Interruptor Crepuscular Inteligente (PWM y LED)

A los sistemas que trabajan activados con la oscuridad de la noche, sobre equipos de iluminación, por lo general los conocemos como Interruptores Crepusculares. Este tipo de dispositivos existen en electrónica desde hace muchos años, sin embargo, el proyecto de hoy posee una característica que lo hace diferente. Es una luminaria para exteriores del tipo LED y el sensor de luz encargado de controlar su actividad, facilitará una variación en la intensidad del encendido de ésta. Es decir, cuando ya hay claridad en el día (o cuando está anocheciendo, pero aún hay buena visión), ¿para qué necesitamos una luz encendida a pleno? Dicho en otras palabras, hoy construiremos una luz para exteriores que tendrá una intensidad luminosa en función de la oscuridad, gracias al PWM y la tecnología LED.

Muchas veces, nos encontramos con sistemas activados por la falta de iluminación que emplean foto-transistores, foto-diodos, o simples resistencias que varían en función de la luz aplicada y se las conoce popularmente como LDR. Los sistemas básicos y sencillos que encontramos en el mercado, operan de un modo elemental: a partir de cierto nivel de ausencia de luz ambiente se encargan de encender o activar una luminaria y cuando éste valor de iluminación natural crece por encima de un valor (ajustable), la electrónica utilizada se encarga de apagar los circuitos de iluminación. Un ejemplo muy simple y fácil de hacer es con la ayuda de un NE555, aprovechando sus comparadores de tensión internos. Recordemos este artículo sobre el NE555:

Si observamos el diagrama en bloques de este IC y apreciamos la estructura de conexión de estos elementos (dentro del NE555), lo habitual es que la salida de este dispositivo cambie de “estado lógico” cuando la tensión de referencia (obtenida por un detector) descienda a menos de 1/3 de la tensión de alimentación y vuelva a hacerlo (cambiar el estado de salida) al superar un nivel equivalente a 2/3  de la mencionada tensión. Esta variación entre los niveles de “encendido-apagado”, como muchos saben, se realiza para evitar entrar en zonas intermedias de funcionamiento indefinido. Si así ocurriera (u ocurriese) habría situaciones en que una luminaria sería un sistema intermitente (apagando y encendiendo) al no encontrar valores bien “distanciados y definidos” de funcionamiento.

El sistema que hoy te mostramos, no llega para re-inventar la rueda ni para poner de cabeza a los clásicos métodos empleados en iluminación exterior. Porque ya existe y porque no es un invento nuestro. Sin embargo, posee características muy interesantes que se facilitan gracias a la tecnología LED, a su combinación con las técnicas de PWM y nace a partir del concepto de comprender que no es necesario tener una luminaria encendida al 100%, cuando la visión diurna aún es posible, a pesar de estar entrando en el atardecer. Por lo tanto y como ya lo habrás deducido, este sistema sólo estará encendido cuando la oscuridad en el ambiente sea plena y lo hará en un menor porcentaje (menor ciclo de trabajo = “Duty Cycle”) a medida que las luces del día comiencen a estar presentes.

En nuestro caso, utilizamos para la generación del PWM un pequeño PIC (12F675) al que le conectamos un foto-transistor en una de sus entradas analógicas y mediante un circuito de salida de PWM clásico (transistores BJT + IRFZ44N) trabajamos sobre el encendido de 12 LEDs blancos, de 10 milímetros de diámetro, y de alta eficiencia (100mA de corriente nominal). Para prolongar la vida útil de estos LEDs hemos decidido hacerlos funcionar a una corriente inferior a la nominal (60%), con dos resistencias de 100 Ohms-1W en paralelo.

El programa creado para el PIC y cargado en él, puede ser reformado de manera muy sencilla, con cualquier programa y en cualquier lenguaje, ya que sólo se encarga de realizar una tarea única: tomar información de una entrada ADC y transformar ese valor en un PWM equivalente. Si bien podríamos haber utilizado para este sencillo trabajo un NE555, la idea fundamental es la expansión de posibilidades que permite este pequeño gigante, que es el 12F675. En nuestro caso, sólo lo utilizamos para controlar un par de luminarias que se colocarán en el exterior de la casa, sin embargo, podemos llevar esta aplicación (como base) a otros campos de control.

Es decir, esto puede ser el punto de partida de muchas aplicaciones que hagan la sencilla función de tomar una variable analógica del mundo físico exterior y transformarla en un PWM proporcional a ella. Siguiendo con nuestro diseño de concepto, luego de ensayar un par de líneas de código y de construir un sistema elemental de funcionamiento sobre un protoboard obtuvimos este sistema funcional que es el punto de partida para nuestro trabajo y en la versión gratuita de PROTON, se puede programar de este modo:

Como mencionamos antes (y podrás ver en las imágenes), en el circuito hemos incorporado un PIC12F675 y dentro del PCB principal, ubicado en la luminaria “maestra” encontraremos todo lo necesario para el funcionamiento del dispositivo. Cuando mencionamos la palabra “maestra” es porque en la aplicación específica que tenemos en proceso de desarrollo y trabajo, existen dos luminarias y no sería necesario repetir todo el circuito de control, sino que en el “artefacto” anexo, sólo ejecutaremos una placa con los LEDs y las resistencias de limitación de corriente obligatorias.

