Reflexiones para desarrollar un sistema customizado LED

Hasta no hace mucho tiempo, los fabricantes de luminarias «vestían» una fuente de luz, con lo que quedaban limitados al formato de esta fuente. Sin embargo, la aparición del LED ha hecho que esta norma no siempre sea aplicable, aunque surgen nuevos condicionantes. 

Los fabricantes desarrollan las envolventes con su fuente de luz y, para ello, deben integrar en sus proyectos la electrónica. Más allá de la fuente de luz, pues, deben considerar también los sistemas de alimentación necesarios y la conectividad de la luminaria.

El método de JVV Grup

Desde JVV Grup, ingeniería electrónica con más de 15 años de experiencia en el desarrollo de sistemas LED, hemos creado un procedimiento para garantizar el éxito del proyecto. Y es que los conocimientos sobre ingeniería electrónica y LED no son suficientes.

Estos deben extenderse a la luminotecnia, la conectividad, la mecánica y la gestión térmica, así como a las normativas aplicables en la industria de la iluminación. Es importante tener presente que todas estas materias están estrechamente vinculadas, e ignorar alguna de ellas puede llevar al fracaso del desarrollo del proyecto de electrónica asociada a la luminaria.

Por ello, y antes de iniciar el desarrollo de la luminaria LED propiamente dicha, debemos estudiar el entorno de aplicación y sus condicionantes. Una vez recopilada toda esta información, entonces sí, procedemos al desarrollo de la electrónica. 

Puntos de estudio antes de iniciar el desarrollo

Estos son algunos factores que influyen en las necesidades y los resultados del proyecto y que, por lo tanto, hemos de contemplar en el estudio inicial:

1. Análisis de patentes. En un entorno con muchas patentes en curso, es importante analizar si la luminaria a desarrollar colisiona con alguna de ellas.
2. Aplicación. El formato de la luminaria, el entorno de aplicación y el mercado al que se dirige condicionan el perfil del equipo a desarrollar. Una luminaria para entornos hospitalarios difiere mucho de una de sobremesa, por lo que en cada caso hemos de seleccionar diferentes tipos de LED y distintas estructuras.
3. Normativa. No se puede ignorar la normativa que aplica en cada caso y que puede restringir el el tipo de alimentación, la estanqueidad, los materiales, el impacto, etc. Actualmente se están adaptando las normativas existentes a la tecnología LED, además de generarse normas específicas para luminarias, sistemas de alimentación del LED, conectividad, ZHAGA, etc.
4. Características luminotécnicas. Es fundamental saber qué fotometría se desea obtener, así como conocer el nivel de deslumbramiento, la eficacia del sistema, etc.
5. Ópticas. En la mayoría de los casos se tiende a integrar material ya existente para resolver las necesidades luminotécnicas. Por eso, dependiendo del volumen del proyecto, queda justificado el desarrollo de un sistema óptico (reflector, óptico o la combinación de ambos).
6. Estructura mecánica/Disipación térmica. Para garantizar un funcionamiento correcto y una buena longevidad, cualquier sistema LED debe poder evacuar el calor excedente. Para ello es imprescindible calcular la disipación térmica necesaria, así como dotar al proyecto con materiales conductores térmicos (circuitos, alfombrillas térmicas o la misma estructura de la luminaria).
7. Alimentación/Estructura eléctrica. Como norma general se opta por corrientes de alimentación estándar (350, 500, 700, 1050 mA), para disponer de alternativas de suministro. No obstante, en ocasiones se opta por trabajar con fuentes de tensión e integrar sobre la luminaria un convertidor de corriente constante.
8. Conectividad. Cada vez más, las luminarias están vinculadas al entorno de control. Por eso, antes de empezar con el desarrollo, se debe definir cuál es la plataforma de comunicación o control aplicable (DALI, DMX, 0-10V, Casambi, WIZ, Tuya, etc).
9. Materiales asociados. Por último, hemos de tener claro qué materiales vamos a integrar en el conjunto electrónico. Conectórica, cableado, colas técnicas y cualquier otro material asociado deben cumplir con la normativa aplicable, además de no interferir en el sistema LED.

Desarrollo de la electrónica

Una vez conocemos bien el entorno de la luminaria, podemos proceder al desarrollo de la electrónica asociada al proyecto. Generalmente, tiene 2 grandes bloques: la fuente de luz (PCB LED) y el sistema de control y/o alimentación

1: PCB LED

Estos son los pasos a seguir en esta fase del proyecto:

A. Determinación del LED. La elección de la fuente de luz es determinante para el éxito del proyecto. Tengamos presente que la tecnología LED, actualmente, obtiene eficiencias elevadas en cualquier encapsulado, por lo que los principales condicionantes en la selección del LED son fotométricos, estructurales y logísticos (determinantes en una situación de escasez de materiales).

