Sistemas de atenuación LED y su relación con el problema de flicker

Tendencias en iluminación como Human Centric Lighting o Dynamic White dependen en gran medida de estos sistemas, de igual modo con sus posibles dificultades.

Con información de Acuity Brands

Debido a que el LED es un dispositivo semiconductor responde con mayor velocidad a las variaciones en la señal de entrada, lo que genera un aumento de sensibilidad a las fluctuaciones en la corriente y por tanto un ocasional problema de flicker o parpadeo. Si a esto se agrega que en los últimos años ha ido en aumento el uso de sistemas de control para cambiar la intensidad o tonalidad de las luminarias es importante reconocer cómo funcionan respecto al flujo de corriente y de qué forma puede afectar dicho efecto a este tipo de controles.

Para atenuar un LED, el controlador debe reducir la corriente promedio. Hay dos técnicas convencionales para lograrlo:

  • Reducción de corriente constante (CCR): Método simple donde se suministra corriente continua para mantener el LED encendido, reduce la salida y el brillo percibido.
  • Modulación de ancho de pulso (PWM): la corriente suministrada al LED se cambia continuamente entre encendido y apagado. Cuanto más tiempo esté completamente apagado el LED, más se atenuará su salida.
Fig.1: la forma de onda de la corriente de atenuación de un controlador controlado por PWM (izquierda) y de un controlador CCR (derecha).

PWM es la técnica de atenuación más utilizada, ya que produce una regulación precisa de la corriente hasta niveles de atenuación bajos. Sin embargo, la PWM tienes dos puntos en su contra:

  • El potencial de generar ruido eléctrico. Esto interrumpe el funcionamiento de los circuitos electrónicos cercanos.
  • Parpadeo desagradable y/o dañino, que depende de la frecuencia y amplitud con la que el controlador cambia el suministro de LED.

Por otro lado, la CCR no cambia por lo que hay una atenuación suave sin parpadeo ni ruido eléctrico. Además, mantiene una mayor eficacia del LED a niveles de atenuación bajos, ya que el LED funciona con una corriente de accionamiento baja.

No obstante, estas cualidades no son suficientes para que la CCR sea la técnica de atenuación ideal. En principio se debe a que su control no es lo suficientemente preciso para regular eficazmente el brillo del LED a niveles de atenuación del 10% o menos. Nuestros ojos son sumamente sensibles a la luz intensa y profundamente atenuada, incluso la pequeña variación de la corriente CCR puede producir un cambio visible en el brillo.

Otra preocupación que atañe a los diseñadores de iluminación es que algunos LED sufren cambios de color no uniformes, que ocurren cuando la corriente de excitación varía de su valor nominal. Como resultado, afecta la operación de ajuste de color en el sistema de un dispositivo de iluminación blanco dinámico.

Ni la técnica PWM ni la CCR pueden implementar la funcionalidad de oscurecimiento controlado. Mientras que el ojo humano puede percibir un cambio gradual en el brillo a medida que el nivel de atenuación cae del 1% al 0.1%, ambas técnicas funcionan mal cuando se atenúa por debajo del 1%. La atenuación precisa a niveles <10% es un requisito esencial de un sistema de iluminación blanca sintonizable. Los dispositivos utilizados en la iluminación blanca dinámica hoy en día implementan principalmente PWM en lugar de control CCR, lo que genera a largo plazo un problema importante como lo es el flicker.

La principal preocupación con el parpadeo tiene que ver con la comodidad y la salud. Se han vinculado los efectos del parpadeo con repercusiones negativas en el cuerpo humano como:

  • Dolores de cabeza, fatiga, visión borrosa y cansancio visual.
  • Problemas neurológicos como ataques epilépticos.
  • Mayor prevalencia de comportamientos autistas, especialmente en niños

Mientras crece la demanda de iluminación ‘natural’, la tecnología de iluminación parece ser responsable de las respuestas poco saludables. Este efecto se agrava en los sistemas de blanco dinámico compuestos por múltiples canales LED. En estos casos, el efecto de ‘atenuación cruzada’ produce fuentes de parpadeo en conflicto a diferentes frecuencias, lo que resulta en series inestables y desorientadoras de cambios de alta frecuencia en el color y la intensidad.

