Proyecto 16 p

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA Unidad Azcapotzalco División de Ciencias Básicas en Ingeniería Departamento de Energía Licenciatura en Ingeniería Eléctrica

Proyecto de integración: reg ulaci ulaci ón autom automát átic ic a de una luminaria LE D

“  

Modalidad: Proyecto tecnológico

Nombre del alumno: Abner  alumno: Abner Garcia Garcia Ponce Matricula: 2113000894

 Asesor Dr. Eusebio Guzmán Serrano

Trimestre 16-O

14/Dic/2016

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”  

DECLARATORIA:

Yo, Guzmán Serrano Eusebio, declaro que aprobé el contenido del presente Reporte de Proyecto de Integración y doy mi autorización para su publicación en la Biblioteca Digital, así como en el Repositorio Institucional de UAM Azcapotzalco.

 ____________________________  ____________________________

Dr. Eusebio Guzmán Serrano

Yo, Garcia Ponce Abner, doy mi autorización a la Coordinación de Servicios de Información de la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, para publicar el presente documento en la Biblioteca Digital, así como en el Repositorio Institucional de UAM Azcapotzalco.

 ____________________________  ____________________________

 Abner Garcia Ponce

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DECLARATORIA:

Yo, Guzmán Serrano Eusebio, declaro que aprobé el contenido del presente Reporte de Proyecto de Integración y doy mi autorización para su publicación en la Biblioteca Digital, así como en el Repositorio Institucional de UAM Azcapotzalco.

 ____________________________  ____________________________

Dr. Eusebio Guzmán Serrano

Yo, Garcia Ponce Abner, doy mi autorización a la Coordinación de Servicios de Información de la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, para publicar el presente documento en la Biblioteca Digital, así como en el Repositorio Institucional de UAM Azcapotzalco.

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 Abner Garcia Ponce

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RESUMEN El control automático de una luminaria LED se hace con la finalidad de aprovechar la luz natural y reducir el ahorro de energía, para llevar a cabo el control necesitamos conocimientos específicos de iluminación, electrónica de potencia y eléctrica. El control está constituido por elementos eléctricos y electrónicos comunes en el mercado por lo cual son de muy fácil acceso, su operación de cada elemento lo encontramos en sus hojas de datos (datasheet). El control está constituido por un sensor, el cual captara los niveles de iluminación naturales y así poder implementar los niveles deseados, el sensor mandara una diferencia de voltaje en la entrada analógica A0 del arduino, esta diferencia de voltaje será la que variara la salida digital del arduino que ser á un PWM (modulación por ancho de pulso) pin ~9, con esto se determinara si el ciclo de trabajo de la onda cuadrada, si estará del 100-0%. Y finalmente pasara al conmutador que permitirá una conexión con la luminaria y el arduino.  A continuación en la figura 1 se describe el control con diagramas a bloques.

Figura 1. Diagrama de bloques del sistema de control.

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Índice general Declaratoria Resumen Introducción  Antecedentes Justificación Objetivos Capítulo 1 ojo y visión humana 1.1 ojo humano 1.2 mecanismo visual 1.3 Espectro electromagnético Capítulo 2 iluminación 2.1 concepto de luz 2.2 color de luz 2.3 magnitudes de luz 2.4 curvas de distribución 2.4.1 curva Isocandela 2.4.2 curva isolux 2.5 fuentes de luz 2.5.1 luz incandescente 2.52 luz luminiscente 2.6 tipos de lámparas 2.7 clasificación de la luminaria 2.8 métodos de iluminación 2.8.1 alumbrado general 2.8.2 alumbrado localizado 2.8.3 alumbrado suplementario Capítulo 3 diseño del proyecto 3.1 descripción 3.2 Selección del dispositivo correcto para el Sensor de luz Tanto artificial como natural. 3.2.1 Adquisición de datos de los sensores 3.2.2 Fotoresistencia 2MΩ

3.2.3 fotodiodo 3.3 seleccionar el tipo de microcontrolador y plataforma Y programarlo 3.4 seleccionar el tipo de microcontrolador y plataforma Hardware y programarlo 3.4.1 microcontrolador Página 4 de 57

2 3 7 8 10 11 12 13 13 15 17 18 18 19 20 20 21 22 22 23 23 27 27 27 28 28 29 30 32 33 33 35 37

40 40

3.4.2 entorno de trabajo 3.4.3 PWM 3.5 diseño del circuito eléctrico 3.6 ensamblaje de dispositivos 3.7 análisis y resultados 3.8 conclusión Referencias bibliográficas Referencias citadas  Apéndices

42 48 49 50 51 54 55 55 57

Índice de figuras Figura 1. Diagrama de bloques del sistema de control. Figura 2. La luz procedente de un objeto lejano y otro cercano Figura 3. Curva de adaptación de ojo Figura 4. Ángulos de visión del ojo humano Figura 5. Espectro visible al ojo humano Figura 6. Curva de sensibilidad del ojo.

3 13 14 15 15 16

Figura 7. Espectro electromagnético; donde λ es la longitud

De onda de la radiación en angstromg 1 Figura 8. Curva Isocandela Figura 9. Curva Isocandela de una luminaria exterior Figura 10. Alumbrado general Figura 11. Alumbrado general localizado Figura 12. Alumbrado suplementario Figura 13. Dimensionamiento de la oficina. Figura 14. Dimensionamiento del aula 1, Figura 15. Fotoresistor y fotodiodo Figura 16. Luxómetro digital Figura 17. Curva característica de la Fotoresistencia. Figura 18. Curva característica del fotodiodo. Figura 19. Circuito del divisor de voltaje Figura 20. Arduino uno Figura 21. Diagrama de pines de atmega328 Figura 22. Diagrama de pines de arduino uno. Figura 23. Entorno de desarrollo. Figura 24. Curva característica y su tendencia exponencial Interpretada por arduino uno. Figura 25. Estructura del código del sensor Figura 26. Conexión de la Fotoresistencia a arduino Página 5 de 57

18 21 21 27 28 28 30 31 32 33 35 37 38 40 41 42 42 45 45 46

Figura 27. Luxes medidos por el sensor Figura 28. Luxómetro digital Figura 29. Modulación del ancho de pulso Figura 30. Código de programación PWM Figura 31. Mosfet IRLZ34 Figura 32. Circuito eléctrico Figura 33. Circuito armado en una tablilla de conexiones Figura 34. Tira de LED’s

Figura 35. Ciclo de trabajo de la oficina Figura 36. Ciclo de trabajo casi 0 Figura 37. Ciclo de trabajo del 50%

46 47 48 49 50 50 51 51 52 53 53

Índice de tablas

Tabla 1 potencia y eficacia de tres tipos de lámparas “incandescentes, fluorescentes y LED’s

Tabla 2. Frecuencia de distintos rangos del espectro Tabla 3. Muestra la longitud de onda de los colores. Tabla 4. Magnitudes de la luz Tabla 5. Niveles de iluminación en diferentes ambientes Tabla 6. Tipos de lámparas Tabla 7. Clasificación de las luminarias Tabla 8. Diferente variación de luz con respecto a la zona. Tabla 9. Niveles de iluminación desde distintos puntos Tabla 10. Luxes establecidos por norma Tabla 11. Valores obtenidos de la Fotoresistencia. Tabla 12. Valores obtenidos del fotodiodo Tabla 13 Valores en términos de voltaje para la

9 16 18 20 22 23 27 30 31 32 34 35

Fotoresistencia de 2MΩ con diferentes

Niveles de iluminancia. Tabla 14. Valores en términos de voltaje para LDR 2 MΩ con diferentes niveles de iluminancia

