La iluminación de emergencia se ve beneficiada con los circuitos de protección LED y los avances tecnológicos en respaldo energético

El mercado para sistemas de iluminación LED de seguridad es, sin duda, uno de los más antiguos. Aunque los dispositivos LED han sido utilizados en simples señales de salida durante aproximadamente 20 años, sólo recientemente se han adaptado para su uso en sistemas de iluminación de emergencia en los últimos 6 años. Las mejoras en la eficacia y coherencia de los colores de los ledes blancos, así como las reducciones de precios, han sido los catalizadores para el cambio.

La tecnología sigue evolucionando y los precios se ven moderados, lo que hace que los ledes se utilicen cada vez más en una amplia gama de sistemas de iluminación de seguridad. Además, el innovador diseño combinado con las ventajas de la tecnología LED puede proporcionar una importante ventaja competitiva para los diseñadores de iluminación. Los avances en sistemas de baterías y de almacenamiento de energía para funcionamiento de soporte y dispositivos de protección de circuitos, así como los propios ledes, están creando nuevas oportunidades.

Este artículo examinará la innovadora tecnología de sistemas de iluminación LED de emergencia, con un énfasis en los nuevos desarrollos de componentes. Por ejemplo, el aumento de la eficiencia, la capacidad de refrigeración, la reducción de energía, y ledes más resistentes dan como resultado una mejora en la fiabilidad y los costos de mantenimiento. Dispositivos típicos incluyen: de Osram Golden Dragon Plus y Duris P5, Philips Lumileds LUXEON® Z, y la gama STW8 de Seoul Semiconductor.

Las soluciones de protección de circuitos añaden tranquilidad a los sistemas de iluminación de emergencia de aplicaciones para seguridad y sobre todo en los casos en que existe riesgo de incendio o explosión. Dispositivos como los protectores de derivación LED de Bourns y los protectores de circuito Polyswitch de TE Connectivity son opciones muy populares en este sector.

Por último, la tecnología de baterías ha evolucionado rápidamente en los últimos años, con una marcada tendencia hacia las baterías de iones de litio que ofrecen soluciones de respaldo de menor tamaño y mayor potencia. Sin embargo, en algunas aplicaciones de seguridad crítica estas presentan riesgo de incendio a no ser que estén adecuadamente protegidas. Una solución alternativa, y a veces complementaria, es el ultracapacitor. La gama PowerStor de Eaton ya ha encontrado seguidores de su gama de aplicaciones, incluida la iluminación de emergencia.

Primero la seguridad 

Dondequiera que la gente se reúne, ya sea dentro o alrededor de los edificios, centros comerciales, aparcamientos subterráneos, o en aviones y sistemas de transporte de tránsito masivo, la iluminación de emergencia es un factor esencial. Una iluminación efectiva es crucial para asegurar una evacuación rápida, sin incidentes por pánico, especialmente en casos de incendio. Señales de salida de emergencia bien iluminadas y bien espaciadas, indicando la ruta de escape más corta, resultan importantes ya que la gente se desorienta rápidamente. Por lo general, las personas tratan de regresar siguiendo la ruta por la que han ingresado al edificio, que puede no ser la más eficiente.

Se sabe que las lámparas fluorescentes continúan en uso en las instalaciones más antiguas, pero están siendo reemplazados por lámparas LED. Los módulos de LED que sustituyen a los tubos fluorescentes T8 tradicionales son reemplazos cada vez más populares. En general, las luces LED ofrecen ventajas en términos de costos y rendimiento, lo que propicia un uso más extendido en numerosas aplicaciones de iluminación de emergencia. En todos los casos donde los sistemas principales de iluminación se están actualizando o reemplazando con tecnología LED, es muy probable que las instalaciones de iluminación de emergencia auxiliares también sean reemplazadas con ledes.

