C U DE I AL ADORE S UR SO D I N NS T Capí tulo X X Fotocontroles
Fotocontroles Un fotocontrol o interruptor fotoeléctrico es un dispositivo destinado a conectar o desconectar un circuito en forma automática, en función del nivel luminoso del entorno en el cual se encuentra. Es utilizado fundamentalmente para encender instalaciones de alumbrado durante la noche e interrumpir el circuito cuando llega el día. Su principio de funcionamiento está basado en un sensor fotoeléctrico, el cual entrega la señal a un detector de nivel. Este último actúa sobre un interruptor que comanda directamente el circuito de carga. Dependiendo del tipo de sensor, detector e interruptor se clasifican en diversos tipos los cuales detallaremos mas adelante en este capítulo del Curso de Instaladores. Diagrama en bloques de un interruptor fotoeléctrico:
Fotocontrol Sensor Fotoeléctrico
Detector de Nivel
Retardo
Interruptor
Principio de Funcionamiento Independiente del tipo de fotocontrol, observando el diagrama en bloques, podemos hacer el siguiente razonamiento: El sensor fotoeléctrico actúa como transductor, produciendo una variación de resistencia eléctrica o tensión en función del nivel luminoso del entorno. Esta variación es controlada por un circuito detector de nivel, quién será el encargado de realizar la conmutación por debajo y por encima de determinados valores de iluminación a los cuales llamamos “niveles de operación”. Pero antes de actuar directamente sobre el interruptor, vemos que en el diagrama encontramos un circuito de retardo. Este circuito sirve para evitar que el fotocontrol conmute por variaciones luminosas transitorias, como por ejemplo relámpagos o la luz de un vehículo pasando cerca de la columna donde se encuentra el fotocontrol.
Ejemplo: Imagínense una autopista en la noche en medio de una tormenta eléctrica, sería muy peligroso que el alumbrado se apagara por el nivel luminoso producido por los relámpagos. Por más que la conmutación del interruptor vuelva casi instantáneamente al estado de conexión, las lámparas de descarga tardarían varios minutos en volver a reencender (ver capítulo II del Curso de Instaladores).
ATENCIÓN: Este retardo no tiene ninguna relación con fotocontroles temporizados, estos últimos son otro tipo de interruptores fotoeléctricos que veremos con detenimiento mas adelante en este capítulo. 147
Luego de transcurrido el tiempo de retardo, se actúa directamente sobre el interruptor, el cual puede estar construido por un relay o simplemente un interruptor bimetálico. Este último se encarga de conectar la tensión de alimentación al circuito.
Montaje Mirando un fotocontrol por debajo nos encontramos con tres terminales, los cuales están debidamente preparados para ser colocados en un zócalo para fotocontrol. Observe la imagen:
Zócalo para Fotocontrol Bornes de Línea, Neutro y Carga
Cable de Línea (Negro) Cable de Carga (Rojo) Cable de Neutro (Blanco) El fotocontrol debe alojarse en el zócalo haciendo presión hacia abajo (A) y luego girando el mimo en sentido de las agujas del reloj hasta trabarlo (B). De esta manera el fotocontrol estará listo para ser conectado, colocando los cables de salida del zócalo de la siguiente forma:
A
Cable Negro: Se conecta a la Fase
B
de la Red de alimentación.
Cable Rojo: Se conecta a la carga o al circuito que se desea interrumpir.
Cable Blanco: Se conecta al neutro de la red de alimentación, con la finalidad de alimentar los circuitos internos del fotocontrol.
IMPORTANTE: cuando el fotocontrol actúa, el interruptor interno conecta el cable NEGRO (Alimentación) con el cable ROJO. Por lo tanto la tensión alimentación del circuito a interrumpir debe coincidir con la tensión de alimentación del fotocontrol. 148
Fijación del zócalo: El zócalo siempre deberá estar fijado en el plano hotizontal tal cual se muestra en la figura. Para evitar la influencia de solarización excesiva, la ventana del sensor fotoeléctrico deberá estar dirigida hacia el sur.