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39 43

INTRODUCCIÓN En la actualidad el ahorro de energía eléctrica a esc ala global, se encuentra intenso debate. Cada vez somos más los que necesitamos de energía y para producirla tiene consecuencias no muy favorables para el medio ambiente. Es por eso que se busca ahorrar el consumo de energía, implantando nuevas tecnologías en distintos tipos de dispositivos, al igual aprovechar los recursos naturales, para mejor eficiencia de energía. Entre 1997 y 2007 el consumo de electricidad para iluminación en México creció a un ritmo del 3.9% anual, y al cierre del 2009 dicho consumo representó el 18% del total de la energía eléctrica consumida en el país, a través de un parque estimado en 290 millones de lámparas (tubos fluorescentes, focos incandescentes y lámparas fluorescentes compactas) [1]. La Iluminación emerge como una tecnología alternativa en iluminación con una amplia variedad de aplicaciones. Los Diodos Emisores de Luz (LED) son la tecnología de mayor disponibilidad en el mercado. Ofrece una gran variedad de ventajas sobre las otras tecnologías de iluminación, desde la eficiencia, solidez y longevidad, hasta la capacidad de generar de manera directa una gran cantidad de colores. Los LED’s actualmente disponibles ya están reemplazando rápidamente a otras fuentes de iluminación convirtiéndolas en la tecnología preferida para luces decorativas y de diferentes aplicaciones. La potencia de los LED’s, como fuente de iluminación general (luz blanca), es actualmente una de sus principales promesas de cara al futuro. En este documento se aborda primeramente la tecnología de la iluminación con LED, centrándose en sus aplicaciones, ciclo de vida y su capacidad para mejorar la eficiencia en la iluminación. Los objetivos de implementar iluminación LED son: 







La mitad de esta energía se puede ahorrar si se produce un cambio hacia una iluminación eficiente basada en iluminación de estado sólido. La mejora en un 1% en la eficiencia luminosa global ahorraría 2 billones de dólares por año. El rendimiento energético de los LED ’s blancos han superado a todas las fuentes tradicionales de iluminación. Los LED’s de producción de luz visible tienen estimaciones de vida que llegan a superar las 100,000 horas de funcionamiento.

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En este proyecto, se presenta una propuesta innovadora sobre el control de iluminación de un luminario en función de la iluminación natural, para tener un mejor rendimiento energético. Se implantarán dispositivos sensores capaces de medir la energía luminosa natural procedente del sol, para luego ajustar la intensidad luminosa de la lámpara LED.

ANTECEDENTES Desde hace muchos años, el hombre no solo utilizó el fuego para calentarse o cocinar si no que también como una forma de iluminar los espacios cerrados. Con los años se fueron innovando o creando nuevos sistemas de iluminación dependiendo de las distintas épocas. Se podría decir que el primer método de iluminación fue la antorcha, después la vela, hasta dar paso a nuevas té cnicas más avanzadas tras el descubrimiento de combustibles capaces de proporcionar una llama. No fue hasta 1879, cuando Thomas Édison creo la primera bombilla eléctrica la cual estuvo brillando más 48 horas seguidas [3]. En los años 50 del siglo pasado, se popularizaron nuevos materiales como el plástico. A partir de 1970 las lámparas de bajo voltaje, que inicialmente se denominaron lámparas de reflector rellenas de gas inerte, encaminaron una revolución en el diseño de la iluminación.  A medida que se va flexibilizando y sensibilizando la tecnología de iluminación, ésta va encaminado hacia nuevos límites. Como por ejemplo las lámparas de descargas están basadas en el fenómeno de la luminiscencia y dependiendo de del gas utilizado y la presión de éste se determinan sus características finales. Más concretamente los tubos fluorescentes fueron diseñados a finales de 1940 [4]. La invención del LED data desde 1956, las primeras aplicaciones industriales comenzaron en 1970. Debido a su baja eficiencia luminosa en un principio eran escasas sus aplicaciones. La Investigación y Desarrollo de los LED’S para cualquier uso (pero especialmente para iluminación general), está progresando rápidamente y es objeto de numerosas iniciativas gubernamentales e inversiones internacionales [5]. La luz natural a pesar de los avances tecnológicos, sigue siendo por excelencia una fuente de iluminación, cubre todo el espectro visible, proporcionando una gama de colores completa, con variaciones de intensidad, color y distribución en todas direcciones. La disponibilidad y características de la luz natural procedente del sol dependen de la latitud, meteorología, época del año y del momento del día. Es Página 8 de 57

sabido que la cantidad de luz natural recibida en la tierra varía con la situación, la proximidad a las costas o tierra adentro. El clima y la calidad del aire también afectan a la intensidad y duración de la luz natural [6]. Lo importante de la iluminación, es conseguir en el entorno el contraste necesario para que la visión prolongada de forma concentrada, no provoque cansancio. La iluminación general en una habitación, donde se lleve a cabo alguna actividad debe estar provisto de regulación para ajustar el valor del contraste. Al combinar los dos tipos de iluminación, natural y artificial, se busca un mejor rendimiento energético. En la UAM-A, se ha trabajado en este tema y por ejemplo se tienen los resultados de un proyecto de integración bajo el nombre, “Diseño de un controlador para un sistema combinado de ilumin ación, natural y artificial” [14 ]. La implementación de dicho proyecto no fue muy enfocado al concepto de eficiencia de energía, ya que sus limitaciones fueron enfocadas a dos tipos de iluminación artificial, lámparas incandescentes y fluorescentes compactas. Como sabemos un foco incandescente desperdicia entre el 80 y 90 porciento de electricidad convirtiéndola en calor. Es decir, que por cada un watt los lúmenes son entre 13-15 [7]. Las lámparas fluorescentes tienen un poco más de ventaja, alcanzan los 60-77 lum/W, la luminaria LED alcanza valores promedios de 80-90 lum/W. La tabla 1 [8] muestra los diferentes tipos de lámparas con su potencia y eficacia respectivamente. Lámparas incandescentes Potencia Eficacia [W] [lum/W] 100 –200 13-16 500 16-19 5 –40 –100 5-17

Lámparas fluorescentes

Lámparas LED’s

Potencia [W] 20 30 50 H 60 H 100

Potencia [W] 18 30 50 60 100

Eficacia [lum/W] 60 73.3 72 67.5 77

Eficacia [lum/W] 80 85 80 83.3 80

Tabla 1 [8] potencia y eficacia de tres tipos d e lámparas “incandescentes, fluorescentes y LED’s

Para la realización de este proyecto, se consideraran los antecedentes mencionados y fundamentalmente se partirá de los resultados del trabajo desarrollado en la AUM-A [14]. Es importante señalar que, en este proyecto se llegó únicamente a demostrar su funcionamiento en lámparas incandescentes. En este que abordamos, se Página 9 de 57

aprovecharan los resultados del sistema de control y se adaptarán a la nueva tecnología LED. Es importante resaltar que para la tecnología LED no se puede aplicar directamente los resultados del foco incandescen te, ya que tienen diferentes métodos de operación, lo cual se requerirá de un nuevo circuito eléctrico de potencia. Sin embargo, el sistema del sensor y adaptación serán de gran utilidad para el desarrollo de este proyecto. Para nuestro caso se pretende utilizar un control por microcontroladores, los cuales se adaptan muy bien a las necesidades. Hay infinidad de microcontroladores, sin embargo se utilizará aquel que tenga mayor disponibilidad en el mercado, bajo costo, y su método de programación sencilla etc.

JUSTIFICACION

1. El ahorro de energía En nuestros tiempos requerimos ahorrar energía ya que cada vez somos más los que necesitamos de ella y esto genera un impacto negativo al medio ambiente, por lo que se necesita disminuir la contaminación que se genera al generar energía eléctrica por ejemplo.

En muchos casos el flujo luminoso de las lámparas puede ser regulado utilizando componentes electrónicos. Pero la reducción de flujo luminoso y de consumo de energía no es lineal: un tubo fluorescente totalmente regulado puede tener un flujo luminoso del 2% del flujo luminoso máximo, y aún requerirá el 25% del consumo de energía que precisa al 100 por 100 del flujo luminoso máximo. Esto es debido al consumo de energía del balastro y a la menor eficacia de la lámpara regulada [6]. 2. Economía de costos El costo inicial, los costos de energía, etc., son otros elementos a tener en cuenta en una instalación de iluminación. Con los bajos precios actuales de energía, el tiempo de recuperación económica puede parecer largo; pero hay argumentos para invertir en instalaciones “caras”, como la flexibilidad, el confort y la calidad

[6].