La tecnología LED ofrece un número cada vez mayor de beneficios lo cual la hace más y más convincente para su uso. La longevidad y la fiabilidad de las lámparas LED se adapta bien a sistemas de emergencia, y permite reducir los intervalos de servicio y los costos de mantenimiento. Por no usar plomo o mercurio, los ledes son considerados como una opción más respetuosa con el medio ambiente. Se consideran intrínsecamente seguros, por ellos son la opción de iluminación de elección en el sector de la minería, la exploración petrolífera y otros entornos potencialmente explosivos. Por no contener vidrio, los ledes son más fuertes, más resistentes a los golpes y las vibraciones, y menos vulnerables a los daños causados por el vandalismo cuando se instalan en lugares públicos.

El funcionamiento de consumo más bajo de los ledes en comparación con las tradicionales tecnologías de iluminación es ideal para ejecutar sistemas de iluminación a partir de baterías de respaldo o generadores de emergencia que comienzan a funcionar cuando el suministro principal de energía ha fallado.

La naturaleza de las lámparas LED, como fuentes de luz puntual, hace que sea más fácil controlar el foco de luz a donde se necesita, lo que combinado con una alta eficiencia óptica, provee ayuda adicional para reducir el consumo de energía. En su forma más simple, según la norma ¹ de ICEL (Comité de la industria para iluminación de emergencia) del Reino Unido, dos ledes de 1 W con un controlador de haz típico superior a 60o, un inversor y una batería de 3.6 V, instalados a 3 metros por encima del suelo en la distribución recomendada, no debería tener dificultades para lograr el brillo necesario a nivel del suelo, de conformidad con las normas internacionales.

Estéticamente agradables 

Un beneficio adicional de los ledes, en particular en escenarios de iluminación a gran a escala, es la elección del factor de forma y la posibilidad de combinar la iluminación de emergencia con la iluminación arquitectónica. Las luminarias pueden ser construidas en prácticamente cualquier tamaño o forma, y luego ser incorporadas fácilmente en estructuras y materiales de construcción ya existentes. Las tiras de iluminación son particularmente útiles para escaleras y pasillos, y otros módulos pueden ser empotrado en el piso y paredes o pueden instalarse posteriormente en estructuras ya existentes. La habilidad para ocultar la iluminación de emergencia, o incorporarla dentro de la estética de un edificio, ofrece una mayor flexibilidad para los diseñadores de sistema de iluminación y sus clientes.

Un estudio de caso presentado por Osram Semiconductor² ilustra lo que se puede lograr en esta área. La entrada a la estación de metro de Karlplatz Stachus (U-bahn y S-Bahn) en Múnich, Alemania dispone de una escalera que, debido a motivos relacionados con su construcción, sólo puede ser iluminada por el pasamanos, por un total de 700 metros de longitud. Esta iluminación también sirve como iluminación de emergencia, alimentada por una batería en caso de corte de energía. La instalación de ledes Osram, con su bajo consumo de energía, sólo requiere 100 W cada 18 metros de iluminación del pasamanos.

Figura 1: La zona de ingreso a la red de transporte subterráneo de S-Bahn y U-Bahn en Stachus, Múnich, donde se puede ver la iluminación por ledes del pasamanos que sirve también como luces de emergencia de la escalera en caso de corte de suministro de energía. 

El tipo y la especificación de ledes necesarios para los sistemas de iluminación de seguridad dependerá en gran medida de las aplicaciones individuales. Sin embargo, hay algunas características comunes que son las más deseables, tales como baja potencia, buen funcionamiento y alta eficiencia luminosa. Los ledes de blanco frío con una temperatura de color entre 3000 y 6500 K, un CRI de 80 o superior, y una eficiencia de alrededor de 75 a 100 lm/W son requisitos típicos.

Otros aspectos a tener en cuenta, dependiendo de la aplicación, son el tamaño reducido, una carcasa resistente y duradera, facilidad y flexibilidad de diseño del módulo para crear cadenas u otras formas, y la capacidad de funcionar a partir de la batería de respaldo u otras fuentes de energía temporarias.