IEEE 1789 como el estándar de parpadeo ideal
Hasta el momento es la única regulación que proporciona el marco integral para evaluar los efectos detectables e indetectables del parpadeo producido por una luz LED en la salud y la comodidad humana. Los factores que determinan si el parpadeo es seguro son la frecuencia y el porcentaje de parpadeo. En términos generales, cuanto mayor es la frecuencia menos efecto tiene en el sistema óptico humano.

También se debe considerar el porcentaje de desviación de intensidad entre los puntos alto y bajo del ciclo de conmutación de la luz. Si un LED de alta potencia se cambia de plena potencia a cero y viceversa, el impacto visual es mucho mayor que si se cambia del 55% de plena potencia al 45% y viceversa.

La especificación IEEE 1789 determina qué frecuencia de parpadeo y combinaciones de porcentaje son detectables y la metodología para trazar los distintos niveles de atenuación de una luz en un gráfico de tres colores:

  • Verde: seguro
  • Amarillo: daño / riesgo moderado
  • Blanco: detectable por el ojo humano

La figura 2 muestra el gráfico IEEE 1789 para un controlador LED PWM de uso frecuente. Se observa que los LEDs alimentados por este tipo de controlador emiten un parpadeo dañino en varios niveles de atenuación. Estos resultados son típicos de los puntajes de pruebas producidas por muchos controladores PWM en el mercado actual.

Fig.2: Gráfico de seguridad de parpadeo IEEE 1789 para un controlador PWM de uso común en instalaciones de iluminación LED en la actualidad.

Hybrid HydraDrive: una técnica de atenuación a prueba de parpadeos
Existe una tercera técnica que cumple con todos los requisitos de atenuación natural en los sistemas de iluminación blanca dinámica. El Hybrid HydraDrive de eldoLED utiliza una corriente reducida en combinación con una frecuencia variable para lograr una atenuación natural a la oscuridad y optimizar el rendimiento del parpadeo.

Fig.3: la forma de onda actual de la técnica de atenuación Hybrid HydraDrive utilizada en los controladores eldoLED.

La figura 3 muestra la forma de onda actual de Hybrid HydraDrive en modo de atenuación. Bajar la corriente PWM modificada reduce el porcentaje de parpadeo. El esquema PWM modificado proporciona un control detallado de la corriente promedio suministrada a los LEDs. Esto también proporciona un excelente control de la regulación y un brillo preciso hasta niveles de atenuación profundos. La frecuencia variable del esquema PWM reduce el impacto del ruido en los dispositivos externos, mientras mantiene un ciclo de trabajo alto para proporcionar una frecuencia de parpadeo alta en todo el rango de atenuación.

Como resultado, la tecnología Hybrid HydraDrive patentada de eldoLED produce una atenuación precisa, con una capacidad total de oscurecimiento (atenuación del 0,1%). El parpadeo permanece en la zona verde ‘segura’ de la IEEE 1789 en todos los niveles de atenuación, como se muestra en la figura 4.

Fig.4: Gráfico de seguridad de parpadeo IEEE 1789 para el controlador LED eldoLED en un rango de atenuación del 100% al 1%.

La misma tecnología de atenuación Hybrid HydraDrive también se implementa en la gama DUALdrive, que incluyen controladores de dos canales para su uso en luminarias blancas dinámicas y con sintonización de color.

Finalmente es importante señalar que este sistema se puede encontrar en las luminarias de Acuity Brands.

[box] Destacada: Forum Groningen, Paises Bajos. Estudio TDE-lighttech. Imagen: Roos Aldeshoff [/box]

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