Ventana del sensor fotoeléctrico
Circuitos de Conexión Los fotocontroles deben conectarse siempre entre la línea de alimentación y el circuito que se desea comandar. Aquí hay un ejemplo para conectar un fotocontrol con un equipo auxiliar para lámpara de alta intensidad de descarga:
Uno de los errores frecuentes cometidos en obras con equipos auxiliares para lámparas de descarga, es conectar el fotocontrol a la salida del balasto. Cuando el circuito se alimenta (como ya hemos analizado en capítulos anteriores del Curso de Instaladores) e independientemente del tipo de ignitor utilizado, los pulsos de alta tensión generados por el ignitor llegan directamente al fotocontrol, destruyendo el interruptor interno del mismo casi instantáneamente. El síntoma mas común presentado por este tipo de fallas es encontrar las lámparas encendidas a horas del día, producto la de fusión de los contactos del interruptor interno del fotocontrol. Este efecto se produce por el arco eléctrico de los pulsos del ignitor, como si se tratara de una soldadora por arco eléctrico. Observe la siguiente imagen:
149
Otra de las opciones de conexión es utilizar el fotocontrol para comandar lámparas fluorescentes, aunque es raramente utilizada. Vea el siguiente circuito de conexión:
Y la opción más simple: conectar lámparas incandescentes (carga resistiva):
Carga Los fotocontroles se dividen en diferentes clases, de acuerdo a la carga que soporten los contactos del interruptor interno. No es lo mismo colocar como carga un circuito resistivo (lámpara incandescente) que un circuito reactivo (lámparas de descarga), en este ú ltimo caso los contactos del interruptor interno se exigen más en cada operación, por lo tanto la corriente de carga inductiva o capacitiva admitida es menor (repasar conceptos de cargas reactivas en el capítulo 4 del Curso de Instaladores). 150
Analicemos los motivos por los cuales se produce este fenómeno: a) Si la carga es inductiva: El problema se produce cuando el contacto del interruptor interno del fotocontrol abre, interrumpiendo el circuito. La bobina del balasto se opone a esta variación tan brusca de corriente generando un pulso de alta tensión para intentar compensar la falta de corriente. Esta tensión produce un arco que salta entre los contactos abiertos del interruptor interno del fotocontrol, deteriorando los contactos en los sucesivos ciclos, hasta dañarlos permanentemente.
b) Si la carga es capacitiva: El problema se produce cuando el contacto del interruptor interno del fotocontrol cierra , conectando el circuito. En ese momento el capacitor utilizado para corregir el factor de potencia se encuentra descargado (la resistencia interna tiende a cero) y la corriente que circula a través de los contactos cerrados del interruptor interno del fotocontrol es muy elevada. Esta corriente puede ocasionar que los contactos se suelden por exceso de temperatura, dado que en ese punto existe una resistencia de contacto y por lo tanto se disipa una potencia en forma de calor.
IMPORTANTE: Si alimentamos varios circuitos con lámparas de descarga desde un mismo fotocontrol, puede que la corriente de régimen no exceda los valores especificados por el fabricante, pero puede ocurrir que la capacidad utilizada para compensar el factor de potencia supere a la máxima admitida por la categoría del fotocontrol (corriente pico de carga) creando un riesgo de fusión de los contactos tal cual explicamos anteriormente. En esta tabla se muestran las diferentes categorías de fotocontroles y los valores máximos admisibles de corrientes y capacidades 151
Categoría
A
B
C
D
Potencia máxima para cargas resistivas (lámparas incandescentes)
300 W
600 W
1000 W 2000 W
Potencia máxima para cargas inductivas (lámparas descarga)
250 W
400 W
700 W
1000 W
Capacidad máxima para corrección de factor de potencia
16 μF
25 μF
50 μF
100 μF
Bajo estas condiciones, los contactos del interruptor interno deben garantizar 4.000 accionamientos
Seguridad de Accionamiento La norma IRAM AADL J20-24, especifica que los fotocontroles deberán tener lo que denominamos “Prioridad a la Conexión” o “Seguridad de Accionamiento” . Para ello los contactos del interruptor interno deberán ser normalmente cerrados (NC). Esto quiere decir que si el fotocontrol no recibe alimentación, se produce alguna falla en el circuito interno o hay un defecto en la conexión del neutro, las lámparas quedarán encendidas y por lo tanto no corremos el riesgo de quedar a oscuras durante la noche. Por otra parte, los fotocontroles fallados pueden identificarse fácilmente ya que las lámparas permanecerán encendidas durante el día.