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3. Confort del usuario Los beneficios de un buen alumbrado son a menudo subestimados, sin embargo hay múltiples investigaciones que demuestran lo importante que es el alumbrado en el entorno de trabajo. Un sistema de control de alumbrado puede mejorar el confort, equilibrando las relaciones de luminancia en los distintos espacios.  Además, los sistemas de control de alumbrado pueden ofrecer características adicionales, tales como el control automático a distancia y alumbrado dinámico para los sistemas más complejos.  Actualmente una iluminaria LED, puede alcanzar en términos de eficacia de fuente de luz valores solo ligeramente por debajo de los que se obtienen con otras fuentes de luz tradicionales de tecnología actual como lo son las lámparas de vapor de sodio de alta presión o lámparas de halogenuros metálicos [6].

4. conocimientos académicos En la realización de este Proyecto de Integración se aplicarán los conocimientos que se obtuvieron en los diferentes cursos o UEA que se impartieron en la Universidad como son Electrónica de Potencia, Teoría de Control, Microcontroladores, Iluminación y Energía Solar. Estos conocimientos soy muy indispensables para poder desarrollar dicho proyecto, el más destacado es el curso de microcontroladores que permitirá controlar y optimizar la iluminación con tecnología LED con mayor precisión y uso eficiente de la energía.

OBJETIVOS. Objetivo general: Desarrollar un controlador para un tipo de lámpara de LED’S que permita optimizar la iluminación y el uso eficiente de energía eléctrica. Objetivos Específicos:   

Diseñar un controlador de iluminación Adaptar el sistema de sensores Hacer el montaje te todos los dispositivos y hacer pruebas en un gabinete provisional

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Capítulo 1 Ojo y Visión humana

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1.1 ojo humano El ojo humano es un órgano complejo que convierte la luz del campo visual en un estímulo nervioso que será interpretado por el cerebro como una sensación que denominamos visión1. Los ojos con una luz insuficiente o de baja calidad, se cómo mínimo, una fatiga innecesaria, pudiendo dar lugar a la inflación de los mismos y dolor de cabeza2. Los rayos de luz entran en el cristalino que está en la pupila, inciden sobre unas células fotosensibles localizadas en el fondo de la superficie interna del globo ocular, que forman lo que se llama retina. Estas células están integradas por dos grupos “conos” y “bastoncillos”.

Los conos están formados cerca del centro de la retina que recibe el nombre de fóvea. En esta parte los rayos luminosos enfocados por el cristalino forman una imagen clara y nítida que es trasmitida al cerebro por el nervio óptico, estos forman la visión diurna. Los bastoncillos son menos escasos que los conos, dispuestos en forma de mosaico y no producen una imagen finamente definida muchos de ellos están conectados a nervios no al cerebros, si no directamente a músculos. Forman parte de los reflejos y son encargados de la visión nocturna que no distingue color pero si forma. Un buen diseño de iluminación debe considerar un buen nivel para la visión de conos pero también de bastoncillos. 1

manual de la i luminación ICAR3 manual de alumbrado. Westinghouse.

2

1.2 Mecanismo visual El mecanismo visual se puede describir en tres procesos  Acomodación o enfoque: capacidad del ojo para enfocar automáticamente un objeto

a distancias diferentes. Para enfocar un objeto más secano, particularmente dentro de los 6 metros, es preciso aumentar la convexidad del cristalino mediante la contracción de músculos ciliares. La acomodación también incluye cambios en el diámetro de la pupila, cuando el ojo se enfoca en objetos distantes la pupila es relativamente grande y cuando se enfoca en objetos cercanos la pupila es pequeña. Como se muestra en la siguiente figura 2.

Figura 2. La luz procedente de un objeto lejano y otro cercano Página 13 de 57

 Adaptación: es la facultad del ojo para ajustarse automáticamente a cambios en los

niveles de iluminación, debido a que el diafragma por el iris cambia de diámetro que varía de 2mm a 8mm. Figura 3 se muestra la curvas de adaptación respecto al tiempo.

Figura 3. Curva de adaptación de ojo

Campo visual: el campo visual normal se extiende aproximadamente 180° en el plano horizontal y 130° en el plano vertical, 60° por encima del horizontal y 70° por debajo como se muestra en la figura 4. El campo visual de cada ojo es de tipo molecular, sin sensaciones de profundidad, siendo la visión en la zona de superponían de ambos campos de tipo molecular.

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Figura 43. Ángulos de visión del ojo humano

El ojo tiene un campo visual bastante amplio, pero distinta agudeza visual, la mayor visión se establece en el centro del ojo y la menor disminuye hacia la periferia. 3

http://www.racesimonline.com/articulos/El_campo_de_vision.php

1.3 Espectro electromagnético Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud, como los rayos gama y los rayos x, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas de mayor longitud como lo son las ondas de radio, en la figura 5 se muestra el rango de visión del ojo humano respecto al espectro electromagnético.

Figura 54. Espectro visible al ojo humano Página 15 de 57

Región del espectro Radio-microondas infrarrojo Luz visible ultravioleta Rayos x Radiación gama

Intervalo de frecuencias (Hz) 0 - 3x1012 3x1012 – 4.6x1014 4.6x1012 – 7.5x1014 7.5x1014 – 6x1016 6x1016 - 1x1020 1x1020

Tabla 25. Frecuencia de distintos rangos del espectro

El ojo es capaz de distinguir las diferentes longitudes de onda del espectro luminoso y las percibe como el color de la luz, correspondiendo los colores violeta, azul a las longitudes más cortas (cerca de 0.4µm) y los colores naranja, rojo a las longitudes más largas (cerca de 0.7µm) figura 6, El espectro visible para el ojo humano comprende una banda de longitudes de onda entre los 3.800 y 7.600 angstroms6

Figura 62. Curva de sensibilidad del ojo. 6

Un angstrom es una unidad de longitud usada para expresar longitudes de onda y es igual a 0.1nm (1x10-10m) Leonberger. Revealing the small range of radio-microwave frequencies. Phys. Educ. Vol. 37, September 2002, pp. 425-427 4 http://aguscastillo.blogspot.es/1438817433/el-espectro-electromagnetico/ 2 manual de alumbrado. Westinghouse. 5

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Capítulo 2 Iluminación

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2.1 Concepto de luz La luz es una energía radiante con capacidad para producir sensaciones visuales. La energía visible es una parte muy pequeña del espectro electromagnético (figura 7). La luz es una formidable cantidad de energía radiante que se desplaza a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas.

Figura 7. Espectro electromagnético; donde λ es la l ongitud de onda de la radiación en angstromg1

 = 

Donde W = velocidad constante F = frecuencia Todas estas radiaciones son similares en cuanto a la naturaleza y a la velocidad con que se desplazan (≈300000 Km/s) pero diferente a su longitud de onda, su

frecuencia y la forma de manifestarse.

2.2 Color de luz El color de luz depende de su longitud de onda: Color Violeta rojo  Azul Verde amarillo naranja

Longitud de onda (Angstromg) 3800 - 4500 6300 - 7600 4500 – 4900 4900 - 5600 5600 – 5900 5900 - 6300 Tabla 37. Muestra la longitud de onda de los colores.

7

proyecto terminal

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Filamentos de tungsteno. Pos ee un espectro continuo o sea, que tiene todas la λ visuales, es decir está cerca del blanco, recordando que el blanco son todas las combinaciones de los colores.  Arco de mercurio. Poses un espectro lineal, contiene solo 1 o 2 grupos de λ dada

su coloración. Luz solar. Se aproxima a una energía uniforme, posee todas las λ visuales en igual

cantidad.

2.3 Magnitudes de la luz Es de suma importancia tomar en cuenta las unidades fotométricas de los sistemas de iluminación. Por la simple razón que no toda la luz emitida por una fuente llega al ojo humano y produce sensación luminosa, ni toda la energía que consume. Todo esto se tiene que evaluar de alguna manera, para ello definiremos nuevas magnitudes. Intensidad luminosa, flujo luminoso, iluminación y luminancia o brillo fotométrico. En la siguiente tabla 4 se muestran las magnitudes de la luz. Magnitud

Intensidad luminosa

flujo luminosa

Símbolo

I

φ

Unidad

Definición

Candela (cd) Es la la candela es intensidad una cantidad luminosa de física básica una fuente internacional expresada en en todas las candelas es medidas de su potencia es luz candelas

Lumen (lm)

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El lumen es el flujo de luz que incide sobre una superficie de 1 m2 de una fuente puntual que tenga una intensidad luminosa de 1 candela en

 Aplicación principal Se emplea no solo para indicar la intensidad de una fuente en una determinada dirección, también se toman medidas de potencia en candelas desde distintos ángulos. Sirva para expresar cantidades de flujo luminoso, la emisión total de una fuente, la emisión en una zona angular determinada,

todas las direcciones.

