulo de incidencia que oscile entre 30° y 60° lo cual permite una
mejor recepción de datos del sensor. Se recomienda instalar el sensor en la superficie opuesta o
superficies contiguas a la ubicación de alguna ventana.
La consideración técnica del tamaño del recinto se hace de acuerdo al RETILAP, en el cual
define la unidad de medida de iluminancia LUX como el valor de 1 LUMEN sobre metro cuadrado
que se observa en la ecuación 4 (RETILAP, 2016).
𝐿𝑈𝑋 = 1 [𝑙𝑚
𝑚2]
Teniendo en cuenta la ficha técnica de la luminaria, la cual indica un valor de 720 lúmenes
nominales. Para una superficie de 10 m2 la iluminancia tiene un valor de 72 LUX.
3.8. Resultados sistema de control
A continuación se presentan los resultados del prototipo de sistema de control de
iluminación LED dimerizable en una luminaria.
3.8.1. Ubicación del sensor
En la Figura 15 se observa las curvas de los rangos de detección del sensor. Estos fueron
ubicados a diferentes alturas (el primero a 2 m de altura y el segundo a 1,55 m, ambos con una
distancia horizontal respecto a la luminaria de 1 m) en paredes contiguas a una fuente de
iluminación externa, por ejemplo una ventana, además, los sensores fueron ubicados sobre la
pared. La luminaria estaba ubicada a una altura de 2,4 m. Se realizaron dos pruebas, la primera en
la cual la única fuente de luz era la luminaria controlada, y la segunda prueba se realiza con una
fuente de luz exterior arrojando los siguientes resultados:
(4)
37
Figura 15. Curvas de rangos de detección del sensor.
Fuente: Elaboración propia.
Como se observa en la Figura 16 las curvas de los rangos de detección del sensor. Estos
fueron ubicado a diferentes alturas (el primero a 2 m de altura y el segundo a 1,55 m, ambos con
una distancia horizontal respecto a la luminaria de 1 m) en paredes contiguas a una fuente de
iluminación externa, por ejemplo una ventana, además, los sensores fueron ubicados sobre la pared
con un grado de inclinación aproximado de 45°. Se realizaron dos pruebas, la primera en la cual
la única fuente de luz era la luminaria controlada, y la segunda prueba se realiza con una fuente de
luz exterior. La luminaria estaba ubicada a una altura de 2,4 m. Se evidencia que al ubicar los
sensores con cierto grado de inclinación, la diferencia que genera una ubicación diferente de los
sensores se reduce en cerca del 30%.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ilum
inan
cia
[lx]
Resistencia [Ω]
Iluminancia en un recinto
Sensor 1 sin fuente
exterior
Sensor 2 sin fuente
exterior
Sensor 1 con fuente
exterior
Sensor 2 con fuente
exterior
38
Figura 16. Curvas de rangos de detección del sensor.
Fuente: Elaboración propia.
3.8.2. Datos esperados
En esta prueba se realizó la medida de iluminación obtenida a través del sistema de control
de iluminación LED controlado desde el celular, en la Tabla 8. Mediciones sistema de control LED
se reflejan estos resultados.
Porcentaje de
iluminación %
Valor
esperado [lx]
Valor
medido [lx] Error %
25 549 562,5 2,5
50 1097 1125 2,6
75 1646 1692 2,8
100 2194 2215 1,0 Tabla 8. Mediciones sistema de control LED
Fuente: Elaboración personal.
El cálculo de error se hizo a través de la ecuación 5:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 % =𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 − 𝑉𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜
𝑉𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜∗ 100%
(Rodríguez, 2011)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ilum
inan
cia
[lx]
Resistencia [Ω]
Iluminancia en un recinto
Sensor 1 sin fuente
exterior
sensor 2 sin fuente
exterior
Sensor 1 con fuente
exterior
Sensor 2 con fuente
exterior
(5)
39
4. Conclusiones
Este proyecto permite concluir que es posible realizar un sistema de control de iluminación
LED dimerizable alternativo, el cuál es más económico y con mayor flexibilidad al
proporcionar una comunicación vía WI-FI con el usuario. Esto permite al usuario a través
de una interfaz amigable y dinámica, realizar el control de iluminación en un espacio con
las características descritas para aplicaciones tanto residenciales como comerciales.
Se evidencia que al conectar las luminarias LED de 12 W en paralelo, y alimentas hasta
llegar a consumir la potencia nominal de cada luminaria, no se llega al nivel de iluminancia
nominal que proporciona la misma luminaria conectada sola. Por ejemplo, al conectar en
paralelo dos luminarias LED se evidencia que solo llega al 93,4% de iluminación a potencia
nominal; al conectar tres luminarias LED se evidencia que alcanza el 93,2% de
iluminación, siendo una reducción bastante significativa respecto a la iluminancia de
referencia. Si el sistema de control llega a dimmerizar cada luminaria al 100% de
iluminación el cual sería 2194 LUX se estaría sobrecargando las luminarias LED.
Este sistema de control permite dimmerizar cualquier tipo de luminaria LED que posea el
driver externo a ella, siempre y cuando se realice la caracterización de la luminaria y se
obtenga la curva de resistencia en el driver versus iluminación de salida, se recomienda
realizar un estudio del comportamiento de luminarias LED de diferente potencia y hallar
la curva característica de cada una para dimensionar el sistema de control de cada una de
ellas.
A través de la caracterización de las luminarias, es posible dimensionar el potenciómetro
para diferentes luminarias, por lo tanto, para una luminaria LED de 12 W el valor del
40
potenciómetro debe ser 10 kΩ, para dos luminarias LED de 12 W el valor del
potenciómetro debe ser 50 kΩ, finalmente para tres luminarias LED de 12 W el valor del
potenciómetro debe ser 50 kΩ.
Mediante este sistema de control de iluminación LED alternativo se solventan algunas de
las falencias que presenta el sistema comercial DALI, en el cual se ve sujeta a una distancia
máxima de 300 m entre el controlador y la luminaria a controlar. Para nuestro sistema la
distancia se ve sujeta a la distancia del router que suministra la señal de WI-FI. Por otro
lado, el sistema DALI controla un máximo de 64 luminarias, en nuestro caso, solo basta
configurar la dirección IP de cada grupo de luminarias, teniendo un alto margen de sistemas
a controlar en casa, en el trabajo u otros lugares, siendo un sistema más flexible.
5. Bibliografía
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Terven, R. (2014). Tervenet. Obtenido de Tervenet:
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42
6. Apéndice
Tabla 9. Costos asociados al sistema de control de iluminación LED
Fuente: Elaboración propia
Cantidad Descripción materiales Valor
1 Tarjeta Arduino uno $ 27.000
1 Sensor de Iluminancia BH1750 $ 8.000
1 Módulo de comunicación ESP8266 $ 10.000
1 Potenciómetro digital X9C103P $ 6.500
1 Fuente 12 V DC $ 8.000
1 Regulador de voltaje 12 V DC - 5 V DC – 3.3 V DC $ 15.000
1 Circuito Optoacoplador $ 1.500
1 Diodo 1N9001 $ 100
Total $ 78.100