Departamento de Tecnología Electrónica PROYECTO FIN DE CARRERA SISTEMA DE ILUMINACIÓN CONTROLADA PARA EVALUACIÓN DE RENDIMIENTO Autor: Alberto López Serna Tutor: Raúl Sanchez Reillo Leganés, Noviembre de 2010 ii Título: SISTEM A DE ILUMINACIÓN CONTROLADA PARA EVALUACIÓN DE RENDIMIENTO Autor: Alberto Lopez Serna Director: EL TRIBUNAL Presidente: Luis Mengibar Pozo Vocal: Juan Vázquez Martínez Secretario: Julio Villena Román Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el día 18 de Noviembre de 2010 en Leganés, en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIÓN de VOCAL SECRETARIO PRESIDENTE iii iv Agradecimientos Son tantos los factores del día a día que se producen aleatoriamente que influyen directamente en cada una de las decisiones que tomamos, que somos incapaces en ocasiones de saber el porqué de la toma de esas decisiones. Lo mismo ocurre con los agradecimientos en algún área de nuestra vida, que si realmente tuviésemos en cuenta todos los factores, habría que dar las gracias hasta nuestro peor enemigo. Por eso, no solamente voy a dar las gracias a las personas que realmente me han ayudado sino también a esas tantas que a lo mejor han puesto algún obstáculo ó aquellos factores y circunstancias que no me han puesto las cosas tan sencillas, quizás si no tuviese en cuenta todo lo que me ha pasado, puede que no estaría haciendo esto. Gracias a mi tutor del proyecto, Raúl, por todas las cosas que he aprendido, por hacer todo más fácil y por todas las facilidades que me has dado con todo. Por supuesto doy las gracias a mis padres, ellos ya saben por qué. La otra persona más importante es mi novia de los últimos 4 años, Rocío, ella sabe que sin su apoyo, cariño, comprensión, entrega y amor simplemente esto no hubiese ido igual, gracias por todo, sabes perfectamente que formas parte de esto. Gracias a Roldi, mi amigo de toda la vida, gracias por tu lealtad, por ser amigo como pocos, por todos estos años y por estar desde pequeños en este largo camino. Sin lugar a dudas, gracias a Alex y Moli, por ser mis carriles en mis primeros pasos en la universidad, sin vuestra experiencia y consejos en lugar de haber ido todo esto así de bien, hubiese estado en 6ª en más de alguna asignatura con las “reglas temblando” y montando shows en la Machado por las noches con 30 años. Vosotros sabéis perfectamente que habéis sido clave. No iban a faltar los hermanos Rueda, sin “la piña”, dónde estaríamos…Gracias por todas esas mañanas, tardes, noches deambulando por las bibliotecas, aunque perdiésemos los días de estudio, pero “la piña” y el bocata de lomo-queso siempre nos salva. A Dani por todas esas anécdotas que quedan para el recuerdo y al grandísimo Riga por todo su interés, vitalidad, inquietud y simplemente por ser un amigo. Agradecer a Aaron por ser un auténtico punto de apoyo todos los días, estar siempre ahí, por nuestra amistad día a día desde nuestro Almería 2005, por esas fechas empezaba toda esta andadura, el resto él lo sabe todo. Gracias a todos, y sobre todo a mis padres por dármelo absolutamente todo. v Resumen Este proyecto trata de la realización de un posible diseño de un “sistema de iluminación para evaluación de rendimiento”. Éste sistema tiene que ser capaz de emitir en 3 longitudes de onda de diferentes, controlando la intensidad luminosa, la frecuencia de parpadeo y la orientación de la dirección de la luz. El sistema de iluminación se instalará dentro de un puesto de laboratorio que tiene forma de prisma octogonal para un centro de ensayos del parque tecnológico de la Universidad Carlos III. En este puesto en forma de prisma – jaula octogonal se llevarán a cabo ensayos relacionados con tecnologías y técnicas de identificación basados en estudios biométricos. La idea y objetivo principal del sistema de iluminación controlada que se ha diseñado en este proyecto, es la construcción de unos soportes o barras que sean capaz de emitir en las 3 longitudes de onda que tiene que emitir el sistema. Estas barras de iluminación serán instaladas en las aristas metálicas del puesto de laboratorio de la jaula octogonal, siendo importante que la fabricación de los soportes de las barras sea capaz de orientar la luz. El tipo de iluminación elegido para estas barras es de tipo LED. Los LED usados son LED de potencia, fabricados específicamente para ser utilizados en sistemas de iluminación, estos semiconductores se caracterizan por su gran eficacia, baja relación potencia-consumo y clara representación de ejemplo de energía sostenible y eficiencia energética. La alimentación del sistema de iluminación es otro de los objetivos de gran relevancia del proyecto, ya que van a ser numerosos el número de LEDs de potencia y de barras dónde van a ser instalados. Por tanto, es imprescindible estimar un consumo aproximado del sistema, así como la elección de los componentes. Se han realizado varios ensayos y múltiples mediciones de las barras de LEDs de potencia para ver el rendimiento del sistema diseñado. Además para comprobar la validez de los componentes LED elegidos tanto