N iveles de Operación La conmutación de los estados del fotocontrol debe establecerse dentro de los siguientes parámetros de iluminación (medidos en Lux):
Debe conectar la carga con un nivel de 10 Lux (+/- 30%). Debe desconectar la carga con un nivel menor a 50 Lux. La diferencia entre el encendido y el apagado no deberá ser menor de 5 Lux.
Condiciones de O peración Dado que los fotocontroles son utilizados a la intemperie, deben estar construidos de tal forma que toleren las condiciones ambientales. Deben ser resistentes a la niebla salina y ser totalmente herméticos para soportar lluvia y granizo, siendo IP53 un grado de protección adecuado para estas condiciones. Es necesario que la carcaza externa esté dotada de protección contra rayos ultravioletas, lo que reducirá considerablemente el envejecimiento por exposición a los rayos solares. Existen dos categorías de fotocontroles, la primera (Tipo 1) con temperaturas de operación entre -5 y 50 ºC y la segunda (Tipo 2), mucho mas exigente entre -30 y 50 ºC.
152
Especificaciones Técnicas Analizaremos detenidamente los parámetros técnicos reglamentarios según norma IRAM que deben figurar en el equipo:
A B
F
G
C D E
H
I
A
T e n s i ón d e a l im e n t a c i ó n : necesaria para alimentar el circuito interno del
B
Co r r i e n t e M áx i m a d e C a r g a : corriente máxima admitida por los contactos del
C
N i v e l e s d e O p e r a c i ón : niveles de conmutación a los estados de conexión y
D
G r a d o d e p r o t e c c ió n I P : protección contra sólidos y líquidos para asegurar el
E
O r i e n t a c i ó n d e l a V e n t a n a : indica la posición de la ventana del sensor
F
F r e c u e n c i a d e L ín e a : Indica la frecuencia de línea apta para alimentar el
G
P o t e n c i a M áx i m a p a r a Ca r g a s R e s i s t i v a s : indica la potencia máxima del
H
P o t e n c i a M áx i m a p a r a C a r g a s R e a c t i v a s : indica la potencia máxima del
I
T e m p e r a t u r a d e O p e r a c i ón : indica el rango de temperatura en el cual puede
fotocontrol, debe coincidir con la tensión de alimentación del circuito de carga.
interruptor interno del fotocontrol.
desconexión (expresados en lux).
grado de protección del ambiente de instalación y la vida útil del equipo.
fotoeléctrico. Deberá estar dirigida al sur como hemos visto anteriorment e.
fotocontrol. En este caso es compatible tanto para 50 Hz como para 60 Hz.
circuito de carga que puede se comandado cuando el mismo es de tipo resistivo.
circuito de carga que puede se comandado cuando el mismo es de tipo reactivo.
operar el fotocontrol.
Tipos de F otocontroles Según su Fabricación Hasta ahora hemos analizado el principio de funcionamiento, características y detalles técnicos de los fotocontroles en general. Ahora entraremos en detalle describiendo las ventajas y desventajas de los principales tipos de acuerdo a su construcción y componentes. 153
Fotocontroles por Sensor Fotoresistivo Este tipo de fotocontroles basan su funcionamiento en un sensor fotoresistivo llamado fotoresistor. La característica de los fotoresistores es cambiar su resistencia eléctrica en función de la luz ambiente que impacta en su superficie. Observe la imagen del fotoresistor que se muestra a la izquierda. A la derecha se muestra el aspecto interno de un fotocontrol con sensor fotoresistivo. Cuando la resistencia baja en el fotoresistor, producto de una disminución en la luz ambiente, comienza a circular mayor corriente a través del circuito. Esta variación puede aprovecharse de dos formas: Co l o c a n d o u n a b o b i n a d e r e l a y e n s e r i e : la
disminución de la resistencia del fotoresistor provocará un aumento de corriente. Debido a esto el relay pega y sus contactos cambian de estado. Este tipo de construcción, basado en un relay como interruptor interno de conmutación, recibe el nombre de Fotocontrol magnético.