Luces indicadoras 

Dispositivos tales como la gama de ledes Duris P5 de Osram Opto Semiconductor son claramente aptas para aplicaciones de iluminación de emergencia. El dispositivo GW DASPA1.EC-GUHQ-5L7N-1 de blanco neutro (4000 K) proporciona alta eficacia, alimentación media y rendimiento de larga vida útil necesarios para las luces indicadoras de emergencia, como las que se utilizan en escalones y rutas de salida. Con un flujo lumínico típico de 29 lm a 100 mA, una eficiencia óptica de 96 lm/W y un CRI de 80, el dispositivo se comercializa en paquete SMD-2. El voltaje directo típico es de 3.02 V, la corriente directa máxima es de 250 mA, y el ángulo de visión es de 130o. La gama Duris P5 ofrece dispositivos con salida de luz más cálida (3000 K) y más fría (5000 K) con características similares a la versión 4000 K.

Para aplicaciones que requieren mayor rendimiento luminoso, aunque con un mayor consumo de energía, Osram ofrece la serie LUW W5AM de la línea Golden Dragon Plus. El flujo lumínico típico es de 116 lm a 350 mA y hasta 273 lm a 1 A. Una vez más, diseñados específicamente para luces indicadoras en sistemas de iluminación de emergencia, los dispositivos ofrecen una fuente de iluminación de alta eficiencia en un paquete de perfil bajo. La eficiencia óptica está calificada en 146 lm/W a 100 mA, la corriente directa máxima es de 1 A, el voltaje directo típico es de 3.2 V y la resistencia térmica es de 6.5 K/W.

Figura 2: Ledes Golden Dragon Plus de alta eficiencia de Osram para aplicaciones indicadoras de iluminación. 

Dispositivos de rendimiento similar están disponibles en la gama Lumileds de Philips. El LUXEON Z 4070 proporciona una temperatura de color de hasta 4000 K y un CRI de 70. El flujo luminoso típico es de 138 lm a 500 mA. La eficiencia típica es de 95 lm/W. Un parámetro adicional útil en la hoja de datos es el tamaño de dispositivo versus la salida de luz alcanzable, indicada como 63 lm/mm² para la gama media de ledes. Los dispositivos pueden ser suministrados en formato no encapsulado, ideal para incorporar en tiras o módulos.

Figura 3: Ledes LumiLEDs LUXEON Z de Philips en microespacio de 2.2 mm². 

Dentro de su amplia gama Acrich de ledes simples y módulos de ledes múltiples, Seoul Semiconductor puede proporcionar un número de piezas en el extremo blanco frío del espectro. El dispositivo STW8Q14BE de 6500 K es sólo un ejemplo de la gama de ledes simples, pensados para aplicaciones generales, de interior y de iluminación arquitectónica. Con protección ESD incorporada, el LED se encapsula en silicona y está montado en una estructura termoplástica resistente al calor. Las especificaciones eléctricas incluyen un voltaje directo de 3.2 V (típico), corriente directa de 160 mA (máxima), intensidad lumínica de 35 lm (3700 a 7000 K), CRI de 80 (mínimo) y una resistencia térmica de 18 °C/W.

Protección de circuito 

Mientras que algunos módulos de iluminación de emergencia pre-montados basados en tecnología LED se suministran con el correspondiente circuito para intercambiar automáticamente desde la red eléctrica principal a la de respaldo y volver a la principal nuevamente, se pueden instalar dispositivos adicionales de protección de derivación LED para ayudar a aumentar la resistencia y fiabilidad. La protección adicional puede ayudar a minimizar el costo de las reparaciones y el reemplazo de las lámparas LED, especialmente cuando se utilizan en largas cadenas de ledes de varias series que pueden ser impulsadas desde una fuente de alimentación de voltaje relativamente alto y corriente constante. 