Iluminación

Luminancia O brillo fotométrico

E

B

2

.

la cantidad de luz reflejada, etc.

Lux (lx)

Un lux es la Sirve para iluminación de indicar la de un punto iluminación en (A) sobre una un punto superficie. determinado o la iluminación  medida sobre  una =    superficie.

Lambert (lumen por centímetro cuadrado)

La luminancia se expresa Las encandelas iluminancias por unidad de relativamente superficie. Una altas, tales superficie tiene como las de que tiene un las fuentes de brillo en una luz, se dirección dada expresan igual al brillo normalmente uniforme de en Lambert. una superficie.

Tabla 42. Magnitudes de la luz

manual de alumbrado. Westinghouse

2.4 Curva de distribución Una luminaria se diseña para distribuir la luz en diversas formas. Esta distribución de la luz se puede representar en gráficas, la más común de estas gráficas, estos gráficos representan la intensidad luminosa de una lámpara o una iluminaria, esta curva se obtiene al tomar mediciones de la intensidad luminosa desde distintos ángulos alrededor de la iluminaria, cada iluminaria tiene una curva de distribución en particular, así podemos elegir la más adecuada p ara una aplicación determinada. 2.4.1 Curvas Isocandela La curva Isocandela es la proyección sobre un plano de la intensidad luminosa de una lámpara expresada en candelas, por consiguiente representan la unión de los puntos del plano que poseen la misma intensidad en candelas (ver figura 8).

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Figura 88. Curva Isocandela 8

http://www2.ulpgc.es/hege/almacen/download/11/11748/Tema_02.pdf

2.4.2 Curva isolux Las curvas se obtienen a partir de características de la fuente luminosa, flujo o intensidad luminosa, y dan información sobre la forma y magnitud de la emisión luminosa de esta. La curva isolux representa la unión de los puntos del plano que tienen el mismo valor de iluminación. Los dos ejes d/h y l/h de la figura 4 relacionan el ancho de la calle (l) con la distancia entre las columnas (d) y la altura de los mismos (h). Estos gráficos son muy útiles porque dan información sobre la cantidad de luz recibida en cada punto de la superficie de trabajo.

Figura 9.Curva Isocandela de una luminaria exterior Página 21 de 57

2.5 Fuentes de luz La finalidad de una fuente de luz consiste en producirla, y la eficacia con que una lámpara realiza este cometido se expresa en lúmenes emitidos por vatios consumidos, relación llamada eficacia luminosa. En la siguiente tabla 5 se muestran algunos rangos de niveles de iluminación.  Ambiente Medio día pleno sol Día semicubierto Día cubierto Zonas de transición Interior luminoso Interior bajo Calle iluminación alta Calle iluminación media Calle iluminación baja Calle iluminación mínima Luna Estrellas

Lux 100000 30000 10000 3000 1000 100 30 10 3 1 0.1 0.01

Tabla 53. Niveles de iluminación en diferentes ambientes 3

manual de la i luminación ICAR3

Existen dos tipos básico de fuentes de luz: incandescencia y luminiscencia. La incandescencia involucra la vibración de átomos enteros, y la luminiscencia solo a los electrones. 2.5.1 Luz incandescente Es la luz obtenida de la energía de calor. Si calentamos algo a una temperatura lo suficientemente alta, esto empezara a brillar. La luz incandescente se produce cuando los átomos se calientan y empiezan a liberar alguna de su vibración terminal como radiación electromagnética. Este es el tipo de luz más común que nosotros vemos todos los días, como la luz solar, las bombillas o focos regulares (no fluorescentes) y el fuego. La luz es producida por la incandescencia cuando la luz viene de un sólido que se ha calentado.

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El Sol es el miembro central del sistema solar. Este gobierna los movimientos de los otros miembros en la órbita debido a su fuerza gravitatoria. El Sol proporciona casi todo el calor y toda la luz y otras formas de energía que son necesarias para la vida en nuestro planeta. Aunque el sol es una estrella bastante ordinaria, es muy importante para los habitantes de la Tierra, ya que es la fuente de la energía de toda la Tierra. El Sol y las Estrellas brillan por incandescencia. 2.5.2 Luz Luminiscente La luminiscencia es "luz fría", es luz de otras fuentes de energía que puede tener lugar en temperaturas normales o más bajas. La luz luminiscente ocurre a temperaturas más bajas que la luz incandescente. Esta se produce cuando un electrón suelta o libera alguna de su energía a la radiación electromagnética. Los electrones necesitan tener cierta energía para mantenerse a ciertos niveles, entonces cuando un electrón desciende a un nivel de energía más bajo, este libera una cantidad específica de energía, la cual se convierte en un fotón o en luz de cierto color. Para tener luminiscencia continua, es necesario tener algo que continuamente dé un empujón a los electrones a un nivel de energía más alto para mantener funcionando el ciclo. Este empujón puede ser proporcionado por diferentes fuentes, tales como corriente eléctrica, como en la luz fluorescente, luz de neón, iluminación exterior de vapor de mercurio, diodos que emiten luz, pantallas de televisión y monitores de computadora, animales como las luciérnagas, etc.

2.6 Tipos de lámparas La tabla 6 muestra los diferentes tipos de lámparas Lámpara

Lámpara incandescente

Incandescentes

definición La lámpara incandescente produce luz por medio del calentamiento eléctrico de un alambre (el filamento) a una temperatura alta que la radiación se emite en el campo visible del espectro. Son las más antiguas fuentes de luz conocidas con las que se obtiene la mejor reproducción de los colores, con una luz muy cercana a la luz natural del sol. Su desventaja es la corta vida de funcionamiento, baja eficacia luminosa (ya que el 90% de la energía se pierde en forma de calor) y depreciación luminosa con respecto al tiempo. La ventaja es que tienen un coste de adquisición bajo y

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halógena de Tungsteno

sodio de baja Presión

Descarga

sodio de Alta Presión

su instalación resulta simple, al no necesitar de equipos auxiliares. Las lámparas incandescentes halógenas de tungsteno, tienen un funcionamiento similar al de las lámparas incandescentes normales, con la salvedad de que el halógeno incorporado en la ampolla ayuda a conservar el filamento. Aumenta así la vida útil de la lámpara, mejora su eficiencia luminosa, reduce tamaño, mayor temperatura de color y poca o ninguna depreciación luminosa en el tiempo, manteniendo una reproducción del color excelente. Existe una gran similitud entre el trabajo de una lámpara de sodio de baja presión y una lámpara de mercurio de baja presión. Sin embargo, mientras que en la última, la luz se produce al convertir la radiación ultravioleta de la descarga del mercurio en radiación visible, utilizando un polvo fluorescente en la superficie interna; la radiación visible de la lámpara de sodio de baja presión se produce por la descarga de sodio. La lámpara producirá una luz de color amarillo, ya que en casi la totalidad de su espectro predominan las frecuencias cerca del amarillo. La reproducción de color será la menos valorada de todos los tipos de luminaria, Pero sin embargo es la lámpara de mayor eficiencia luminosa y larga vida. La diferencia de presiones del sodio en el tubo de descarga es la principal y más sustancial variación con respecto a las lámparas anteriores. El exceso de sodio en el tubo de descarga, para dar condiciones de vapor saturado además de un exceso de mercurio y Xenón, hacen que tanto la temperatura de color como la

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Halogenuros Metálicos

LED’s

LED’s

reproducción del mismo mejoren notablemente con las anteriores, aunque se mantienen ventajas de las lámparas de sodio baja presión como son la eficacia energética elevada y su larga vida. Las lámparas de mercurio halogenado son de construcción similar a las de mercurio de alta presión. La diferencia principal entre estos dos tipos, es que el tubo de descarga de la primera, contiene una cantidad de haluros metálicos además del mercurio. Estos haluros son en parte vaporizados cuando la lámpara alcanza su temperatura normal operativa, El vapor de haluros se disocia luego dentro de la zona central caliente del arco en halógeno y en metal, con el metal vaporizado irradia su espectro apropiado. Hasta hace poco estas lámparas han tenido una mala reputación, al tener un color inestable, precios elevados y poca vida. Hoy han mejorado aumentando su eficacia lumínica y mejorando el índice de reproducción del color, punto débil en el resto de lámparas de descarga El LED es un diodo emisor de luz, es decir, un dispositivo semiconductor que emite luz cuando circula por la corriente eléctrica; es un proyector electroluminiscente que emite luz mediante la recombinación de los pares de portadores de carga de un semiconductor Ventajas Elevada resistencia física: elementos 100% sólidos, resisten golpes y vibraciones mucho mejor que lámparas convencionales. 