Co l o c a n d o u n d i s p o s i t i v o t é r m i c o : la disminución de la resistencia del fotoresistor,
produce un aumento de corriente. Esto provoca una disipación de potencia sobre un resistor de valor fijo, colocado en serie al fortoresistor. La temperatura generada por esta disipación de potencia actúa sobre un interruptor bimetálico sensible al calor (como los interruptores bimetálicos utilizados en una plancha). La lámi na sensible del bimetal se dilata y entra en contacto con la lámina de metal fija. De esta forma se produce el cambio de estado. Reciben el nombre de Fotocontroles Térmicos.
154
Algunas desventajas de los fotocontroles por sensor fotoresistivo: El desgaste de los componentes mecánicos es muy importante, produciendo una variación de los parámetros eléctricos, como por ejemplo, los niveles de operación. Los fotoresistores, presentan a lo largo de su vida una variación en sus características eléctricas, produciendo corrimientos en los tiempos de operación (con el consiguiente gasto de energía). La operación del relay de comando a los niveles de sensibilidad requerida, en los fotocontroles magnéticos, dependen de ajustes mecánicos que van desgastándose con el tiempo. Por esta razón dependen de ajustes periódicos para conservar las especificaciones requeridas por la norma. En los fotocontroles de tipo magnéticos, cuando la fotocelda comienza a bajar su resistencia y la corriente aumenta producto de la incidencia de la luz ambiente, existe un instante previo a la conmutación total del relay donde los contactos vibran. Esto se produce porque la variación de corriente en función del tiempo se realiza lentamente y en un primer instante ese valor no alcanza para pegar totalmente la bobina del relay. Esta vibración produce chispas en los contactos provocando un desgaste prematuro por erosión eléctrica. Los cambios de tensión en la red de alimentación, producen variaciones en los parámetros de funcionamiento como ser los niveles de co nmutación y los tiempos de retardo. En los fotocontroles térmicos, los parámetros de funcionamiento son afectados por las variaciones de temperatura ambiente, por lo tanto los rangos de operación no pueden superar el Tipo 1 -5 a 50 ºC. En los fotocontroles térmicos, el consumo de potencia de línea es elevado. Esto se debe la disipación de potencia que produce continuamente en el resistor fijo sobre la lámina del interruptor bimetálico.
Fotoc ontroles por Comando Electrónico Los fotocontroles por comando electrónico utilizan un fototransistor como elemento sensor de los diferenciales luminosos. Este componente es un semiconductor preciso y por ende las tolerancias son mucho más estrechas que las presentadas por un fotocontrol con fotoresistor. La detección el retardo y la conmutación se realizan a través circuitos electrónicos alimentados por una fuente de corriente continua estabilizada. Esto proporciona una estabilidad muy alta en los niveles de conmutación a lo largo de la vida útil del fotocontrol. Por otra parte los corrimientos propios de los fotoresistores, son reemplazados por los valores fijos de tensión que presentan las junturas de materiales semiconductores a lo largo de toda su vida útil. Tampoco hace falta realizar ajustes para mantener los parámetros indicados por la norma, ya que dichos ajustes se realizan en un principio a través de referencias de tensión que permanecen estables y no dependen de materiales mecánicos, los cuales se desgastan a medida que transcurre el tiempo. 155
El relay interno utilizado como elemento de interrupción, recibe siempre el mismo ni vel de tensión de la fuente de corriente continua estabilizada, por lo tanto las vibraciones de los contactos desaparecen prolongando la durabilidad y reduciendo considerablemente la resistencia de contacto de los mismos. Observe el siguiente diagrama en bloques que presenta el funcionamiento global de un fotocontrol electrónico:
FUENTE DE CORRIENTE CONTINUA ESTABILIZADA
Fototransistor (Sensor Óptico)
Detector De Nivel Electrónico
Retardo Electrónico
Conmutador Electrónico
Por el hecho de estar dotados con componentes activos, existe un protector en la entrada de alimentación del fotocontrol contra picos y sobretensiones en la red.