Hay numerosas ventajas en cuanto a la configuración de múltiples tiras de ledes. Una de las ventajas principales es el diseño más simple de la fuente de alimentación, ya que una fuente de alimentación de alto voltaje y baja corriente mejora la eficiencia de la fuente de alimentación. La escalabilidad, modularidad y flexibilidad del factor de forma son aspectos importantes que influyen en la elección de las tiras de ledes por encima de otras tecnologías de iluminación. Sin embargo, el inconveniente es que la presencia de un LED abierto en una tira de ledes hará que se apaguen todos los dispositivos de esa tira. Las fallas de los ledes pueden ser causadas por altas temperaturas, descargas electrostáticas (ESD), o eventos de sobretensión y sobrecorriente.

Las tiras de ledes de baja potencia pueden ser fácilmente protegidas por diodos Zener. Para aplicaciones de mayor potencia (que funcionan a más de 75 mA), se recomienda el uso de dispositivos LED con protección de derivación, y en modo activo, lo cual disipará menos energía que un LED abierto. Estos dispositivos basados en tiristor funcionan derivando la corriente alrededor del LED que no funciona, creando un puente, para garantizar que los diodos sanos en la tira permanezcan encendidos. 

Bourns es un proveedor líder de dispositivos LED de protección de derivación. Su dispositivo LSP0600BJR-S funciona a 6 V. Para maximizar el nivel de protección disponible, los diseñadores deben usar un dispositivo por cada LED. Por otra parte, con el fin de minimizar los costos, otras piezas de la gama ofrecen protección a 9, 13 y 18 V, la cual se puede utilizar para aislar grupos de dos, tres o cuatro ledes, respectivamente.

Bourns ha producido un útil libro blanco³ que explica los problemas de la fuente de alimentación respecto del cumplimiento de voltaje de una fuente de alimentación de corriente constante. Se ofrecen ejemplo de los circuitos y diseños, destacando las exigencias que se imponen a la fuente de alimentación en determinadas situaciones de fallos que involucran a los dispositivos de la serie LSP de Bourns. También se incluyen recomendaciones sobre las arquitecturas de alimentación adecuadas para tiras de ledes. 

Protección contra sobrecorriente 

Ofrecer protección a dispositivos de iluminación LED y a las baterías de iluminación de emergencia contra sobrecorriente y daños causados por la temperatura es la función principal de los productos de protección de circuito Raychem de TE Connectivity. La empresa señala que, aunque ofrecen una vida útil más prolongada que la tecnología de iluminación que reemplazan, la vida útil de los ledes depende de una serie de factores: temperatura de la unión, voltaje de funcionamiento y corriente de funcionamiento. 

Los dispositivos termistores poliméricos positivos de coeficiente de temperatura (PPTC) con restablecimiento, como los resistentes productos de las gamas PolySwitch y PolyZen de TE, han demostrado su eficacia en la protección de circuitos LED. Las aplicaciones típicas incluyen protección a entrada de alimentación contra transitorios y sobretensión asociada a líneas de alimentación, protección de salida de circuito controlador de LED y protección contra ESD. Son particularmente eficaces en instalaciones de iluminación de emergencia de alta fiabilidad ya que se reinician automáticamente tras superar la falla y al restablecerse lel suministro de energía.

Figura 4: Amplia selección de la gama de dispositivos reiniciables PolySwitch, que pueden ser usados para proteger circuitos de iluminación LED de emergencia. 

Según el fabricante, la mayoría de las aplicaciones de ledes usan conversión de energía y dispositivos de control para lograr una interfaz con la fuente de alimentación con el objetivo de controlar la disipación de energía desde el controlador de LED. Proteger a estas interfaces contra daños por sobrecorriente y sobretemperatura es la función de los dispositivos PPTC como los que se ofrecen en la gama PolySwitch. 