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Mayor duración, por no depender de que el filamento se queme Elevada eficiencia de conversión de la electricidad entrante hacia la energía luminosa: mientras el rendimiento energético de una bombilla de tungsteno es del 10%, los diodos LED aprovechan hasta el 90%. Con el equivalente a una bombilla de tungsteno se pueden construir aproximadamente 10 LED’s. Si algún LED se rompe es posible reemplazarlo Baratos y fáciles de fabricar Larga vida útil: Hasta 100.000 horas de vida útil comparado con 8000 horas de una lámpara convencional. Pueden emitir hasta 16 millones de colores distintos. No emiten radiaciones infrarrojas y/ o ultravioletas. Muy importante para la iluminación de obras de arte, donde habitualmente la radiación deteriora el objeto a iluminar. No explotan No contaminan ni poseen elementos contaminantes No emiten calor, por lo que son muy adecuados iluminar objetos inflamables y ahorrar energía necesaria para regular la temperatura ambiental. Resisten bien las variaciones en temperatura por lo cual son adecuados para iluminación de exteriores. 



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

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

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2.7 Clasificación de las luminarias Tabla 7. En la siguiente tabla se muestran cómo se clasifican las luminarias Tipo indirecta semiindirecta General difusa Semidirecta directa

Componente hacia arriba 90-100% 60-90% 40-60% 10-40% 0-10%

Componente hacia bajo 0-10% 10-40% 40-60% 60-90% 90-100%

Tabla 72. Clasificación de las luminarias 2

manual de alumbrado. Westinghouse.

2.8 Métodos de iluminación 2.8.1 Alumbrado general Se llama así a una disposición de las luminarias que proporcionan un nivel razonable uniforme de iluminación en un área interior. Las dimensiones físicas del área, las características de distribución de la luminaria son factores que determinan el emplazamiento de los equipos. La distribución más uniforme se obtiene mediante la colocación simétrica de las luminarias necesarias para producir la luz deseada.

Figura 1010. Alumbrado general 10

http://recursos.citcea.upc.edu/llum/interior/iluint1.html

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2.8.2 Alumbrado general localizado Este tipo de alumbrado consiste en colocar los equipos de alumbrado general en zonas especiales de trabajo donde se necesitan altas intensidades, bastando con la luz emitida por dichas luminarias para iluminar las á reas contiguas. Las luminarias tipo directo, semidirecta y directo-indirecto son las quemas se utilizan.

Figura 1111. Alumbrado general localizado 11

https://www.google.com.mx/search?q=angulo+de+visi%C3%B3n+del+ojo+humano&espv=2&biw=1025&bih=502&source=l nms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwifh8rVqe_QAhVOyGMKHXLmC_8Q_AUIBigB#tbm=isch&q=alumbrado+general++loca lizado&imgrc=SBQOtqNiIO3ELM%3A

2.8.3 Alumbrado suplementario El alumbrado suplementario proporciona una intensidad relativamente alta en puntos específicos de trabajo, mediante un equipo de alumbrado directo comb inado con la iluminación general o localizada. Este tipo de alumbrado se utiliza con frecuencia cuando se trata de tareas visuales especiales y cuando no se puede proporcionar mayor intensidad por ninguno de los otros métodos.

Figura 1212. Alumbrado suplementario 12

https://www.google.com.mx/search?q=angulo+de+visi%C3%B3n+del+ojo+humano&espv=2&biw=1025&bih=502&source=l nms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwifh8rVqe_QAhVOyGMKHXLmC_8Q_AUIBigB#tbm=isch&q=alumbrado+suplementario &imgrc=Jb74TAt_tjNhvM%3A

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Capítulo 3 Diseño del proyecto

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3.1 Descripción El proyecto se hizo con la finalidad de mejorar e implementar un nuevo sistema de iluminación en un área específica, de igual forma satisfacer un ahorro energético. En nuestro caso el área escogida, cumplen con los requisitos para implementar el sistema de iluminación. En la figura 13 se muestran las dimensiones y características de oficina.

Figura 13. Dimensionamiento de la oficina. Los datos están dados en metros, con una Altura de 2.42 metros, la altura de la lámpara al plano de trabajo es de 1.65 metros.

En tabla 8 se muestran los datos medidos de un luxómetro digita [3].

Mesa de trabajo Piso

Luz natural 39 7

Luz artificial 344 175

Luz combinada 380 183

Tabla 8. Diferente variación de luz con respecto a la zona.

Estas mediciones se hicieron tomando en cuenta que la ventana tiene una película anti-asalto, la cual no permite que la luz natural penetre completamente.

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Para complementar, se hicieron pruebas en un aula de aprendizaje, por norma mexicana “NOM-025-STPS-2008. Establece 300 lx, al igual que en las oficinas en la figura 14 se muestran las dimensiones y características del aula.

Figura 14. Dimensionamiento del aula 1, los datos están dados en metros. La altura de la luminaria a la mesa de trabajo es de 2 metros.

En la tabla 9. Se muestran los tipos de iluminación con diferentes condiciones, al igual que se muestran las mediciones de otra aula 2 con las mismas mediciones, pero con otro tipo de condiciones “sombra de los arboles exteriores”

Luz natural  Aula 1

 Aula 2

Mesa trabajo Piso Mesa trabajo piso

de 1030

580

Luz combinada 1560

1010 de 90

426 410

1436 505

378

450

72

Luz artificial

Tabla 9.niveles de iluminación desde distintos puntos

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Con base a lo establecido por la NORMA OFICIALMEXICANA, tabla 10. Tomamos en cuenta 300 lx distribuidos por toda el área de la oficina. Esto se hace con la finalidad de tener una mejor visión hacia los trabajos que se estén realizando. OFICINAS

I.E.S

Trabajos ordinario 1000 lx de oficina

S.M.I.I 600 lx

NOM-025-STPS2008 300 lx

Tabla 10. Luxes establecidos por norma

Dicho proyecto sustituirá la luminaria fluorescente por luminaria LED, de igual forma la luminaria LED estará controlada, este tipo de control lo aplicaremos directamente de la luz solar. Como hemos visto hay un desperdicio de energía eléctrica en estos tipos de espacios (oficinas), las luminarias se encuentran encendida gran parte del día, y algunas no lo requieren, ahí es donde se ap licara el control automático de luz solar y artificial. Para poder llevar a cabo el control se tomaron varios parámetros los cuales describiré a continuación. 3.2 Selección del dispositivo correcto para el sensor de luz tanto artificial como natural. La luz natural tiene una gran aportación sobre el espacio siempre y cuando este en contacto directo con la superficie a iluminar. Por ende se requiere de un dispositivo el cual muestre qué tantos luxes son aportados por la luz natural y artificial para después llevar a comparar con los valores mínimos recomendados por la NOM-025-STPS-2008. Como referencia se pueden tomar por ejemplo 300 lx (tabla 10), y así poder establecer un valor mínimo de luz artificial. Este tipo de dispositivo tiene que ser muy eficiente, capaz de detectar el más mínimo haz de luz, por lo cual se realizarán diferentes pruebas con distintos sensores, y así determinar el mejor. En la figura 15 se muestra algunos dispositivos de sensores de luz.