Ventajas de los fotocontroles electrónicos: La combinación del fototransistor con el resto de los componentes electrónicos, no necesitan ajustes de calibración a lo largo de la vida útil del fotocontrol. No existe desgaste de componentes mecánicos, ya que el principio de funcionamiento es totalmente electrónico. Mayor vida útil, con respecto a los fotocontroles por sensor fotoresistivo. Menor tiempo de respuesta. Esto se debe a que en los fotocontroles térmicos, hay un tiempo asociado al calentamiento que se transmite por convección a la lámina del interruptor bimetálico. Debido a que la fuente de alimentación es estabilizada, los cambios en la tensión de línea no afectan los parámetros de funcionamiento como ser los niveles de conmutación ni los tiempos de retardo . Los parámetros de funcionamiento tampoco son afectados por las variaciones de temperatura ambiente, dado que el principio de funcionamiento no es de tipo térmico. Poseen un consumo muy bajo de potencia (no utilizan resistor fijo para calentamiento) por lo tanto el ahorro de energía con respecto a los fotocontroles térmicos es muy importante, aproximadamente un 20%.
156
Fotocontroles Temporizados Su principio de funcionamiento es muy similar a los fotocontroles electrónicos convencionales. La diferencia radica en que la desconexión de la lámpara se producirá luego de un tiempo (que puede ser fijo o ajustable) a diferencia de los fotocontroles normales donde el corte se produce por haber llegado a los niveles luminosos de desconexión (“cuando se hace de día”). El tiempo es gobernado por un timer interno electrónico intercalado en el conmutador. El inicio de la temporización comienza en el momento de accionamiento del fotocontrol. Este tipo de fotocontroles se emplean en c ombinación con fotocontroles normales. Intercalando, luminaria por medio, un fotocontrol convencional con un fotocontrol temporizado, una vez pasado el tiempo de ajuste del timer, producimos un ahorro de energía basado en la desconexión del 50% de las fuentes luminosas, cuando a ciertas horas de la noche, no es necesario un 100% en los niveles de iluminación. Este ahorro es directamente proporcional al tiempo de ajuste del timer que generalmente oscila entre las 4 y las 6 horas de iniciada la conexión. Si desea ampliar conocimientos acerca de “Ahorro de Energía en Iluminación ” consulte el sitio Web de ELT Argentina S.A http://www.eltargentina.com en la sección “Documentación Técnica ” El siguiente es un diagrama de conexión y desconexión de un sistema combinado con un fotocontrol convencional y un fotocontrol temporizado. Nótese que a diferencia de la barra superior, donde se representa al fotocontrol convencional, en la barra inferior (fotocontrol temporizado) la desconexión no depende del nivel de conmutación superior.
157
Existen dos tipos de fotocontroles temporizados:
Con Tiempo de Desconexión Fijo: preestablecido por el fabricante, generalmente cambian de estado 5 horas después de la activación.
Con tiempo Ajustable: entre 1 y 8 horas de ajuste en los mejores modelos de fotocontroles, donde el usuario por medio de una llave selectora, puede elegir en que momento realizar la conmutación y de esta forma compensar las diferencias estacionales. En la siguiente imagen se muestra la parte inferior de un fotocontrol temporizado con selector de ajuste del tiempo de desconexión:
Selector de Ajuste de Tiempo de desconexión
Ventajas y desventajas de los fotocontroles electrónicos temporizados: Prolonga la vida de la lámpara en aproximadamente un 30%, esto se debe a que la misma trabaja menos cantidad de horas/día. Prolonga la vida del equipo auxiliar en un 40% debido a que el calentamiento producto del funcionamiento se reduce desde el tiempo en que el fotocontrol temporizado desconecta el circuito. Economiza energía eléctrica, dado que la instalación de alumbrado permanece encendida menos cantidad de horas/noche. Se pueden sustituir directamente colocando los mismos en el zócalo del fotocontrol convencional sin necesidad de modificar el circuito. Apagar puntos intermedios del alumbrado genera conos de sombra que causan cansancio visual y sensación de inestabilidad producto de la apertura y cierre permanentes de las pupilas, cuando por ejemplo, se está conduciendo por una calzada con este sistema de iluminación. La solución que reemplaza a los fotocontroles temporizados son los equipos doble nivel de potencia . Para mayor información sobre equipos doble nivel de potencia, consultar el sitio Web de ELT Argentina http://www.eltargentina.com en la sección “Documentación Técnica” Fin del Décimo Capítulo 158