La experiencia y el conocimiento del global de condicionantes permiten acotar la elección.

B. Determinación del circuito impreso. El principal condicionante es la energía térmica que hay que evacuar de los LED.

Un circuito de fibra de vidrio tiene muy poca, por no decir nula, capacidad de transmisión térmica. En cambio, en el otro extremo están los circuitos de base metálica de aluminio o cobre. Por otro lado, la corriente que fluye sobe el circuito condicionará el grueso de cobre sobre el que se insertan los componentes. 

Independientemente de los materiales y sus características, el manipulador/fabricante de los circuitos es tanto o más importante que la materia prima. La tendencia actual de los LED es la miniaturización, y esto supone que las tolerancias en la producción de circuitos son determinantes. Un fabricante convencional debe adecuar su maquinaria y procedimientos para la correcta manufactura de circuitos para LED.

C. Conectórica. Existen conectores con extractores de cable y con conexión por la parte inferior del circuito, así como con múltiples potencias y formatos. Solo con la información adecuada se puede seleccionar el dispositivo más adecuado.

A menudo se opta por soldar directamente sobre el circuito el cable o la manguera. Esta es una solución robusta y económica, aunque se debe tener muy presente el formato del conductor, su distribución en el interior de la luminaria y su mantenimiento dentro del mundo cada día más vigente de la economía circular.

D. Desarrollo

Con cada uno de los componentes definidos (LED, circuito y conectórica), ahora sí, procedemos a diseñar el esquema eléctrico del circuito. 

Posteriormente, diseñamos el circuito impreso, teniendo en consideración las limitaciones y la estructura mecánica, las normativas, la rigidez dieléctrica requerida, la intensidad/grueso de pistas, el marcado de la información sobre el circuito, la huella del LED, los puntos de test, etc.

Es imprescindible disponer de suficiente experiencia en el diseño del circuito para su industrialización con éxito. Los útiles de montaje y puesta en marcha, las huellas del LED y los materiales deben estar perfectamente definidos.

Una vez tenemos el soporte CAD, llevamos a la práctica el circuito con unos prototipos. Estos equipos permiten evaluar el comportamiento estimado (eléctrico, óptico, mecánico y térmico). Se realizan también fotometrías y ensayos térmicos (mediante cámaras termográficas y datalogger). Así, si la valoración del circuito es positiva, se valida la documentación y se prepara todo lo necesario para su industrialización en serie.

Debemos considerar que la tecnología LED es excepcionalmente sensible a tracciones mecánicas, ambientes químicos e industrializaciones incorrectas. El proceso de soldadura, por su parte, es crítico para obtener un resultado óptimo. Por eso es importante supervisar las producciones mediante RX para detectar posibles burbujas de aire en las soldaduras (voids), siempre dejando la manipulación a cargo de personal correctamente formado, y contar con un embalaje adecuado, entre otras cosas.

E. Gestión de la calidad

Un sistema integral de gestión de la calidad que abarque desde la gestión y la selección de proveedores y componentes, los procedimientos de desarrollo y la validación de los prototipos hasta el control del proceso productivo y el test final del producto es esencial para poder garantizar en el tiempo las prestaciones requeridas por la luminaria y su entorno.

2: ALIMENTACIÓN / CONECTIVIDAD

Una luminaria siempre estará vinculada a un driver, ya sea de corriente o de tensión. Sin embargo, se debe contemplar también la conectividad del equipo a desarrollar y en qué entorno va a vincularse.

Hoy en día hay múltiples opciones para comunicar la luminaria con un entorno conectado (DALI, DMX, 0-10V, 1-10V, Casambi, WIZ, Tuya, etc.). Por eso, algunas cuestiones a evaluar son cuáles son las plataformas adecuadas (o cuál es, si solo se elige una), cómo se van a integrar en la luminaria y si la conectividad va a estar en manos de un driver.

En resumen, cualquier desarrollo se inicia a partir de un concepto y queda cerrado con la entrega del producto.

Para conocer más sobre nuestros servicios, puede visualizar este VÍDEO 

 

Autor: Jordi Verdaguer CEO en JVV Grup Ingeniería Electrónica