La conexión hacia la otra luminaria es muy elemental, al igual que la construcción del PCB. Sería realizar una réplica de una porción del PCB que utilizamos en esta parte del montaje, la sección de los LEDs únicamente y esta “segunda sección” estaría conectada en paralelo con la del artefacto maestro. El requisito fundamental para que esto sea posible es que el transformador utilizado sea capaz de suministrar la corriente necesaria para el funcionamiento de ambas luminarias. En tu aplicación, adaptarás la fuente de energía que creas conveniente, de acuerdo a tu desarrollo.

La fuente de alimentación está compuesta por dos partes muy simples y bien definidas. Por un lado un transformador de 12Volts – 500mA con un rectificador de onda completa, con dos capacitores electrolíticos, otros dos cerámicos y un filtro diferencial soportado sobre un pequeño ferrite, para minimizar los posibles ruidos (EMI) de conmutación de los LEDs hacia la línea (Comencemos a tomar conciencia de este flagelo: las interferencias electromagnéticas). De este modo y con 12Volts que se encargarán de activar la iluminación LED, pasamos a la segunda parte de la fuente de alimentación que se encuentra en el PCB principal y utiliza, además de los clásicos capacitores de filtrado, un 7805 para alimentar el microcontrolador. A esta parte la puedes optimizar, si lo deseas, con otro tipo de alimentación secundaria que creas oportuna para la sección de control.

Una vez que todos los elementos están montados sobre la placa principal, luego de que hayas realizado las comprobaciones de funcionamiento y en especial, el ajuste apropiado del control de sensibilidad P1, que lo harás durante el día y con una iluminación tan similar como se pueda al lugar de emplazamiento final del sistema, te quedará un sistema funcional muy similar al que te mostramos en este video:

Dentro de las consideraciones importantes a tener en cuenta durante el montaje, encontramos varias que parecen de baja importancia pero que hacen a un funcionamiento adecuado del equipo. Lo primero que debes hacer el impermeabilizar los PCB, al igual que los componentes que se encuentran en ellos con cualquier tipo de laca o barniz que te pueda resultar confiable y eficiente en el tiempo. La corrosión, no sólo aparecerá si le ingresa agua en forma directa al artefacto, sino que además, aparece por condensación ante bruscos cambios de temperatura (exterior/interior). Esa humedad, aunque sea un año de sequía, puede destruir cualquier equipo electrónico en pocos meses.

Vale aclarar que luego de muchos años de ensayar diferentes métodos, podemos expresar que no existe el mejor producto del mundo para hacer este trabajo, tú deberás experimentar con el mejor te parezca conveniente para lograr una protección segura y óptima. Seguro que tú encontrarás el mejor del mundo, que te funcione a ti, quizás no a otros. Por supuesto, como te mostramos en la imagen, no te olvides de tapar con cinta los LEDs antes de aplicar el producto. Por último, intenta darle varias “aplicaciones, pasadas o capas de cobertura” para mejorar la efectividad de la protección y para ello, debes esperar a un buen secado entre capas.

Sobre el montaje mecánico, no podemos explicar demasiado porque es muy probable que tu montaje sea diferente al que te mostramos como ejemplo en nuestras imágenes; de todos modos, las reglas son básicas y generales para todos los casos por igual. Sin embargo, una de las cosas que debemos tener en cuenta al momento de reemplazar una luminaria incandescente por otra de LEDs es que estas últimas emiten un haz luminoso más direccional y podemos, sin darnos cuenta, construir una fuente de luz poco útil y con características muy diferentes a la que teníamos antes. Quizás eso te favorezca en algún caso puntual. Nuestro caso no era precisamente ése y debimos “abrir” los ángulos de montaje de los LEDs de los extremos unos pocos grados, hacia los costados, para mantener la característica de iluminación en todos los sentidos que la lámpara original tenía. Hacer haces rectos y direccionales no hubieran (o hubiesen) sido efectivos en nuestra aplicación.

Finalmente, luego que todo estuvo montado, bien seco (el impermeabilizante utilizado) y controlado, su instalación no fue más complicada que la de cualquier otra luminaria ya que sólo había que conectar los dos cables que salían por el lugar específico de montaje y esperar a la noche para observar un trabajo adecuado, tal como lo pensamos durante el diseño y los ensayos.

Una vez llegada la noche, el funcionamiento y activación paulatina, con un incremento suave y gradual de la iluminación, el sistema nos sorprendió por su eficiencia, comparada junto a una lámpara incandescente de 20Watts (o Vatios), con un consumo energético menor a 4Watts, como el que “absorbería” nuestro sistema a plena potencia (cada LED trabajando a 100mA). En función de que nosotros decidimos utilizar una corriente menor (60mA) para los LEDs, tenemos un consumo total de poco más de 2W cuando es plena noche y los LEDs encienden “prácticamente y para el ojo humano” a pleno. Por supuesto, el beneficio económico es notable, además de agregar la funcionalidad de automatizar el sistema y de haberlo construido nosotros, con resultados que no se pueden comparar, al menos para los que nos agrada el tipo de luz “fría” como la que entrega este tipo de LED utilizado. Este es el resultado:

Sin dudas, ahora me espera trabajo entre semana para dejar ambas luminarias iguales, (parece un perro siberiano ahora), reproduciendo en la segunda el mismo modelo constructivo con los LEDs y las resistencias de limitación solamente. Me hubiera gustado tener algún tipo de filmadora especial para haber podido hacer un seguimiento del incremento de iluminación durante el atardecer, pero a eso se los debo para el próximo milenio.