Figura 15. Fotoresistor y fotodiodo

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Para tener una mejor eficiencia en la lámpara LED se caracterizaron los dispositivos sensores, estos dispositivos se aislaron completamente de luz exterior, encerrándolos en una caja sellada, en la parte superior de la caja se instaló un foco incandescente el cual estaba conectado a una fuente variable de 0-127 V, también se colocó en la parte inferior un luxómetro digital (figura 16), con esto podemos establecer luxes de 0 a 3000. En esta etapa correspondiente al sensor, es muy importante debido a que en ella se realiza una adquisición de las variables físicas que operan con el sistema. Si bien se encuentra variedad de sensores que pueden ser implementados al control, es necesario investigar el principio de funcionamiento y condiciones de operación para cada dispositivo en particular.

Fig.16 Luxómetro digital

3.2.1 Adquisición de datos de los sensores  A continuación se mostraran los dos tipos de sensores que se utilizaron, de los cuales se obtuvieron datos al caracterizarlos y con ellos obtuvimos curvas características que determinaron, el selecciona miento correcto de sensor. 3.2.2 Fotoresistencia (2M) También conocido como fotocelda, son dispositivos de 2 pines con una película sensible a la luz, comúnmente hecha de sulfuro de cadmio (CdS). En la obscuridad, los fotoresistores tienen una alta resistencia, mientras que con luz, sucede lo contrario [11].

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La siguiente tabla 11 contiene las mediciones obtenidas bajo distintos niveles de iluminación para la Fotoresistencia de 2 MΩ:

lux

Resistencia

lux

(KΩ)

0 0.1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

2000 1800 57.5 32.3 22.1 18.1 14.9 13.1 11.68 10.59 9.51 8.87 8.39 7.83 7.63 7.13 6.69 6.4 6.18 6.01 5.78 5.57 5.41 5.31 5.11 4.95 4.8 3.99 3.87 3.834 3.75 3.66 3.57 3.5

330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660

Resistencia lux

Resistencia

(KΩ)

(KΩ)

3.46 3.3 3.31 3.27 3.2 3.15 3.08 3.06 3 2.94 2.93 2.89 2.83 2.82 2.76 2.73 2.71 2.68 2.63 2.6 2.58 2.56 2.55 2.53 2.48 2.45 2.43 2.4 2.38 2.37 2.35 2.33 2.28 2.27

670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 1000

2.27 2.24 2.23 2.2 2.1 2.18 2.15 2.14 2.12 2.1 2.09 2 2.03 2.05 2.03 2.02 1.99 1.97 1.97 1.96 1.93 1.94 1.93 1.91 1.9 1.89 1.88 1.87 1.86 1.85 1.84 1.82 1.82 1.81

Tabla 11. Valores obtenidos de la Fotoresistencia.

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lux

Resistencia (KΩ)

1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500

1.8 1.81 1.79 1.77 1.76 1.76 1.74 1.75 1.74 1.75 1.66 1.59 1.51 1.46 1.41 1.36 1.32 1.27 1.24 1.2 1.18 1.15 1.12 1.1 1.08 1.05 1.03 1.01 1 0.97 0.95 0.94 0.92 0.91

En la figura 17 se muestra la gráfica sobre el comportamiento de la Fotoresistencia con respecto a la intensidad de luz fotoresistencia 2MΩ 1000

y = 225.83x-0.7     )    m     h 100    o    K     (    a    i    c    n    e    t    s    i    s    e    r

Curva original Línea de tendencia

10

1 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

lux

Figura 17. Curva característica de la Fotoresistencia.

3.2.3 Fotodiodo Los fotodiodos sensibles a la luz se hacen de una oblea delgada de silicio que tiene una superficie mucho más grande que un diodo estándar, y con el fin de captar la mayor cantidad de luz posible. Los fotodiodos de silicio responden mejor a la luz del infrarrojo cercano desde alrededor de 800 nm a 900 nm. También responden a longitudes de onda visibles a alrededor de 400 nm [11]. La siguiente tabla 12 contiene las mediciones obtenidas bajo distintos niveles de iluminación para el fotodiodo:

LUX 0 10 20 30 40

volts [mV] 0 290 302.3 311.9 321.1

LUX 340 350 360 370 380

volts [mV] 369.6 370 367.5 367.5 368.5

LUX 680 690 700 710 720

volts [mV] 375.2 375.5 375.6 375.9 375.2

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LUX 1200 1300 1400 1500 1600

volts [mV] 382.4 384.6 386.7 388.3 389.6

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330

329.4 332.9 335.9 340 343.8 345.4 348.4 349.4 350.8 352.7 354.7 356.2 358 359.4 361 362.4 363 364 365.3 366.3 367.1 367.43 367.9 367.9 368 368.7 368.9 368.9 369.9

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670

369.3 369.7 370.4 370.4 370.7 370.9 371.7 372.6 372.6 372.8 373.4 373.7 373 373.3 373.4 373.4 373.5 373.5 373.6 373.7 373.8 373.9 373.9 374 374.2 374.3 374.5 374.6 374.2

730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 1000 1100

375.5 375.2 375.6 375.4 376 376 376.1 376.1 376.2 376.3 376.4 376.4 376.5 376.7 376.7 376.7 376.8 376.8 376.9 377 377.1 377.2 377.2 377.3 377.4 377.6 377.8 377.9 380.3

1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000

Tabla 12. Valores obtenidos del fotodiodo

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391.4 392.2 393.6 394.1 395.2 396.1 397.2 397.6 398.3 399.8 399.6 399.2 399.7 399.5

En la figura 18 se muestra el comportamiento del fotodiodo fotodiodo 450 400 350     ) 300    V    m     ( 250    e    j 200    a    t     l    o 150    v

y = 16.682ln(x) + 267.36 Curva original

100

Línea de tendencia

50 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

luxes

Figura 18. Curva característica del fotodiodo.

Por último el criterio de selección se hiso dependiendo a las respuestas de las curvas características de cada dispositivo. En la Fotoresistencia su curva es casi exponencial y el fotodiodo es casi logarítmica. Los dos dispositivos tiene muy buenos resultados, pero tomaos en cuenta también la senceibilidad del dispositivo el foto diodo es muy sensible capaz de detectar hasta rayos ultravioleta, este dispositivo nos perjudica ya que cualquier tipo luz no deseada modificara la luz artificial. La Fotoresistencia no es muy sensible a otros tipos de luz por lo cual la Fotoresistencia será el dispositivo sensor 3.3 seleccionar un dispositivo de comunicación entre en sensor y actuador Una vez seleccionado el dispositivo, se tiene que establecer u n medio por el cual el micro Controlador reconocerá los valores proporcionados por el dispositivo detector. La Fotoresistencia cambia su resistencia en función de la luz incidente, por lo tanto el micro controlador usado (arduino) no puede reconocer valores en resistencia, solo voltaje. En la siguiente figura 19 se muestra un circuito simple donde aplicamos un divisor de voltaje, Con sólo dos resistencias en serie y un voltaje de entrada, se puede obtener un voltaje de salida equivalente a una fracción del de entrada.

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Vout

Fotoresistencia

R

Vin

Figura 19. Circuito del divisor de voltaje

Vin: 5 V (voltaje nominal usado en todos los circuitos) R: resistencia de cálculo para Vout  =

  ∗ 

 ∗ 

Para R se tiene que en niveles superiores a 10 lux la LDR baja su resistencia en valores de kΩ. En base a valores comerciales de resistencias se prueba el divisor con una R= 10kΩ.