En funcionamiento normal, el fusible tiene un bajo valor de resistencia. En caso de una sobrecorriente, el dispositivo se activa en un estado de resistencia alta. Esto ayuda a proteger el equipo en el circuito al reducir la cantidad de corriente que puede fluir en el estado de fallo a un estado estacionario bajo. El dispositivo permanece en la posición de bloqueo hasta que se elimine el fallo. Una vez que el circuito de alimentación se desconecta, el dispositivo se reinicia, el flujo de corriente continúa y el circuito se restablece a condiciones de funcionamiento normal. Se puede encontrar información más detallada y diagramas de circuitos en un artículo anterior de DigiKey en TechZone.⁴

Numerosos CI de controladores de LED requieren una entrada protegida de CC para proporcionar corriente estable al diodo. Un dispositivo PolySwitch, en serie con el CI del controlador de LED unido a un dispositivo paralelo limitador de voltaje, como por ejemplo un diodo Zener o diodo de supresión de transitorios, ayuda a proporcionar una protección eficaz. Los componentes PolySwitch están disponibles en una amplia gama de tamaños, con dispositivos en paquetes diminutos 1608 para las aplicaciones más compactas, con lo que se ahorra espacio en placa y costo. Los diseñadores pueden seleccionar corrientes nominales de 50 mA a 3 A y clasificaciones de voltaje de 6 a 60 V.

Un dispositivo típico para proteger CI es el nanoSMDC150F de 6 V, con una retención de corriente de 1.5 A, una clasificación de activación a 3 A, y corriente máxima de 100 A. El tiempo de activación es de 0.3 s.

Energía de respaldo

Los supercondensadores son cada vez más populares como fuentes de respaldo en ciertas aplicaciones, y sobre todo en sistemas críticos de seguridad, donde las baterías de iones de litio pueden suponer un riesgo de incendio. Con respecto a las baterías, los supercondensadores son capaces de ofrecer más de diez veces la potencia y más de mil veces el ciclo de vida. Estos ofrecen densidad de energía en tres órdenes de magnitud superior a los condensadores electrolíticos tradicionales.

Asimismo, funcionan bien en conjunto con tecnologías convencionales a baterías, para mejorar el rendimiento y la duración de tales sistemas. Una de las características de interés en aplicaciones de iluminación de emergencia es su utilización en sistemas de respaldo y de puenteo de energía, asegurando la alimentación de energía constante incluso si hay un fallo en la alimentación eléctrica principal. Los supercondensadores son considerados más respetuosos con el medio ambiente que las baterías y pueden ayudar a los diseñadores a reducir sus necesidades de batería, así como a extender la duración de la vida útil de la batería. 

Una empresa líder en el mercado de supercondensadores es Eaton. Las series XB y XV de dispositivos cilíndricos ofrecen 300 a 400 F de capacitancia, con voltajes de funcionamiento de 2.5 V y 2.7 V, respectivamente. Con ESR ultrabaja para alta densidad de potencia, estos dispositivos garantizan una mínima caída de voltaje durante eventos de demanda pico de corriente. Se consideran particularmente aptos para sistemas de respaldo de energía y UPS, así como para instalaciones de iluminación de emergencia. 

Un dispositivo típico en la gama XB es el PowerStor XB3550, capaz de suministrar 300 F de capacitancia a 2.5 V. Líder de la gama XV es el supercapacitor PowerStor XB3560, capaz de ofrecer 400 F de capacitancia y corriente nominal de 2.7 V. 

Figura 5: Supercondensadores PowerStor de Eaton para funciones de respaldo y puenteo de energía para una amplia gama de aplicaciones industriales y de seguridad. 

Resumen

Aunque puedan ser consideradas como aplicaciones menos elegantes, los sistemas de iluminación de seguridad se ven beneficiados de los avances tecnológicos, no sólo en cuanto a ledes, sino también en los subsistemas auxiliares para funciones esenciales de protección de circuitos y baterías de respaldo. Los diseñadores de iluminación de emergencia tienen la oportunidad de renovar y diferenciar su oferta de productos en este sector, tanto para las nuevas instalaciones como para la renovación de unidades. 

Referencias:

1. Comisión de la Industria para Iluminación de Emergencia (ICEL)
2. Estudio de Caso de Osram Semiconductor, iluminación en Karlsplatz, Múnich
3. Libro blanco de Bourns: Nuevos dispositivos de protección de derivación LED abierta
4. Protección coordinada de circuitos de iluminación LED