en potencia como en calidad de longitud de onda, ha sido necesario el estudio de los espectros electromagnéticos emitidos por las barras de LED de potencia. Se ha realizado un sistema de control básico mediante un microcontrolador, a través de una señal de control de anchura de pulso PWM, se regula la intensidad luminosa y parpadeo del sistema de iluminación. También se ha diseñado las barras de LEDs de potencia para que se pueda controlar el apagado, el encendido y la selección de color de cada barra. Por último, este proyecto se ha encargado de realizar diferentes diseños de conexionado, ya que hay multitud de conexiones. Además se han resuelto algunos posibles problemas futuros respecto a la conexión múltiple de señales de control y posibles caídas de tensión por la longitud del conexionado. vi vii Abstract This project is the realization of a possible design of a “lighting system for performance evaluation”. This system must be capable of emitting at 3 different wavelengths by controlling light intensity, flicker frequency and orientation of the direction of light. The lighting system will be installed in a laboratory that includes a laboratory set in the shape of an octagonal prism and will be located in the technology park at Universidad Carlos III. In this laboratory, tests will be carried out relating to the technologies and techniques of identification based on biometric studies. The main idea and objective of the lighting controlled system that has been designed in this project is the construction of some supports or bars that are capable of emitting in the 3 wavelengths that the system needs. These light bars will be installed on the metal edges of the laboratory set with octagonal shape, it’s important to the manufacture that the supports of the bars are capable of guiding light. The type of lighting chosen for these bars is LED (Light Emitting Diode). The LEDs that have been used are power LEDs, manufactured specifically for use in lighting systems. These semiconductors are characterized by high efficiency, low power- consumption and represent a clear example of sustainable energy and energy efficiency. The lighting system's power supply is another highly relevant objective of the project. They will be installed in many power LEDs and bars. Consequently, it’s essential to estimate the system's approximate consumption, and the selection of components. There have been several power LED trials and many measurements of power LED bar performance for the designed system. In addition, to test LED components in both power and quality of wavelength, it was necessary to study the electromagnetic spectrum emitted by power LED bars. A basic control system has been realized, using a microcontroller via a control signal PWM (pulse width modulation), that regulates the light intensity and flicker of the lighting system. LED bars have also been designed that have the power to control the shutdown, power and choice of color for each bar. In conclusion, this project has been responsible for realizing different connection designs, as there are many connections. In addition, some possible future problems have been resolved, with respect to multiple connection control signals and possible voltage drops due to the length of wiring. viii Índice general 1. CAPÍTULO 1: Introducción y objetivos .............................................. 1 1.1. Introducción ......................................................................................................... 2 1.2. Objetivos .............................................................................................................. 3 1.3. Fases de desarrollo ............................................................................................... 5 1.4. Medios empleados ................................................................................................ 7 1.5. Objetivos principales .......................................................................................... 10 1.6. Estructura memoria ............................................................................................ 11 2. CAPÍTULO 2: Estado del arte ............................................................ 12 2.1. Diodos LED........................................................................................................ 13 2.1.1. Qué es un LED. Inicio de fabricación. ........................................................ 13 2.1.2. Color de los LED ........................................................................................ 14 2.1.3. Alimentación de los LED............................................................................ 16 2.1.4. Aplicaciones ................................................................................................ 16 2.2. Union p-n............................................................................................................ 18 2.3. Power LEDs (LEDs de potencia) ....................................................................... 