Por lo tanto la ecuación queda de la siguiente forma

 =

10Ω

 ∗ 5 10Ω ∗ 

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Con base a esto obtenemos el interfaz de comunicación entre el sensor y el arduino, la tabla 13 nos muestra los diferentes voltajes de la Fotoresistencia respecto a los niveles de iluminancia. lux 0 0.1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

Vdivisor 0.02487562 0.02762431 0.74074074 1.1820331 1.5576324 1.77935943 2.00803213 2.16450216 2.30627306 2.42836328 2.56278831 2.64970853 2.71886895 2.80426248 2.83607487 2.91885581 2.99580587 3.04878049 3.09023486 3.12304809 3.16856781 3.21130379 3.24464633 3.26583932 3.30906684 3.34448161 3.37837838 3.57398142 3.60490267 3.61428365 3.63636364 3.66032211 3.68459838 3.7037037 3.71471025 3.7593985 3.756574

lux 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780

Vdivisor 3.86398764 3.86697602 3.87897595 3.89711613 3.90015601 3.9184953 3.92772977 3.93391031 3.94321767 3.95882819 3.96825397 3.9745628 3.98089172 3.98406375 3.99042298 4.00641026 4.01606426 4.02252615 4.03225806 4.03877221 4.04203719 4.048583 4.05515004 4.07166124 4.07497963 4.07497963 4.08496732 4.08830744 4.09836066 4.1322314 4.10509031 4.11522634 4.11861614 4.12541254 4.1322314 4.1356493 4.16666667

lux 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200

Vdivisor 4.17710944 4.18060201 4.19111484 4.18760469 4.19111484 4.19815281 4.20168067 4.20521447 4.20875421 4.21229992 4.2158516 4.21940928 4.22297297 4.23011844 4.23011844 4.23370025 4.23728814 4.23370025 4.2408821 4.24808836 4.25170068 4.25170068 4.25894378 4.25531915 4.25894378 4.25531915 4.28816467 4.31406385 4.34404865 4.36300175 4.38212095 4.40140845 4.41696113 4.43655723 4.44839858 4.46428571 4.47227191

Página 39 de 57

lux 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500

Vdivisor 4.54132607 4.54545455 4.55788514 4.56621005 4.57038391 4.57875458 4.58295142

360 370 380 390 400 410

3.76789751 3.78787879 3.80228137 3.82262997 3.82848392 3.84615385

790 800 810 820 830 840

4.15627598 4.14937759 4.15627598 4.15973378 4.17014178 4.17710944

2300 2400 2500 2600 2700 2800

4.48430493 4.49640288 4.5045045 4.51263538 4.52488688 4.53309157

Tabla 13 Valores en términos de voltaje para la Fotoresistencia de 2MΩ con diferentes ni veles de iluminancia.

3.4 seleccionar el tipo de microcontrolador y plataforma hardware y programarlo 3.4.1 Microcontrolador. En términos sencillos, un microcontrolador es un dispositivo que se puede programar para hacer distintas tareas y para ello cuenta con ciertos periféricos para llevarlo a cabo, pero requiere de elementos adicionales para poder interactuar. Es en cierto modo como si tuviéramos el CPU de una computadora, capaz de hacer muchas cosas pero sin el teclado el mouse y una pantalla donde visualizar la información, lo mismo pasa con un microcontrolador, sin teclados, sin conexión a la computadora, sin pantallas, o sin otras interfaces no podríamos hacer un uso del microcontrolador.  Arduino (figura 20), es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open –source) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar.  Además, requiere de un lenguaje de programación para poder ser utilizado y, como su nombre lo dice, programado y configurarlo a nuestra necesidad. Cuenta con 14 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 6 pueden ser utilizados como salidas pulsadas PWM), 6 entradas analógicas, un resonador cerámico de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un encabezamiento ICSP, y un botón de reinicio. [12] [13]

Figura 2013 Arduino uno 13

https://www.arduino.cc/

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 Arduino está constituido en el hardware por un micro controlador principal llamado Atmel AVR de 8 bits (que es programable con un lenguaje de alto nivel), presente en la mayoría de los modelos de Arduino, encargado de realizar los procesos lógicos y matemáticos dentro de la placa, además de controlar y gestionar los recursos de cada uno de los componentes externos conectados a la misma, de forma rápida y sencilla además de económica. Su placa más popular del Arduino UNO, se basa en el microcontrolador Atmega328 (apéndice-2) de  Atmel [12][13], en la figura 21 y 22 se muestra su datasheet del Atmega328 y de del arduino uno.

Figura 2114. Diagrama de pines de atmega328

14

http://www.datasheetcafe.com/atmega328-datasheet-pdf-8-bit-avr-risc-based-microcontroller/

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Figura 2215. Diagrama de pines de arduino uno. 15https://www.google.com.mx/search?q=datasheet+arduino+uno&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwieus_J4 _QAhWhgFQKHe2CBwoQ_AUICCgB&biw=1025&bih=502#imgrc=RXSqXcDXRrBoTM%3ª

3.4.2 El entorno de desarrollo Para programar la placa es necesario descargarse de la página web de Arduino el entorno de desarrollo (IDE). Se dispone de versiones para Windows y para MAC, así como las fuentes para compilarlas en LINUX. En la Figura 23 se muestra el aspecto del entorno de programación.

Figura 23. Entorno de desarrollo. Página 42 de 57

Lo primero que tenemos que hacer para comenzar a trabajar con el entorno de desarrollo de arduino es configurar las comunicaciones entre la placa Arduino y el PC. Para ello deberemos abrir en el menú "Tools" la opción "Serial Port". En esta opción deberemos seleccionar el puerto serie al que está conectada nuestra placa. En Windows, si desconocemos el puerto al que está conectado nuestra placa podemos descubrirlo a través del Administrador de dispositivos (Puertos COM & LPT/ USB Serial Port). El primer paso para comprobar que está bien y familiarizarnos con el interfaz de desarrollo, es abrir uno de los ejemplos. Se recomienda abrir el ejemplo "Blink". Para ello debemos acceder a través del menú File (Sketchbook (Examples (Digital (Blink.). Una vez completado esto disponemos a hacer el programa que controlara el sistema completo, Para poder trabajar con los voltajes a la salida del divisor, el  ATMEGA328 cuenta con 6 entradas marcadas con los subfijos ADC (pines 23 a 28), o por sus siglas en inglés: convertidor analógico-digital de 0 a 5 V. Dicho convertidor tiene una resolución de 10 bits, es decir, 210=1024 valores expresados en número digital. Por ejemplo, si se aplica un voltaje de 5 V a la entrada analógica, el micro controlador lee un valor digital de 1024, si aplicamos 0 V leerá un número digital de 0. Se define así una expresión para el voltaje aplicado en entrada analógica en términos de número digital como:   =  ∗

1024 5

Otro ejemplo aplicando la expresión; si en el divisor se tiene un voltaje Vdivisor =4.583 V, el micro leerá un número digital de 938.6 (número entero). Se tiene así que la resolución del convertidor analógico-digital del micro controlador es de (5V/1024), o aproximadamente 4.8 mV. Con base a la ecuación anterior obtenemos la siguiente tabla 14. lux 0 0.1 10 20 30 40 50 60

num.dig 5.09452736 5.65745856 151.703704 242.080378 319.003115 364.412811 411.24498 443.290043

lux 420 430 440 450 460 470 480 490

num.dig 791.344668 791.95669 794.414275 798.129384 798.75195 802.507837 804.399057 805.664831

lux num.dig 850 855.472013 860 856.187291 870 858.340319 880 857.621441 890 858.340319 900 859.781696 910 860.504202 920 861.227923

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lux 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500

num.dig 930.063579 930.909091 933.454877 935.159817 936.014625 937.728938 938.588451

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410

472.324723 497.3288 524.859047 542.660307 556.824361 574.312956 580.828134 597.78167 613.541043 624.390244 632.880099 639.60025 648.922687 657.675016 664.503569 668.843893 677.696889 684.949833 691.891892 731.951394 738.284066 740.205291 744.727273 749.633968 754.605748 758.518519 760.77266 769.924812 769.346356 771.665411 775.757576 778.707224 782.874618 784.073507 787.692308

500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840

807.570978 810.768013 812.698413 813.990461 815.286624 815.936255 817.238627 820.512821 822.48996 823.813355 825.806452 827.140549 827.809216 829.149798 830.494728 833.876221 834.555827 834.555827 836.601307 837.285364 839.344262 846.280992 840.722496 842.798354 843.492586 844.884488 846.280992 846.980976 853.333333 851.20532 849.792531 851.20532 851.913478 854.045038 855.472013

930 940 950 960 970 980 990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800

861.952862 862.679023 863.406408 864.135021 864.864865 866.328257 866.328257 867.061812 867.79661 867.061812 868.532655 870.008496 870.748299 870.748299 872.231687 871.489362 872.231687 871.489362 878.216123 883.520276 889.661164 893.542757 897.45837 901.408451 904.59364 908.606921 911.032028 914.285714 915.921288 918.38565 920.863309 922.522523 924.187726 926.696833 928.377153

Tabla 14. Valores en términos de voltaje para LDR 2 MΩ con diferentes niveles de iluminancia

Finalmente usando los datos de la tabla 14 obtenemos una gráfica que se muestra en la figura 24, su curva característica muestra valores de iluminancia en función del voltaje Vdivisor pasado a valores digitales por el convertidor ADC del ATMEGA328. Página 44 de 57

numero dig. vs lux 700

Datos Tendencia expo

600 500

y = 4.3882e0.0058x

   x400    u300     l 200 100 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

numero digital Figura 24. Curva característica y su tendencia exponencial interpretada por arduino uno.

De acuerdo con la ecuación obtenida en la gráfica anterior, programamos el arduino con su estructura de programación. El la figura 25 se muestra el código. Código del sensor (luxómetro digital)

Figura 25. Estructura del código del sensor

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Cargamos el código y vemos si no hay errores. En circuito eléctrico del sensor y el arduino es muy simple en la siguiente figura 26 se muestra su diagrama

Figura 26. Conexión de la Fotoresistencia a arduino

En la figura anterior se muestra como el Vdivisor se conecta a la entrada analógica  A0, habilitando el programa cargado. Una vez conectado el circuito en una tablilla de pruebas (protoboard). Conectamos la tarjeta arduino uno a la computadora y cargamos el programa, comprobamos si realmente está funcionando, para comprobarlo abrimos el monitor serial, y comprobamos que funciones nuestro luxómetro digital en la siguiente figura 27 se muestran los resultados comprados con otro luxómetro digital ya comercializado.

Figura 27. Luxes medidos por el sensor Página 46 de 57

Se observa en esta prueba que x guarda en número digital (780) el voltaje del divisor aplicado al pin 23 (ADC0) del micro controlador. Despejando Vdivisor:

  =  ∗   =   ∗

5 1024

1024 5

 = 780 ∗

5 1024

 = 3.80

Tenemos un voltaje de 3.80 V en ADC0 en ese momento y una iluminancia interpretada por el sensor de 404 luxes. Al verificar con el luxómetro digital usado en las pruebas de dispositivos figura 28, se tiene que la aproximación es bastante buena por lo que el sensor queda listo para integrar al sistema.

Figura 28. Luxómetro digital

Como siguiente paso tenemos que establecer el sistema actuador que permitir dimear la luminaria LED, eso lo hacemos mediante un ancho de pulso, igual el arduino lo tiene integrado en sus salidas digitales (PWM ~) no permite economizar.

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3.4.3 PWM16 Modulación de ancho de pulso o PWM, es una técnica para obtener resultados análogos con medios digitales. Se utiliza para crear una onda cuadrada, una señal de conmutación entre encendido y apagado. Este patrón de encendido y apagado puede simular tensiones en el medio completo en (5 voltios) y desactivación (0 voltios) cambiando la parte de las veces la señal pasa en comparación con el tiempo que la señal pasa fuera. La duración del "tiempo" se llama el ancho de pulso. Para conseguir variando los valores analógicos, se cambia, o modular, que el ancho de pulso. Si repite este patrón de encendido y apagado suficientemente rápido con un LED por ejemplo, el resultado es como si la señal es una tensión constante entre 0 y 5V controlar el brillo del LED. En la siguiente figura 29, las líneas verdes representan un período de tiempo regular. Esta duración o período es la inversa de la frecuencia PWM. En otras palabras, con frecuencia PWM del Arduino a aproximadamente 500 Hz, las líneas verdes medirían 2 milisegundos cada uno. Una llamada a analogWrite () es en una escala de 0 - 255, de tal manera que analogWrite (255) solicita un ciclo de trabajo del 100% (siempre encendido), y analogWrite (127) es un ciclo de trabajo del 50% (la mitad del tiempo) para ejemplo.

Figura 2916. Modulación del ancho de pulso 16

https://www.arduino.cc/en/Tutorial/PWM

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El código por modulación de ancho de pulso es muy sencillo en la siguiente figura30 se muestra el código.

Figura 30. Código de programación PWM

En código que se muestra en la figura anterior, eta conectado al pin 9 de salida digital, la modulación de ancho de pulso la hace por ciclos de segundos automáticos, en nuestro caso el código cambia un poco ya que nosotros necesitamos que el ancho de pulso varié dependiendo al voltaje del Vdivisor . Una vez funcionando el sensor y el PWM de manera individual, se hace ahora la comunicación entre el sensor y el PWM, el sensor tiene como finalidad medir los niveles de iluminación en el plano de trabajo y con esto indicar al PWM si requiere incrementar o disminuirlo su ancho de pulso y con esto dimear la luminaria LED 3.5 diseño del circuito eléctrico para la iluminación artificial con LED’s. Cabe mencionar, en la salida digital PWM se utilizó un mosfet 17 figura 31 con la finalidad de conmutar las señales de salidas y así poder tener una regulación de la onda cuadrada en la luminaria LED.

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Figura 31. Mosfet IRLZ34 17 17

http://www.vishay.com/docs/91327/91327.pdf

En la figura 32 se muestra el circuito que integra todo el sistema.

3.6 Ensamblaje de dispositivos Como fuente de luz utilizamos una tira de LED’s, u na vez teniendo todos los componentes, los ensamblamos en una tablilla de pruebas (protoboard). Con la finalidad de comprobar que no existente errores tanto en el código como en el circuito. En la figura 33 se muestra el circuito armado en la tablilla.

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Figura 33. Circuito armado en una tablilla de conexiones

3.7 Análisis y resultados Para las pruebas se utilizó una tira flexible de 300 LED’s18 de 15 watts con un flujo de 700-800 lúmenes (figura 34), estas pruebas como se menciona anteriormente se hicieron entre diferentes zonas de trabajo, en una oficina y en dos aulas, una totalmente cubierta por árboles (aula 2) y otra libre de ellos (aula 1), y así observar la cantidad de luxes que hay en cada una de las zonas, y así poder enfatizar sobre el control de la luminaria y sobre el ahorro energético, en la tabla 3 y 4 se muestran las especificaciones de estas.

Figura 3418. Tira de LED’s

18

http://www.agspecinfo.com/pdfs/F/FSL-NWB.PDF

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Para comprobar y ver que el funcionamiento correcto de este control, en las siguientes figuras nos muestra el ciclo de trabajo con diferentes condiciones. A continuación se describe cada una de estas figuras Figura 35, oficina vemos un ciclo de trabajo con un poco más del 50% de trabajo por lo cual la luminaria LED solo encenderá ese 50%, en la zona de la oficina se tomó la medición a la 13:00 horas cuando el sol está a su máxima irradiación, pero por la película obscura que tiene las ventanas no se aprovecha en su totalidad la luz natural.

Figura 35. Ciclo de trabajo de la oficina

 Aula 1, en la figura 36 observamos un siclo de trabajo casi cero (0) este se debe que la luz natural está aprovechándose por completo, se hiso la prueba cerrando una de las persianas y se observó en la figura 37 solo aprovechamos el 50% de la luz natural

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Figura 36. Ciclo de trabajo casi 0

Figura 37. Ciclo de trabajo del 50%

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3.8 conclusión En la actualidad el ahorro de energía ha sido uno de los grande s temas por abarcar y conocer, este proyecto se hace con la finalidad de reducir el consumo de la energía eléctrica y aprovechar más los recursos naturales, el controlador está diseñado para espacios interiores y así aprovechar más la luz natural. Cabe mencionar que este tipo de controlador es solo para lámparas LED’s ya que estas en un futuro no muy lejano serán las que dominen el mercado, escogimos estas lámparas porque su potencia es muy pequeña en comparación con las lámparas fluorescentes, incandescentes etc. Durante las pruebas las lámparas LED’s dieron muy buenos resultados, y con arreglos adecuados podemos llegar a un nivel de lúmenes requeridos. Por otra parte la tarjeta electrónica arduino uno nos permite modificar el código, ya sea para implementar otras utilidades hacia la luminaria, o poder implementar otro tipo de control ahí mismo como por ejemplo, un detector de humo. Otra ventaja que tiene este es sobre su funcionamiento por bluetooh, así mismo hacer la conexión sin necesidad de conductores.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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

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