20 2.3.1. Introducción POWER LED ........................................................................ 20 2.3.2. Diferencias entre LED y POWER LED ...................................................... 20 2.3.3. Alimentación POWER LED ....................................................................... 22 2.3.4. Tiempo de vida de los POWER LED ......................................................... 22 2.3.5. Regulación de la luminosidad ..................................................................... 23 2.3.6. Relación potencia-luminosidad ................................................................... 23 2.3.7. Haz luminoso .............................................................................................. 24 2.3.8. Lentes suplementarias ................................................................................. 24 2.4. Características iluminación con power LEDs .................................................... 26 2.4.1. Diferencias principales sistemas iluminación convencionales ................... 26 2.4.2. Principales ventajas iluminación con POWER LEDS ................................ 27 2.5. Eficiencia energética. implantación iluminación LED ...................................... 28 2.5.1. Introducción eficiencia energética .............................................................. 28 2.5.2. Sustitución sistemas iluminación convencionales por LEDs...................... 29 2.5.3. Eficiencia energética ................................................................................... 30 3. CAPÍTULO 3: Sistema iluminación controlada por power LEDs para evaluación rendimiento ...................................................................... 33 3.1. Restricciones y especificaciones del sistema ..................................................... 34 3.1.1. Color ........................................................................................................... 35 3.1.2. Intensidad de la luz ..................................................................................... 36 3.1.3. Frecuencia de parpadeo. Flicker. ................................................................ 37 3.1.4. PWM común y activación barras. ............................................................... 37 3.2. Diseño electrónico .............................................................................................. 37 3.2.1. LEDS........................................................................................................... 38 3.2.1.1. Instalacion power LEDs ...................................................................... 40 3.2.1.2. Blanco Natural (Pure white) ................................................................ 40 3.2.1.3. Blanco incandescente (Warm White) .................................................. 40 3.2.1.4. Infrarrojo .............................................................................................. 41 3.2.2. Driver .......................................................................................................... 41 3.2.2.1. Conexiones driver con LEDs ............................................................... 43 3.2.3. Microcontrolador ........................................................................................ 44 3.2.4. Alimentación ............................................................................................... 45 3.3. Lentes y Reflectores ........................................................................................... 46 3.3.1. Reflectores .................................................................................................. 47 3.3.2. Lentes .......................................................................................................... 48 3.4. Parte térmica y construcción .............................................................................. 49 3.4.1. Cinta Kapton ............................................................................................... 50 3.4.2. Disipadores ................................................................................................. 51 3.5. Construcción sistema iluminación ..................................................................... 54 3.5.1. Prototipo barra de LEDs ............................................................................. 54 3.5.2. Posible construcción ................................................................................... 55 4. CAPÍTULO 4: Mediciones y resultados ............................................. 57 4.1. Comparativa espectros electromagnéticos ......................................................... 58 4.1.1. Espectro luz solar ........................................................................................ 58 4.1.2. Comparativa espectro LEDs blanco puro ................................................... 60 4.1.2.1. Medida sin lente (cool white) .............................................................. 60 4.1.2.2. Medida con lente (cool white) ............................................................. 61